龙门山断裂带南段耿达—陇东断裂的浅层地震反射波法探测

李大虎，邵昌盛，刘远志，邹 俊

（1.四川省地震局 工程地震研究院，成都610041；2.四川省核工业地质局 二八二大队，四川 德阳618000；3.中国石化石油工程地球物理有限公司 西南分公司，德阳618000；4.四川省地矿局 物探队，成都610072）

2008年5月12日汶川8.0级地震发生在龙门山构造带中北段，破裂自初始破裂点开始沿龙门山断裂带的中央断裂及前山断裂呈NE向单侧扩展［1］，龙门山断裂带南西段在此次地震中并未参与活动；而2013年4月20日08时02分46秒四川省雅安市芦山县发生的7.0级地震的震中（30.3°N，103.0°E）位于龙门山构造带南段附近（图1）。两次地震发生后，作者均参与了四川省地震局地震现场应急科考工作，对位于龙门山断裂带南段的耿达—陇东断裂进行了野外调查追索，并未发现地震地表破裂现象；而龙门山断裂带作为活动地块的一级边界，具有孕育和发生强烈地震的构造背景，尤其是南段的地震危险性已经引起了国内外地震学者们的强烈关注［2－6］。由于多年以来龙门山断裂带南段浅层地震探测工作开展较少，特别是龙门山南段后山断裂的耿达—陇东断裂通过处的植被茂密、基岩出露有限以及部分断裂隐伏于地表之下等因素，至今对于耿达—陇东断裂的空间展布位置仍然存在疑问，仅凭目前单一的地面地震地质调查工作难以准确厘定其具体通过位置和展布形态，从而制约了对该断裂最新活动性的评价和最大发震能力的评估。龙门山南段地震灾区的灾后恢复重建工作，同样也受到隐伏断裂段和余震活动等因素的严重制约。

图1 龙门山构造带南段断裂分布图Fig.1 Distribution of the southern segment of the Longmenshan fault zone

耿达—陇东断裂位于龙门山断裂带后山断裂南段，芦山地震后，中国地震学家对龙门山前山断裂南段的双石—大川断裂的活动性研究较为详细，结论为全新世活动断裂［7］；而对于耿达—陇东断裂，虽局部地区线性影像特征明显，有晚更新世以来活动的地质和地貌显示，但由于该地区第四纪地层地貌不甚发育，使得耿达—陇东断裂晚第四纪是否活动的地表行迹并不清晰，对该断裂的空间展布位置和活动性评价方面更是缺少统一的认识。要研究该断裂的活动性必须先确认基岩断裂的存在，继而研究该断层向第四纪地层内的延伸情况，只有这样，对断层的晚第四纪活动性进行评价才有意义。针对耿达—陇东断裂经过地区复杂的地质构造环境和特有的浅层地震地质条件，选择何种地球物理探测方法以及如何实施才能达到较好的探测效果成为需要解决的首要问题。浅层地震反射波法是近地表活动断裂探测中解决隐伏断裂定位及切割地层的首选方法，该方法利用人工激发的弹性波震源，探测数十米至数百米深度范围内的地层分布和地质构造，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效果较好［7－9］。尤其是近年来，随着数据采集技术和数据库处理手段的不断进步，利用该方法在研究活动断裂的空间展布以及深浅构造关系等方面均取得了有价值的经验［11，12］。

龙门山断裂带南段地区狭窄的山间峡谷场地和特有的地形地貌特征、复杂的地震地质构造环境，要准确定位耿达—陇东断裂隐伏段的展布位置、产状及断错量等参数，需要在地质调查工作基础上，根据具体的场地条件和地震地质环境特点开展实验性探测，为选择可靠的地震勘探施工参数提供依据。本次探测研究工作主要采用人工锤击端点激发、小道间距、多道短排列接收和多次覆盖观测相结合的地震数据采集技术以及合适的数据处理方法获得浅层地震反射剖面图像，以此揭示耿达—陇东断裂在宝兴县陇东镇若必沟一带的空间展布位置和近地表构造形态。该研究结果不但为研究耿达—陇东断裂近地表活动构造提供了地震学依据，也对龙门山断裂带后山断裂南段现今的活动性以及龙门山南段地区未来地震危险性评估具有重要意义，同时也为灾后重建和避震规划、减少未来可能造成的地震灾害损失等提供科学依据。

