縱橫波聯(lián)合勘探在地質(zhì)異常調(diào)查中的應(yīng)用

楊 浩 孟 科 顧勤平 趙啟光 王金艷 蔣 新 楊 云 王 維

（中國南京210014江蘇省地震局）

0 引言

2016年2月，在連云港市堆溝港鎮(zhèn)化工產(chǎn)業(yè)園第四系覆蓋區(qū)先后出現(xiàn)多個泥漿涌出異常點，異常點連線近NW—SE方向展布，有專家認為冒漿點下方可能存在隱伏斷裂，也有學(xué)者認為其下方可能有管道敷設(shè)。針對該地“冒泥漿”異常事件，初始方案中包括：①查看冒漿點、走訪調(diào)查周圍環(huán)境，查找地下管線、調(diào)查附近施工情況等；②取宏觀異常點泥漿、附近土樣、水樣進行化驗，對比分析；③開展淺層地震、地電、地磁、重力等地球物理勘探；④開展坑探、槽探、鉆探等巖土工程勘察?；诘谒募o(jì)地層較厚、場地條件限制、探測方法的分辨率、經(jīng)費限制等因素的綜合考慮，采用周邊環(huán)境調(diào)查、土壤水樣檢測、淺層地震縱橫波聯(lián)合勘探、淺層探槽挖掘等方法，查找泥漿來源、泥漿上涌的原因，并綜合判斷該異常是否為隱伏斷裂活動影響所致。

冒漿點異常帶位于江蘇第四系覆蓋區(qū)，無法直接觀測并判斷其影響因素。因此，采用合理的探測手段來探測該線性冒漿帶是否由其下隱伏斷裂構(gòu)造所導(dǎo)致，是一件有意義的工作。淺層地震勘探具有高分辨率及高精度特點，在城市隱伏斷裂構(gòu)造探測中得到普遍應(yīng)用（劉保金等，2002），可作為查明該區(qū)地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的首選方法。然而，不同的地震勘探方法和工作參數(shù)，其有效探測深度及縱向分辨率也有所差異。在本區(qū)采用縱波反射勘探方法探測埋深大于200 m的基巖面是可行且有效的，但用于探測埋藏較淺的第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)分布和垂向落差較小的地層則因方法本身分辨率而受限。近年來，對于不同深度的目標(biāo)層探測，多種淺層地震勘探方法的聯(lián)合應(yīng)用在國內(nèi)多個地區(qū)得到廣泛應(yīng)用（柴熾章等，2006；劉保金等，2011；Gu et al，2018）。例如：柴熾章等（2006）在銀川新渠梢試驗場通過淺層地震勘探的多層次探測，查明了主斷層的空間位置、上斷點埋深和活動性等重要參數(shù)；劉保金等（2011）在三河—平谷地區(qū)采用淺層地震縱波、橫波多次覆蓋反射以及初至波層析成像技術(shù)，獲得了目標(biāo)斷裂的活動性和構(gòu)造特征；Gu等（2018）采用多層次、多手段的淺震勘探技術(shù)，不僅有效定位了栟茶河斷裂的空間展布位置，而且得到了其不同埋藏深度的產(chǎn)狀等特征；馬董偉（2019）通過對縱波反射法、橫波反射法和地震層析成像法進行相互比較和綜合分析，在新沂活斷層探測中取得良好的勘探效果。

聯(lián)合勘探可以彌補單一地震勘探方法的不足，可為隱伏斷層探查和地質(zhì)異常判別提供可靠依據(jù)。針對本次工作對象——冒漿異常點的地震地質(zhì)條件，采用淺層地震縱、橫波聯(lián)合勘探方法，按照“由深到淺、分步探測”的工作思路，獲得40—540 m深度范圍內(nèi)高分辨率的地層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了自基巖頂面至近地表的地層結(jié)構(gòu)及可能隱伏構(gòu)造的有效探測，確定了異常點線性帶下方不存在隱伏斷裂構(gòu)造，也沒有第四紀(jì)地層受重力坍塌等作用產(chǎn)生的地層落差現(xiàn)象，為地震異常的落實工作提供了重要的基礎(chǔ)資料。

1 測區(qū)地質(zhì)和環(huán)境條件概況

1.1 地震地質(zhì)條件概況

冒漿異常點位于江蘇省連云港市堆溝港鎮(zhèn)，工區(qū)內(nèi)公路交通發(fā)達，水網(wǎng)密布。根據(jù)連云港1∶200000基巖地質(zhì)圖（江蘇地礦局區(qū)域地調(diào)大隊，1983）資料揭示，異常點所處測區(qū)基巖頂面埋深約200 m，基巖時代為震旦紀(jì)（Z），第四紀(jì)地層埋深約140 m，晚更新世地層埋深約80 m。如圖1所示，冒漿點異常帶附近存在NW—SE向展布的前第四紀(jì)斷裂——嘉山響水次級斷裂，與冒漿異常點相距不到2 km，此次地質(zhì)異常是否與該斷裂相關(guān)，有待地球物理證據(jù)予以核實。

