橫波地震勘探在城市隱伏斷裂探測中的應用

楊吉武，趙立波，黃書華

(廣東省地質調查院，廣東 廣州 510080)

1 引 言

隨著城市化進程越來越快，城市建設過程中遇到的問題之一就是隱伏斷裂，而現代城市基本都被第四系所覆蓋，靠傳統(tǒng)的地質填圖很難找出隱伏斷裂的位置。以前地震勘探在石油領域應用得比較多，近年來淺層地震勘探在城市地質調查和工程地質領域的應用越來越多[1-8]。目前淺層地震勘探主要以反射波法和折射波法為主，反射波法又分為橫波反射法和縱波反射法，通?？v波波速比橫波波速大5～10倍，縱波反射法具有激發(fā)簡單、探測深度大、施工效率高等優(yōu)點，在劃分具有一定厚度的沉積地層層序方面效果較好[9-12]；但是在覆蓋層較薄地區(qū)，由于目的層埋深淺， 反射窗口小， 且震源干擾波較強、面波發(fā)育，較難取得高信噪比資料，而橫波具有速度低、波長短等特點，在縱橫向分辨率上均比縱波勘探有優(yōu)勢，橫波反射法比縱波反射法的分辨率和解譯精度更高，對淺部松散層分層具有較好的探測效果[13-18]。本文以中山市城市地質調查項目中斷裂探查為例，討論了橫波勘探方法在城市隱伏斷裂探測中的應用效果。

2 測區(qū)地質概況及地球物理特征

2.1 測區(qū)地質概況

中山市在地質構造體系屬于華南褶皺束的粵北、粵東北、粵中坳陷帶內的粵中坳陷。 市內出露地層以廣泛發(fā)育的新生界第四系為主，出露基巖以大面積的花崗類巖石為主，主要分布在中部五桂山地區(qū)，在北部、中部和南部出露有古生界、中生界地層和北部零星出露的元古界震旦系的古老地層。第四紀松散沉積物廣泛分布于市內，成因類型復雜，主要為河口三角洲沉積，局部為陸相沉積， 巖相巖性及沉積物厚度多變。五桂山南斷裂走向大致為57°，斷裂在地貌上反映較明顯，五桂山南坡的斷層三角面發(fā)育， 航片、衛(wèi)片的線性影像明顯。 斷層在逸仙水庫西南表現為燕山期花崗巖與寒武紀八村群呈斷裂接觸。在東方紅水庫一帶，斷裂走向 56°，傾向北西，傾角 84°；斷面較平直，破碎帶寬 30～50 m，構造巖有斷層角礫巖、硅化碎裂花崗巖、壓碎硅質巖等，帶內及其旁側發(fā)育著密集石英細脈群，巖石強烈擠壓破碎，航片上山谷山脊線性影像清晰。該斷裂帶航磁反映比較明顯，地磁異常也特別明顯，ΔZ低于圍巖背景值3 倍以上，平面上以密集的負值沿斷裂走向分布。 1970 年以來，沿該斷裂多次錄到ML2～4 級地震。

2.2 地球物理特征

測線區(qū)地表平坦，對開展地震勘探比較有利。據地質和物探資料，區(qū)內第四系地層厚度15～25 m，第四系地層內部具有明顯沉積顆粒差異的地層之間、松散沉積層與花崗巖地層之間的波速及密實度差異較大，具有明顯的波阻抗界面，這些界面因能夠形成較強的反射波而被記錄下來，具有良好的淺層地震地質條件。

3 勘探原理和方法技術

3.1 橫波反射法原理

橫波反射法勘探就是利用震源激發(fā)橫向地震波，地震波通過各巖層產生反射，地震勘探儀器記錄下反射波的傳播途徑、震動強度、速度、振幅、頻率等參數，這些參數會因為反射介質的不同而發(fā)生變化，因此通過對這些參數的分析，就可以推斷出地下巖石或者是地層的所屬類型以及分布特征，從而達到工程地質勘查的目的[19,20]。反射波的到達時間與反射面的深度有關，據此可查明地層埋藏深度及其起伏。反射法觀測廣泛采用多次覆蓋技術，其優(yōu)點是可以削弱多次波干擾[21-24]。

3.2 野外施工參數選取試驗

本研究選用德國DMT公司的SummitⅡplus高分辨率數字地震儀采集數據。該地震儀與常規(guī)的地震儀相比，動態(tài)范圍大，不易引起波形畸變，具有模擬帶通濾波、低通濾波功能以及假頻抑制功能，尤其是排列長度和道距可以根據實際勘探目標隨意改變，分布式設計使其在野外操作更為方便靈活；檢波器為 28 Hz 橫波傳感器；震源采用24磅重錘錘擊豎立于坑內的鐵質墊板。

淺層地震勘探觀測系統(tǒng)設計是否合理是獲得良好探測結果的關鍵，因此為更好地確定橫波反射的參數，開展長排列實驗。根據實驗結果及對工區(qū)的干擾波波組、有效波組及勘探深度的綜合認識，選取最小偏移距、炮間距、覆蓋次數和接收道數最佳觀測窗口[16]，以保證施工質量及實現勘探目的。

長排列試驗采用1 m道間距，中間放炮，偏移距1 m，6次錘擊疊加系統(tǒng)，濾波通帶為全通，采樣間隔為0.25 ms，記錄長度1 024 ms。通過擴展排列試驗和干擾背景調查，了解各種干擾波的分布特征，為合理選取偏移距及最大炮檢距等參數提供依據。從長排列的時間剖面上看(圖1)，170～260 ms之間反射波同相軸明顯，但0～24和 80～96樁號之間可接收到反射波能量較弱，在經過抽取96道2 m道間距排列和24道2 m 道間距排列(圖2)對比可以看出，24道2 m道間距排列對反射波組的能量集中，記錄更加清晰明了，最終確定施工所用的排列長度為24道2 m 道間距。為了勘查五桂山南斷裂，本次工作共布設2條地震測線，分別為DZ01和DZ02。

