引用本文
徐建宇. 地震方法在城市浅覆盖区活断层调查中的应用[J]. 物探与化探, 2016,40(6): 1103-1107.
XU Jian-Yu. The application of seismic method to the investigation of active faults in urban shallow Quaternary sediment area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6): 1103-1107.
Doi:10.11720/wtyht.2016.6.08  
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地震方法在城市浅覆盖区活断层调查中的应用
徐建宇
中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 徐建宇(1983-),男,2006年毕业于成都理工大学,获学士学位,工程师,主要从事地球物理勘查和信息管理工作。E-mail:xujianyu@igge.cn

收稿日期: 2016-07-11
基金: 河北省城市活断层探测与地震危险性评价(秦皇岛市)项目(秦皇岛市2011-08-04 )
摘要

反射地震方法是当前探测城市地震活断层的主要方法,该方法在厚覆盖区探测效果较好。在浅覆盖区采用的接收排列长度较短,震源干扰波对浅层反射波干扰严重,且要求的分别率较高,应用反射地震方法探测城市活断层难度较大。北戴河鸽子窝断裂是秦皇岛—大连断裂在陆地上的一部分。由于该断裂为隐伏断裂,对断裂的倾向、断距、上断点和空间展布存在不确定性。为查明该断裂的空间展布形态、性质以及活动性,采用高精度浅层地震探测技术探测该断裂获得了十分清晰的反射地震图像,依据该地震剖面能够对第四系内部界面、基岩和基岩风化层及断裂构造进行解释,为钻孔联合剖面位置的布设、钻孔深度的设计以及断裂活动性的评价提供了依据。最后经高精度钻孔联合地质剖面证实,地震勘探方法反演得到的主要地层界面和断裂构造特征与钻孔联合地质剖面吻合较好。

关键词: 浅覆盖区; 隐伏断层; 反射地震勘探; 钻孔联合地质剖面
中图分类号:P631.4 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1103-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.08
The application of seismic method to the investigation of active faults in urban shallow Quaternary sediment area
XU Jian-Yu
Institute of Geophysical and Geochemical Exploration CAGS,Langfang 065000,China
Abstract

Seismic reflection exploration is the main method of detecting urban active faults at present.The effect of investigating fault is fairly satisfactory in areas with thick Quaternary sediments.Detecting active faults by the seismic method is more difficult because of adopting shorter receive array length,more serious source disturbance to shallow reflection interference,and requiring higher resolution in urban shallow Quaternary sediment areas.Geziwo fault in Beidaihe is part of Qinhuangdao-Dalian fault on land.Because the fault is a hidden fault,the dip,fault distance and upper break point as well as spatial distribution of the fault all show uncertainty. In order to find out the spatial distribution shape,nature and activity of the fault,the author detected the fault by shallow seismic exploration technology with high precision,with the obtaining of a very clear reflection seismic image.The Quaternary internal interface,bedrock and bedrock weathering layer as well as fracture structure can be explained on the basis of the seismic profiles.The seismic detecting result provides the basis for the layout of the drilling joint section,the design of borehole depth and the evaluation of the fault activity.The high-precision combined drilling geological sections show that the main stratigraphic boundaries and fault features obtained from the seismic exploration methods are quite consistent with the results from the composite drilling geological section.

Keyword: shallow Quaternary sediment area; buried fault; seismic reflection exploration; combined drilling geological section

反射地震勘探被广泛应用于能源和工程地质调查中[1, 2, 3], 近几年, 该方法在城市活断层调查中, 也发挥了十分重要的作用[4, 5, 6, 7], 当基岩埋藏深度较大, 利用地震剖面上反射波的错断解释隐伏断层, 根据地震剖面上解释的断层进行钻探验证, 结合联测地质钻孔剖面及钻孔岩样年代分析, 可确定断层的活动性[8, 9]。

当测区基岩埋深较浅, 覆盖层厚度较薄的情况下, 利用地震方法探测活断层难度较大[10, 11, 12]。为探测厚度较薄的覆盖层及其地质构造, 需采用较小的道间距和较短的排列长度, 在此情况下, 获得的地震记录信噪比较低, 浅层反射波受震源干扰严重, 往往难以取得好的探测效果。笔者结合在北戴河地区活断层地震探测结果, 讨论了应用在浅覆盖区活断层调查的地震方法技术。

