淺層人工地震和地質(zhì)雷達(dá)在城市活動(dòng)斷層探測(cè)中的聯(lián)合應(yīng)用-以鶴壁市湯東斷裂為例1

彭 白 蘇 鵬 魯人齊 蔡明剛 郝重濤 劉冠伸

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所, 地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029

2）山西太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)研究站, 太原 030025

引言

城市地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)高度集中，地震是對(duì)城市危害最嚴(yán)重的突發(fā)性自然災(zāi)害之一，會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，并引發(fā)一系列嚴(yán)峻的社會(huì)安全問(wèn)題?；顒?dòng)斷層是地震的載體，由于人類對(duì)地貌的改造等因素，位于城市區(qū)的活動(dòng)斷層往往隱伏于地下。查明城市地下隱伏活動(dòng)斷層的空間展布及其活動(dòng)性是科學(xué)規(guī)劃城市建設(shè)的基礎(chǔ)，也是開(kāi)展城市防震減災(zāi)的有效途徑和主要內(nèi)容（何正勤等，2001；劉保金等，2002，2012；柴熾章等，2006；李自紅等，2014）。

淺層人工地震勘探具有勘探深度大、分辨率高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市活動(dòng)斷層探測(cè)工作中（方盛明等，2002；柴熾章等，2006；鄧起東等，2007；劉保金等，2008；顧勤平等，2013，2015；許漢剛等，2016）。但該方法探測(cè)效率較低、成本高，尤其是距地面幾十米范圍內(nèi)的成像效果差。在第四系松散堆積區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)可對(duì)地下0～40 m 范圍內(nèi)的隱伏活動(dòng)斷層進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并指示斷裂上斷點(diǎn)埋深及標(biāo)志層的斷距等信息，同時(shí)具有探測(cè)效率高、成本低、操作簡(jiǎn)單、精度和分辨率高等優(yōu)點(diǎn)（李建軍等，2015；蘇鵬等，2015；張迪等，2016）。因此，聯(lián)合淺層人工地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，彌補(bǔ)二者的缺點(diǎn)，有望刻畫隱伏活動(dòng)斷裂在百米至數(shù)千米深度范圍內(nèi)的幾何結(jié)構(gòu)，同時(shí)揭示隱伏活動(dòng)斷裂在淺地表至數(shù)十米深度范圍內(nèi)的定量活動(dòng)信息（如Lei 等，2022）。

湯東斷裂位于太行山東南麓湯陰地塹內(nèi)，沿北北東向穿過(guò)鶴壁市區(qū)，為湯陰地塹和內(nèi)黃隆起的邊界斷裂（圖1）。本研究以湯東斷裂西支為例，分別選取鶴壁市馮屯村和前交卸村作為探測(cè)區(qū)，探索淺層人工地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的方法在城市隱伏活動(dòng)斷層探測(cè)中的應(yīng)用，同時(shí)研究湯東斷裂西支在探測(cè)區(qū)的空間展布特征，并推測(cè)其最新活動(dòng)時(shí)代，為進(jìn)一步開(kāi)展鶴壁地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

華北平原屬于華北克拉通的東部塊體（朱日祥等，2012）。自新生代以來(lái)，華北平原主要經(jīng)歷了2 期構(gòu)造事件。第1 期發(fā)生在始新世（50～35 Ma），可能受Izanagi-Pacific 洋中脊俯沖導(dǎo)致的區(qū)域應(yīng)變速率突然降低的影響（Su 等，2021），在華北地區(qū)形成了廣泛的東西向伸展事件，伸展范圍從現(xiàn)今的青藏高原東北緣，經(jīng)山西裂谷、渤海灣盆地，直至歐亞大陸東緣（Wang 等，2013；Fan 等，2019；Su 等，2021）。第2 期構(gòu)造事件發(fā)生于晚中新世至今（8～0 Ma），受青藏高原向東差異擠出的影響，在華北發(fā)育的鄂爾多斯塊體、太行山及在華北平原內(nèi)部的一系列次級(jí)斷塊發(fā)生了差異的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，塊體接觸帶的變形方式為右旋伸展（圖1（a））（Xu 等，1992；Zhang 等，1998，2018；Su 等，2021）。

