淺層地震和彈性波CT在西淋崗地區(qū)斷裂探測中的應(yīng)用

盧進(jìn)延>

(廣東省地球物理探礦大隊(duì)，廣東 廣州 510800)

1 引 言

珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展、人口稠密，隱伏于珠江三角洲城市群之下的斷裂(斷塊)潛在活動(dòng)對區(qū)內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全有著巨大威脅。研究隱伏斷裂及其活動(dòng)性是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。珠江三角洲地區(qū)發(fā)育了北東向的廣從斷裂、新會(huì)-市橋斷裂、南沙-東莞斷裂、五桂山北斷裂、五桂山南斷裂、紫金-博羅斷裂，東西向的瘦狗嶺斷裂，北西向的白坭-沙灣斷裂、西江斷裂、北江斷裂、化龍-海鷗島斷裂、獅子洋斷裂、南崗-虎門斷裂等多條斷裂帶，它們控制了三角洲的形成、演化和地震活動(dòng)。近幾十年內(nèi)，前人對這些斷裂的空間展布特征、活動(dòng)性和珠江三角洲的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了大量的研究工作[1-15]，取得了大量成果。西淋崗地區(qū)，第四系覆蓋層厚，斷裂鮮有出露，多為隱伏斷裂，以往在西淋崗地區(qū)主要以地面地質(zhì)調(diào)查工作為主，受限于調(diào)查方法的限制，難以獲得隱伏斷裂在地下的空間分布特征。

隱伏斷裂的探測的地球物理方法主要有地震勘探、高密度電法、音頻大地電磁法等[16-18]，近年來也有人應(yīng)用彈性波CT技術(shù)來探測斷裂[19，20]，而且取得良好的效果。

本文以西淋崗地區(qū)斷裂為研究對象，開展淺層地震和彈性波CT工作，精細(xì)探測了該地區(qū)斷裂的空間分布特征，并初步評價(jià)了斷裂的活動(dòng)性。

2 地質(zhì)背景

2.1 地層

西淋崗地區(qū)位于廣東省佛山市的南部，為丘陵地貌，制高點(diǎn)海拔78 m。山頂部為殘留紅層與第四系沉積，下部為花崗巖。第四系主要分布于西南山坡，分為晚更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。晚更新統(tǒng)為沖洪積物，可分為上、中、下3部分。上部為灰白-乳白色黏土質(zhì)中細(xì)粒砂，向上逐漸變?yōu)榛液谏ね翆?，厚度?.5～0.7 m，含腐殖質(zhì)，覆蓋于紅壤風(fēng)化殼之上，但界線模糊且不規(guī)則；中部為厚度約3.5 m的松散沉積物，由細(xì)砂、粗砂、粉土和黏土組成；下部為褐黃色含礫中粗砂夾透鏡狀粉細(xì)砂，厚度大于2.5 m。

2.2 斷裂構(gòu)造

西淋崗地區(qū)主要斷裂有西淋崗斷裂和石洲斷裂位于西淋崗山頂西側(cè)，整體呈10°～20°方向延展，可見長度約0.7 km，斷面清晰，呈舒緩波狀，斷面產(chǎn)狀280°～290°∠50°～80°，斷裂構(gòu)造巖寬0.3～1.5 m。斷裂表現(xiàn)出多期活動(dòng)特征，早期斷裂右旋走滑，有硅化，形成近水平擦痕與反階步；中期花崗巖逆沖到白鶴洞組礫巖之上，形成花崗質(zhì)碎裂巖、花崗質(zhì)碎斑巖；晚期表現(xiàn)為重力斷層，上盤下落，為正斷層，見其同方向順延斷面切過晚更新世沖洪積層。石洲斷裂為白坭-沙灣斷裂帶西側(cè)分支，展布于西淋崗中部，整體走向320°，可見長度約1.1 km，斷面產(chǎn)狀50°∠50°～70°，斷面較清晰，呈舒緩波狀，并出現(xiàn)分支復(fù)合現(xiàn)象。斷裂帶寬2～4 m，由碎裂巖、硅化巖和斷層角礫巖、斷層泥等構(gòu)成，斷裂帶兩側(cè)巖石均存在一定程度硅化，而斷層角礫巖中則可見硅化巖角礫。

3 淺層地震及彈性波CT測量

3.1 測線布設(shè)

西淋崗地區(qū)斷裂主要為北東向和北西向，因此沿北西向和北東向布設(shè)淺層地震測線，控制西淋崗斷裂和白坭一沙灣斷裂帶西側(cè)分支，共計(jì)測線9條，分布為DZ51-1、DZ51-2、DZ51-3、DZ52、DZ53、DZ54-1、DZ54-2、DZ54-3及DZ55。

根據(jù)淺層地震測線異常地段布設(shè)驗(yàn)證鉆孔，相關(guān)驗(yàn)證孔編號為ZK0074、ZK0073、ZK0053、ZK0054、ZK0058、ZK0067、ZK0077、ZK0065、ZK0076等，根據(jù)鉆孔分布位置共布置8對跨孔彈性波CT測量工作，形成3條彈性波CT剖面。

