薄覆蓋層隱伏斷裂的縱橫波聯(lián)合探測(cè)

夏暖，鹿子林，付俊東，張建民，王冬雷，鄭旭

(1.山東省地震工程研究院，山東 濟(jì)南 250021； 2.山東省地震局，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

當(dāng)前，隨著城市活動(dòng)斷層探測(cè)的開(kāi)展，淺層地震勘探方法正發(fā)揮著愈來(lái)愈重的作用[1-6]。該方法具有探測(cè)深度大、分辨率高、探測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)[7-13]。城市活動(dòng)斷層探測(cè)使用較多的淺層地震方法包括縱波反射法、橫波反射法和折射波法等，其中又以縱波反射法應(yīng)用最為廣泛，該方法具有可靠性高、探測(cè)深度大、施工效率高等特點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在第四系沉積薄、斷層錯(cuò)動(dòng)小的薄覆蓋層區(qū)域進(jìn)行隱伏斷裂探測(cè)僅依靠單一縱波反射法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂的精準(zhǔn)定位，很難為鉆孔聯(lián)合剖面的布設(shè)提供可靠依據(jù)。而橫波具有速度低、波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，在分辨率上較縱波有優(yōu)勢(shì)，可采用多種方法聯(lián)合應(yīng)用來(lái)提高解釋精度。酆少英等[14]將高分辨折射和淺層反射地震方法聯(lián)合應(yīng)用于活斷層探測(cè)中，確定了斷層的位置；劉保金等[15]采用淺層P波和SH波多次覆蓋反射方法以及初至波層析成像技術(shù)獲得了研究區(qū)近地表斷裂的交切關(guān)系、斷裂活動(dòng)性以及深、淺構(gòu)造特征；顧勤平等[16]通過(guò)在同一條測(cè)線上應(yīng)用3種不同地震勘探手段聯(lián)合反演的方法，獲得了測(cè)線控制地段內(nèi)廢黃河斷層的確切位置、上斷點(diǎn)埋深以及速度分布圖像；秦晶晶等[17]利用初至波層析成像方法和高分辨率淺層地震反射方法獲得了五河—合肥斷裂的淺部結(jié)構(gòu)特征、空間分布以及斷裂活動(dòng)性。 馬董偉[18]在新沂活斷層探測(cè)中運(yùn)用縱波反射法、橫波反射法和地震層析成像法相互比較和綜合分析，取得了良好勘探效果。

NNE向的猴咀—南城斷裂(F2)是連云港地區(qū)一條重要斷裂，為查清其位置及活動(dòng)性，連云港市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目組應(yīng)用淺層縱波反射方法和超淺層橫波反射方法對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)，首先利用縱波反射法獲得猴咀—南城斷裂的位置及淺部特征，然后在同一條測(cè)線采用超淺層橫波反射方法驗(yàn)證，精準(zhǔn)確定斷裂位置并獲取斷裂超淺層構(gòu)造特征，進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)斷層的形態(tài)，同時(shí)為鉆孔聯(lián)合剖面的布設(shè)提供依據(jù)。

1 勘探條件與測(cè)線位置

1.1 勘探條件

如圖1所示，探測(cè)對(duì)象猴咀—南城斷裂(F2)是海泗斷裂帶的東邊界斷裂，從北向南經(jīng)猴咀、連云港市區(qū)東部、南城一線，向南可達(dá)吳集一帶；斷裂走向NE10°左右，沿走向延伸超過(guò)40 km。該斷裂貫穿連云港的中部，和海州—韓山斷裂一起作為區(qū)域上海泗斷裂帶的組成斷裂。猴咀—南城斷裂(F2)經(jīng)過(guò)的區(qū)域除南部以外覆蓋層均較薄，基本都小于50 m，第四系覆蓋層下基巖巖性為片麻巖，與第四系松散沉積物波阻抗差異大，具備開(kāi)展淺層地震勘探的地球物理?xiàng)l件。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造和地震測(cè)線位置Fig.1 Map showing geological structure and location of seismic survey lines

