厚覆盖层地区隐伏活断层探测的地震方法技术——以桥北镇—宿迁断层为例
引用本文
顾勤平, 许汉刚, 赵启光. 厚覆盖层地区隐伏活断层探测的地震方法技术——以桥北镇—宿迁断层为例[J]. 物探与化探, 2015,39(2): 408-415.
GU Qin-Ping, XU Han-Gang, ZHAO Qi-Guang. The seismic exploration method for buried active faults in thick sediment area:A case study of Qiaobei-Suqian fault[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 408-415.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.33
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GU Qin-Ping, XU Han-Gang, ZHAO Qi-Guang. The seismic exploration method for buried active faults in thick sediment area:A case study of Qiaobei-Suqian fault[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 408-415.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.33
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厚覆盖层地区隐伏活断层探测的地震方法技术——以桥北镇—宿迁断层为例
作者简介: 顾勤平(1983-),男,助理研究员,主要从事浅层地震勘探及天然地震层析成像研究。
摘要
地震反射勘探法是当前城市地震活断层探测的主要方法,它在厚覆盖区探测断层及其上断点的效果取决于所采用的工作方法和技术参数。桥北镇—宿迁断裂是郯庐断裂带在江苏境内一条重要的隐伏断裂。以宿迁市活动断层探测项目中针对该断裂敷设于厚覆盖层地区的QL14测线为例,为了查明测线控制地段内断裂的空间展布形态、性质以及活动性,针对不同目标、目的层深度和精度要求,作者按照组合、分步探测的工作思路,采用了不同的地震勘探方法技术和采集参数对其进行了高分辨率地震反射成像,解决了地质任务要求与野外资料采集方法之间的矛盾,从而获得了埋深约16~450 m范围内高分辨率的地层结构和非常清晰的断裂构造图像,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地震学依据。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构造特征都与钻孔联合地质剖面吻合较好。试验结果表明:采用组合探测的方法能够获得断层在不同深度的产状、展布以及由深至浅完整的分布图像;地震勘探法在厚覆盖区确定隐伏断层具体位置和判定断层活动性具有可行性以及地震勘探与钻孔联合地质剖面相结合的工作方法具有有效性。
关键词:
厚覆盖层地区; 隐伏断层; 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(2015)02-0408-08
The seismic exploration method for buried active faults in thick sediment area:A case study of Qiaobei-Suqian fault
Abstract
Seismic reflection exploration is the main technique in present urban active faults detecting.The effect of investigating fault and its up-breakpoint in thick Quaternary sediments depends on the working methods and technical parameters.Qiaobei-Suqian fault is an important buried fault along Tan-Lu fault zone in Jiangsu. In this paper,based on QL14 line laid on the fault in thick sediments during the active fault survey in Suqian City and aimed at investigating the spatial distribution,characteristics and activities of the fault controlled by the line,the authors used different seismic exploration methods and acquisition parameters to perform a high-resolution seismic reflection experiment and obtain the imaging of buried fault in the light of the work thinking of combination and fractional steps and according to different targets,the depth of the target layer and the accuracy requirement.The technique solved the contradiction between the field data acquisition and the geological task.The authors obtained high-resolution images of structures in the depths of 16~450 m after data processing,and the prospecting results provide seismological evidence for the position layout of composite drilling sections,the depth designing of drilling and the evaluation of fault activity.The high-precision composite drilling geological sections show that the main stratigraphic boundaries and tectonic features obtained from the seismic exploration methods are quite consistent with the results from the composite drilling geological section.The experimental result shows that the combined detection methods can receive the attitude and distribution of the fault in different depths and the complete distribution image from the depth to the shallow part of the fault.The feasibility of the seismic exploration methods for locating the buried fault and determining its activity in thick Quaternary sediments and the efficiency of the combination of seismic exploration and composite drilling geological profiles are also demonstrated in this study.