圖1 96道長排列試驗Fig.1 96-channel arrangement test

圖2 96道2 m道間距和24道2 m道間距對比Fig.2 Comparison of 96-channel 2-meter track spacing and 24-channel 2-meter track spacing

3.3 數據處理技術

數據處理步驟為：解編→預處理→球面擴散補償→疊前濾波→道間平衡→抽 CDP道集→速度分析→動校正→自動剩余靜?！B加→疊后濾波→修飾處理→AGC→剖面打印→初步解釋→時間剖面輸出。

其中主要節(jié)點的功能及參數如下：預處理時對反相道反相、不正常道切除；疊前濾波主要為頻率帶通濾波，濾波的截止頻率由原始記錄中的頻譜分析結果決定；道間平衡將各道的總能量調整為同一水平；CDP道集選排按多次覆蓋觀測系統(tǒng)進行抽取共炮點道集；速度分析主要為相似性頻譜分析法，通常 10個炮點選擇一個速度節(jié)點，在差異較大的炮點適當增加速度節(jié)點，從圖3速度譜中根據反射波同相軸疊加能量最強的原則拾取疊加速度，把同相軸校正至水平，說明拾取的速度為該同相軸的最佳速度；應用速度分析確定的二維速度模型對超級CDP道集進行動校正。資料處理是淺層地震勘探中重要的工作環(huán)節(jié)，根據本次淺層地震的特點、測區(qū)淺層地質結構情況，為了提高垂向分辨率和空間定位精度，加強了速度分析、面波及地表波處理、反褶積和偏移等方面的資料處理工作。通過對比分析水平疊加與偏移成像效果，圖4結果顯示，偏移成像對于剖面的干擾波起到了收斂作用，提高了剖面橫向分辨率。

圖3 速度分析譜Fig.3 Velocity analysis spectrum

圖4 水平疊加剖面與偏移成像剖面對比Fig.4 Comparison between horizontal superimposed profile and migration imaging profile

4 地震時間剖面解釋

野外采集的地震資料經過數字處理之后，得到的主要成果資料是經過水平疊加(或偏移疊加)的時間剖面。它們是反射波資料進行地質解釋的基礎。在一般情況下，通過時間剖面上波的對比，可以確定反射層的構造形態(tài)、接觸關系以及斷層分布等情況。對斷裂的識別主要依據以下幾個方面：①反射波同相軸錯位；②反射波同相軸突然增減或消失，波組間隔突然變化；③反射波同相軸產狀突變，反射零亂或出現空白帶；④反射波同相軸發(fā)生分叉、合并、扭曲、強相位轉換等現象。

在收集與本研究相關地質、鉆探資料的基礎上，結合本次地震勘探資料分析，根據各測線的地震時間剖面，進行有效反射相位對比和同相軸追蹤，重點是基巖面反射相位的連續(xù)追蹤，其次是對覆蓋層內反射層位的對比分析，繪制測線的時間解釋剖面圖。

圖5為DZ01時間剖面圖。從圖5可以看出，在時間剖面上共識別出2個反射波組，標識為T0和T1。T1層反射波組連續(xù)性較差，是黏土層與全風化層分界面，雙程時間為150 ms左右，在樁號180～200之間出現了反射強弱相間；T0層為基巖界面，是全風化層與強風化層的分界面，反射波組連續(xù)性較好，雙程時間為180 ms左右，結合地質資料推斷T1層為強風化層界面，在樁號190左右反射波組出現了明顯錯斷，推斷為斷裂引起所致。

圖6為DZ02時間剖面圖。從圖6上可以看出，DZ02線共識別出兩個反射波組T0、T1。T0波組連續(xù)，反射波能量最強，，T1波組反射波能量稍弱些，T0層雙程旅行時間190～330 ms，界面較起伏，界面清晰，振幅均一。在樁號30～34間，反射波組發(fā)生錯斷，斷距雙程時差達120 ms左右，推斷為斷裂；T1層雙程旅行時間為150 ms左右，界面平整，反射波能量一般，界面較清晰，未發(fā)現明顯構造異常。

5 鉆探驗證

根據本次地震勘探結果，分別在DZ01線樁號190號和DZ02線樁號30號的位置布置驗證鉆孔ZK01和ZK02，鉆探驗證結果見圖7。

從圖7可知，地震剖面推斷的斷裂位置得到了很好的驗證。ZK01揭示在孔深21 m處風強風化碎裂巖，巖塊呈棱角狀，沿裂面見構造擦痕，往下巖芯都還很破碎，與地震剖面反映基本吻合。ZK02提示地層與ZK01一致，在孔深36～42 m處巖芯出現石英脈晶洞、裂隙面綠泥石化現象及構造角礫巖，這些都是斷裂的特征，因此地震剖面得到了很好的驗證。

圖7 ZK01剖面和ZK02剖面Fig.5 ZK01 profile and ZK02 interpret profile

6 結 語

在開展隱伏探測之前，通過對工作區(qū)開展地震橫波勘探長排列試驗，了解工作區(qū)地震波地球物理特征，分析對比實驗結果后選取最佳施工參數，保證了數據的可靠性，且提高了施工效率。

通過對地震數據進行精細化處理后得到了地震剖面，分析對比地震剖面后推測出隱伏斷裂構造的位置，經過鉆探驗證與地震剖面信息基本吻合，說明用橫波地震對隱伏斷裂的勘探是可靠的，對以后同類勘探有著借鑒意義。