1.2 測(cè)線位置

淺層縱波反射測(cè)線6沿圣湖路布設(shè)，西端起于杏壇路和圣湖路交匯口東，穿過(guò)花果山大道，東端止于大村水庫(kù)，測(cè)線走向WE，測(cè)線全長(zhǎng)2 214 m。超淺層橫波反射測(cè)線6橫波位置與淺層縱波反射測(cè)線6重合，起點(diǎn)位于測(cè)線6樁號(hào)640處，終點(diǎn)位于樁號(hào) 1622 處。

2 探測(cè)方法

2.1 儀器設(shè)備

為克服建筑物、車輛等干擾，數(shù)據(jù)采集時(shí)使用北奧特車生產(chǎn)的WTC5140TZY型縱橫波兩用可控震源車來(lái)激發(fā)地震波，可控震源車重錘垂向振動(dòng)可激發(fā)縱波，橫向振動(dòng)可激發(fā)橫波，震源出力12 T[19-21]。數(shù)據(jù)采集使用了高保真度、高采樣率、高寬記錄頻帶、大動(dòng)態(tài)范圍的美國(guó)產(chǎn)主頻為10 Hz的ZLAND節(jié)點(diǎn)式地震勘探系統(tǒng)。

2.2 施工參數(shù)

基于測(cè)線附近覆蓋層較薄，正式采集之前首先進(jìn)行了震源出力試驗(yàn)、道距試驗(yàn)、振動(dòng)頻率試驗(yàn)、擴(kuò)展排列試驗(yàn)等確定了小道距、長(zhǎng)排列、小偏移距的施工參數(shù)(見(jiàn)表1)。

圖2分別為應(yīng)用淺層縱波法和超淺層橫波反射法采集得到的典型單炮記錄。由圖2a可見(jiàn)，縱波反射法得到的單炮記錄能量強(qiáng)、信噪比較高、特征明顯、反射波組較單一，僅在20 ms左右存在一組能量較強(qiáng)的反射波組P1，根據(jù)地質(zhì)資料推測(cè)為基巖頂面反射波，未取得第四系內(nèi)部反射波；由圖2b可見(jiàn)，超淺層橫波反射法得到的單炮記錄能量強(qiáng)、信噪比極高、干擾波極少，反射波組非常豐富，800 ms以上存在多組不同深度且能量較強(qiáng)的反射波同相軸S1、S2、S3、S4，100 ms左右強(qiáng)反射層S1為基巖頂面反射波。

圖2 淺層縱波法(a)和超淺層橫波反射法(b)典型單炮記錄Fig.2 Typical single shot records of shallow P-wave(a) and ultra-shallow S-wave reflection(b)

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 資料處理

淺層縱波反射資料和超淺層橫波反射資料處理均采用Vista地震處理軟件，處理模塊主要包括了觀測(cè)系統(tǒng)定義、靜校正、疊前去噪、反褶積、動(dòng)校正、剩余靜校正、疊加、疊后去噪等[22]。同時(shí)針測(cè)線單炮面波等干擾較強(qiáng)的特點(diǎn)，在處理過(guò)程中重點(diǎn)對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)分析。

1)針對(duì)測(cè)線附近面波、聲波等干擾較發(fā)育的特點(diǎn)，采用了時(shí)變帶通濾波、扇形FK濾波相結(jié)合的去噪方法濾除面波、聲波等干擾波，提高資料信噪比。圖3為濾波前后單炮對(duì)比，可以看到濾波后的單炮較濾波前有了很大的改善，信噪比得到了提高。

2)為了消除地表起伏和近地表地層介質(zhì)橫向不均勻的影響，處理過(guò)程中采用了折射靜校正和剩余靜校正對(duì)資料進(jìn)行了靜校正處理，取得了良好的效果。圖4為靜校正前、后單炮對(duì)比，靜校正后的單炮較靜校正前反射波連續(xù)性增強(qiáng)，基本消除了近地表靜校正量的影響，更有利于后續(xù)的處理。