Keyword:
thick sediment area; buried fault; seismic exploration; composite drilling geological section
在厚覆盖层地区了解活断层的分布单靠地质钻探或地质地貌方法是不行的, 必须依靠先进的、精度较高的地震勘探方法。浅层地震勘探是城市近地表活动断裂探测中解决隐伏断裂定位及切割地层层位的最主要方法之一, 该方法对划分具有一定厚度的沉积地层层序、探测隐伏活动断层等地质构造以及利用多次覆盖技术压制干扰、提高地震资料的信噪比方面效果较好[1]。近年来, 随着采集技术、数字处理手段的不断进步, 利用该方法探测研究地壳精细结构、活动断裂的空间展布以及深浅构造之间的复杂关系等方面均取得了许多宝贵的经验[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]。
很多城市被较厚的第四纪松散沉积物所覆盖, 在厚覆盖区探测近地表活断层、对断层进行精确定位难度较大, 浅地震应用于厚覆盖区城市活断层探测有其特殊性及复杂性。首先, 第四纪松散沉积物对反射波有效信号有强烈吸收、衰减作用, 层间波阻抗差异小, 不利于在城市中强干扰背景下接收地层界面产生的弱反射信号。断裂两侧介质物性差异较小, 塑性形变大使断距变小, 断层特征不明显。其次, 第四系在沉积过程中沉积条件复杂, 薄层、夹层和互层等地质现象很多, 各个不同地层界面产生的反射波相互干涉叠加易形成复合波。除此之外, 在第四纪地层内常探测到一些由于地层的横向沉积不均匀或重力坍塌作用形成的落差较小、与基岩断裂无关的断层。然而, 为研究断层的活动性须先确认基岩断层的存在, 尔后研究该断层向第四纪地层内的延伸范围, 进而对断层的晚第四纪活动性进行评价才有意义。浅层地震勘探虽是城市活动断层探测方法中精度较高的手段, 但是, 在厚覆盖区探测隐伏断层及其上断点、兼顾由深至浅的地层分布情况和地质构造, 任何单一的浅层地震勘探工作方法和技术参数都难以奏效。因此, 在厚覆盖区探测隐伏断层在第四系内部的构造特征、近地表图像及确认活动性, 不仅要求采用具有高信噪比的抗干扰高分辨率地震, 而且需针对不同的地质任务, 采用分步探测、不同尺度的方法技术由深至浅查明是否断至第四系内部及其层位, 即上断点的确切位置。近年来, 地震组合探测法在城市隐伏断层探测中得到了广泛的应用[10, 11, 12, 13, 14]。如Robert在国外的活断层探测中, 针对不同的探测深度, 采用不同的观测系统和激发震源, 取得了较好的探测效果[14]。刘保金等通过在同一条地震测线上进行不同观测系统参数的比对试验观测, 获得了10~1 200 m深度范围内高分辨率的地下结构和构造图像[6]。
受地震勘探方法的分辨率、探测深度、多解性等方面的限制, 仅依赖于地震勘探方法还不能完全解决探测断层的目的。目前, 在大城市隐伏活断层探测中主要采用浅层地震勘探和钻孔联合剖面相结合的探测方法, 即首先采用浅层地震勘探方法确定目标断层确切位置、产状及其上断点埋深, 为钻孔联合剖面位置的布设和钻孔深度的设计提供可靠的地震学依据, 最后结合浅层地震勘探、钻孔联合剖面及地层样品年龄测试等结果来综合鉴定断层的活动性[15]。笔者为查明隐伏断层的空间具体位置及上断点埋深、为地震勘探提供浅部地层的划分依据, 与浅层地震测线近重合布设了1条钻孔联合地质剖面, 验证了浅地震勘探结果并赋予其地质含义。