1 地震构造环境和地震测线布设

耿达—陇东断裂北起耿达，向南经硗碛、陇东至泸定以东，总体走向NE40°，倾向NW，全长约170km，在宝兴县西南发育了一系列近似平行的NE向断层带和弧形冲断层。通过现场地震地质调查发现，在若必沟一带发育有宝兴河T1、T2阶地，断错地貌并不明显，仅在两侧基岩处见有断层破碎带；但对于被第四纪沉积物所覆盖的部分，就需要通过物探手段确定。

浅层地震反射波法开展的前提是测区场地介质具备一定的波阻抗差异。结合已有的工程地质钻探资料，若必沟西河左岸的T1阶地不同密实程度的卵石土层波速值在0.8～1.6km/s，而下伏基岩——白云岩的波速在2.5～4km/s，二者之间的波阻抗差异明显，在地震时间剖面上能形成有效的波阻抗反射界面，具备开展地震勘探工作的地球物理条件。因此选择在宝兴河西河的T1阶地上开展地震反射波的数据采集工作，在跨耿达—陇东断裂及其分支断裂的可能通过位置布设了2条浅层地震反射测线（图2）。

2 数据采集与处理

浅层地震反射波法一般适用于工作环境相对较好的地区（盆地、平原）探测物性差异大、且具有一定规模的地质构造，要把该方法应用到构造环境复杂、交通条件不便的龙门山南段山间峡谷场地探测断裂构造的展布位置，还需要解决一系列关键的技术问题。由于地震勘探的精度取决于地震资料的分辨率，而地震资料的分辨率又与所采用的方法技术和工作参数密切相关，尽管在资料处理中可采用多种数据处理手段来改善地震资料的质量，但要想通过数据处理从丢失了有效信息的地震资料中得到有用的结果则是不可能的。因此，采集高信噪比的原始记录资料是基础。

2.1 地震数据采集

图2 测区地震构造环境与地震测线示意图Fig.2 Seismic tectonic environment and the seismic survey line diagram in the survey area

本次地震反射波数据采集使用的仪器是美国Geometries公司的NZXP数字地震仪配以分布式Geode地震采集站，24-bit A/D转换，动态范围144dB，通频带1.75～20kHz，有宽频带和可选滤波器记录不同频谱范围的地震信号，其各项指标均能满足浅层探测的要求。由于龙门山南段地区河谷地带Ⅰ级阶地上卵石层会造成高频信号迅速衰减，若采集时采用检波器组合的方式来压制面波会严重损失高频成分的信息，从而不利于提高地震勘探的分辨率。而山间河谷基岩面埋藏较浅的地区需要尽可能地保留原始地震记录中的高频成分，因而本次探测工作主要采用40Hz的单个检波器采集纵波反射信息，尽可能地采集从低频到高频的地震信息。为了确保地震记录的质量，除了在探测工作中根据不同的地表条件选用适合于相应地震测线的工作方法外，还在每条测线地震数据采集之前进行扩展排列试验，其目的是：①了解测线周围干扰波类型、强度和时空分布特征；②了解目的层反射波组的强度；③了解震源激发条件等，进而确定反射波最佳观测窗口（如观测系统、仪器参数等）。为了能在地震记录上分析有效波分布与干扰波分布，所有试验排列最小偏移距都取0m，然后根据有效波发育时窗、干扰波面波特征以及现场施工条件等确定道距、炮距、偏移距、接收道数等参数，使得有效反射波落在最佳的观测窗口内，获得较高的信噪比，从而提高浅层地震勘探的精度。