圖3 濾波前(a)、后(b)單炮記錄對(duì)比Fig.3 Shot record collation map before(b) and after(b) filter

圖4 靜校正前(a)、后(b)單炮記錄對(duì)比Fig.4 Shot record collation map before(a) and after(b) static correction

3.2 剖面特征

3.2.1 淺層縱波反射法剖面解釋

淺層縱波反射的目的是獲取200 m以上淺部地層斷裂的位置及構(gòu)造特征。圖5為縱波反射波法經(jīng)處理得到疊加時(shí)間剖面。該剖面揭示的反射相位相對(duì)單一，反射能量較強(qiáng)，整個(gè)剖面地層特性明顯。將淺層縱波反射剖面中20 ms左右的強(qiáng)反射波組解釋為第四系底界面反射并標(biāo)記為T(mén)Q，解釋的埋深在10～12 m左右。從剖面可以看出第四系底界反射TQ比較平緩，基本呈水平形態(tài)展布。

剖面揭示的淺部地層反射界面形態(tài)和斷裂的淺部構(gòu)造特征非常清晰，從剖面圖(圖5)可知，CDP在1170和1255位置同相軸發(fā)生了明顯的紊亂現(xiàn)象，推測(cè)為斷裂破碎帶的影響，分別標(biāo)識(shí)為FP1和FP2，依據(jù)斷點(diǎn)性質(zhì)和平面位置判斷為猴咀—南城斷裂(F2)在剖面上的反映，該斷裂是由兩條傾向相反的斷裂組成。

斷點(diǎn)FP1視傾向西，視傾角較陡，可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線1 170 m處，埋深約12 m。斷點(diǎn)FP2視傾向東，視傾角較陡，可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線 1 255 m處，埋深約11 m。從剖面圖上可以看出TQ波組在兩個(gè)斷點(diǎn)均存在紊亂現(xiàn)象，因未能取得第四系內(nèi)部反射波，不能判斷第四系地層是否錯(cuò)斷。

3.2.2 超淺層橫波反射法剖面解釋

超淺層橫波反射的目的是獲取100 m以上超淺部地層斷裂的位置及構(gòu)造特征。圖6為超淺層橫波發(fā)射法經(jīng)處理疊加時(shí)間剖面和地質(zhì)解釋剖面。該剖面揭示的反射相位相對(duì)豐富，反射能量較強(qiáng)，整個(gè)剖面地層特性明顯。將超淺層橫波疊加剖面110 ms的反射界面解釋為第四系底界面反射并標(biāo)記為T(mén)Q，解釋的埋深在10～12 m之間，T01為第四系內(nèi)部反射波組，TQ以下地層均為基巖內(nèi)反射層位。從剖面可以看出第四系底界反射TQ比較平緩，基本呈水平形態(tài)展布。

圖5 縱波反射波法疊加時(shí)間剖面Fig.5 Stacked time section of shallow P-wave method

剖面揭示的超淺部地層反射界面形態(tài)和斷裂的淺部構(gòu)造特征非常清晰，剖面圖CDP530和CDP615位置同相軸發(fā)生了明顯的紊亂現(xiàn)象，推測(cè)為斷裂破碎帶的影響，分別對(duì)應(yīng)淺層縱波反射剖面的斷點(diǎn)FP1和FP2。

斷點(diǎn)FP1視傾向西，視傾角較陡，可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線530 m處，埋深約12 m。斷點(diǎn)FP2視傾向東，視傾角較陡，可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線615 m處，埋深約11 m。從剖面圖上可以看出TQ波組在兩個(gè)斷點(diǎn)位置均存在紊亂現(xiàn)象，T01波組未見(jiàn)明顯影響。解釋斷點(diǎn)的活動(dòng)性還需結(jié)合鉆孔聯(lián)合剖面進(jìn)一步鑒定。

圖6 超淺層橫波反射波法疊加時(shí)間剖面Fig.6 Stacked time section of ultra-shallow S-wave reflection method