鶴壁市位于太行山東麓與華北平原的過(guò)渡帶處。在該過(guò)渡帶附近，華北區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和地球物理場(chǎng)發(fā)生了較大的變化，同時(shí)該過(guò)渡帶是1 條重要的地震構(gòu)造帶，即河間-磁縣地震構(gòu)造帶，鶴壁市坐落于此地震構(gòu)造帶的南端（徐杰等，2015）。鶴壁市主要位于湯陰地塹內(nèi)，湯陰地塹沉積了巨厚的古近系地層，新近系和第四系地層厚度明顯變小，如圖1（b）所示（劉保金等，2012）。湯陰地塹內(nèi)主要發(fā)育湯東斷裂、湯中斷裂和湯西斷裂，這3 條斷裂的性質(zhì)均為正斷層，北北東走向，湯東斷裂傾向北西，湯西斷裂和湯中斷裂傾向南東（圖1（b））。湯西斷裂和湯東斷裂長(zhǎng)度不同，湯陰地塹南段是由湯東斷裂和湯西斷裂共同控制的地塹構(gòu)造，而湯陰地塹北段是由湯東斷裂控制的“半地塹”構(gòu)造（韓慕康等，1980）。

圖1 鶴壁市主要活動(dòng)斷層分布及區(qū)域新生代構(gòu)造圖Fig. 1 Map of main active faults in Hebi, Henan province and regional Cenozoic tectonics

2 研究方法

2.1 淺層人工地震探測(cè)

淺層人工地震勘探是利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過(guò)分析地下介質(zhì)對(duì)人工激發(fā)地震波的響應(yīng)，推斷地下巖層性質(zhì)與形態(tài)的地球物理勘探方法（周緒文，1989）。淺層人工地震勘探是探測(cè)地下地質(zhì)構(gòu)造的有效手段，廣泛應(yīng)用于城市隱伏活動(dòng)斷層探測(cè)中（方盛明等，2002；柴熾章等，2006；鄧起東等，2007；劉保金等，2008）。

本次淺層人工地震勘探采用的設(shè)備包括可控震源車、地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和檢波器及附屬設(shè)備。采用激發(fā)能量強(qiáng)、重復(fù)性好且具有較強(qiáng)抗干擾能力的M18/612HD 型可控震源激發(fā)地震波，震源激發(fā)頻率為10～250 Hz，可選線性掃描和非線性掃描，最大出力25 t。地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Geode DZ200 型數(shù)字地震儀，采用主頻為60 Hz 的檢波器。儀器采集參數(shù)為：采樣間隔0.5 ms，記錄長(zhǎng)度2 000 ms。激發(fā)震源參數(shù)為：掃描頻率10～120 Hz 和8～90 Hz，掃描長(zhǎng)度12 s。觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)為：道間距2 m，炮間距6 m，240 道接收，40 次/30 次覆蓋。為壓制干擾，提高地震資料的信噪比，每道采用3、4 個(gè)60 Hz 的檢波器組合。當(dāng)遇到水渠、河流、危房等障礙物時(shí)，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證足夠的疊加次數(shù)，獲得質(zhì)量較好的地震記錄，達(dá)到探測(cè)目的。

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，采用疊前一維濾波和二維濾波相結(jié)合的方法壓制干擾，提高有效反射波的信噪比；采用折射靜校正和剩余靜校正相結(jié)合的方法增強(qiáng)有效反射的同相性，提高剖面的信噪比和分辨率；采用疊前反褶積和疊后偏移相結(jié)合的方法，提高剖面的縱向和橫向分辨率。利用資料處理獲得的反射波疊加速度數(shù)據(jù)及地震時(shí)間剖面上不同界面反射波的雙程垂直到時(shí)，并參考該區(qū)的地質(zhì)鉆孔資料，計(jì)算探測(cè)剖面地震波的平均速度，并以此作為時(shí)深轉(zhuǎn)換的依據(jù)。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是采用高頻電磁波對(duì)地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的地球物理探測(cè)技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)基于電磁波反射原理，由天線向地下發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到具有電抗性的地質(zhì)體時(shí)會(huì)反射回地面，地質(zhì)雷達(dá)會(huì)對(duì)地下具有電性差異、磁性差異和電介質(zhì)差異的界面成像（茹瑞典等，1996；Neal，2004；蘇鵬等，2015；張迪等，2016）。

