橫波反射與縱波折射聯(lián)合勘探在隱伏斷裂探測中的應(yīng)用

彭劉亞，疏 鵬，馮偉棟

(安徽省地震局 安徽省震災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防治中心，安徽 合肥 230031)

1 引 言

當(dāng)前，隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的全面推進(jìn)，城市地質(zhì)調(diào)查工作愈發(fā)重要。其中，活動(dòng)斷層探測對(duì)重大工程的建設(shè)及城市防震減災(zāi)等方面具有重要的指導(dǎo)作用。在城市中，活動(dòng)斷層通常隱伏在第四系覆蓋層之下，因此在城市活動(dòng)斷層探測、地震小區(qū)劃及重大工程場地的地震安全性評(píng)價(jià)等項(xiàng)目中，均需要查明隱伏斷裂的空間分布形態(tài)和斷點(diǎn)的大致位置，從而進(jìn)一步判斷和評(píng)價(jià)其活動(dòng)性[1-4]。

目前，使用最為廣泛的活動(dòng)斷層勘探手段主要為淺層地震勘探法，其中縱波反射法具有探測深度大、分辨率高、可靠程度較高等特點(diǎn)，在大多數(shù)情況下均可以滿足探測基本要求[5,6]。但隨著活動(dòng)探測的深入研究，發(fā)現(xiàn)在淺覆蓋層區(qū)或基巖面上伏地層存在吸收層(如卵石和碎石等)時(shí)，僅通過縱波反射法無法獲取高質(zhì)量的反射波剖面，甚至在某些情況下，無法獲取有效反射波，給隱伏斷裂的推斷解釋增加了困難。而橫波相對(duì)于縱波具有波速低、波長短等特點(diǎn)，雖然探測深度相對(duì)有限，但在基巖面內(nèi)部的分辨率與縱波相比具有天然優(yōu)勢[7-13]。近幾年，縱橫波聯(lián)合勘探方法在淺覆蓋層地區(qū)的活斷層探測中已取得良好的應(yīng)用效果[14-20]。如王小江等[7]在模型研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析了縱橫波勘探的優(yōu)缺點(diǎn)和精度差異；顧勤平等[8]聯(lián)合使用共偏移距反射、橫波反射及折射層析法在廢黃河斷裂進(jìn)行探測，取得了良好的勘探效果；馬董偉[9]通過對(duì)縱波反射法、橫波反射法和地震層析成像法進(jìn)行相互比較和綜合分析，在新沂活斷層探測中取得了良好勘探效果。夏暖等[10]聯(lián)合淺層縱波法和超淺層橫波反射法在連云港地區(qū)的猴咀—南城斷裂進(jìn)行探測，確定了上斷點(diǎn)的位置。但在很多工程項(xiàng)目的實(shí)施過程中，受工程場地地震地質(zhì)條件的影響，以及項(xiàng)目周期和成本的制約，無法同時(shí)采用縱波反射和橫波反射進(jìn)行勘探[21,22]。本文結(jié)合六安城區(qū)地震小區(qū)劃項(xiàng)目，采用橫波反射法為主，縱波折射法為輔的聯(lián)合勘探方法，探查肥西—韓擺渡斷裂在六安城區(qū)附近的空間分布形態(tài)及上斷點(diǎn)的大致位置，從而初步判斷其活動(dòng)性。

2 測區(qū)基本概況

2.1 肥西—韓擺渡斷裂

測區(qū)位于六安市，六安地區(qū)跨華北板塊、秦嶺～大別造山帶二個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(圖1)，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，多期次的構(gòu)造活動(dòng)在測區(qū)留下了極為豐富的構(gòu)造形跡。構(gòu)造線總體呈北西―近東西向。郯廬斷裂帶、肥西-韓擺渡斷裂帶、磨子潭-曉天斷裂帶(即青山-曉天斷裂)等重要斷裂帶在本區(qū)均有發(fā)育，將本區(qū)分割為三個(gè)斷塊區(qū)，對(duì)測區(qū)的構(gòu)造格架形成、沉積相、巖漿作用及成礦作用都有明顯的控制作用。選取肥西—韓擺渡斷裂為本次勘探任務(wù)的目標(biāo)斷裂，該斷裂是合肥盆地基底斷裂的一部分，本次測區(qū)范圍內(nèi)長約25 km，屬于該斷裂的西端，且均為隱伏斷裂。該斷裂中生代和新生代早期活動(dòng)強(qiáng)烈，曾控制合肥盆地中下白堊統(tǒng)朱巷組、上白堊統(tǒng)向?qū)ЫM、張橋組的沉積邊界和古近系的沉積邊界，在地貌上構(gòu)成大別山東北緣低山和合肥盆地的大致界線。