3.2 測量方法及技術(shù)

淺層地震數(shù)據(jù)采集使用的儀器為德國DMT公司研發(fā)的第五代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Summit X one地震儀和西安地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的Z60型橫波檢波器(主頻60Hz)。采用中間放炮兩邊接收的工作方式，六次覆蓋觀測系統(tǒng)，24道接收，道間距2 m，炮間距4 m，偏移距1 m。采樣間隔選為0.5 ms、采樣時(shí)間為1 024 ms、數(shù)字濾波為全通，錘擊開關(guān)觸發(fā)，震源采用高分辨率淺層地震可控震源。淺層地震單炮記錄見圖1。由圖1可知，有效反射波組連續(xù)性好，反射層位突出，信噪比高，相鄰道能量無明顯差異，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀，合格率為100 %，優(yōu)良記錄可達(dá)到96.6 %。

圖1 淺層地震單炮記錄Fig.1 Shallow seismic single shot record

彈性波CT數(shù)據(jù)采集采用Geode淺層地震儀及CH3R型高靈敏度12道聲波探頭。每個(gè)接收探頭均采用20倍集成運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗匹配、抑制道間串?dāng)_。震源采用HX-DHH-02B電火花測井震源，該震源產(chǎn)品具有激發(fā)能量大，一致性好，觸發(fā)精準(zhǔn)，安全可靠，無破壞，無污染等特點(diǎn)。彈性波CT工作時(shí)以一個(gè)鉆孔為發(fā)射孔，在發(fā)射孔中按0.25 m間距發(fā)射高頻彈性波。以另一個(gè)鉆孔為接收孔，在接收孔中按一定間距(與發(fā)射點(diǎn)間距相同)接收彈性波。彈性波CT單炮記錄見圖2，從圖2中可見，各道初至清晰，干擾小，信噪比高，數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀。數(shù)據(jù)合格率100 %，優(yōu)良記錄可達(dá)到97 %。

圖2 彈性波CT單炮記錄Fig.2 Elastic wave CT single shot record

4 測量成果討論

4.1 淺層地震成果討論

根據(jù)測量成果，最終選取與西淋崗斷裂、白坭-沙灣斷裂密切相關(guān)的DZ54-1線、DZ55線及彈性波CT1～CT3號剖面進(jìn)行詳細(xì)討論。

DZ54-1線呈北西向，時(shí)間剖面成果顯示T0-1、T0-2及T1這3個(gè)地震波組波形態(tài)穩(wěn)定性，同相軸清晰，延續(xù)長度較長，為波阻抗差異界面，見圖3。T0-1為第四系人工填土、黏土等底界面，反射時(shí)間一般大于90 ms，埋深約7～15 m；T0-2為砂層、淤泥層底部、花斑黏土頂部的反射波，反射時(shí)間一般大于100 ms，埋深約8～20 m；T1為基巖面，上部為K1b(早白堊世百足山組)地層，下部為ηγK2(晚白堊世二長花崗巖)，反射時(shí)間一般小于350 ms，埋深約30 m。位于測點(diǎn)54029、54055、54102、54119、54161、54164、54181、54218、54258處反射波組錯(cuò)斷或缺失，共推斷了FD54-1～FD54-9等9條斷裂，傾向北西或南東。T0-2波組存在多處錯(cuò)動(dòng)，最大錯(cuò)動(dòng)20 ms，推測為斷裂活動(dòng)引起，斷距1～2 m。剖面成果顯示，該處地層擠壓特征較為明顯，推測該處為一較寬的斷裂破碎帶，主斷裂破碎帶寬度約40 m。

圖3 DZ54-1淺層地震時(shí)間剖面Fig.3 DZ54-1 shallow seismic time profile

DZ55線呈北東向，剖面成果顯示T0-1、T0-2及T1這3個(gè)地震波組波形態(tài)穩(wěn)定性，同相軸清晰，延續(xù)長度較長，為波阻抗差異界面，見圖4。T0-1為第四系人工填土、黏土等底界面，反射時(shí)間一般大于100 ms，埋深約8～15 m；T0-2為砂層、淤泥層底部、花斑黏土頂部的反射波，反射時(shí)間一般大于120 ms，埋深約8～15 m，該層局部地段缺失；T1為基巖頂界面，為K1b地層，反射時(shí)間一般大于250 ms，埋深約25～30 m。位于測點(diǎn)55052、55101、55272處，反射波組錯(cuò)斷，共推斷了FD55-1、FD55-2及FD55-3等3條斷裂，斷裂傾向北東。

