寧河斷裂偽隨機(jī)震源地震勘探

任政委，郭淑君，謝興隆，于蕾

（中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051）

寧河－昌黎斷裂長(zhǎng)約170 km，為燕山隆起、山海關(guān)隆起與黃驊拗陷的分界斷裂。天津境內(nèi)稱“寧河斷裂”，長(zhǎng)約26 km（圖1）[1]。寧河斷裂位于天津市寧河區(qū)北部，斷裂為正斷層，走向近東西，傾向南，為上陡下緩的鏟形地殼基底斷裂，控制了南側(cè)黃驊坳陷北段中、新生代沉積。西端在寧河區(qū)廉莊鄉(xiāng)花牛莊村附近交于嶺頭斷裂，往東延伸，過苗莊鎮(zhèn)苗棗莊村后出天津境。寧河斷裂是天津地區(qū)一條重要隱伏斷裂。現(xiàn)有資料認(rèn)為，寧河斷裂位于寧河6.9級(jí)地震極震區(qū)內(nèi)，又處于唐山7.8級(jí)地震的震中區(qū)，是引起唐山大地震的四條主要斷裂之一，具備一定的研究意義[2-4]。

2017年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心在天津市寧河區(qū)開展了1/5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)寧河斷裂在淺部存在隱伏斷裂帶，地表無斷裂出露的地形地貌特征[5-12]。有關(guān)寧河斷裂的研究較少，關(guān)于斷裂分布、斷裂產(chǎn)狀、斷裂組合等特征，傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)難以準(zhǔn)確識(shí)別。針對(duì)寧河斷裂上斷點(diǎn)埋深以及是否斷至第四系內(nèi)部，目前還沒有明確的文獻(xiàn)資料。區(qū)內(nèi)第四系內(nèi)部地層上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)及第四系和第三系地質(zhì)界面存在明顯波阻抗差異。因此，具備開展偽隨機(jī)震源地震勘探前提。偽隨機(jī)震源地震勘探可精確、快速、有效的探測(cè)淺部地層結(jié)構(gòu)、隱伏斷裂構(gòu)造空間展布特征等。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地震波速測(cè)試，第四系松散沉積地層地震縱波波速在1 300～1 500 m/s，基巖波速超過2 000 m/s[13-16]。

1 勘探區(qū)概況

1.1 勘探區(qū)位置

勘探區(qū)位于天津市寧河區(qū)蘆臺(tái)農(nóng)場(chǎng)區(qū)域，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，地面標(biāo)高2～5 m。區(qū)內(nèi)交通便利、便于開展偽隨機(jī)震源地震勘探工作（圖1）。

1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛，從下至上依次為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

下更新統(tǒng)（Q1）：沉積厚度受基底形態(tài)和活動(dòng)斷裂控制。巖性以礫質(zhì)粘土、粉土為主，呈灰色、黃綠色，夾極薄粉細(xì)砂層為主。沉積厚度200～220 m。

中更新統(tǒng)（Q2）：巖性以紅黃、紅褐、棕紅色粘土、粉質(zhì)粘土及粉土為主，局部夾砂礫石、卵石透鏡體。沉積厚度60～80 m。

上更新統(tǒng)（Q3）：巖性為淺黃色、土黃色黃土狀土，局部夾碎石透鏡體和礫石層。沉積厚度40～60 m。

全新統(tǒng)（Q4）：巖性以細(xì)砂、中砂、粗砂、礫石互層為主，中間夾有層數(shù)不等的粉質(zhì)粘土、粉土，局部地段夾卵礫石層。沉積厚度一般小于20～30 m[17-21]。

圖1 寧河區(qū)斷裂構(gòu)造示意圖Fig.1 Schematic diagram of fault structure in Ninghe area

圖2 單炮記錄（單震源60秒掃描記錄（a），雙震源30秒掃描記錄（b））Fig.2 The Seismic record(a wacker sweep of records in 60 s(a),two wackers sweep of records in 30 s(b))

2 偽隨機(jī)震源

開展城鎮(zhèn)物探勘查，最大的挑戰(zhàn)是震源問題。傳統(tǒng)的可控源抗干擾低、價(jià)格昂貴。炸藥震源危險(xiǎn)，幾乎不可能得到批準(zhǔn)。偽隨機(jī)震源采用普通建筑工地夯機(jī)作為激發(fā)震源，運(yùn)輸方便，價(jià)格低，人工搬運(yùn)可上山，便于在城市和交通繁忙區(qū)勘探，是替代昂貴的可控震源和危險(xiǎn)的炸藥震源的理想震源。

2.1 偽隨機(jī)震源原理

偽隨機(jī)震源（簡(jiǎn)稱“wacker”）向地下輸入一系列不規(guī)則的夯震，通過30～60 s完成300～600次震動(dòng)掃描，把能量輸送到地下。結(jié)合安置在偽隨機(jī)震源附近的特殊檢波器所接收的參考信號(hào)，通過程控編碼，然后在相關(guān)器中跟接收到的地震記錄做相關(guān)處理和解碼處理，最后生成單炮地震記錄[7]。

2.2 偽隨機(jī)震源優(yōu)勢(shì)

偽隨機(jī)震源是開展城市地震勘探的理想裝置。偽隨機(jī)震源輕便、經(jīng)濟(jì)，用延長(zhǎng)時(shí)間的分散震動(dòng)代替破壞性爆炸；能壓制干擾，提高地震紀(jì)錄的信噪比；對(duì)環(huán)境的破壞和影響?。蝗菀撞少徍途S護(hù)，大大降低勘探成本，提高施工速度。

3 數(shù)據(jù)采集與處理關(guān)鍵技術(shù)