图3 Ⅰ测线扩展排列试验Fig.3 Interference wave of Survey lineⅠ

图3是陇东镇若必沟西河左岸Ⅰ测线典型扩展排列试验记录，由图中可以看出，存在较强的线性干扰，且来自浅部的有效信号被震源附近强烈的面波所覆盖，使得近震源处的有效波在原始地震记录中较难辨别；但双程旅行时位于150ms以内远离震源的接收道可连续追踪基岩反射波信息。由于地震记录上存在较强干扰，因此需采用小道距小偏移距多次覆盖的观测系统和排列参数来提高信噪比。

为了得到高质量的地震反射记录，根据测区场地条件与探测目的合理地选择地震波的激发震源也是本次探测工作的重要环节。只有在震源激发的地震波信号具有足够的能量和较宽频带范围的前提下，才能使数据采集处理和分析解释具有实际意义，因此选择合适的震源是实现浅层地震勘探目标的必要条件［13］。根据已有的研究，采用小能量激发震源相对能增强高频波的能量［14］，因而采用小能量激震是十分必要的。本次探测场地均位于宝兴河西岸Ⅰ级阶地上，交通条件不便和局部场地所限等因素使可控震源车难以在此开展工作。根据已有的研究结果结合作者近些年在龙门山地区开展断裂探测的实践经验，锤击震源虽然激发的能量较弱，深度约＜100m，但其激发信号的频率较高，同相轴的连续性也明显变好，所获得的地震剖面分辨率较高，因此本次探测选用的是携带较为方便、适合龙门山地区作业的锤击震源。

在龙门山南段地区开展浅层地震探测工作观测系统参数的选取时需考虑到以下几个问题：一是最大偏移距的确定一般要求与探测的目标层深度相当，使目的层反射有足够的正常时差，有利于速度分析和区分一次反射波和多次波与其他相干噪声，但最大偏移距又不能太大。如果太大，一方面会增加动校正的拉伸畸变，影响资料分辨率；另一方面会使远炮点接收到的反射波发生相位畸变，对共中心点（CMP）的假设也变得无效。二是最小偏移距的大小直接影响感兴趣的浅层反射波的覆盖次数。一般来说，为获得更浅层的地层反射，最小偏移距应尽可能的小；但如果太小，近炮点道会受到震源干扰波的影响。三是为了提高地震资料的横向分辨率和覆盖次数，一般应采用较小的道间距和跑间距。

综合以上研究结果并结合本次测区地形地貌特征和现场地震记录特点以及已有的钻孔资料分析得出，一方面要使用人工锤击震源激发高主频信号以提高浅层分辨率；另一方面要采用小道间距、多道短排列接收、共反射点多次覆盖观测系统，以达到对耿达—陇东断裂构造进行精确定位的目的。此次反射波法地震勘探的具体工作参数设计如下：采样率0.25，记录长度0.50s，道间距1～2m，炮间距1～2m，偏移距30m，每个地震观测排列采用单边24道、40Hz的检波器接收，多次覆盖观测系统，覆盖次数为12次，最终获得了高频优质的浅层地震反射资料。

2.2 反射波数据处理

室内数据处理过程中有效地保护和恢复地震记录中的有效宽、高频反射信息以及提高资料信噪比是资料处理的关键，而压制干扰、提高地震资料的信噪比和分辨率是资料处理的目的［15］。本次数据资料处理采用中国地震局活断层探测专用的GRISYS地震反射处理软件，处理模块主要包括静校正、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、反褶积、时变谱白化（RETWHI）和叠后偏移。针对耿达—陇东断裂不同通过地段的具体工作环境、测区地质构造特征和现场地震记录特点及室内对各种处理流程的试验对比，特设计了以下数据处理流程：数据解编及格式转换→振幅补偿→带通滤波→二维倾角滤波→抽CDP道集→建立速度模型及速度分析［10］→NMO校正及拉伸切除→共反射点叠加→叠后去噪。