1 测区地质概况及地球物理特征
1.1 地质概况

测区北依燕山, 南濒渤海。东北部为燕山山脉, 南部为堆积平原。测区地势为北高、南低, 依次出现低山、丘陵、台地、平原、海滩的层次变化。

测区范围内基岩以风化的元古— 太古宇混合花岗岩(γ 1-2)、燕山期花岗岩( γ53)、变质沉积岩(石英砂岩等)为主; 第四系地层以上中更新统残积层(Qel)、全新统坡洪积(Qhdpl)、冲洪积Qhapl、泻湖淤泥Qhml、海相沉积Qhm和人工填土分布为主, 泻湖淤泥、海相沉积主要分布在滨海区域, 以沙、淤泥等为主, 冲洪积主要沿北西向河流分布。

秦皇岛市位于燕山纬向构造带南部, 新华夏第二隆起带和新华夏渤海沉降带的过渡部位。图1表示了测区基岩埋深等值线和地质构造分布, 由此可知, 测区沉积厚度较小, 一般在10~40 m之间, 发育的断层主要由以下几组:

图1 测区基岩埋深等值线和地质构造分布

1)蔡各庄— 山东堡断裂(F1)

该断裂走向NE65° , 倾向SE, 为隐伏正断层, 由北戴河风景区的西北侧向北东、沿现今海岸线展布, 控制了全新世海相沉积。

2)香营— 东吕洼断裂(F2)

该隐伏断裂走向NE, 倾向SE, 推测为兼走滑性质的正断层。

3)鸽子窝断裂(F5)

该断裂走向NW300° , 倾角较陡, 为秦皇岛— 大连断裂的陆上部分, 西部与榆关断裂相连, 东部在鸽子窝东侧海域通过。该断裂地貌上表现为河谷谷地, 构成第四系断陷盆地。有关该断裂倾向说法不一, 杜东菊[13]认为该断裂倾向NE, 徐桂林[14]认为倾向SW, 赵瑞斌[15]认为倾向NE或NW。由于该断裂为隐伏断裂, 难以根据已有的局部地质资料, 对其进行正确解释。

1988年6月22日2.2、2.4级微震, 北戴河区震感明显, 微震呈北西向展布, 另外在渤中及渤海海峡, 秦皇岛— 大连断裂与郯庐断裂交汇处, 历史上多有中强地震发生, 表明该断裂现今活动是比较明显的。

4)榆关断裂(F7)

该断裂走向NNE20° , 倾向NW, 倾角60° ~80° , 宏观表现为逆冲断裂, 为山区与平原分界断裂。

1.2 地球物理特征

测区为典型的浅覆盖区, 区内地层分布从上至下为第四系地层, 有淤泥及淤泥质土、粉土、粉砂、砾砂组成, 厚度一般为0~45 m, 下覆太古界混合花岗岩, 其中:强风化厚度一般为10 m, 岩脉较发育; 第四系沉积层分布于全测区, 由于在近山前, 且范围较小, 堆积物的相变较明显; 本市的粉细砂主要是海相沉积, 沿海岸线呈条带状分布。

在这种浅覆盖区, 覆盖层与基岩之间存在较大的波阻抗差, 有利于利用浅层地震探测基岩界面的起伏和基岩断层。测区潜水面较浅, 有利于地震波的激发和接收。第四系地层内部具有明显沉积颗粒差异的地层之间、松散沉积层与花岗岩地层之间的速度和密度差异较大, 这些界面能够形成较强的反射波被记录下来。

另一方面, 由于重点探测的目的层埋藏较浅, 为接收这些较浅目的层产生的反射波, 需采用较小的偏移距和较小的道间距, 在此情况下, 目的层产生的反射波受震源干扰波影响较大。

测区内的交通干扰和各种人文干扰对获得的地震记录质量也有程度不同的影响。

2 方法技术

本次浅层人工地震勘探测线都是沿道路施工的, 道路上的交通运输车辆对地震数据采集质量影响较大。为探测鸽子窝断裂敷设的L1、L2和L3地震剖面如图1所示。

通过试验, 本次浅层地震探测的选用的观测系统为单边激发的观测系统, 其中:道间距1 m, 炮间距5 m, 偏移距0~3 m, 叠加次数6次, 60道接收。激发震源为美国IVI公司制造的T-15 000轻便车载可控震源, 该震源6 000磅的输出力以及10~550 Hz的高频输出宽频带特别适合于强干扰地区的高分辨率地震数据采集。

