0 引言
实际应用中发现,在第四系沉积薄、断层错动小的薄覆盖层区域进行隐伏断裂探测仅依靠单一纵波反射法难以实现对断裂的精准定位,很难为钻孔联合剖面的布设提供可靠依据。而横波具有速度低、波长短的特点,在分辨率上较纵波有优势,可采用多种方法联合应用来提高解释精度。酆少英等[14]将高分辨折射和浅层反射地震方法联合应用于活断层探测中,确定了断层的位置;刘保金等[15]采用浅层P波和SH波多次覆盖反射方法以及初至波层析成像技术获得了研究区近地表断裂的交切关系、断裂活动性以及深、浅构造特征;顾勤平等[16]通过在同一条测线上应用3种不同地震勘探手段联合反演的方法,获得了测线控制地段内废黄河断层的确切位置、上断点埋深以及速度分布图像;秦晶晶等[17]利用初至波层析成像方法和高分辨率浅层地震反射方法获得了五河—合肥断裂的浅部结构特征、空间分布以及断裂活动性。 马董伟[18]在新沂活断层探测中运用纵波反射法、横波反射法和地震层析成像法相互比较和综合分析,取得了良好勘探效果。
NNE向的猴咀—南城断裂(F2)是连云港地区一条重要断裂,为查清其位置及活动性,连云港市活动断层探测与地震危险性评价项目组应用浅层纵波反射方法和超浅层横波反射方法对其进行联合探测,首先利用纵波反射法获得猴咀—南城断裂的位置及浅部特征,然后在同一条测线采用超浅层横波反射方法验证,精准确定断裂位置并获取断裂超浅层构造特征,进一步深入认识断层的形态,同时为钻孔联合剖面的布设提供依据。
1 勘探条件与测线位置
1.1 勘探条件
如图1所示,探测对象猴咀—南城断裂(F2)是海泗断裂带的东边界断裂,从北向南经猴咀、连云港市区东部、南城一线,向南可达吴集一带;断裂走向NE10°左右,沿走向延伸超过40 km。该断裂贯穿连云港的中部,和海州—韩山断裂一起作为区域上海泗断裂带的组成断裂。猴咀—南城断裂(F2)经过的区域除南部以外覆盖层均较薄,基本都小于50 m,第四系覆盖层下基岩岩性为片麻岩,与第四系松散沉积物波阻抗差异大,具备开展浅层地震勘探的地球物理条件。
图1
图1
地质构造和地震测线位置
Fig.1
Map showing geological structure and location of seismic survey lines
1.2 测线位置
浅层纵波反射测线6沿圣湖路布设,西端起于杏坛路和圣湖路交汇口东,穿过花果山大道,东端止于大村水库,测线走向WE,测线全长2 214 m。超浅层横波反射测线6横波位置与浅层纵波反射测线6重合,起点位于测线6桩号640处,终点位于桩号 1622 处。
2 探测方法
2.1 仪器设备
2.2 施工参数
基于测线附近覆盖层较薄,正式采集之前首先进行了震源出力试验、道距试验、振动频率试验、扩展排列试验等确定了小道距、长排列、小偏移距的施工参数(见表1)。
表1 施工参数
Table 1
| 施工参数 | 纵波反射法 | 横波反射法 |
|---|---|---|
| 采样间隔/ms | 0.5 | 0.5 |
| 记录长度/ms | 500 | 1024 |
| 道间距/m | 2 | 2 |
| 炮间距/m | 8 | 8 |
| 接收道数/道 | 72 | 72 |
| 覆盖次数/次 | 9 | 9 |
| 激发方式 | 单炮放炮 | 中间放炮 |
| 最小偏移距/m | 0 | 0 |
| 震源出力/% | 70 | 40 |
| 扫描频率/Hz | 20~120 | 20~120 |
| 扫描时间/s | 10 | 10 |
图2
图2
浅层纵波法(a)和超浅层横波反射法(b)典型单炮记录
Fig.2
Typical single shot records of shallow P-wave(a) and ultra-shallow S-wave reflection(b)
3 数据处理与解释
3.1 资料处理
浅层纵波反射资料和超浅层横波反射资料处理均采用Vista地震处理软件,处理模块主要包括了观测系统定义、静校正、叠前去噪、反褶积、动校正、剩余静校正、叠加、叠后去噪等[22]。同时针测线单炮面波等干扰较强的特点,在处理过程中重点对以下几个方面进行了反复试验分析。
1)针对测线附近面波、声波等干扰较发育的特点,采用了时变带通滤波、扇形FK滤波相结合的去噪方法滤除面波、声波等干扰波,提高资料信噪比。图3为滤波前后单炮对比,可以看到滤波后的单炮较滤波前有了很大的改善,信噪比得到了提高。