地震勘探除了采用常規(guī)采集與處理技術(shù)，還采用了震源組合、實(shí)時(shí)噪聲壓制、F－K濾波3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 震源組合

野外數(shù)據(jù)采集過程中，采用2 臺(tái)偽隨機(jī)震源組合。圖2（a）為單震源60秒震動(dòng)掃描記錄，圖2（b）為雙震源30秒震動(dòng)掃描記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙震源組合壓制噪聲好，信噪比高，工作效率可提高一倍。

3.2 實(shí)時(shí)噪聲壓制

來往車輛震動(dòng)是野外數(shù)據(jù)采集時(shí)最大干擾，常規(guī)采集技術(shù)難以有效壓制車輛噪聲。實(shí)時(shí)噪聲壓制技術(shù)在記錄相關(guān)前，按照汽車噪聲的傳播規(guī)律，一道一道壓制噪聲。設(shè)置一個(gè)耐噪聲均方值的門檻，只要某通道噪聲水平高于門檻值，就設(shè)輸出為零。

實(shí)時(shí)噪聲壓制技術(shù)，可有效壓制車輛噪聲，提高了原始記錄信噪比（圖3）。實(shí)時(shí)噪聲壓制技術(shù)在高干擾城鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用效果好，成功解決了地震勘探進(jìn)城的難題。

3.3 F-K濾波

圖3 實(shí)驗(yàn)記錄（無車輛通過（a）、有車輛通過常規(guī)采集（b）、有車輛通過采用實(shí)時(shí)噪聲壓制（c））Fig.3 The experimental records(passing without vehicles(a),conventional acquired while vehicles passed(b),noise suppression enabled while vehicles passed(c))

針對(duì)地基較軟區(qū)域，震源震動(dòng)隨機(jī)性差。參考道（偽隨機(jī)震源附近的特殊檢波器所接收的參考信號(hào)）除了零延遲的中心脈沖，在其兩側(cè)還出現(xiàn)了其它脈沖。這是由于非隨機(jī)參考道周期性特征導(dǎo)致的。隨機(jī)性差的記錄會(huì)產(chǎn)生一系列干擾“鬼波”，如果不采用特殊處理技術(shù)切除“鬼波”，將會(huì)給疊加剖面帶來干擾信息，進(jìn)而影響到對(duì)地層層位、斷層的判斷。圖4為F-K濾波前后對(duì)比圖，采用F-K濾波技術(shù)消除了“鬼波”干擾，提高了原始數(shù)據(jù)的信噪比。

圖4 F-K二維濾波（濾波前（a）、濾波后（b））Fig.4 F-K two-dimensional filtering(Before filtering(a),After filtering(b))

4 勘探效果分析

4.1 解釋依據(jù)

地震反射疊加剖面反射波組反映了地下界面形態(tài)和地下地層介質(zhì)的物性差異，根據(jù)剖面反射波組特征，結(jié)合地質(zhì)或鉆孔資料確定地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

4.2 地層結(jié)構(gòu)

工區(qū)第四系內(nèi)部可劃分5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)反射層（圖5、圖6）。T1標(biāo)準(zhǔn)反射層對(duì)應(yīng)全新統(tǒng)（Q4）+上更新統(tǒng)（Q3）底界，底板埋深65～75 m，地層厚度65～75 m；T2標(biāo)準(zhǔn)反射層對(duì)應(yīng)中更新統(tǒng)（Q2）底界，底板埋深約135～145 m，地層厚度70～75 m；T3、T4標(biāo)準(zhǔn)反射層對(duì)應(yīng)下更新統(tǒng)（Q1）內(nèi)部界面；T5標(biāo)準(zhǔn)反射層對(duì)應(yīng)下更新統(tǒng)（Q1）底界，底板埋深340～360 m，地層厚度205～215 m。

4.3 寧河斷裂

寧河斷裂由5條正斷層組成（圖5、圖6），從北往南依次命名F1-1、F1、F1-2、F1-3、F1-4正斷層。斷裂帶近東西向平行展布，傾角70～75o。其中F1為寧河斷裂的主斷裂，傾向南，其余4條為次生斷裂。

4.4 鉆孔驗(yàn)證

在寧河主斷裂（F1），上下盤各布置1個(gè)鉆孔（圖5）。鉆孔揭示，至全新統(tǒng)底板埋深約20 m處，巖心對(duì)比無明顯差異；至上更新統(tǒng)底板埋深66.9 m處，巖性明顯出現(xiàn)錯(cuò)位。證明寧河斷裂上斷點(diǎn)已經(jīng)斷至上更新統(tǒng)內(nèi)部。

5 結(jié)論與建議

圖5 TNHDZ02線地震解譯剖面Fig.5 Seismic interpretation profile of line TNHDZ02

圖6 TNHDZ03線地震解譯剖面Fig.6 Seismic interpretation profile of line TNHDZ03

偽隨機(jī)震源抗干擾能力強(qiáng)、輕便、經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境破壞小?？梢跃_、快速、有效的探測(cè)淺部地層結(jié)構(gòu)、隱伏斷裂構(gòu)造空間展布特征等。引進(jìn)了偽隨機(jī)震源組合、實(shí)時(shí)噪聲壓制、二維F-K濾波3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功解決了高干擾環(huán)境下地震勘探難題。寧河斷裂由5 條正斷層組成，斷裂帶近東西向平行展布（圖1）。鉆探揭示寧河斷裂上斷點(diǎn)已經(jīng)斷至上更新統(tǒng)內(nèi)部，距地表66.9 m。建議增加相應(yīng)的地震勘探工作，查清寧河斷裂的活動(dòng)性。