郯庐断裂带F5断裂又称桥北镇— 宿迁断裂, 是郯庐断裂带宿迁段活动性最强的一条分支断裂, 前人已对其进行了大量的研究工作[16]。但是, 对其空间展布、产状及运动学性质还缺少可靠的资料, 尤其是浅地震勘探资料。为了查明该断裂在近地表的分布和晚第四纪活动性, 宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项目对其进行了大量的浅层地震勘探研究工作。文中讨论了敷设在厚覆盖区的QL14测线, 通过在同一条地震测线上采用了分步探测、不同的观测系统和采集参数, 以覆盖层底界面为基础标志向上延拓探测、捕捉了断层上断点埋深, 获得了埋深约16~450 m范围内高分辨率的地层结构和清楚的断层成像结果, 并结合钻孔联合地质剖面结果, 对文中给出的叠后时间偏移剖面控制的桥北镇— 宿迁断裂(F5)的产状、断裂活动性及深浅构造关系进行了研究。浅地震探测结果不但为研究近地表活动构造提供了地震学证据, 而且能够有针对性地提出该断层危害地带或重大工程建设避让带宽度, 减少未来可能造成的地震灾害损失。
1 勘探测线位置和地震地质概况
宿迁地区地质构造复杂, 郯庐断裂带4条北北东向分支断裂穿城而过, 自西往东它们分别是城岗— 耿车断裂(F3)、大官庄— 双庄断裂(F2)、桥北镇— 宿迁断裂(F5)及王庄— 苏圩断裂(F1)。除此之外, 宿迁地区还存在着北西走向的宿迁闸— 皂河镇(F6)及凌城— 罗圩断裂(f1), 它们横切郯庐断裂带。断裂构造及浅地震测线平面分布见图1。研究的QL14测线自西往东横跨F2、F5、F1布置(文中仅给出桩号段5 400~6 925), 测线敷设于宿迁市南京路, 起点在南京路西端圆盘, 终点在南京路与华夏大道交叉口, 测线走向东西向, 全长8 350 m。在QL14测线确定了F5断裂基岩断点的基础上加密实施了QL14jm测线, 起点位于QL14测线5 400测线桩号处, 终点在6 310桩号处, 全长910 m。
 | 图1 测区地震勘探测线与断裂分布 |
以郯庐断裂带东界断裂F1为分界, 西部地区主要分布中生界白垩系王氏组砂岩(K2w)和青山组(K1q)火山碎屑岩地层; 东部则以太古界— 下元古界胶东群(Ar-Pt)为主。另据宿迁市活动断层探测与地震危险性评价项目中QL14测线北约3 km处的标准孔BK2(标准孔位置见图1)揭示, 测区上新统宿迁组(N2s)及第四纪地层(早更新统Q1、中更新统Q2、晚更新统Q3以及全新统Q4)均有发育, 且具有一定的厚度, 上覆地层主要有新近系宿迁组细砂、中砂、含砾中砂及第四系粘土、粉砂质黏土、粉砂、细砂。由此可见, 基岩与上覆新近系及第四系物性差异明显, 两者之间存在明显的波阻抗差异; 新近系及第四系覆盖层内各层之间也存在一定的波阻抗差异。这些良好的客观物性条件使运用浅地震反射波法确定断裂的具体位置和上断点成为可能。
2 浅层地震探测
2.1 数据采集
采用地震反射勘探法探测研究不同深度范围地下结构和构造时, 应采用不同的地震方法技术和工作参数[17]。为了获得桥北镇— 宿迁断裂(F5)从覆盖层底界至近地表深度范围内的地层结构和断裂构造的图像, 作者按照分步探测、多层次向上锁定目标断层及上断点的工作思路, 在同一条地震测线上采用了由深到浅的多道间距、不同的观测系统和采集参数, 不同探测参数的浅地震剖面分别命名为QL14和QL14jm。针对不同的探测目的层深度和精度要求, 采用的观测系统参数、地震波激发和数据采集参数见表1。地震仪器采用了美国SI公司生产的S-land全数字化地震仪, 其具有的大动态范围(> 130 dB)既保证了浅层覆盖层内相对微弱的地层反射信息, 又不致于使较强的反射信息产生畸变。所有激发和接收点均位于宿迁南京路上的柏油路面进行, 检波器与路面之间采用石膏进行粘合, 保证了检波器与地面处于良好的耦合状态。
 | 表1 观测系统参数和地震数据采集参数一览表 |
2.1.1 QL14测线(5 m道间距)
为得到埋深约450 m处基岩面的反射信号, 根据排列长度约等于主要目的层深度这一原则, 采用了5 m大道间距和敷设较长的接收排列, 其探测的主要目的是查明基岩断裂的具体地理位置和产状, 同时寻找覆盖层内的地震反射标志层, 为下一步小道间距超浅层地震勘探提供依据。野外资料采集时采用了具有较深穿透能力的KZ03型高频可控震源, 采用大功率震源进行激发提高了较深层反射信号的信噪比; 同时, 在人口稠密、噪声强的测区环境条件下实施5 m道间距浅层地震勘探, 可控震源的实时相关处理技术压制随机干扰能力极强, 且具有足够的能量来满足此次探测的深度要求。
