地震勘探方法在薄覆盖层区城市活断裂探测中的应用

图1 新沂市断裂及地震测线布设示意

Fig.1 Map showing faults and seismic profiles in Xinyi city

1.2 测线布设

浅层地震勘探测线布设原则上垂直于或近似垂直于断裂走向布设(图1)。

L₁测线沿着小马庄乡间小路进行施工,测线走向近东西向,全长906 m。该测线主要针对桥北镇—宿迁断裂(F₅)布设,该断裂是郯庐断裂带一条新生的活动断裂,它断续延伸于F₁断裂与F₂断裂之间,由苏鲁交界的沭河向南到马陵山、晓店、宿迁和重岗山一线,地貌形态反映比较明显。据前人研究表明,在山东郯城至北马陵山段的F₅断裂是一条全新世活动断裂;在江苏新沂南马陵山段是一条晚更新世活动断裂。该断裂活动性最强、错断地层多、上断点埋藏较浅。

L₂测线沿着S249国道东侧山水大道进行施工,测线走向近东西向,全长1 200 m。该测线主要针对王庄—苏圩断裂(F₁)布设,该断裂是郯庐断裂带东边界断裂,自江苏境内的山左口一带,向南西延伸,经后皇城、马陵山车站、宿迁、泗洪和双沟西侧一线。总体走向NE10°~15°,倾角40°~60°。工区内该断裂早、中更新世曾有活动,但晚更新世以来基本已停止活动,推断为早第四纪断裂。在北马陵山东侧对F₁断裂考察结果发现,白垩系王氏组砂砾岩与东侧元古—太古界片麻岩的界限十分明显。

2 方法技术

2.1 仪器设备

本次野外施工地震仪器采用了美国SI公司生产的S-Land全数字化地震仪;检波器为日本OYO公司生产的28 Hz纵横波两用传感器;震源为保定北奥石油物探特种车辆制造有限公司生产的WTC5060TZY型3吨纵横波两用可控震源车。

2.2 施工参数

根据目标断裂的地质属性及地层结构,本次施工L₁测线采用纵波和横波两种反射法进行勘探,L₂测线采用纵波反射法和折射层析法两种方法进行勘探。其中反射法针对覆盖层薄的特点,采用小道距、短排列、小偏移距的工作方式,具体施工参数见表1。

表1 反射法施工参数一览表

Table 1 List of construction parameters of reflection method

参数	L₁测线纵波	L₁测线横波	L₂测线纵波
采样间隔/ms	0.5	0.5	0.5
记录长度/ms	1 024	1 024	1 024
接收道数/道	72	96	120
道间距/m	2	2	3
炮距/m	6	6	9
覆盖次数/次	12	16	20
激发方式	单边(最小偏移8 m)	端点	中间对称
震源出力/%	70	40	70
扫频范围/Hz	10~120	10~100	10~120
扫描时长/s	10	10	10

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图2为L₁测线横跨断裂纵横波单炮对比图。由图可见,利用不同的工作方法和采集参数得到的浅层反射波的分辨率也明显不同。图中纵波原始单炮速度高,反射波组较少,信噪比较低;横波原始单炮速度低,便于后续处理中速度拾取,双曲线特征明显,且横波波组较多,分层能力明显高于纵波。横波单炮记录上,出现典型与稳定的断点处绕射波特征,而纵波却无明显异常现象,这对野外采集现场工作起到指导作用。根据绕射波特征出现的位置,可以判断断点位于单炮记录第68道附近(对应桩号443 m)。

图2

图2 L₁测线横跨断裂纵(a)横(b)波单炮对比

Fig.2 Single shot comparison chart of P(a) and S(b) wave across the fault of L₁ line

L₂测线折射层析法采用多炮点相遇追逐观测系统。216道全排列接收,道间距3 m,炮间距36 m,排列两端各向外追逐两炮,一共施工24炮,最大炮检距为717 m,这样保证了折射层有足够的信息,提高了资料的精度。观测系统如图3所示。