圖1 測區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景Fig. 1 Geological background of study area

2.2 測區(qū)地震地質(zhì)條件

測區(qū)內(nèi)地層以肥西—韓擺渡斷裂為界，北側(cè)屬華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)華北南緣地層分區(qū)淮河地層小區(qū)；南側(cè)屬華南地層大區(qū)南秦嶺—大別山地層區(qū)桐柏—大別山地層分區(qū)北淮陽地層小區(qū)。區(qū)內(nèi)大部分為第四系覆蓋，根據(jù)已有鉆孔資料揭露和區(qū)域基巖地質(zhì)圖，第四系厚度約5～10 m，以豐樂鎮(zhèn)組(Q4)和戚咀組(Q3)分布最為廣泛(圖2)。在斷裂的兩側(cè)，基巖分布有所差異，南側(cè)以古近系戚家橋組(E2q)的礫巖、砂礫巖等為主，北側(cè)局部分布有中侏羅系周公山組砂巖(J3z)?？傮w上來看，覆蓋層具備一定的厚度，且與基巖之間存在明顯的波阻抗差異，為運(yùn)用反射波勘探手段確定斷裂的具體位置和上斷點(diǎn)埋深提供了較為良好的客觀條件。

圖2 測區(qū)地震構(gòu)造及淺層地震測線位置分布Fig.2 Historical earthquakes and target fault with seismic survey lines

3 橫波反射勘探

3.1 測線布置

根據(jù)近場地震構(gòu)造分布圖和已有相關(guān)地質(zhì)資料，垂直于肥西—韓擺渡斷裂的走向分別在斷裂的東段、中段和西段布設(shè)3條淺層地震反射測線，編號(hào)分別為L1、L2和L3，均為由南向北施工，長度分別為2 590 m、3 022 m和2 638 m。

3.2 采集參數(shù)

基于各測線附近的第四系覆蓋層厚度較薄，且變化較大，正式采集之前首先進(jìn)行了擴(kuò)展排列試驗(yàn)來調(diào)查波場。采用WTC5060TZY型3噸可控震源車激發(fā)，該震源的最大振動(dòng)出力29.6 kN，振動(dòng)頻率范圍為6～250 Hz。配合使用美國SI儀器公司生產(chǎn)的S-LAND全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，28 Hz縱、橫波兩用檢波器。圖3(a)和圖3(b)分別為L2測線的縱波和橫波試驗(yàn)的單炮記錄，其中縱波試驗(yàn)采用0 m偏移距，單邊激發(fā)，橫波試驗(yàn)采用中間對(duì)稱激發(fā)。縱橫波擴(kuò)展排列均采用2 m道間距，96道接收。根據(jù)采集的擴(kuò)展排列記錄可見，圖3(a)中縱波的單炮記錄上面波、直達(dá)波清晰可辨，但反射波不發(fā)育；而圖3(b)中橫波單炮記錄上面波、直達(dá)波和反射波均比較發(fā)育。結(jié)合場地附近的鉆孔地層分布特征和相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料得知，測區(qū)內(nèi)整體基巖埋深較淺，初步判斷不具備開展淺層縱波地震勘探的條件，因此本次勘探優(yōu)先選擇橫波反射方法，根據(jù)擴(kuò)展排列記錄，最終選擇的最佳反射采集參數(shù)見表1。圖4為淺層地震勘探采集觀測系統(tǒng)，其中圖4(a)為橫波反射觀測系統(tǒng)示意圖，圖4(b)為縱波折射觀測系統(tǒng)示意圖。

圖3 擴(kuò)展排列試驗(yàn)單炮記錄Fig.3 Shot records from different survey test

表1 橫波反射采集參數(shù)

