隐伏活断层钻孔联合剖面对折定位方法

雷启云 柴炽章 孟广魁 杜 鹏王 银 谢晓峰

1)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

隐伏活断层钻孔联合剖面对折定位方法

雷启云1，2)柴炽章1)孟广魁1)杜 鹏1)王 银1)谢晓峰1)

1)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

基于城市隐伏活断层钻孔联合剖面探测的多次实践，总结出一种优化的断层定位方法——对折法。其步骤为：首先实施剖面两端的钻孔，在确保断层在两孔间之后，在两孔中间位置布设第3孔;继续确定断层所在区段，然后在其间二分之一处布设下一钻孔，依次类推，逐渐限定出断层的准确位置。同时，引入孔间标志层位坡降这一量化指标替代落差分析，并归纳出2个判据：1)若两孔间主要标志层位坡降＞0，且坡降由浅至深递增，表明断层位于两孔之间;2)两孔间实施第3孔之后，若两孔间标志层位坡降相对之前及相邻区段显著增大，且随埋深递增，则为断层所在区段，而正常层位区段孔间标志层位坡降显著减小。应用实例表明，这种方法可较好地实现隐伏活断层的准确定位。

隐伏活断层 钻孔联合剖面 对折法 层位坡降

0 引言

利用钻孔联合剖面探测隐伏活断层始于20世纪90年代(向宏发等，1990，1991，1993，2000)。“十五”期间，该方法作为探测隐伏活断层的主要手段，在城市隐伏断层定位和活动性鉴定方面广为应用，并取得了显著成效(徐锡伟等，2002;邓起东等，2003;中国地震局，2005;朱金芳等，2005;柴炽章等2006;杨晓平等，2007;张世民，2007;雷启云等，2008;袁道阳等，2008;冯希杰等，2008)。另外，钻探剖面也为隐伏断层的古地震研究提供了另一可能途径(徐锡伟等，2000;江娃利，2001;张世民等，2008)。

近年来，特别是汶川地震之后，一些地方政府加大对城市活断层探测的投资力度，相继在其所辖城市中开展活断层探测工作。作为隐伏活断层探测的有效手段，钻孔联合剖面探测将起到举足轻重的作用。然而，当前的钻孔联合剖面探测方法仍是基于对标志层落差定性分析之上，对隐伏断层的定位缺乏量化指标，难以将地层天然倾斜或起伏引起的钻孔间层位落差区别并剔除出来;另外，钻孔施工先后顺序、孔间距尚无系统、优化的方法体系，并多以等间距依次施工，难以对断层超出剖面控制长度之外的情况尽早察觉，而且等间距无法较准确地限定断层位置，从而增大探测风险和成本，或者产生较大的定位误差。

鉴于此，我们在多次实践的基础上，强调动态施工的理念，优化施工过程，提出“对折法”来降低上述不确定性，并引入孔间层位坡降这一量化指标来实现对隐伏断层的准确定位。本文就是对该方法的介绍。

1 钻孔联合剖面对折定位方法

1.1 钻孔联合剖面对折法探测步骤

实施钻孔联合剖面探测之前，应有一定的其他勘探基础，一般宜在浅层地震勘探基础上开展。钻孔剖面横跨于断层之上，与浅层地震勘探测线重合或近于重合，剖面长度可根据浅层地震勘探的误差和地层特点而定。对正断层而言，布设时，以浅层地震勘探解释的断点位置为基准点，剖面上盘端点距基准点的距离宜大于下盘端点距基准点的距离，而钻孔深度根据晚第四纪地层厚度、标志层分布和勘探需要而定。

钻孔联合剖面对折法就是采取由外向里对折，逐渐逼近断层的施工方法，强调动态施工、动态分析，每个钻孔都具针对性，通过不断地排除和确定来逐渐限定断层位置。其探测具体步骤如下：

第1步 先在剖面两端各布施1个较深的钻孔，断层下盘钻孔宜先行施工，因为在同样孔深范围，下盘钻孔所揭示的地层信息多于上盘钻孔，可根据该钻孔揭示的地层特征，来确定断层上盘剖面另一端钻孔的钻进深度。通过对剖面两端钻孔中地层岩性的对比分析，寻找标志地层，以便确定断层在此区段之内。

