橫波地震勘查在活斷層探測中的應用與進展

陸一鋒 閆 敏

（江蘇長江地質(zhì)勘查院，江蘇 南京 210046）

活斷層是新構(gòu)造運動和活動構(gòu)造作用中的最重要的構(gòu)造表現(xiàn)形式和研究對象[1]。定義活斷層需具備4條基本要素[2]：（1）活斷層在現(xiàn)今地震構(gòu)造時期中存在錯位現(xiàn)象；（2）活斷層具有未來重新發(fā)生或復活錯動的可能性和傾向性；（3）活斷層在地貌學方面顯示出具有近代活動性的證據(jù)；（4）活斷層伴隨有地震活動性。其往往控制最新沉積物的分布和現(xiàn)今地貌的格局，作為活動性斷層，在城市發(fā)展和城鎮(zhèn)建設過程中，有必要對活斷層進行更深入的危險性評估[3]。

橫波地震勘查是利用橫波在地層中傳播，探查地下空間結(jié)構(gòu)及巖性的地震勘查方法。橫波地震勘查具有傳播速度低、信噪比高、分辨率高、受干擾影響小等優(yōu)點，廣泛用于工程、地下水探測、第四紀松散層序列劃分、地災調(diào)查、淺部基巖面探測等，并取得了良好的成果。本文通過以往研究成果結(jié)合自身的實際應用，對橫波地震勘查在探測活斷層方面進行綜合評價，并探討橫波地震勘查目前存在的問題。

1 橫波地震勘探及應用現(xiàn)狀

1.1 橫波地震勘查原理

橫波地震勘查法與縱波地震勘查法類似，是利用地下不同介質(zhì)之間的波阻抗差異，在界面上產(chǎn)生反射橫波的一種地球物理方法[4]。在采集數(shù)據(jù)時，利用橫波可控震源產(chǎn)生SH波，橫波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到波阻抗差異的界面時發(fā)生反射，橫波檢波器接收反射信號并通過無線電信號傳輸給地震儀記錄下來，通過后期的地震數(shù)據(jù)處理形成時間剖面，研究時間剖面上波組的頻率、振幅、相位等波動場特征、動力學特征以及雙程走時，推斷地層結(jié)構(gòu)、斷層位置及其深度，解決相關(guān)地質(zhì)問題。

1.2 橫波地震勘查在活斷層探測中的應用

21世紀以來，國內(nèi)外學者利用橫波地震勘查在世界不同地區(qū)進行了一些研究和實踐，從簡單的單次覆蓋疊加到多次覆蓋疊加，從定性研究逐漸發(fā)展為半定量、定量研究。

Ranajit等[5]在葡萄牙利用橫波地震反射對松散沉積層的變形模式和隱伏斷層帶的特征進行了探測。通過對橫波反射剖面的研究（圖1），發(fā)現(xiàn)沿淺層土層邊界疊加速度呈現(xiàn)階梯狀變化，揭示了同沉積期的斷層作用，同時在原始橫波地震記錄中發(fā)現(xiàn)了斷層造成的波組異常。

圖1 維拉·弗蘭卡·希拉地區(qū)速度分布及橫波反射剖面[5]

Harris[6]在美國密西西比海灣的五個地點利用橫波反射方法探測表層新構(gòu)造變形特征。橫波地震反射剖面顯示了一系列淺層構(gòu)造作用，其中包括逆斷層、斷層傳播褶皺以及活化的正斷層作用，為古地震挖掘和淺層鉆探提供了重要的地質(zhì)證據(jù)。橫波反射剖面（圖2）揭示，基巖不整合面和第四系地層內(nèi)都出現(xiàn)能量較強的反射波?；鶐r面深度大約在30～50m深，而在斷崖線西邊，基巖深度大約在10m左右。在剖面東部，壓扭性斷層作用被解譯為穿過第四系沉積物中多個反射層的突出上斷面。

圖2 伊利諾伊州塔姆斯地區(qū)的橫波反射解譯剖面[6]

Zhenming等[7]在美國俄勒岡州西北部利用淺層橫波反射法調(diào)查天使山斷層。天使山斷層是波特蘭市區(qū)附近最活躍的斷層之一，應用橫波地震技術(shù)對天使山斷層成像表明（圖3），該斷層在多個位置偏移了晚更新世砂礫層（22～34ka）。沿天使山斷裂帶走向，研究區(qū)內(nèi)晚更新世砂礫的位移由西北無明顯位移增加到東南約18m。Zhenming等在Pudding河一個異常彎曲處進行了勘查，利用橫波反射剖面發(fā)現(xiàn)了在比晚更新世礫石沉積更晚的沉積層中的潛在的構(gòu)造變形。該研究成果為天使山斷裂帶的古地震記錄提供了依據(jù)，為今后沿Pudding河的地質(zhì)調(diào)查奠定了基礎(chǔ)，為今后的古地震開挖調(diào)查確定了可能的地點。

圖3 俄勒岡州西北部地區(qū)的橫波反射解譯剖面[7]