圖4 DZ55淺層地震時(shí)間剖面Fig.4 DZ55 shallow seismic time profile

DZ54-1測線上布設(shè)ZK0053、ZK0058及ZK0067等驗(yàn)證鉆孔，DZ55測線布設(shè)了ZK0078驗(yàn)證鉆孔。鉆孔資料顯示西淋崗地區(qū)存在軟沉積變形帶，黏土層均發(fā)育微褶皺現(xiàn)象、層內(nèi)扭曲、卷曲變形等變形構(gòu)造，局部發(fā)育明顯類震褶層，發(fā)育球狀構(gòu)造、枕狀構(gòu)造、火焰構(gòu)造等震褶構(gòu)造，下部見“雷擠壓片理”，清晰可見一條切割第四系斷裂，傾角為70°，兩盤巖性區(qū)別較為明顯。軟沉積變形帶之下為構(gòu)造角礫巖、碎粉巖、碎斑巖、斷層泥帶，該構(gòu)造帶主要分為三段。上段主要為碎粉巖、碎裂巖帶，受后期構(gòu)造作用影響，發(fā)育擠壓片理化；中段主要為碎斑巖化二長花崗巖，局部見硅化、褐鐵礦化；下段主要為角礫巖、碎粉巖、斷層泥及紅層等，紅層角礫原巖多為破碎再膠結(jié)的砂巖，部分紅層角礫呈未膠結(jié)狀態(tài)。該段之下為碎裂巖、碎斑巖、碎粉巖、斷層泥，為該斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)最為強(qiáng)烈之處。碎裂巖處多發(fā)育傾角為60°～80°斷面，斷面見明顯擦痕，階步。驗(yàn)證了斷裂的存在，斷裂切割第四系覆蓋層。

淺層地震剖面劃分了上、中、下3個(gè)層位，共推斷了27個(gè)斷點(diǎn)。上部位第四系人工填土、黏土，埋深約6～15 m；中部為砂層、淤泥層底部、花斑黏土，埋深約8～20 m，該層總體變化大；下部為基巖。根據(jù)斷點(diǎn)分布的空間位置特征，西淋崗地區(qū)斷裂由兩組組成。一組北西向，為白坭-沙灣斷裂；一組北東向，為西淋崗斷裂。

4.2 彈性波CT成果討論

根據(jù)驗(yàn)證鉆孔分布位置共實(shí)施8個(gè)剖面彈性波CT測量工作，形成3條彈性波CT剖面。如圖5～圖7所示。

圖5顯示，在中間ZK73、ZK54和ZK58三個(gè)鉆孔處有一組明顯低波速異常帶，向剖面左側(cè)(ZK74孔方向)傾斜。ZK0073～ZK0054～ZK0058等短距離剖面的第四系覆蓋層縱波波速變化形態(tài)表明西淋崗地區(qū)存在軟沉積物變形的跡象。

圖5 彈性波CT1號剖面波速影像Fig.5 Wave velocity image of elastic wave CT1 profile

圖6顯示，在ZK65和ZK67鉆孔處有一組向剖面左側(cè)(ZK77孔方向)傾斜的低波速異常帶，呈多組平行條帶狀發(fā)育。兩個(gè)剖面的異常帶均影響到第四紀(jì)地層，推測為第四紀(jì)斷裂，綜合這兩條剖面，該斷裂帶傾向南西，傾角較陡。

圖6 彈性波CT2號剖面波速影像Fig.6 Wave velocity image of elastic wave CT2 profile

圖7顯示，在ZK67～ZK76和ZK76～ZK58有兩組低速異常帶，推測為斷裂破碎帶。經(jīng)計(jì)算該斷裂破碎帶傾向南東，傾角約57°。

圖7 彈性波CT3號剖面波速影像Fig.7 Wave velocity image of elastic wave CT3 profile

彈性波CT成果表明，實(shí)施剖面內(nèi)有兩組破碎帶通過，一組為北西向，傾向南西，視傾角約40°，該組呈多組平行條帶狀發(fā)育，影響寬度5～25 m；另一組為北東向，傾向南東，視傾角約20°，呈多組平行條帶狀發(fā)育，影響寬度3～20 m。破碎帶影響范圍內(nèi)，縱波波速變化極大，受構(gòu)造擠壓影響，巖石總體較為松散破碎，局部巖石相對堅(jiān)硬，其縱波波速明顯低于完整的圍巖的縱波波速。在ZK0073～ZK0054～ZK0058剖面中存在一組反向的破碎異常，兩者呈“X”型。成果顯示北西向斷裂錯(cuò)斷了北東向斷裂。對比鉆孔資料，彈性波CT推斷破碎異常帶與鉆孔揭示的斷裂位置一致。

5 結(jié) 論

通過在西淋崗地區(qū)開展的淺層地震和彈性波CT測量工作成果，結(jié)合鉆孔資料分析綜合解釋得到如下結(jié)論：

1)本次的淺層地震勘探及彈性波CT測量成果表明，各測線在斷裂均有明顯的異常反應(yīng)，在隱伏斷裂探測方面具有良好的應(yīng)用效果，特別是彈性波CT可以精細(xì)探測斷裂構(gòu)造空間分布特征，可以作為探測隱伏斷裂的方法之一。

2)淺層地震、彈性波CT成果及鉆孔資料均顯示西淋崗地區(qū)存在軟沉積物變形的跡象，也驗(yàn)證了第四系斷裂的存在，表明西淋崗地區(qū)斷裂仍具有較強(qiáng)的活動(dòng)性。