第2步 在两孔间中心位置实施第3个钻孔，剖面分为2个区段，对比地层并确定断层所在区段。

第3步 继续在断层所在区段的中心位置布施下一个钻孔，依次类推，逐步缩小断层所在区段范围，直到准确判定出断层的地表准确投影位置和上断点埋深为止。

上述方法可避免由于浅层地震勘探定位误差过大而导致将钻孔过多地布于断层同盘的情况，也可以尽早发现断层是否在剖面长度控制范围之内，从而避免增加探测成本并降低探测风险。

1.2 标志层位孔间坡降动态分析

1.2.1 钻孔标志层位坡降

与对折法施工相对应，引入钻孔层位坡降(i)这一指标，根据其动态变化来分析和限定断层位置。其值为两钻孔之间标志层位落差和孔间距之比，表达式如下

其中：i为层位坡降、ΔH为两孔间标志层位落差、ΔL为两孔间距。

为了便于分析，这里约定沿断层倾向层位埋深变大时坡降为正值，反之为负值。

1.2.2 孔间层位坡降限定断层原理

断层活动使同一地层在断层两盘存在落差，当钻孔布设于断层不同盘时，所揭露出的同一地层存在落差，由此可以计算同一标志层顶底面在两孔间的坡降。一般而言，断层断距随着埋深而增大，特别是同生断层更是如此。所以，两孔间不同层位的坡降也随深度而逐渐增大。当在剖面二分之一处实施第3个钻孔时，因为孔间距减小，根据层位坡降的定义，断层所在区段同一层位孔间坡降相对之前必然增加，而正常层位区段，孔间地层层位坡降显著降低(图1)。

图1 对折法钻孔间层位坡降变化示意图Sketch of key horizon gradient between boreholes of composite drilling section in the doubling explorationmethod.

根据上述原理，总结出利用孔间地层坡降变化限定断层的2个判据：1)实施剖面两端钻孔之后，若这两孔间标志层位坡降不为零，且随深度增加不同层位的坡降依次递增，则两孔间存在断层，表明断层在剖面控制范围之内，可继续在剖面内实施钻探;若坡降随埋深增大无递增趋势，则表明两孔间无断层，需考虑延长剖面确保断层在控制范围之内;2)在任两孔间实施第3个钻孔之后，若两孔间标志层坡降较之前以及相邻区段同步增大，同时不同层位坡降随深度而递增，表明断层在这两孔之间，而正常区段标志层坡降较之前以及相邻区段显著降低，并不随深度呈规律变化。

2 应用实例

2.1 剖面概况

研究剖面位于银川盆地北部的石嘴山市大武口区内，针对石嘴山市城市活断层探测目标区芦花台隐伏断层布设。在本剖面实施之前，已经开展了较详细的浅层地震勘探，基本控制了目标区内芦花台隐伏断层的展布。

钻探剖面以127°方向平行布设于浅层地震测线LHTC3(5m道间距)之南47m处。测线LHTC3解释的断层上断点在地表垂直投影位于桩号2495m处，断层东倾，正断性质。据此于桩号2464.3m处布设了钻孔Z2-1作为剖面西端，于桩号2548m处布设钻孔Z2-2作为剖面之东端，后又根据钻进情况于孔Z2-1西15.5m布设Z2-5，剖面加长为99.2m。剖面中先后布设钻孔9个，累计进尺559.72m，单孔最深88.87m，最浅9.75m，剖面孔间距最大42m，最小3m(图2)。

2.2 主要标志地层

所谓标志地层是指在剖面中连续分布并同上下地层显著区别的同一地层。在进行孔间标志层位坡降动态分析限定断层之前，首先应在钻探中确定标志性地层。

规划一路剖面位于银川盆地内，地层以砂土和黏性土相间分布。根据沉积学原理，砂土是水动力条件较强、动荡沉积环境下的产物，黏性土为水动力条件弱、稳定沉积环境下的产物，砂土和黏性土的相间分布反映了一定范围内沉积环境的动静交替变化。在百m尺度内，这种沉积环境的变化应当具有一致性。而断层活动不会影响大的沉积环境的变化，也仅局限于断层附近岩性的局部变化，并引起断层两盘地层沉积速率的差异，从而形成生长地层。另外，浅层地震勘探时间剖面(图2)所揭示的地层近于水平。因此，理论上断层两盘地层岩性是可对比的，并且地层在同盘顶底界面埋深应当接近。鉴于砂土和黏性土在粒度和结构方面的显著差别，同时考虑黏性土层岩心较砂土层完整可靠，在实际施工中，选择具有一定厚度、分布稳定的黏性土层作为主要标志层。