本研究使用的地質(zhì)雷達(dá)儀器包括ProEx 主機(jī)、100 MHz 的屏蔽天線、外接計(jì)算機(jī)、測(cè)距輪和皮尺。根據(jù)前期利用不同頻率的天線在研究區(qū)的測(cè)試結(jié)果，本次選用100 MHz 的屏蔽天線對(duì)湯東斷裂進(jìn)行探測(cè)（蘇鵬等，2021）。利用測(cè)距輪控制采樣間隔為0.05 m，采樣頻率為1 000～1 200 MHz，采樣時(shí)窗為300～400 ns，每道數(shù)據(jù)自動(dòng)疊加16 次。

本研究使用Reflexw 軟件對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理流程主要包括去除零點(diǎn)漂移、靜校正切除、能量衰減增益、抽取平均道、巴特沃斯帶通濾波、滑動(dòng)平均等。最后，基于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果和野外探測(cè)場(chǎng)地環(huán)境，結(jié)合已有研究成果與資料進(jìn)行綜合分析，做出合理的圖像解釋。本文使用電磁波在松散堆積層中的平均傳播速度（0.1 m/ns）對(duì)得到的地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。

2.3 淺層人工地震和地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)

本研究首先開(kāi)展淺層人工地震勘探，確定湯東斷裂的大致位置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，進(jìn)一步確定了湯東斷裂在淺地表的具體位置、上斷點(diǎn)埋深等信息。

淺層人工地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線位置如圖2 所示。本研究分別選取2 條淺層人工地震勘探測(cè)線和2 條地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線，其中淺層人工地震勘探測(cè)線AA'位于?？h馮屯村，起點(diǎn)坐標(biāo)為（35°34′27.55″N，114°16′29.72″E），終點(diǎn)坐標(biāo)為（35°34′19.55″N，114°17′21.41″E），全長(zhǎng)1 320 m；淺層人工地震勘探測(cè)線BB'位于?？h前交卸村，起點(diǎn)坐標(biāo)為（35°31′52.70″N，114°15′23.60″E），終點(diǎn)坐標(biāo)為（35°31′42.40″N，114°16′48.81″E），全長(zhǎng)2 174 m；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線CC'位于浚縣馮屯村，起點(diǎn)坐標(biāo)為（35°34′21.54″N，114°16′57.83″E），終點(diǎn)坐標(biāo)為（35°34′18.84″N，114°17′28.10″E），全長(zhǎng)791 m；地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線DD'位于浚縣前交卸村，起點(diǎn)坐標(biāo)為（35°31′48.44″N，114°15′54.60″E），終點(diǎn)坐標(biāo)為（35°31′41.70″N，114°16′53.95″E），全長(zhǎng)1 504 m。

圖2 淺層人工地震勘探測(cè)線和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)測(cè)線位置Fig. 2 Locations of the shallow artificial seismic reflection profiles and Ground Penetration Radar （GPR） profiles

3 結(jié)果分析

3.1 淺層人工地震勘探結(jié)果

本研究得到的淺層人工地震反射剖面清晰地揭示出湯東斷裂的構(gòu)造特征。馮屯村淺層人工地震反射剖面AA'基底反射明顯，剖面揭示的反射波均能橫向追蹤，各反射波組同相軸近水平（圖3）。根據(jù)反射波組特征，識(shí)別出6 組能量較強(qiáng)的地震波反射震相（TQ、T1、T2、T3、T4、TN）。根據(jù)該地區(qū)已有地質(zhì)資料，將TQ解譯為第四系地層的底界反射，T1～T4解譯為新近系內(nèi)部地層的界面反射，TN解譯為新近系地層的底界反射。在該淺層人工地震反射剖面樁號(hào)960 m 附近，兩側(cè)的反射波組發(fā)生了明顯錯(cuò)動(dòng)，解譯為1 條斷層，斷層性質(zhì)為正斷層，傾向西，傾角約為68°。在該斷層西側(cè)，地層界面反射波組較豐富，第四系底界面TQ反射波能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較好，新近系底界面TN埋深較大，說(shuō)明在新近紀(jì)時(shí)期湯陰地塹的沉積環(huán)境較穩(wěn)定；在該斷層?xùn)|側(cè)，第四系底界面TQ反射波能量較弱，新近紀(jì)地層界面反射波明顯少于斷層西側(cè)，新近系底界面TN埋深較小。該處斷層向上錯(cuò)斷了反射波組TQ，向下錯(cuò)斷了所有的反射地層，上斷點(diǎn)位于剖面水平位置960 m 處，深度為80～90 m。