图3
图3
滤波前(a)、后(b)单炮记录对比
Fig.3
Shot record collation map before(b) and after(b) filter
2)为了消除地表起伏和近地表地层介质横向不均匀的影响,处理过程中采用了折射静校正和剩余静校正对资料进行了静校正处理,取得了良好的效果。图4为静校正前、后单炮对比,静校正后的单炮较静校正前反射波连续性增强,基本消除了近地表静校正量的影响,更有利于后续的处理。
图4
图4
静校正前(a)、后(b)单炮记录对比
Fig.4
Shot record collation map before(a) and after(b) static correction
3.2 剖面特征
3.2.1 浅层纵波反射法剖面解释
浅层纵波反射的目的是获取200 m以上浅部地层断裂的位置及构造特征。图5为纵波反射波法经处理得到叠加时间剖面。该剖面揭示的反射相位相对单一,反射能量较强,整个剖面地层特性明显。将浅层纵波反射剖面中20 ms左右的强反射波组解释为第四系底界面反射并标记为TQ,解释的埋深在10~12 m左右。从剖面可以看出第四系底界反射TQ比较平缓,基本呈水平形态展布。
图5
剖面揭示的浅部地层反射界面形态和断裂的浅部构造特征非常清晰, 从剖面图(图5)可知,CDP在1170和1255位置同相轴发生了明显的紊乱现象,推测为断裂破碎带的影响,分别标识为FP1和FP2,依据断点性质和平面位置判断为猴咀—南城断裂(F2)在剖面上的反映,该断裂是由两条倾向相反的断裂组成。
断点FP1视倾向西,视倾角较陡,可分辨的上断点位于测线1 170 m处,埋深约12 m。断点FP2视倾向东,视倾角较陡,可分辨的上断点位于测线 1 255 m处,埋深约11 m。从剖面图上可以看出TQ波组在两个断点均存在紊乱现象,因未能取得第四系内部反射波,不能判断第四系地层是否错断。
3.2.2 超浅层横波反射法剖面解释
超浅层横波反射的目的是获取100 m以上超浅部地层断裂的位置及构造特征。图6为超浅层横波发射法经处理叠加时间剖面和地质解释剖面。该剖面揭示的反射相位相对丰富,反射能量较强,整个剖面地层特性明显。将超浅层横波叠加剖面110 ms的反射界面解释为第四系底界面反射并标记为TQ,解释的埋深在10~12 m之间,T01为第四系内部反射波组,TQ以下地层均为基岩内反射层位。从剖面可以看出第四系底界反射TQ比较平缓,基本呈水平形态展布。
图6
图6
超浅层横波反射波法叠加时间剖面
Fig.6
Stacked time section of ultra-shallow S-wave reflection method
剖面揭示的超浅部地层反射界面形态和断裂的浅部构造特征非常清晰,剖面图CDP530和CDP615位置同相轴发生了明显的紊乱现象,推测为断裂破碎带的影响,分别对应浅层纵波反射剖面的断点FP1和FP2。
断点FP1视倾向西,视倾角较陡,可分辨的上断点位于测线530 m处,埋深约12 m。断点FP2视倾向东,视倾角较陡,可分辨的上断点位于测线615 m处,埋深约11 m。从剖面图上可以看出TQ波组在两个断点位置均存在紊乱现象,T01波组未见明显影响。解释断点的活动性还需结合钻孔联合剖面进一步鉴定。
3.3 联合解释
联合分析浅层纵波反射和超浅层横波反射剖面可以看到,在平面位置上两种方法解释的断裂位置一致性非常好,进一步提高了解释的可靠性,在平面位置对断裂实现了精确定位;在深度范围上可以获取断裂从浅层到超浅层地层的构造特征,对断裂的认识更为深入,可为下一步断裂的活动性鉴定提供更为可靠的依据。
4 钻孔联合剖面验证
为验证浅层地震勘探解释断裂的位置,同时进一步研究断裂的活动性,针对断点FP2布设了一条钻孔联合剖面(图7)。该钻孔联合剖面由间距4.5~10 m的5个钻孔组成,终孔深度在30~45 m之间,均穿透第四系地层。
图7
钻探揭露了6层主要地层,自上至下分别为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、残积土、二长片麻岩、碎裂岩、破碎状二长片麻岩。其中①~③层为第四系,下伏基岩以中新元古界二长片麻岩为主。基岩埋深在10.8~11.1 m之间,这与浅层纵波反射法和超浅层横波反射法解释的基岩深度10~12 m一致性很好。