图2为不同道间距、观测系统的浅层地震共炮点记录, 由图2a可见, 由于采用了较大激发能量的可控震源, 约450 ms处的基岩顶面反射波非常清楚, 且能够非常清楚地分辨出来自不同深度的多组地层界面有效反射波。采用大道间距、长偏移距以及长排列接收, 对获取深层反射波固然有利, 但是对探测断层的上断点、研究断层的活动性却是不利的。其一, 75 ms以上未能分辨出有效反射波; 其二, 100 ms处反射波的实际叠加次数远低于名义上的叠加次数, 这将影响干扰的压制及信噪比的提高。另外, 这一观测系统远炮点记录道上易出现的浅层折射波也会影响到浅层效果, 最大炮检距较大往往使浅层反射波在临界距离附近产生振幅和相位变化, 增加动校正的拉伸畸变, 影响资料分辨率[18, 19]。
 | 图2 不同道间距、观测系统的浅层地震共炮点记录 a— 5 m道距, 采用较大能量激发的可控震源; b— 2 m道距, 锤击震源 |
2.1.2 QL14jm测线(2 m道间距)
5 m大道间距单炮记录上未能出现的超浅层反射波对于追踪上断点埋深、判定断层活动性十分有必要。在已调查到基岩断裂的基础上, 为了提高地震记录的横向分辨率及浅部叠加次数, 从而查明基岩断裂向浅部的延伸情况、继续追踪上断点埋深, 在浅地震QL14测线桩号5 400~6 310之间布设了一条道间距为2 m的QL14jm超浅层测线, 以5 m道间距反射叠加时间剖面上提供的覆盖层内地震反射标志层为线索, 向上锁定浅部信息, 为钻孔联合剖面探测布线及钻孔深度的设计提供地震学依据。选择有利的工作时间、避开干扰源是压制干扰的最佳方法, QL14jm测线野外资料采集时使用锤击震源进行夜间施工。为准确求取速度和详细研究深、浅部不相同的地层界面时, 采用了如图3所示的非对称多次覆盖观测系统, 野外观测共获得113炮(13560道)地震记录。
 | 图3 超浅层地震探测采用的观测系统 |
由图2a和图2b对比可见, 不同道间距的地震记录对超浅层反射波的分辨明显不同。由图2b可见, 2 m小道间距单炮记录上100 ms以浅能获得多个有效反射波, 超浅层30 ms左右的反射波清晰可辨。因此, 2 m小道间距剖面的实施将有可能得到接近真实的上断点埋深并准确确定断层的空间位置。采用小偏移距、中间激发、不对称排列接收的地震观测技术既能保证极浅层具有较高的覆盖次数及地震记录中的有效高频信息, 又能解决共炮点记录上反射波的相位变化问题, 使较深部的反射波避开震源干扰。
2.2 资料处理
地震数据处理采用FOCUS、GRISYS等地震反射处理软件包。针对不同的探测目标、目的层深度和精度要求, 数字资料处理时采用了不同的处理流程及侧重点。对于5 m道间距的浅层地震剖面, 其主要目的是基岩面反射波, 鉴于其埋藏深度较大、构造特征明显, 资料处理时侧重于保护中高频反射信息, 提高深层反射的能量和信噪比, 从而提高深处断层的分辨率。地球内部断裂延伸到第四系内部后其位移一般都比较小, 在保证信噪比的原则下, 必须有较高分辨率才能确保不漏判、不误判断层[20]。因此, 针对探测目的层深度浅, 探测的异常体尺度小, 要求划分的地层详细等特点, 对于2 m道间距的超浅层地震剖面, 侧重于保护和恢复宽、高频反射信息以及提高浅部小断距断层的分辨率。为满足断裂浅部活动特征的研究, 细致地切除初至波, 确保获得尽可能浅的反射波。
在数据处理中, 重点研究了提高地震记录信噪比和分辨率的处理方法, 在保证地震记录具有较高信噪比的前提下, 提高地震记录的分辨率。为达到提高反射波主频及其信噪比的目的, 首先采用了反褶积处理, 使处理后的地震记录的高低频反射波频谱具有相等的幅值。然后再采用频率滤波技术突出高频反射波。处理模块主要包括了静校正、频率带通滤波、二维倾角滤波、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加及反褶积。叠后采用随机噪声衰减压制噪声, 达到提高剖面的信噪比和连续性的目的。由于获得的叠加时间剖面均存在断裂构造迹象、断点附近绕射发育严重, 为使倾斜界面归位、绕射波收敛, 确保构造形态正确和断层清晰, 采用叠后偏移处理以获得较高的水平分辨率。