图2 规划一路钻孔联合剖面钻孔布设位置图Fig.2 Boreholes arrangement diagram of the First Guihua Road composite drilling geological section.

不同钻孔中主要标志层的确定，主要按照所揭露黏性土层的先后次序，并对其埋深、颜色、结构、岩性等进行对比，由其中具有显著特征的层位进行控制，确定不同钻孔之间同一标志层。规划一路剖面揭露出3层可对比的黏性土层(表1)，自上而下简介如下：

标志层B1 地表黏性土层，为钻孔中首先揭露的黏性土层。岩性为砂黏土、黏土、黏砂土，夹细砂，黏土颜色以浅棕红色、灰黑色为主，其它为灰、土黄色。该层顶面为地表，其底部为棕红色黏土、灰黑色砂黏土，颜色和岩性变化特征明显，易于区别。该层厚度在6.12～8.10m之间变化;

标志层B2 为钻孔中揭露的第2层黏性土层，呈浅灰、黄灰、黑灰及浅棕红色，岩性为黏土、砂黏土及黏砂土。其顶部为细砂和粉砂，底部下伏一层土黄色粉砂，顶底界面明显。钻孔揭示该层顶面埋深于7.87 ～9.85m，底面埋深于22.31 ～31.94m，层厚13.35 ～22.11m;

标志层B3 第3层黏性土层，为黄灰、深灰、黑灰及暗棕红色，以黏土、砂黏土及黏砂土为主，夹粉砂。钻孔揭示该层顶面埋深于55.43～68.40m，底面埋深于64.11～79.74m，层厚8.51 ～11.34m。

表1 规划一路剖面主要标志层埋深及厚度统计表Table 1 Buried depth and thickness of key horizons in the First Guihua Road composite drilling section

2.3 标志层孔间坡降动态分析

在对折法钻探时，实时计算并分析孔间主要标志层位坡降的变化规律，根据前文所述2条判据逐渐限定断层的准确位置。图3反映了规划一路钻孔联合剖面钻孔施工进程以及相应阶段各钻孔间标志层位坡降变化。以下分6步详细介绍断层定位过程。

第(1)步：首先实施设计剖面两端钻孔Z2-1和Z2-2钻进，发现自上而下有3层黏性土层相间分布。根据落差和孔间距，计算出5个标志性层位(标志层B1底，B2顶、底，B3顶、底)在两孔间的坡降，自上而下依次为：2.1%、1.6%、11.1%、15.1%、18.5%。除标志层 B1 底面外，其它层位孔间坡降自上而下递增。根据判据1，推测断层位于两钻孔之间，但是否影响到标志层B1底面，本阶段无法识别，尚待进一步钻探加以明确。

第(2)步：在孔Z2-1和Z2-2中间位置实施第3个钻孔Z2-3，剖面被分为2个区段。对比两区段孔间标志层位坡降变化，发现在孔Z2-1和Z2-3之间，标志层B1底、B2顶、底和B3顶、底坡降(2.7%、2.6%、22%、31.5%、38.4%)相对上一阶段显著增大，除标志层 B1 底面坡降外，其它随埋深增大，而孔Z2-2和 Z2-3之间层位坡降(1.5%、0.7%、0.8%、-0.3%、-0.3%)整体相对上一阶段及相邻区段明显降低，且不随深度递增。根据判据2，表明断层位于孔Z2-1和Z2-3之间。鉴于标志层B1底面坡降变化，初步推测断层上断点可能延入标志层B1之内。