图3

图3 折射层析法观测系统

Fig.3 Diagram of seismic refraction tomographic method observation system

本次折射层析法施工采用可控震源作为激发震源。施工前采用电控系统及测试系统进行测试,保证可控震源出力、相位、畸变等指标均在技术要求范围内,所有激发点均位于柏油路面上,震源底板与地面耦合良好,使得可控震源的扫描信号稳定,不宜发生畸变;同时检波器埋置过程中达到平、稳、正、直、紧,确保检波器与地面处于良好的耦合状态。通过一系列措施降低了经地下介质传播返回地面被检波器接收扫描信号,与理想信号互相关时,造成初至附近出现“多初至”及“双初至”现象^[21,22]。

图4为本次工作典型的折射单炮记录,地震记录上来自基岩面的折射震相非常清楚,能被可靠识别及连续追踪,降低了后期人工拾取初至带来的误差。并且桩号116附近有一个明显的折射拐点,两侧速度差异较大,地质上对应两套地层。

图4

图4 典型折射单炮记录

Fig.4 A typical refraction seismic record section

3 数据处理及解释

3.1 数据处理

3.1.1 地震反射法

根据工区的实际情况,结合以往的工作经验,将“三高”(高信噪比、高分辨率、高保真度)处理贯穿始终。为达到理想的处理效果在正式处理数据前,进行处理参数分析和处理效果对比试验。选用有效的处理模块编排流程,选择了最佳的处理参数。横波的传播的方式和速度不同,处理有其本身的特点,但数据处理的基本方法是相同的,主要包括:空间属性建立、加载道头文件、静校正、滤波、反褶积、速度分析、动效正、剩余静校正、叠加、叠后去噪等。

3.1.2 折射层析法

本次折射层析数据处理采用非线性的初至波走时层析成像方法,在射线追踪上联合使用最短路径法和弯曲射线法。首先对野外获得的原始波形记录进行检查评价,正确的分析与识别有效波,给定正演时波的旅行时或从实际资料中拾取旅行时,即观测走时;然后给定一个初始速度模型,用射线追踪来计算合成旅行时,将该旅行时进行比较,得到一个差值,用这个差值通过适当的算法修改模型。反复迭代上述过程,直到计算出的旅行时与真实旅行时相差在允许范围内为止。主要处理流程有:数据加载、观测系统建立、初至拾取、绘制时距曲线、建立初始速度模型、正演射线旅行时、计算旅行误差、成果输出等。

3.2 探测成果

3.2.1 L₁测线

图5和图6分别为L₁测线浅层地震纵波和横波反射时间剖面。由图可以看出,纵波和横波时间剖面中均能分辨出基岩面(T_g)信息,但是纵波反映出的基岩反射同相轴纵向分辨率较差,存在多组复合波,与上覆地层难以区分;而横波反映出的基岩面比较清晰,包括断裂东侧较浅地区均具有较高分辨率。对比两个时间剖面波组特征,推断该处发育一大型断裂,落差大。断裂东西两侧同相轴存在明显的差异:西侧时间剖面显示反射波组稳定,且丰富;东侧时间剖面上,反射波组发育单一,双回程时间不断减小。

图5

图5 L₁测线纵波时间剖面

Fig.5 P-wave time section of L₁ line

图6

图6 L₁测线横波时间剖面

Fig.6 S-wave time section of L₁ line

纵波时间剖面在50 ms处发育一组反射波组T₀,但是横向连续性较差,经换算后其深度大致为35~38 m,T₀以下隐约有地层信息,但是分辨率不高;横波法勘探获得的浅部沉积层的界面反射是非常丰富的,显示出横波对沉积层有较强的分层能力,大致划分3个层位T₁、T₂、T₃,其中最上层T₁大致深度为12~15 m。