圖4 淺層地震勘探采集觀測系統(tǒng)Fig.4 Acquisition and observation system for shallow seismic exploration

圖5 橫波反射剖面特征Fig.5 S—wave reflection profiles

3.3 橫波反射剖面特征

圖5(a)～圖5(c)分別為L1、L2、L3測線的橫波反射疊加偏移剖面，各剖面總體上信噪比較高，除受橋梁路口等影響外，同相軸連續(xù)性較好，能量較強(qiáng)，在100～200 ms處均存在一組強(qiáng)相位反射波S1，結(jié)合鉆孔揭露資料，推斷為基巖界面反射波，其中：

1)L1測線總體S1波組連續(xù)性較好，能量較強(qiáng)，S1波組雙回程反射時(shí)間在31～269 ms，上覆層平均速度約為320 m/s，反映界面埋深在5～43 m。在CDP號(hào)951～1 176(樁號(hào)986～1 211)處,基巖呈隆起狀；CDP號(hào)1 355(樁號(hào)1 390)附近恰遇道路維護(hù)，測線上大約40 m長度受到路面開挖的影響，使得S1波組不連續(xù)。在CDP號(hào)2 219～2 243(樁號(hào)2 254～2 278)處過G105高速口，同相軸不連續(xù)。在CDP號(hào)1 850～1 885(樁號(hào)1 885～1 910)處，繞射波發(fā)育明顯，初步判斷存在斷點(diǎn)F3-1,斷點(diǎn)埋深約為30 m；

2)L2測線S1波組連續(xù)性較好，能量較強(qiáng)，S1波組雙回程反射時(shí)間在94～206 ms，上覆層平均速度約為320 m/s，反映界面埋深在15～33 m。在CDP號(hào)2 105～2 170(樁號(hào)2 140～2 205)處，同相軸錯(cuò)斷，繞射波發(fā)育明顯，初步判斷存在斷點(diǎn)F3-2，斷點(diǎn)埋深約為25 m；

3)L3測線基巖埋深較淺，地震反射時(shí)間剖面小號(hào)端信噪比較差，個(gè)別段S1波組同相軸連續(xù)性較差，能量較弱。S1波組雙回程反射時(shí)間在75～163 ms，上覆層平均速度約為320 m/s，反映界面埋深在12～26 m。在CDP號(hào)1 995～2 010(樁號(hào)2 030～2 045)處，同相軸錯(cuò)斷，繞射波發(fā)育明顯，初步判斷存在斷點(diǎn)F3-3，斷點(diǎn)埋深約為20 m；

從三條橫波反射剖面上可以看出，肥西—韓擺渡斷裂均呈現(xiàn)出基巖面反射波組S1同相軸斷錯(cuò)、繞射波發(fā)育的明顯跡象，結(jié)合第四系等厚線可知上斷點(diǎn)并未斷錯(cuò)至第四系內(nèi)部，因此初步認(rèn)為肥西—韓擺渡斷裂為前第四紀(jì)斷裂。且由于斷點(diǎn)附近的繞射波發(fā)育，雖然經(jīng)疊后偏移部分繞射波偏移歸位，但由于橫波速度變化差異較小,使得偏移成像效果一般，斷裂在水平方向的位置不夠明確，因此考慮使用縱波折射法進(jìn)行補(bǔ)充勘探。

圖6 各測線斷點(diǎn)附近折射波時(shí)距曲線及單炮記錄Fig.6 P-wave refraction time-distance curve and shot records alongside upper fault points

4 縱波折射勘探

4.1 測線布置

受地震地質(zhì)條件及資料處理的影響，通過橫波反射剖面雖然可以初步判斷斷裂存在，但斷點(diǎn)在平面上的位置不夠明確，需要輔以其他手段進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔實(shí)際揭露和近場地質(zhì)資料，肥西—韓擺渡斷裂兩側(cè)的基巖波速差異明顯，且基巖埋深較淺，為縱波折射勘探提供了有利的條件。結(jié)合橫波反射勘探的初步成果，在3條測線的上斷點(diǎn)附近，沿著橫波反射測線分別布置了縱波折射排列，各排列均為144道接收，道間距3 m。圖4(b)為采用相遇和追逐相結(jié)合的縱波折射排列的觀測系統(tǒng)示意圖。