在B1孔24.7~26.0 m左右发育碎裂岩,在 26.0~30.6 m为灰白—肉红色—灰绿色劈理和微破裂发育的碎裂状二长片麻岩地层,确定了断裂的存在。靠近B1孔其他钻孔受断裂影响,基岩地层多发育节理裂隙或劈理,岩芯较破碎,推测为断裂破碎带的影响。在距离B1孔西侧4.5 m的B5孔中未见断裂破碎构造,仅在下伏基岩中见有发育的少量节理和劈理,可判断该断裂上断点位于B1和B5孔之间,为高角度断裂,推测为逆冲断层。全新统和上更新统地层分布连续,层位稳定,呈水平状分布,并且地层厚度各钻孔基本一致,说明上覆的第四系未受到断层断错或扰动影响。
5 结论
本文首先应用浅层纵波反射法和超浅层横波反射法分别对薄覆盖层区域的猴咀—南城断裂(F2)进行了探测,然后通过对浅层纵波反射剖面和超浅层横波反射的联合解释,提高了定位的可靠性,获得了断裂从浅层到超浅层更为丰富的构造特征信息,并通过试验可以得出以下结论:
1)在薄覆盖区域应用纵横波联合探测较单一方法可实现对断裂平面更精准的定位,获得断裂不同深度尺度上更为丰富的构造特征信息。
2)应用不同方法对断裂进行联合探测时,如何依据具体地质条件和断裂特征选取合适的方法是关键,应综合考虑具体地质条件和断裂特点选择方法。
3)本文仅选取了浅层纵波反射法和超浅层横波法探测薄覆盖层隐伏断裂,在实际应用可引入其他方法进一步研究。
致谢
感谢连云港活动断层探测与地震危险性评价项目组所有参与野外数据采集和室内处理的工作人员!感谢江苏省地震局、连云港市地震局、北京震科监理有限公司等领导和专家在项目实施过程中给予的大力支持!
参考文献
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城市活动断裂探测和地震危险性评价问题
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Exploration and seismic hazard assessment of active faults in urban areas
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第四纪沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏活动断层为例
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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。
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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.
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通过在同一条测线上应用三种不同地震勘探手段(共偏移距地震反射法、横波反射法与高分辨率折射法)联合反演的方法,获得了测线控制地段内废黄河断层的确切位置、上断点埋深以及速度分布图像.探测结果表明:在薄覆盖层地区的断裂调查中,上述三种技术手段的联合反演要比单独使用其中任何一种手段更加可靠,并能从不同角度查明断层的位置、性质及其特征,为钻孔联合剖面位置的布设和钻孔深度的设计提供地震学依据.经高精度钻孔联合地质剖面证实,三种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.试验表明了上述三种地震勘探方法在基岩面埋深较浅地区联合反演的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的有效性.
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The improvement of the quality of seismic signal in vibroseis
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