圖1 區(qū)域斷裂（a）及淺層地震勘探測線位置分布（b）Fig.1 Distribution of regional faults (a) and shallow seismic exploration lines(b)

該地區(qū)沉積層總體上由NW向NE逐漸增厚，沉積物在垂直方向上呈二元結(jié)構(gòu)，下部為新近系及第四系中下更新統(tǒng)的河湖相沉積，砂層具有顆粒粗、層數(shù)多、厚度大的特點；上部為上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)的海相和陸相沉積，砂層具有厚度薄、層數(shù)少的特點。近地表50 m以淺主要為全新統(tǒng)海相灰色粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土和淤泥，淤泥層埋深一般在2—20 m，具有大孔隙、高壓縮性、低強度等特點。松散層內(nèi)的泥、砂沉積物所具有的波阻抗差異給淺層地震勘探工作提供了應(yīng)有的物性基礎(chǔ)。

1.2 場地環(huán)境條件概況

根據(jù)衛(wèi)星圖和現(xiàn)場踏勘結(jié)果，場地周圍工廠較多，對地震勘探數(shù)據(jù)采集有一定干擾。對此，采用具有互相關(guān)技術(shù)的可控震源，盡可能抑制周邊環(huán)境干擾。目前，在城市活動斷層勘探中，主要采用淺層地震反射勘探方法（何正勤等，2007），利用反射剖面上豐富的反射波組特征來判定斷層的存在并確定其產(chǎn)狀等基本參數(shù)，該方法在斷層定位及其特征判定上具有較高精度（方盛明等，2002；鄧起東等，2003；劉保金等，2008；李大虎等，2010）。經(jīng)過對各種地質(zhì)資料的查閱及現(xiàn)場踏勘，近垂直于異常點線性連線布設(shè)CL1和CL1jm兩條淺層地震勘探測線，測線起點重合，走向NE—SW，其中CL1測線長度為897 m，CL1jm測線長度為574 m。2條測線位于靠近冒漿點的道路上（圖1），圖中縱波單炮點位跨異常點線性連線沿工廠內(nèi)部道路排列，易于施工，符合工作開展要求。

2 數(shù)據(jù)采集及資料處理

2.1 測線布置與觀測系統(tǒng)

鑒于該地區(qū)基巖面埋深約200 m，且施工區(qū)域位于工廠密集區(qū)，常規(guī)叩擊橫波反射勘探法的有效勘探深度通常小于50 m。為壓制過往車輛和測線附近產(chǎn)生的干擾噪聲，本工程使用KZ03型車載縱橫波一體式可控震源（河北北奧公司生產(chǎn)），其最大出力29.6 kN，抗干擾能力較強。使用S-LAND全數(shù)字化高密度地震勘探數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（美國HPI公司生產(chǎn)），并配置28 Hz縱、橫波兩用檢波器，可根據(jù)工作需要配合震源進行縱、橫波之間的模式切換，是強干擾條件下開展隱伏斷層探測的有效技術(shù)手段。

本次淺層地震勘探采用對同一條測線進行加密的方法，分別運用縱波勘探與橫波勘探，并根據(jù)不同目標(biāo)層分別設(shè)計觀測系統(tǒng)，測線位置見圖1。為提高斷層定位精度和成像效果，經(jīng)現(xiàn)場試驗，CL1測線選用縱波勘探方法：檢波器90道接收、道間距3 m、最小偏移距36 m；CL1jm測線選用橫波勘探方法：檢波器90道接收、道間距2 m、最小偏移距1 m。

上述2條測線中，CL1縱波測線用于查明是否存在基巖斷裂，若存在則繼續(xù)追蹤破裂面是否延深至新近系甚至第四系；若不存在，則通過CL1jm橫波測線探明淺地表地層內(nèi)是否存在因重力坍塌等作用產(chǎn)生的橫向地層落差，或是否存在位于近地表的地下管線。

2.2 反射資料特征和數(shù)據(jù)處理

在不同工作方法的淺地震共炮點道集記錄（圖2）上，不同深度的地層界面反射波清晰可見。在縱波地震記錄上，可分辨出130 ms（P3）、180 ms（P6）以及270 ms（P7）3組反射波同相軸，450 ms（P8）同相軸則因埋藏深度較大、基巖頂面為能量強組斷面等導(dǎo)致能量相對微弱，經(jīng)多次覆蓋技術(shù)疊加可在地震時間剖面上顯示（圖3）。而在橫波記錄中，不能分辨深層反射波P7、P8，但能清晰分辨P6及更淺部分的同相軸P1—P（5圖4）。由此可見，在進行地震數(shù)據(jù)采集時，根據(jù)所探測目標(biāo)層埋深和精度要求，選擇適當(dāng)?shù)奶綔y方法和工作參數(shù)，采用由深到淺的順序進行逐級探測，可獲取不同埋藏深度目標(biāo)層更高分辨率和探測精度的原始數(shù)據(jù)。