测线控制地段表现出桥北镇—宿迁断裂构造特征,断裂自上向下错断了所有能采集到的反射波组。根据纵波勘探结果判断上断点在地面垂直投影位于桩号458左右,但难以确定断层是否上延至35 m以上。横波反射剖面对深度50 m以浅的近地表结构和断层特征反映得非常清楚,从横波剖面上可分辨的断层上断点埋深约为8~9 m,上断点在地面的垂直投影位于443 m处,与纵波剖面所能分辨的断层上断点深度和所确定的断层位置相比,显然利用横波勘探可提高断层定位精度和断层上断点的分辨精度。

3.2.2 L₂测线

图7为L₂测线浅层地震纵波反射时间剖面。根据时间剖面的波组特征,该测线上仅解释了一组特征明显的基岩反射波组(T_g),T_g在整条测线清晰可辨,反射能量也较均衡。该波组以下没有连续性较好的同相轴存在,这种现象与测线附近第四系覆盖层以下为基岩,基岩内部没有较好的波阻抗界面相一致。

图7

图7 L₂测线纵波时间剖面

Fig.7 P-wave time section of L₂ line

从图7时间剖面上的反射信息所显现的基本形态来看,基岩埋深较浅,T_g波组之下没有明显的反射层位可供利用。T_g反射同相轴在测线桩号635 m附近出现明显扰动,并且反射波同相轴数目从2个增加到3个,判定该处存在一断点。

针对F₁断裂的性质,结合现场施工条件,本次工作在L₂测线上重合布设了一条高分辨率折射层析地震勘探测线。图8为L₂测线高分辨折射层析成像剖面。由图可见本次折射层析成像反演得到了测线控制地段从地表至有效探测深度范围内的速度结构分布图像及构造轮廓。正常情况下,地层界面上下速度存在明显差异,层析成像速度剖面表现为速度等值线数值的突变;断裂位置附近横向速度分布会有差异、突变或低速区存在。L₂测线剖面上15~20 m上下存在明显速度界面,上部横向速度变化较小,这与地震反射勘探结果基本一致,为覆盖层与基岩分界面。分界面以下在桩号650附近速度存在横向突变,一直向下延伸,说明该处存在地质构造的异常。西侧速度大致在2 000~3 500 m/s之间,东侧速度大致在3 800~5 800 m/s。结合区域资料判断该处为F₁断裂反应,断裂西侧为白垩系王氏组砂岩(K₂w),东侧为太古—元古宇片麻岩(Ar-Pt)。经过反射和折射层析两种方法的联合应用及综合解释,该处断点的解释更为可靠。

图8

图8 L₂测线折射层析剖面

Fig.8 Refraction tomography profile of L₂ line

4 结论

文中通过浅层地震勘探方法(纵横波反射法及折射层析法)在新沂市薄覆盖层区隐伏断层探测的试验工作,获得以下几点认识:

1)利用多种浅层地震勘探方法在新沂市薄覆盖层区联合勘探,能够准确查明覆盖层厚度、基岩起伏形态以及隐伏断层位置、埋深和展布形态,尤其在推断断层上断点位置及埋深方面提供重要依据。

2)在沉积环境较好且覆盖层较薄地区,纵波勘探对地层的划分较差,而由于横波速度低,相同层厚较纵波走时长、分辨率高,在划分地层方面优于纵波。随着可控震源等新技术的运用和发展,可实现纵横波反射的联合勘探,在基岩埋深较浅及断裂强活动区可作为城市活动断层探测的主要手段。

3)由于特殊的地质构造条件、基岩面较浅以及干扰波(如面波、线性干扰)发育程度等因素的制约,在一些反射同相轴单一地区,采用高分辨折射层析法可以提供更加精细的浅层地层速度模型,可以从另一方面辅助地震反射法揭示断层存在的可能性。

致谢:

特别致谢江苏省地震工程研究院许汉刚、顾勤平及赵启光高工对本文的支持。

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