3 浅层地震探测叠加剖面特征
经过数字资料处理后得到了叠后偏移时间剖面图, 横坐标为CDP号及桩号, 纵坐标为双程反射时间。为便于对剖面反射波组进行层组划分和地质解释, 收集了与QL14测线有关的区域地质资料及宿迁活动断层探测项目在QL14测线北约3 km处的标准孔BK2资料, 结合本次浅层地震勘探资料分析, 将地质分层和地层年代划分结果标注于剖面右侧, 超出标准孔深度的地层反射界面的埋藏深度则根据资料处理时获得的叠加速度和时间剖面上不同界面反射波的双程到时采用DIX公式换算出各物性层的层速度和平均速度, 并利用钻探揭示的地层速度校正时深转换速度后来计算得到。
3.1 跨F5断裂的地震剖面特征
3.1.1 QL14时间剖面特征
限于篇幅, 图4给出了QL14测线剖面的一部分(桩号5 400~6 925), 在此仅讨论文中给出的叠后时间偏移剖面控制地段的桥北镇— 宿迁断裂(F5)的特征。由图可见, 该剖面具有较高的分辨率和信噪比, 反射波组在横向上能被清晰识别及可靠追踪, 偏移剖面上断裂构造特征清晰, 绕射波收敛。
 | 图4 QL14测线地震反射波叠后时间偏移剖面 |
(1)波组特征
在600 ms以浅出现了多个有效反射波组, 自浅至深分别命名为T1、T2、T3、T4以及TN。5个波组在CDP 2 250~2 500之间, 都出现了下凹现象, 其中, T1、T2、T3、T4波组凹陷深度小, 其幅度约为20~50 ms, 双程反射时间分别为120~140、220~250、320~360、420~470 ms, 表现出自上而下逐渐增大的趋势。而TN波组反射时间约为480~580 ms, 凹陷的幅度约为100 ms, 呈现了上下不一致的现象, 即视断距由浅至深逐渐增大, 表明f5-10断点具有典型的生长属性特征。
CDP 2 285~2 500之间5套波组中, T1和T2、T2和T3之间的厚度自东往西逐渐增大, 在CDP 2 285附近达到最大, 再往西则T1和T2之间厚度逐渐减小, 而T2和T3之间基本不变。CDP 2 300~2 500之间T3和T4、T4和TQ之间厚度基本不变, 而跨断层继续往西厚度突然变小。
(2)断裂特征
在图4上可以看出, 文中给出的QL14测线控制地段总体表现出受桥北镇— 宿迁断裂切割形成的断陷特征, 它是由2条(5 710桩号处的f5-10及6 705桩号处的f5-11)呈倒“ 八” 字状、相向而倾的断层组成。由此可见, 浅地震测线控制地段范围内桥北镇— 宿迁断裂是由2条断层组合而成、宽约1 km的断裂带, 断点在剖面上均表现为上盘下降、下盘上升的正断层性质。西界断层f5-10附近反射波组自上而下呈现出强烈的弯曲、弧形特征, 表明受过强烈的横向挤压作用, 这与早期该地区遭受强烈构造运动相对应, 项目组推测其为主断面。笔者主要针对近直立的、活动性更强的西界断点展开研究。西界断点f5-10错断了剖面上所有可被可靠连续追踪的有效反射波同相轴, 且在断点附近发育有绕射波。根据断层倾角和所能分辨的断层上断点埋深及位置, 可计算出断层在地表的投影点位置大约位于剖面桩号5 712处。
(3)地质特征分析
①剖面所揭示的地震反射界面与钻孔地质界面具有较好的一致性。其中, 以优势能量出现的TN及TN'基岩反射波组分别对应于白垩系王氏组K2w与青山组K1q顶面; 它在桥北镇— 宿迁断裂断东侧下盘的埋深约为260 m。T1反射波组对应晚更新世Q3与中更新世Q2的分界, 埋深约为105 m, 为粉土、粉质黏土与砂层之间的分界; T2反射波组对应中更新世Q2与早更新世Q1的分界, 埋深约为160 m, 对应于粉质黏土与砂的分界。②文中偏移剖面控制地段内桥北镇— 宿迁断裂是由f5-10和f5-11这2条断层组成的断裂带。③主干断层f5-10上盘地层向下滑动, 形成凹陷, 即沉降带。沉降中心5个波组凹陷特征不一样:凹陷幅度自上而下逐渐增大, 深层凹陷宽度大, 浅层凹陷宽度小, 且沉降中心自东往西移动。这些特征表明断层活动具有多期性特征。