圖2 縱波單炮記錄（a）與橫波單炮記錄（b）對比Fig.2 Comparison of P-wave single-shot record（a）and SH-wave single-shot record（b）

圖3 CL1測線縱波反射疊加時間剖面Fig.3 P-wave reflection superposition time profile of CL1 line

圖4 CL1jm測線橫波反射疊加時間剖面Fig.4 SH-wave reflection superposition time profile of CL1jmline

資料處理采用GRISYS8.0及epos2011地震反射處理軟件，根據(jù)淺層地震勘探數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗，結(jié)合此次勘探測區(qū)的目標(biāo)層深度、地質(zhì)構(gòu)造特征、現(xiàn)場地震記錄特點及各種處理流程的室內(nèi)試驗，設(shè)計以下主要處理流程：疊前去噪、帶通濾波、F-K濾波、速度模型建立及速度分析、正常時差校正（NMO）、共中心點（CMP）疊加、疊后去噪等，并利用資料處理時獲得的疊加速度，通過時深轉(zhuǎn)換獲得各層位深度。

3 剖面結(jié)果及特征

3.1 縱波反射勘探

圖3是道間距為3 m的縱波反射勘探疊加時間剖面，為遵從“西小東大、南小北大”的原則，將剖面水平翻轉(zhuǎn)，現(xiàn)剖面方向與施工方向相反。整個剖面在冒漿點的線性延長點上均無明顯錯斷痕跡，疊加剖面呈現(xiàn)多個有效反射波組，包括松散沉積層內(nèi)的P3和P6、基巖頂面P7以及基巖內(nèi)部層位P8，未出現(xiàn)反射波組的斷錯、扭曲和變形等典型構(gòu)造特征。根據(jù)疊加速度和理論的DIX公式，參考江蘇地礦局區(qū)域地調(diào)大隊1983年繪制的1∶200000基巖地質(zhì)圖等資料，初步作時—深轉(zhuǎn)換，估算各個層位的實際深度分別約為90 m、140 m、220 m、540 m。

3.2 橫波反射勘探

為使得縱波剖面140 m以淺的地層界面成像效果更佳，以便細致探查淺地層中有無第四紀(jì)活動斷裂，在CL1測線與冒漿點線性延長線相交位置布設(shè)一條道間距2 m的橫波加密地震勘探測線CL1jm，得到橫波反射疊加時間剖面，見圖4，可見：在雙程走時330 ms—920 ms范圍內(nèi)，P1—P6六個反射波波組同相軸連續(xù)、清晰；對地層的縱向分辨率有了明顯提高，即在同等埋深范圍內(nèi)分辨出更多波阻抗界面，有利于更好地對第四紀(jì)地層成像以及對垂斷距離更小的隱伏構(gòu)造進行判別。

CL1jm測線橫波反射疊加時間剖面（圖4）同樣做了水平翻轉(zhuǎn)，由剖面可見，冒漿點的線性延長點上同樣無錯斷痕跡。經(jīng)參考各種資料，并對各層速度進行計算，確定P1—P6各個層位的實際深度約為40 m、55 m、80 m、105 m、120 m、140 m。

3.3 超淺層縱波單炮

為確定近線性冒漿帶下方是否有管線敷設(shè)，在優(yōu)勝化工廠區(qū)近垂直異常帶布設(shè)超淺層地震接收排列（位置見圖1），共90道檢波器，道間距1 m。圖5給出接收排列正、反支共炮集單炮記錄波形。由圖可見，在正支和反支單炮記錄中，直達波在第47—57道（跨度9 m）均出現(xiàn)到時遲滯現(xiàn)象。直達波是地震波在表層地層中傳播形成的，其延滯表示地表附近存在低速體。

圖5 跨冒漿線性帶布設(shè)的超淺層1 m縱波正（a）、反（b）支單炮記錄Fig.5 Ultra-shallow 1 m P-wave forward and reverse single-shot records across the slurry linear zone