第(3)步：在孔Z2-1和Z2-3中间位置布设孔Z2-4，计算出相邻孔间的主要标志层位坡降，对比发现，Z2-1 和 Z2-4 之间主要标志层位坡降(3.5%、6.3%、44.8%、57%、66.4%)相对 Z2-3和 Z2-4间主要标志层位坡降(1.8%、1.4%、-1.4%、3.7%、8%)显著增大，符合判据2，确定断层在此两孔之间。标志层B1底面孔间坡降同其他层位坡降一起呈现从浅到深数值增大的趋势，因此，推测断层上断点埋深在标志层B1底面之上。

第(4)步：虽然已将断层限定在孔Z2-1和Z2-4之间，但孔Z2-1为设计剖面最西端钻孔，显然在设计剖面长度内无法揭示断层西盘的地层变化，因此，在孔Z2-1之西约15m布设孔Z2-5，对比孔间标志层位坡降后，确定该范围内地层较平缓，不存在断层。随后在孔Z2-1和Z2-4中间位置布设孔Z2-6，根据前述2条判据推测断层应该在孔Z2-4和Z2-6间错断标志层B3，然后向上穿过孔Z2-6，在孔Z2-1和Z2-6间错断标志层B2底面，若不考虑标志层B2顶面，标志层B1底界似乎也被错断。与此同时，标志层B2顶面在孔Z2-1和Z2-6间坡降变小，而在Z2-4和Z2-6间增大，且底面在其间也表现较大的坡降值。初步推测标志层B1在孔Z2-1和Z2-6间坡降变小可能由局部地层自身起伏所致，而标志层B2底面之异常，可能在孔Z2-6和Z2-4间存在次级断层，或者断层刚好从孔Z2-6中标志层B2底部穿过。经过仔细对比标志层B2中的地层特征，发现一层粉砂薄层平稳的分布于孔Z2-6、Z2-4、Z2-3和Z2-2之间，可以排除次级断层的存在，同时观察到孔Z2-6中标志层B2底部和其它钻孔一样见一层淡黄色粉砂，从而排除了断层恰好从该孔底层穿过的可能。

图3 规划一路剖面对折法施工及标志层位坡降动态分析(图中数值为i/10-2)Fig.3 Doubling exploration and dynamic analysis of key horizon gradient in the First Guihua Road composite drilling section(The numerical value is i/10-2 in the sketch).

第(5)步：为查明上一步标志层B2顶面坡降的异常变化，同时更准确地限定断层在近地表的位置，在孔Z2-1和Z2-6间布设孔Z2-7。结果证实了之前的推测，断层在孔Z2-7和Z2-6间断错标志层B1底面和标志层B2，然后穿过孔Z2-6，在孔Z2-6和Z2-4之间断错标志层B3。至此，断层位置已成功限定。

第(6)步：为了验证之前对孔Z2-6和Z2-4间标志层B2顶、底异常的推测，布设了孔Z2-8，结果证实了第(4)步推测的正确性，彻底排除了次级断层存在的可能;为了更准确地定位上断点的埋深，布设了孔Z2-9。

2.4 断层定位结果

通过上述钻孔施工，一方面确定了断层的位置，另一方面排除了由于地层起伏或变形引起的断层假象。由于断层附近钻孔间距足以小，只需在绘制1/100钻孔联合地质剖面图时进行简单的测量，便可确定断层的具体位置(图4)。

图4 规划一路钻孔联合地质剖面Fig.4 The composite drilling geological section at First Guihua Road.

前文已提及断层错断了地表黏性土层(B1)的底部(下盘埋深6.12m)，但对是否上延至地表没有较好的显示。所幸在断层附近标志层B1夹有一层细砂，在孔Z2-5和Z2-8以及其间几个钻孔均有揭露，其相邻孔间坡降均呈负值，且数值接近，据此推测断层至多终止于其底部(4.62m)，即为上断点埋深上限。另外，标志层B1底界存在0.8m断距，故推测断层上断点应在埋深5.32m之上。

在施工中并没有揭示到断面的直接证据，但根据地层分布推测，断层位置应该同时满足3个条件：在孔2-6和2-7间错断标志层B1的底界;在孔2-6中标志层B2底下伏粉砂层底及标志层B3之上第2层黏性土顶之间某处穿过;在孔2-4孔底之下某处穿过。若假设断层面为直面，图4中断层位置反映的是断层在该剖面中可能视倾角的最小值(78°)，据此向地表垂直投影于浅层地震勘探测线LXTC3桩号2470m处;若断层倾角直立，则和孔2-7重合是满足上述3个条件的另一极限画法，在地表垂直投影于桩号2475m处。