由图4可见, 该时间剖面采用的大道间距、单边激发的观测系统尽管清楚地查明了基岩断裂的地理位置和产状, 然而反射剖面上100 ms以浅的反射波信噪比较低, 只有个别的、横向连续性较差的短小反射波组, 不能判定断层向浅部的延伸情况和可能错断的最浅地质层位, 而这些浅部信息对于判定断点的晚第四纪活动性又非常之重要。
3.1.2 QL14jm时间剖面特征
为了查明基岩断裂向浅部的延伸情况、追踪上断点埋深, 在QL14测线叠后时间偏移剖面桩号5 400~6 310之间布设了1条道间距2 m、20次水平覆盖、长度为910 m的超浅层地震剖面QL14jm, 其观测系统和采集参数见表1。图5给出了QL14jm测线叠后时间偏移剖面。由图可见, 使用成本较低的锤击震源选择在外界干扰较小的夜间施工也能够获得信噪比和分辨率较高的剖面。
 | 图5 QL14jm测线地震反射波叠后时间偏移剖面 |
道间距的减小使得时间剖面浅部的信噪比和分辨率有了明显提高, 100 ms以上剖面所反映的浅部细节要比5 m道间距的探测剖面清楚许多, 尤其是超浅层反射波组T01。断层特征揭示地非常清楚, 在主干断裂f5-10东侧发育存在次级断裂f5-10a, 与主干断层正断性质不同的是该次级断裂表现为逆断性质, 上断点埋深较主干断裂深。以5 m道间距反射时间剖面上提供的覆盖层内地震反射标志层T2为线索, 由断层引起的地层错动可向上追踪到超浅层反射波组T01。30 ms的T01有效反射波有利于捕获断层的上断点位置, 对于判定断层的活动性十分重要。叠后时间偏移剖面揭示出由地震勘探可识别的上断点埋深约在16 m的T01反射界面上(结合钻孔剖面得出结论), 其上断点位置位于剖面桩号5 715处。
4 钻孔联合剖面
正如2 m小道间距超浅层反射叠后时间偏移剖面所示, 即便是分辨率和精度较高的浅地震反射法也难以解决从地表至时间剖面T01(埋深约16 m)反射界面埋深范围内的地质构造问题, 而这一深度对于判定断层的活动性却往往是不容忽视的。由于2 m道间距超浅层地震反射剖面未能反映16 m以浅的地震反射, 另外, 钻探可赋予浅地震勘探成果以地质含义并验证浅地震勘探结果的正确性。因此, 为了进一步获取隐伏断层近地表断错、上断点埋深以及最新活动时代等研究, 课题组与浅层地震勘探测线近重合(施工条件限制, 向南平移了约45 m)布设了1条跨断层的钻孔联合地质剖面, 使断层达到更精确的定位。该钻孔剖面方向为东, 由6个孔深为39~101 m的钻孔组成, 钻孔水平间距为6~30 m, 其剖面长度为90 m。详细的钻孔联合地质剖面由中国地震局地质研究所曹筠博士绘制, 其结果将于其他论文发表。
地震反射叠后时间偏移剖面揭示的断层特征与钻孔地质剖面存在着较好的对应关系。由钻孔联合地质剖面控制地段揭示的桥北镇— 宿迁断裂(F5)的构造特征非常清楚, 其断距由浅至深逐渐增大, 显示出明显的生长断层特征, 由钻孔联合剖面上可识别的断层上断点埋深约为16 m。根据标准孔BK2第四纪地层年代划分结果, 这一上断点埋深已属于全新世地层范畴, 表明钻孔地质剖面控制范围内桥北镇— 宿迁断裂(F5)的这一断点属于活动断层。通过跨断层联合地质剖面钻探, 确定了f5-10断点在在地表的投影位置在桩号5 718, 与浅地震探测结果吻合较好。其次, 地震反射叠加时间剖面上的反射波组与钻孔剖面之间的一致性也较好, 如时间剖面上100 ms左右的反射波组T1与钻孔剖面上波阻抗差异明显的浅部粉质黏土与砂的分界对应, 该界面在断层两侧的埋深分别为57 m及69 m, 断距达12 m。