圖3 馮屯村淺層人工地震勘探結(jié)果Fig. 3 Shallow artificial seismic profile in the Fengtun village

前交卸村淺層人工地震反射剖面信噪比和分辨率較高，斷裂構(gòu)造特征清晰（圖4）。整個(gè)剖面雙程走時(shí)800 ms 以下的反射波同相軸連續(xù)性差，無(wú)法識(shí)別出連續(xù)的地層反射界面。與馮屯村測(cè)線AA'淺層人工地震反射剖面類似，在該剖面西段反射震相較豐富，反射波能量較強(qiáng)，剖面東段反射震相較少，反射波能量一般。前交卸村淺層人工地震反射剖面西段基底較深，雙程走時(shí)800 ms 以上的反射波能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較好，各反射波同相軸近水平。在剖面樁號(hào)1 120 m 處，該淺層人工地震反射剖面雙程走時(shí)為200～400 ms 的位置，地層有較明顯的錯(cuò)動(dòng)，此位置解譯為湯東斷裂西支F3-2，斷層性質(zhì)為正斷層，視傾向西，傾角為62°～72°，上斷點(diǎn)位于剖面水平位置1 150 m 處，斷層向上錯(cuò)斷了反射波組TQ，揭示的上斷點(diǎn)埋深為60～70 m。

圖4 前交卸村淺層人工地震勘探結(jié)果Fig. 4 Shallow artificial seismic profile in the Qianjiaoxie village

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

馮屯村地質(zhì)雷達(dá)剖面CC'如圖5 所示，在雙程走時(shí)150 ns 以上，電磁波反射信號(hào)較好，同相軸成層性較明顯；在雙程走時(shí)150 ns 以下，電磁波反射信號(hào)較差。根據(jù)電磁波反射波同相軸特征，本文將淺地表劃分為3 層，識(shí)別出2 個(gè)地層界面。雙程走時(shí)50 ns 附近的反射界面明顯，意味著上、下地層電性有較大差異。雙程走時(shí)150 ns 附近也能識(shí)別出反射界面，但界面相對(duì)模糊，這可能是由地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)向下傳播時(shí)能量衰減所致。在水平位置1 010 m 處，電磁波反射波同相軸發(fā)生了較明顯的錯(cuò)動(dòng)，認(rèn)為該位置為湯東斷裂西支經(jīng)過(guò)的位置。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射電磁波的平均速度，確定湯東斷裂西支在該測(cè)線位置的上斷點(diǎn)埋深約為2.5 m。

圖5 馮屯村地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Fig. 5 Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Fengtun village

前交卸村地質(zhì)雷達(dá)剖面DD'如圖6 所示，在雙程走時(shí)160 ns 以上，電磁波反射信號(hào)較好，同相軸的成層性較明顯；在雙程走時(shí)160 ns 以下，電磁波反射信號(hào)較差，出現(xiàn)雜亂反射。前交卸村地質(zhì)雷達(dá)剖面電磁波反射波同相軸特征與馮屯村地質(zhì)雷達(dá)剖面特征基本相似。在剖面上對(duì)能量較強(qiáng)的反射波同相軸進(jìn)行橫向追蹤，未發(fā)現(xiàn)反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)，將淺層人工地震反射剖面BB'揭示的上斷點(diǎn)向上延伸（圖4）后，未在相應(yīng)地質(zhì)雷達(dá)剖面DD'上觀察到斷錯(cuò)跡象（圖6）。因此，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)電磁波的平均速度，本研究認(rèn)為湯東斷裂西支F3-2 在該剖面位置未造成近地表約10 m 以內(nèi)的地層斷錯(cuò)。

圖6 前交卸村地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果Fig. 6 Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Qianjiaoxie village