3 结论与讨论

(1)通过钻孔联合剖面对折法在规划一路剖面的应用，确定出芦花台隐伏断层上断点埋深于4.62～5.32m之间，倾角＞78°，其在地表的投影位于浅层地震勘探测线LHTC3桩号2470～2475m之间。与浅层地震勘探测线定位结果相比，两者相差20～25m。

(2)利用对折法钻探始终将断层控制在一定范围内，每个钻孔位置及深度的布设具有较强的针对性，并能及时将出现的各种干扰因素加以排除，既减少了不必要的进尺浪费，又尽可能准确地确定断层的位置，因此是一种优化的施工方法。

(3)在探测中通过对比钻孔间不同标志层位的坡降变化来限定断层，相对地层落差具明显优势。一是，坡降反映的是两点间地层的坡度大小，考虑了间距因素，其值大小的变化表明着两点间同一层位的陡缓程度，而从这种变化趋势的分析可以较容易判断出断层的位置;其二，坡降便于将地层原始倾斜以及断层附近的变形等非断层因素所表现的钻孔间地层落差区别出来，并通过对比两孔间标志层坡降自下而上的变化趋势、以及第3孔实施后各区段标志层坡降的变化趋势来确定断层的位置，并随着钻孔间距的减小，断层定位趋于准确。

(4)在规划一路剖面中应用的实践表明：钻孔施工质量(合格的采心率)是实现对折法探测成功的根本前提，同时场地中标志性地层的分布对断层的限定起到重要的作用。在施工质量高和标志层多层分布的条件下，将非常有利于隐伏断层定位的实现;由于断层在近地表规模较小，加之剖面内地层的天然起伏变化，故在利用孔间标志层位坡降分析时，近地表的标志层位起初变化并不明显，而当孔间距足以小时，这种变化将显著表现出来;显然对折法对隐伏断层的定位是通过一系列的推测而完成，但是，该推测基于之前浅层地震勘探结果，并建立于钻探过程中对上下标志层特征和断层关系的综合分析之上，具合理性和可靠性。

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METHOD OF LOCATING BURIED ACTIVE FAULT BY COMPOSITE DRILLING SECTION DOUBLING EXPLORATION

LEIQi-yun1，2)CHAIChi-zhang1)MENG Guang-kui1)DU Peng1)WANG Yin1)XIE Xiao-feng1)

1)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001，China

2)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China

In this paper，an optimized drilling exploration method，the doubling section method，was summarized aftermany composite drilling section explorations of buried active fault in urban areas.Operation steps of thismethod are as follows：Firstly，drill a borehole at each of the two ends of the drilling section tomake sure that fault is between the two boreholes，then，drill the third borehole at themiddle of the two holes;and secondly，confirm again the segmentwhere the fault is and drill the next borehole in themiddle of it.By repeating the similar practice，the accurate location of fault can be constrained progressively.Meanwhile，this paper also uses a quantitative indicator，the key horizon gradient between two boreholes，instead of stratigraphic throw，to determine the location of buried fault and puts forward two criterions：1)the fault is located between two boreholes if the key horizon gradients between these two boreholes are positive and increasewith depth;and 2)the fault is located where the key horizon gradients between two boreholes increase obviously relative to the previous values and that of adjacent segments，besides the increase with depth.While in contrast，the key horizon gradient in a normal fault segment decreases obviously.Application cases show that themethod can determine precisely the location of buried active fault.

buried active fault，composite drilling section，doubling section method，key horizon gradient

P315.2

A

0253-4967(2011)01-0045-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.005

2010-05-20收稿，2010-08-11改回。

国家财政部经常性项目(1521044025)和地震行业科研专项(201008003)共同资助。

雷启云，男，1981年生，2005年毕业于兰州大学地质工程专业，获工学硕士学位，工程师，现为中国地震局地质研究所在读博士研究生，主要从事活动构造研究工作，电话：0951-5068227，E-mail：leiqy 624@163.com。