其中，速度分析是地震数据处理中的关键问题之一，采用速度谱分析前宜先做常速度分析，对整个剖面进行变速扫描，初步了解测段整体的速度结构及分布范围；再按每30个CMP道集做一个速度谱，参考速度扫描，求取一个初始的叠加速度；然后，根据初选的NMO速度对CMP道集进行动校正和剩余静校正处理，并将其结果应用于原始CMP道集；最后在剩余静校正后的CMP道集上进行第二次速度分析，以获得更为精确的叠加速度。

面波是地震资料处理中最常见的干扰波，能量强且分布范围广，对于干扰波和有效波频率分布差异较大的资料通常可采用高通滤波方法去除面波；但是一般来说，干扰波和有效波频率分布经常重叠，用这种方法有效波也很容易被滤除，尤其是在资料信噪比较低的时候，不宜轻易使用。故针对龙门山南段山间峡谷测区阶地上覆的砂卵砾石层不但影响地震波能量的下传，而且产生多种多样的干扰波掩盖微弱的有效反射信息，尤其是来自浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波所覆盖，降低了地震资料的信噪比。针对这种情况，本项探测工作在数据处理过程中，借鉴以往龙门山地区的地震数据处理技术和综合对比研究本次探测工作中所采集到的地震数据，尝试对比使用不同的去噪方法效果后选取了二维倾角滤波。该方法利用多道倾角滤波法对线性干扰进行压制，首先对噪声的频率和视速度进行分析，根据其频率和视速度特征在干扰波的优势频段内分组建立噪声模型，然后从原始资料中将噪声减去。这样消除的噪声都集中在干扰波覆盖的区域，其他部分不受影响。图4给出了采用二维倾角滤波方法压制干扰、提高记录信噪比对比图，以若必沟电站Ⅰ测线单炮记录（第1～3炮）为例，在单炮点地震记录（图4-A）上，多组不同视速度的线性干扰波掩盖了记录上的大部分有效反射，近炮点记录道上反射信息被淹没在强烈的面波等干扰之中；而在二维倾角滤波处理之后的地震记录（图4-B）上，来自不同深度的反射波清晰可见，尤其是在近地表记录道上150ms以内的浅地层反射波已变得清晰可辨。该方法突出了有效反射波，提高了信噪比，从强干扰噪声中提取有效反射具有较好的效果，较适宜处理龙门山南段地区所采集到的地震数据。

3 地震剖面解译

断裂探测的主要目标是要确定断层的位置和产状等因素。在地震叠加时间剖面上通过对反射波组特征、波速变化和地层构造等重点环节进行分析，结合地震地质调查结果可以判定断裂的展布位置，再根据断层向第四系内部的延伸情况和上断点埋藏状态可进一步研究其活动性。本次探测工作在对测区内地震反射时间剖面上的反射波组的追踪和识别的基础上，根据DB/T 15-2005《活动断层探测方法》对地震剖面进行断层判定。根据反射波组特征识别推测活动断层及其位置的主要依据有4点：①反射波同相轴或波组的错断；②反射波同相轴数目明显增加或减少；③反射波同相轴产状突变，反射零乱或出现空白区域；④反射波同相轴的强相位反转。

图4 二维倾角滤波处理前后的单炮地震记录Fig.4 Seismic records before and after the 2-D dip filtering processing

3.1 测线Ⅰ

测线Ⅰ经处理后获得的叠加时间剖面（图5）信噪比较高，主要发育的反射波同相轴为P1波组，出现在双程反射时50ms附近，推测为基岩（白云岩）顶层反射波。该反射波组整条测线上均有发育、能量较强，以西河左岸Ⅰ级阶地上覆砂卵石层等效速度1.5km/s计，对应的界面埋深约37.5m（该深度已得到钻孔证实）。其中反射波组在CDP73附近的同相轴出现了明显错断、不连续等异常现象。据这些波组异常判定此处为耿达—陇东断裂的通过位置，该断裂表现为上冲性质，倾向NW，视倾角65°左右。