4 討論

淺層人工地震反射剖面AA'和BB'顯示，湯東斷裂西支F3-2 東、西側(cè)地層的橫向變化較大，淺層人工地震反射剖面的有效探測(cè)深度為50～1 000 m，可在地震反射剖面中解譯出第四系和新近系地層，斷裂西側(cè)地層埋藏深，且沿?cái)鄬酉蛏希瑪嗑嘀饾u減小。在淺層人工地震反射剖面AA'得到的上斷點(diǎn)水平位置為960 m，深度為60～70 m，而在地質(zhì)雷達(dá)剖面CC'得到的上斷點(diǎn)水平位置為1 010 m，深度為2.5 m。在淺層人工地震反射剖面BB'得到的上斷點(diǎn)水平位置為1 120 m，深度為50～60 m，而在地質(zhì)雷達(dá)剖面DD'中未識(shí)別出斷層跡象。由此說(shuō)明，在淺層人工地震勘探的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，可明顯提高對(duì)上斷點(diǎn)位置的約束，有利于指導(dǎo)后期城市活動(dòng)斷層探查中的探槽和鉆孔布設(shè)。

鶴壁地區(qū)鉆孔資料顯示，湯東斷裂上斷點(diǎn)埋深為23.5～35.8 m，上斷點(diǎn)附近的地層年齡為（225±30） ka～（313±32） ka（劉保金等，2012），由此估算出研究區(qū)的平均沉積速率約為0.1 mm/a。馮屯村淺層人工地震反射剖面AA'和地質(zhì)雷達(dá)剖面CC'結(jié)果揭示出湯東斷裂西支F3-2 上斷點(diǎn)埋深為2.5 m，推測(cè)該斷裂在馮屯村斷錯(cuò)的最新地層年齡約為25 ka。前交卸村淺層人工地震反射剖面BB'和地質(zhì)雷達(dá)剖面DD'結(jié)果揭示出湯東斷裂西支F3-2 上斷點(diǎn)埋深＞10 m，推測(cè)該斷裂在前交卸村未斷錯(cuò)年齡約為100 ka 的地層。

5 結(jié)論

本研究綜合了淺層人工地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法，對(duì)湯東斷裂西支進(jìn)行了聯(lián)合探測(cè)，獲得了湯東斷裂西支在2 個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)自淺部（數(shù)十米至數(shù)百米）至超淺部（數(shù)米至十多米）范圍內(nèi)的斷錯(cuò)地層信息。

（1）淺層人工地震勘探揭示的馮屯村處湯東斷裂西支F3-2 上斷點(diǎn)位置為（35°34′20.42″N，114°17′06.86″E），埋深為60～70 m，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)揭示的上斷點(diǎn)埋深約為2.5 m，結(jié)合平均沉積速率推測(cè)湯東斷裂西支在馮屯村的最新活動(dòng)時(shí)代為25 ka。淺層人工地震勘探揭示的前交卸村處湯東斷裂西支F3-2 上斷點(diǎn)位置為（35°31′47.38″N，114°16′08.71″E），埋深為50～60 m，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)揭示出湯東斷裂西支F3-2 在前交卸村處未造成近地表約10 m 以內(nèi)的地層斷錯(cuò)。湯東斷裂西支F3-2 在馮屯村和前交卸村的上斷點(diǎn)埋深差別較大，可能反映了該斷裂上一次發(fā)生大地震時(shí)，形成的地表破裂不連續(xù)。

（2）在城市隱伏活動(dòng)斷層探測(cè)中，采用淺層人工地震勘探和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的方法可有效提高勘探效率。首先采用淺層人工地震勘探方法確定斷層的總體走向和分布位置，然后利用地質(zhì)雷達(dá)更精確地約束活動(dòng)斷層上斷點(diǎn)的埋深。該聯(lián)合探測(cè)方法可有效指導(dǎo)后期探槽和鉆孔布設(shè)，大幅度降低活動(dòng)斷層探查的成本。但該方法具有不確定性，真實(shí)的斷層位置及活動(dòng)性需通過(guò)地質(zhì)手段驗(yàn)證。

致謝 中國(guó)地震局地質(zhì)研究所張金玉副研究員和王偉助理研究員在文章修改中提供了幫助，中國(guó)地震局地質(zhì)研究所碩士徐芳和中國(guó)海洋大學(xué)碩士侯江飛參與了野外數(shù)據(jù)采集工作，河南省地震局、鶴壁市地震局等單位在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中給予了支持，審稿專家提出了寶貴建議，在此一并表示感謝。