根據(jù)《2016年江蘇省灌南縣堆溝港鎮(zhèn)十隊村土壤冒泥漿宏觀異常落實報告》，人工淺層探槽挖掘結(jié)果顯示，在上涌泥漿噴發(fā)點下方，發(fā)現(xiàn)一條連續(xù)、單一的泥漿上涌裂紋通道，通道中富含上涌泥漿，經(jīng)檢測，上涌物質(zhì)來自場地上部普遍賦存厚層海相淤泥層，該層具含水量大、壓縮性高、強度低、易觸變等特點，表現(xiàn)在地震或荷載作用下易產(chǎn)生大的沉降、側(cè)向流變等特征。裂紋水平走向和3個異常點的展布方向高度一致，傾向SW，傾角較陡。

3.4 縱波和橫波的對比

采用不同探測方法得到的淺層地震剖面，同一深度的地層界面反射波的分辨率也存在明顯差異。在橫波剖面上，140 m以淺可以分辨出6組清晰的反射界面P1—P6；而在縱波剖面上，不能分辨P1、P2以及P4、P5界面，但可分辨位置更深的P7、P8反射界面（深度220 m、540 m）。在縱、橫波勘探法中，橫波對地層的感知更為敏感，因而對同一界面，采用小道間距的橫波勘探，可在較淺范圍內(nèi)同時提高勘探的縱向分辨率和橫向分辨率，對于地層的精細劃分明顯優(yōu)于縱波勘探（王小江等，2010）。

縱、橫波聯(lián)合勘探的優(yōu)勢還在于，同一深度地層的反射波，縱、橫波數(shù)據(jù)可相互印證解釋。在本工程中，縱、橫波速度比約為5∶1，橫波波速低，波長短，最小分辨率可提高2—3倍。將縱波時間剖面顯示比例尺放大后，2種剖面的重合部分（90—140 m），其波組特征基本能一一對應(yīng)，如圖6。

圖6 橫波剖面（a）與縱波剖面（b）對比Fig.6 Comparison of SH-wave profile(a) and P-wave profile(b)

基于橫波的傳播特殊性，采用橫波勘探，有利于對潛水面以下的松散層進行探測（劉保金等，2012）。在測區(qū)內(nèi)，若地層中的地下水飽和，則縱波速度將會降低，并顯示在時間剖面上，故縱波勘探剖面具有多解性；而橫波只在巖石或土體骨架中傳播，對流體反應(yīng)不敏感，其傳播速度幾乎不發(fā)生變化。因此，可以利用橫波的這一特性，對縱、橫波勘探剖面進行對比，往往能夠得到更詳細的分層，易于準(zhǔn)確判定活動構(gòu)造上的斷點位置，并能更精確地對剖面進行解釋。

4 總結(jié)與討論

針對連云港化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)地表該地土壤冒泥的漿異?，F(xiàn)象，采用淺層地震縱橫波聯(lián)合勘探、淺層探槽挖掘、土壤檢測、周邊環(huán)境調(diào)查等方法，排除氣候、地下管道施工和斷裂通過等影響因素。本次淺層地震勘探工作共完成2條淺層地震勘探測線，其中縱波剖面查明在測線控制地段的有效探測深度范圍內(nèi)（埋深約90—540 m）無基巖斷裂；橫波剖面查明在測線控制地段近地表（埋深約40—140 m）亦無斷裂和明顯的地層落差。通過相同位置的地震縱、橫波聯(lián)合勘探法，排除了測線底下存在隱伏斷裂構(gòu)造或局部地層受重力坍塌導(dǎo)致垂向落差的可能性?？绠惓Р荚O(shè)超淺層1 m縱波測線，單炮記錄顯示，在異常帶下無管道敷設(shè)，但可見直達波在冒泥漿異常帶附近存在走時滯后，表明表層地層內(nèi)存在低速體，經(jīng)由現(xiàn)場小型探槽驗證，該低速體為位于地層2 m深度的淤泥層。

在本工程中，采用淺層地震勘探方法進行隱伏斷裂探測，獲得近地表至數(shù)百米深度范圍內(nèi)地下結(jié)構(gòu)和可能存在的構(gòu)造圖像，其中不同工作方法提供的疊加剖面所反映的地層埋深和剖面分辨率是明顯不同的。如本次工程的道間距3 m的縱波勘探能分辨90—540 m范圍內(nèi)的地層，而道間距2 m的橫波勘探則能分辨40—140 m間的更多地層。由此可見，由于地震地質(zhì)條件等因素的限制，單獨用縱波或者橫波勘探方法，不能全面反映地層情況，而縱橫波聯(lián)合勘探的方法，有效利用了縱波和橫波各自的特性，二者相互佐證、相互補充，使得地震勘探在解決實際問題中兼顧了地層的淺部和深部，更有利于提高勘探的分辨率，得到一個更綜合全面的結(jié)果。

本文撰寫過程中得到連云港市地震局、灌南縣地震局等相關(guān)職能部門的幫助和支持，在此表示感謝。