2 實際應用

2.1 研究區(qū)位置及測線布設

本次研究區(qū)選在郯廬斷裂帶上，位于安徽省泗縣境內(nèi)。地理坐標：東經(jīng)118°00′～118°30′、北緯33°20′～33°40′，位置如圖4所示。根據(jù)地質(zhì)條件和實地施工情況，垂直斷裂方向布設測線兩條，其中一條測線為縱波勘查線，另一條為橫波勘查線，沿水泥路布設。為了便于縱、橫波資料的對比，橫波勘查線與縱波勘查線平行布設，兩線相距僅1km。

圖4 研究區(qū)位置圖

2.2 采集參數(shù)

縱波采集參數(shù)為井深10m，藥量1kg，觀測系統(tǒng)采用5m道距、40m炮距、256道接收，中間激發(fā)雙邊對稱接收，16次疊加的觀測系統(tǒng)。

橫波的采集參數(shù)為垂迭10次，震源荷重方式為重型汽車負載1t砂袋。觀測系統(tǒng)采用2m道距、6m炮距、48道接收，中間激發(fā)雙邊對稱接收，8次疊加的觀測系統(tǒng)。

2.3 地質(zhì)成果

縱波勘查線的解譯結(jié)果如圖5所示。從時間剖面中可以看出基巖面的波組在斷裂處有明顯的錯斷，但是在第四系底部斷點特征由波組錯斷變?yōu)椴ńM扭曲，而在第四系內(nèi)部由于淺部信噪比，未能明顯的顯示出斷層的特征。斷層傾角深部較緩，淺部較陡，落差隨著埋深變淺而變小，縱波勘查斷層的上斷點埋深約60m。由此可見單純的利用縱波勘查方法無法判定斷層的活動性及淺部的延伸情況。

在反射波勘探方法中，縱向分辨率與地震波的波長直接相關(guān)，與地震波的速度和頻率有關(guān)。在淺部地層中，縱波的速度大約在1000～2000m/s范圍內(nèi)，而橫波的速度與縱波相比較低，主要集中在100～300m/s范圍內(nèi)。在同一地區(qū)的相同地質(zhì)條件下，橫波的頻率就要比縱波的低許多?？v波的頻率主要分布在80～100Hz之間，而橫波的主頻集中在30Hz左右，因此橫波的波長約為縱波的1/3～1/2，其垂向分辨率約為縱波的2～3倍。據(jù)此在縱波測線附近布設了橫波測線。

圖5 縱波勘查線初步解譯結(jié)果

橫波勘查線的解譯結(jié)果如圖6所示。從時間剖面中可以看出波組在斷層處發(fā)生明顯的扭曲，且存在“蝴蝶狀”繞射波，從而可以判斷此處存在斷層。其斷層位置與縱波勘查線發(fā)現(xiàn)位置平行相距約1km左右，且其斷點特征與縱波勘查線斷點在淺部的特征一致。據(jù)此可以判定兩斷點屬于同一斷層。斷層傾角較陡，視落差約3m，上斷點埋深約20m，錯斷第四系地層。從橫波測線的解譯成果可以推斷該斷層在第四紀時期仍有活動，判定該斷層為活斷層。

本文應用實例說明在潛水位較淺的第四系松散層覆蓋的地區(qū)，相較于縱波地震勘查，橫波地震勘查能更有效地對50m范圍以淺的地層進行高精度探測。通過橫波地震勘查，可以及時發(fā)現(xiàn)城市地區(qū)活斷層在松散沉積層留下的微弱活動跡象，并精準地確定活斷層的空間位置，為城市活斷層探測提供地球物理證據(jù)，并為城市地區(qū)的地震危險性評估以及地震災害防治措施提供指導性意見。

圖6 橫波勘查線初步解譯結(jié)果

3 存在問題及建議

（1）橫波勘查技術(shù)具有一定的局限性，無法在水體中傳播，且在懸空的橋面上激發(fā)振動和放置檢波器對數(shù)據(jù)采集沒有任何作用價值。因為附近水體會對橫波數(shù)據(jù)采集質(zhì)量造成一定的影響，在施工設計階段要做好現(xiàn)場踏勘工作，盡量避開水域面積施工。

（2）橫波地震勘查技術(shù)具有一定的多解性，需結(jié)合其他地球物理方法或鉆孔共同解譯，提高地質(zhì)解譯的準確性和精度。

（3）雖然橫波地震勘查技術(shù)在軟、硬件方面取得了較大的發(fā)展，但主要應用于二維地震勘查，應用于三維地震勘查仍是技術(shù)難題之一，有待于進一步研究。對于勘查精度要求較高的工程，可以加密布設測線形成網(wǎng)狀，在后期的處理中，進行建模，構(gòu)成三維解釋模型。

（4）橫波在傳播過程中衰減較快，勘查深度有限，在需要對埋深較大的斷層延展情況進行勘查時需要和縱波方法聯(lián)合起來。

（5）利用“上斷點”指標來確定活動斷裂及其最新活動時代，在判斷活動性相對較弱的活動斷裂時，存在一定的局限性，因此在實際應用中還需結(jié)合地質(zhì)資料做全面深入的分析[8]。

（6）現(xiàn)階段很少有專門針對淺部地層的地震資料處理模塊，基本上都是使用適合于深部地層的縱波地震資料的處理模塊。但橫波道間距較小，處理過程中可以人為地加大道間距來提高速度，以適應地震處理軟件的需求。其次橫波的頻率較低，處理過程中要進行適當調(diào)整，提高頻率。