5 总结与讨论
本文以郯庐断裂带桥北镇— 宿迁断裂(F5)为例, 鉴于敷设在该断裂上面的QL14测线所处位置覆盖层较厚, 针对不同目的层深度和精度要求, 在同一测线上按照组合、分步探测的思路, 采用了不同道间距即不同观测系统的地震勘探工作方法和采集参数, 获得了从覆盖层底界至近地表范围内的地壳浅部结构、断裂构造特征及断裂空间位置。结果表明在测线控制范围内桥北镇— 宿迁断裂是由多条断层组合而成、至今仍在活动、宽约1 km的隐伏断裂带, 2条主要断层呈倒“ 八” 字状相向而倾。在加密剖面上发现主干断点f5-10东侧存在逆断性质的f5-10a次级断裂, f5-10上盘存在沉降中心, 不同时期沉降中心位置不同、沉降幅度不同。2条主要断裂均表现为上盘下降、下盘上升的正断层性质。西界断点f5-10错断了剖面上所有可被可靠追踪的有效反射波同相轴, 自上而下视断距不断增大, 具有典型的生长属性特征。通过分层次浅地震探测法将西界断点f5-10逐步控制在可以实施钻孔联合剖面的程度, 最后, 为填补浅地震可识别上断点埋深的盲区, 通过与浅地震近重合、跨断点布设了1条跨断层的钻孔联合地质剖面, 查明了f5-10断点在地表桩号5 718处的投影及其埋深约16 m处的上断点, 赋予了地震勘探以地质含义。结果显示浅地震勘探确定的断层空间位置、性质与钻孔联合剖面的一致性较好, 地震反射界面与钻孔地质界面具有较好的对应关系。浅地震勘探获得的准确的的地壳浅部结构和断裂构造图像将为城市地震危险性和危害性分析与评价提供了极为重要的基础资料。
文中论述了厚覆盖区探测隐伏断层及其上断点的地震反射法存在其特殊性及复杂性, 在厚覆盖区探测隐伏断层及其上断点、兼顾由深至浅的地层分布情况和断裂构造, 浅地震反射勘探法的任何单一观测系统和采集参数都难以解决。对断层的活动性进行评价须先探测到基岩断层, 再研究向第四纪地层内的延伸才有实际意义。鉴于QL14测线测区覆盖层较厚, 首先采用了5 m大道间距、单边激发的长排列接收, 捕获了基岩断裂的具体地理位置和产状, 但对于判定断层活动性十分必要的超浅层反射波的实际叠加次数远低于名义上的叠加次数。鉴于此, 在5 m大道间距时间剖面上以覆盖层内的T2反射标志层为线索, 布设了1条2 m小道间距、中间激发、不对称接收的超浅层地震勘探, 该观测系统的优势在于长排列接收可保证较深目的层的速度分析, 短排列接收可补偿由于远炮点记录道的切除而引起较浅目的层覆盖次数的减少; 不但有助于对隐伏断裂进行空间定位, 而且也有助于确定隐伏断层的上断点。文中为获得质量较高的浅层基岩反射波与追踪断层上断点的超浅层反射波, 针对不同的探测深度和精度要求, 通过采用不同道间距、不同观测系统的组合反演与解释, 由深至浅获得了桥北镇— 宿迁断裂(F5)在不同埋藏深度上的构造图像, 解决了地质任务要求与资料采集方法之间的矛盾。最后经钻孔地质剖面的联合解释表明, 针对不同地质任务而采用的地震反射勘探组合法在厚覆盖区确定断层及其上断点具有可行性及地震与钻孔地质剖面相结合的工作方法具有有效性。
在城市活断层探测中, 查明基岩断层及其上断点并确认其是否为活动断层固然很重要, 但若活动断裂仅发育于地壳浅地表, 而没有埋深范围5~20 km的“ 根” , 即与发震断层不具备一定的耦合关系, 那么该城市地震危险性和危害性都不大, 所以, 查明下面发震断层与上面活动断层之间的深浅构造关系至关重要。因此, 在厚覆盖区探测隐伏活动断裂, 不能局限于查明基岩断裂及其上断点, 对于地震勘探而言可针对不同目的层深度选用不同的地震勘探方法和采集参数, 在确认其是否为发震断层的基础上获取由震源深度至地壳浅地表的地层和构造特征图像, 这样的组合观测才具有实际意义。
The authors have declared that no competing interests exist.
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