3.3 聯(lián)合解釋

聯(lián)合分析淺層縱波反射和超淺層橫波反射剖面可以看到，在平面位置上兩種方法解釋的斷裂位置一致性非常好，進(jìn)一步提高了解釋的可靠性，在平面位置對(duì)斷裂實(shí)現(xiàn)了精確定位；在深度范圍上可以獲取斷裂從淺層到超淺層地層的構(gòu)造特征，對(duì)斷裂的認(rèn)識(shí)更為深入，可為下一步斷裂的活動(dòng)性鑒定提供更為可靠的依據(jù)。

4 鉆孔聯(lián)合剖面驗(yàn)證

為驗(yàn)證淺層地震勘探解釋斷裂的位置，同時(shí)進(jìn)一步研究斷裂的活動(dòng)性，針對(duì)斷點(diǎn)FP2布設(shè)了一條鉆孔聯(lián)合剖面(圖7)。該鉆孔聯(lián)合剖面由間距4.5～10 m的5個(gè)鉆孔組成，終孔深度在30～45 m之間，均穿透第四系地層。

鉆探揭露了6層主要地層，自上至下分別為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、殘積土、二長(zhǎng)片麻巖、碎裂巖、破碎狀二長(zhǎng)片麻巖。其中①～③層為第四系，下伏基巖以中新元古界二長(zhǎng)片麻巖為主?；鶐r埋深在10.8～11.1 m之間，這與淺層縱波反射法和超淺層橫波反射法解釋的基巖深度10～12 m一致性很好。

在B1孔24.7～26.0 m左右發(fā)育碎裂巖，在 26.0～30.6 m為灰白—肉紅色—灰綠色劈理和微破裂發(fā)育的碎裂狀二長(zhǎng)片麻巖地層，確定了斷裂的存在?？拷麭1孔其他鉆孔受斷裂影響，基巖地層多發(fā)育節(jié)理裂隙或劈理，巖芯較破碎，推測(cè)為斷裂破碎帶的影響。在距離B1孔西側(cè)4.5 m的B5孔中未見(jiàn)斷裂破碎構(gòu)造，僅在下伏基巖中見(jiàn)有發(fā)育的少量節(jié)理和劈理，可判斷該斷裂上斷點(diǎn)位于B1和B5孔之間，為高角度斷裂，推測(cè)為逆沖斷層。全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)地層分布連續(xù)，層位穩(wěn)定，呈水平狀分布，并且地層厚度各鉆孔基本一致，說(shuō)明上覆的第四系未受到斷層斷錯(cuò)或擾動(dòng)影響。

5 結(jié)論

本文首先應(yīng)用淺層縱波反射法和超淺層橫波反射法分別對(duì)薄覆蓋層區(qū)域的猴咀—南城斷裂(F2)進(jìn)行了探測(cè)，然后通過(guò)對(duì)淺層縱波反射剖面和超淺層橫波反射的聯(lián)合解釋，提高了定位的可靠性，獲得了斷裂從淺層到超淺層更為豐富的構(gòu)造特征信息，并通過(guò)試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

1)在薄覆蓋區(qū)域應(yīng)用縱橫波聯(lián)合探測(cè)較單一方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂平面更精準(zhǔn)的定位，獲得斷裂不同深度尺度上更為豐富的構(gòu)造特征信息。

2)應(yīng)用不同方法對(duì)斷裂進(jìn)行聯(lián)合探測(cè)時(shí)，如何依據(jù)具體地質(zhì)條件和斷裂特征選取合適的方法是關(guān)鍵，應(yīng)綜合考慮具體地質(zhì)條件和斷裂特點(diǎn)選擇方法。

3)本文僅選取了淺層縱波反射法和超淺層橫波法探測(cè)薄覆蓋層隱伏斷裂，在實(shí)際應(yīng)用可引入其他方法進(jìn)一步研究。

圖7 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面Fig.7 The drill exploration composite geological section

致謝：感謝連云港活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目組所有參與野外數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)處理的工作人員！感謝江蘇省地震局、連云港市地震局、北京震科監(jiān)理有限公司等領(lǐng)導(dǎo)和專家在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中給予的大力支持！