3.2 测线Ⅱ

图6为测线Ⅱ的反射波叠加时间剖面图，从图中可以看出反射波组P1整条测线上均有发育，为白云岩顶面反射波，同相轴出现于双程时间在40ms附近，以西河左岸Ⅰ级阶地上覆层等效速度在1.5km/s左右计算，其对应的界面埋深约30m。该剖面位于测线CDP12处出现了明显的同相轴扭曲、错断，主要表现为反射波同相轴自NW往SE存在的上冲波组呈现分叉、合并现象，符合断裂构造较为典型的运动学、动力学特征，由此推断为耿达—陇东分支断裂的通过位置。该处断裂倾向NW，视倾角较陡，约80°。由于此次探测在有效勘探深度范围内发育的反射波组有限，未能接收到更深处的反射信息，故对深层断层的形态及性质反映并不明显。

4 讨论与结论

a.针对龙门山断裂南段狭窄的山间峡谷场地、特有的地形地貌环境和交通条件不便、山体疏松易塌方等工作条件，经现场记录试验发现来自浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波覆盖等特点，采取了小道间距、小偏移距、多道短排列接收和共反射点多次覆盖观测的方式，查明了北东向的耿达—陇东断裂及其分支在宝兴县陇东镇若必沟一带的空间展布位置和近地表构造形态。经钻探资料证实浅层地震反射波法所确定的断裂位置和基岩面埋深等参数是准确可靠的，对今后龙门山南段地区开展的活断层探测工作具有重要的参考价值。浅层地震探测定位结果结合地震地质调查发现断裂通过处零星发育宝兴西河T1、T2阶地，但未见较大的河流冲沟发育和断错河流T1、T2阶地等现象。

图5 测线Ⅰ地震反射波叠加时间剖面图Fig.5 Stack time section of the seismic reflection in Survey lineⅠ

图6 测线Ⅱ地震反射波叠加时间剖面图Fig.6 Stack time section of the seismic reflection in Survey lineⅡ

b.根据已有的研究结果［16］结合龙门山地区断裂探测实践表明，锤击震源相对于可控震源而言虽激发的能量较弱，深度约＜100m，但其激发信号的频率较高、频带较宽、同相轴的连续性较好，所获得的地震时间剖面分辨率较高，因此在龙门山断裂探测工作中，如测区位于狭窄的山间场地且覆盖层厚度＜50m，限制了可控震源车或炸药震源以及长排列观测系统在这种山间槽谷地区开展浅层地震反射波法探测的情况下，宜采用锤击震源和短排列的接收观测方式；在数据处理方面，针对龙门山南段峡谷场地激发地震波时较强的线性干扰掩盖近地层反射等情况，尤其是来自浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波所覆盖，本文利用多道倾角滤波法对线性干扰进行压制，获得了用于断层判别和解译的地震时间剖面。

c.龙门山南段地区的地形地貌及地质构造较为复杂，既有基岩出露区，又有分布于河谷、山间的砾石及砂砾石层，且受到不同规模的断裂影响，其第四纪沉积厚度也存在不同程度的差异，对于埋深约几十米的基岩测区采用浅层地震反射纵波方法探测往往可以取得较好的结果。但由于纵波反射勘探本身受到各种因素的影响，导致其对浅表地层分辨率存在一定的限制；而横波勘探的分辨率比纵波地震勘探要高，使其在超浅层断层探测中具有较为明显的优势，且横波探测结果能够弥补纵波探测丢失的近地表构造情况和覆盖层信息，所以在今后的探测工作中，对于超浅层测区可以采用横波反射来探测第四系内部的反射层和确定断层上断点的位置。在条件允许的情况下，实现纵波反射和横波反射的联合探测，可以清晰掌握断裂构造由浅至深的空间展布形态以及揭示近地表更加详细的分层情况，为进一步研究断裂活动性和对未来发震能力评估提供科学依据。

本文相关的野外探测工作中，还有四川省地震局工程地震研究院其他同事参加；在地震数据处理过程中，与杨歧焱博士和顾勤平博士进行过多次有益的交流与探讨，在此一并向他们表示衷心的感谢！

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