本次地震探测使用的仪器为STRATAVISOR NX60, 记录因素为:0.5 ms采样, 记录长度1 000 ms, 每个记录道采集2 000个数据样点, 35 Hz低切滤波器(取决于地层对高频信号的吸收和衰减)和512 Hz高切滤波器, 加50 Hz陷波器。采用该工作方法得到的共炮集地震记录如图2所示。

图2 共炮集地震记录

资料处理工作是解释工作的基础, 其处理质量直接关系到解释成果精度, 因此, 资料处理工作是一项研究性、目的性、服务性很强的工作。本次资料处理步骤主要包括:解编、编辑、速度分析、动校正、自动剩余静校正、滤波和有限差分偏移等。

3 勘查成果

图3a、b、c分别表示了L1、L2和L3线地震剖面(部分), 三条剖面的信噪比较高, 依据地震剖面, 能够可靠地追踪地震波组, 根据反射波组的错断、反射波强相位发生转换、反射波同相轴数目的明显增减或消失等波组特征, 对地质构造进行解释。

图3 L1(a)、L2(b)和L3(c)线地震剖面(部分)

在图3所示的地震剖面上, 解释了4组地震波T1、T0、T0-1、T0-2。根据测区地质概况, 推断T0反射波为第四系底界面产生的反射波, T1为花岗岩风化界面产生的反射波, T0-1、T0-2为第四系内部底层界面产生的反射波。

依据在地震剖面上解释断层的波组特征, 对地震剖面上的断层进行了解释。把地震剖面上具有近似相同特征、且空间分布合理的断层解释为鸽子窝断层。地震剖面上反映鸽子窝断裂带由两条正断裂组成, 形成一个地堑构造, 倾向NE的断裂为主断裂, 倾向SW的断裂为次级断裂。鸽子窝断裂使地震剖面上的T1、T0、T0-1反射波发生了明显错断, 未使T0-2反射波发生明显错断。根据地震探测结果, 对鸽子窝断裂的平面展布进行了修订, 地震探测到的鸽子窝断裂分布如图1所示。由此看出, 在L1剖面上, 地震探测的断裂位置与原推断断裂位置差别不大, 而在L2剖面上, 地震探测的断裂位置与地质推断的断裂位置差别较大。

为检验地震探测的可靠性, 并对其断层活动年代进行分析, 对地震探测结果进行了钻探验证, 钻探验证联测剖面如图4所示。

图4 钻探验证联测剖面

钻孔联测对地震探测结果进行了很好的验证, 地震推断解释的断层及断层位置与验证结果吻合, 倾向NE的断层为主断层, 向上延伸较浅, 倾向SW的断层为次级断层, 两者一道构成了一个地堑构造。鸽子窝断层的上断点终结在更新统(Qp3)地层内, 未错断到全新统地层(Qh), 仅使约10万年前的地层发生了错断, 其断层活动性不是很强。

4 结论

1) 本次浅层地震勘探对鸽子窝断层的空间位置进行了修正, 依据地震探测结果做出了鸽子窝断裂的平面分布。

2) 根据地震探测结果对鸽子窝断裂的倾向做出了切合实际的解释, 既鸽子窝断裂带有两条断裂组成, 一条倾向NE, 一条倾向SW, 形成一地堑构造。

3) 根据地震和钻探验证结果, 鸽子窝断裂向上未错断到全新统地层(Qh), 断层活动年代约10万年, 断层活动性不是很强。

4) 根据测区地质资料, 对测区第四系底界面的埋深进行了推断解释, 对花岗岩风化界面进行了不同程度地划分, 查清了敷设剖面涉及范围内第四系底界面的埋深。

5) 对第四系地层进行了比较详细地划分。第四系地层内不同波阻抗界面产生的反射波T0-1、T0-2反映的波阻抗界面为砂层和粘土地层或砂质粘土与砂层之间的界面。

6) 利用车载轻便可控震源开展该浅层地震探测, 取得的地震记录的信噪比较高。

利用浅层地震方法探测城市活断层, 尽管不利于地震勘探的因素很多, 但采用抗干扰高分辨率地震方法技术和相应的工作方法及数据处理技术解决闹市区的活断层探测问题是完全可行的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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