4.2 縱波折射時(shí)距曲線特征

對(duì)各測線的縱波折射單炮記錄進(jìn)行初至拾取，獲得縱波時(shí)距曲線圖(圖6)。其中：

1)從單炮記錄上可以看出，L1測線在樁號(hào)1 915(對(duì)應(yīng)反射剖面CDP號(hào)1 880)處存在速度突變點(diǎn)(F3-1)，小號(hào)端的折射波速度在2 500～3 100 m/s，大號(hào)端的折射波速度約為4 600 m/s；

2)從單炮記錄上可以看出，L2測線在樁號(hào)2 201(對(duì)應(yīng)反射剖面CDP號(hào)2 116)處存在速度突變點(diǎn)(F3-2)，小號(hào)端的折射波速度在2 600 m/s，大號(hào)端的折射波速度約為4 500 m/s；

3)從單炮記錄上可以看出，L3測線在樁號(hào)2 040(對(duì)應(yīng)反射剖面CDP號(hào)2 005)處存在速度突變點(diǎn)(F3-3)，小號(hào)端的折射波速度在2 600 m/s，大號(hào)端的折射波速度約為5 100 m/s；

結(jié)合目標(biāo)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料和實(shí)際鉆孔揭露情況，各測線小號(hào)端基巖為古近紀(jì)戚家橋組(E2q)，大號(hào)端基巖為中侏羅世周公山砂巖(J3z)，斷點(diǎn)兩側(cè)的基巖巖性和波速差異明顯，與肥西—韓擺渡斷裂的特征相符。

5 綜合解釋

綜合以上跨肥西-韓擺渡斷裂(F3)的三條測線所揭示的三個(gè)斷點(diǎn)分析，肥西-韓擺渡斷裂(F3)具有以下基本特征：

1)斷點(diǎn)附近繞射波發(fā)育明顯；

2)地震剖面顯示肥西-韓擺渡斷裂上斷點(diǎn)僅錯(cuò)斷基巖面，上斷點(diǎn)沒有錯(cuò)斷至上覆蓋層內(nèi)，根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料顯示第四系厚度在5～10 m，因此初步判斷該斷裂為前第四紀(jì)斷裂；

3)以肥西—韓擺渡斷裂為界，斷點(diǎn)兩側(cè)的基巖巖性和縱波速度差異明顯，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料可知，斷裂南側(cè)為古近紀(jì)戚家橋組(E2q)，北側(cè)為中侏羅世周公山砂巖(J3z)；

4)地震剖面揭示的斷點(diǎn)聯(lián)線顯示，肥西-韓擺渡斷裂走向約近東西向(圖2紅色虛線)，與前人推測結(jié)果基本一致，斷點(diǎn)位總體向北偏，斷點(diǎn)傾向朝南。

6 結(jié) 論

本文以六安地區(qū)的肥西—韓擺渡斷裂為例，通過對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料的分析和現(xiàn)場擴(kuò)展排列試驗(yàn)表明，該區(qū)不具備縱波反射探測的條件，因此采用了橫波反射法作為首選勘探手段?；跈M波反射剖面特征，初步確定了基巖頂面反射波組S1以及基巖面的大致埋深。通過對(duì)反射波組S1同相軸的錯(cuò)斷和連續(xù)性分析，初步判斷了肥西—韓擺渡斷裂在各測線的大致位置。并在此基礎(chǔ)上，沿各測線在斷點(diǎn)附近布設(shè)縱波折射排列，通過分析折射波時(shí)距曲線特征進(jìn)一步確定了斷點(diǎn)的位置。研究結(jié)果表明，在類似的超淺覆蓋層地區(qū)的隱伏斷裂探測工作中，可以根據(jù)具體地質(zhì)條件和斷裂特征選擇合適的勘探方法，考慮聯(lián)合橫波反射和縱波折射勘探方法，為隱伏斷裂或活動(dòng)斷層的探測提供新的技術(shù)思路。

致謝

感謝上海申豐地質(zhì)新技術(shù)應(yīng)用研究所有限公司在地震數(shù)據(jù)采集及資料處理解釋工作中的大力支持！