城市隐伏活断层主要工作方法初探
2016-03-01白志强
杨 旭,白志强
北京大学地球与空间科学学院,北京100871
城市隐伏活断层主要工作方法初探
杨 旭,白志强
北京大学地球与空间科学学院,北京100871
随着地球进入新的活动周期,地震发生的频率越来越大.据目前研究可知,城市地震灾害主要是由于位于城市之下的活断层突然快速活动而产生的.活断层为晚第四纪有活动的断层.自从20世纪90年代以来,我国一直在探索活断层探测的新方法.通过前人经验及作者的工作经历,分析了活断层的特性,对活断层的探测方法加以总结.活断层探测方法分为3个大类:地球物理方法、地球化学方法和钻孔联合钻探法.3种方法各有优势和劣势,若在某地活断层探测工作中能将3种方法较好地结合起来,便能将活断层探测的精度大大提高,提高工作效率.
活断层;地球物理方法;地球化学方法;传统地质方法;地震灾害
0 前言
随着全球城市化进程的加速,城市地震灾害所造成的生命财产损失及对社会公共安全的冲击日益严重.大量的地震实例告诉我们,巨大的城市地震灾害,主要是由位于城市之下的活断层,突然快速错动所导致的直下型地震引起的;而城市附近地震也可诱发城区活断层的活动,加重活断层沿线建筑物的破坏和地面灾害.现今一般认为活断层是晚第四纪以来有活动的断层[1],最早是在1908年由A.C.Lawson作为一个构造地质学的术语提出来的.早在20世纪二三十年代,我国科学家翁文灏(1922,1929)、谢家荣(1922)和陈国达(1938)便注意到地震与断裂的关系[1].20世纪80年代以来,随着国际活动断裂的研究,我国城市活断层的研究工作逐渐从定性转向定量.在近几十年的探索中发现地震都发生在活动断裂带上,而活动断层不一定都发震[2].因此,总结出一系列的探测方法,可以提高对于活断层探测的精确程度,为减小地震等活断层活动引起的损失做出贡献.
在城市的建设和发展过程中,城市一般被不同厚度的第四纪松散沉积物所覆盖.因此探测的目标断层大多数为隐伏断层,仅仅依靠传统的地表地质地貌工作已不可能对断层定位和活动性进行全面研究[3].对于活断层的研究方法,现今应用比较广泛的主要有地球物理方法、地球化学方法和传统地质探测等方法[3],通过地球物理、地球化学等方法提出的定量佐证结合传统地质方法可以对隐伏断层进行定位和活动性的研究.综合目标区深部探测,地貌和遥感资料等与几种方法结合起来可以使得对地下活断层的定位和定量研究达到比较高的精度.
下文将分别阐述地球物理、地球化学以及传统地质探测在城市活断层探测中的应用流程与优劣.
1 地球物理方法
地球物理方法顾名思义,就是指应用物理方法对地球的内部进行一些探测工作.对活动断层的地球物理探测,目的是准确查明地表附近活动断层的空间分布,确定其深部延伸情况,探测可能存在的隐伏活动断层,揭示地下介质的特性和深部构造环境[2,4].对于活断层的探测中常用的地球物理方法有:重力测量、高精度磁测、电法勘探、浅层地震波探测和深层地震波探测等,近年来又出现了精度更高的三维地震波探测的方法.由于篇幅所限,本文着重介绍目前应用较多的浅层地震波探测和深层地震波探测法.
1.1 浅层地震波探测法
浅层高分辨地震勘探是城市活断层浅部探测中最为有效的探测方法之一.浅层地震波探测法通常指埋深50 m之内主要为第四系地层的探测[5],主要是利用地震波来确定断层的位置和纵向延伸情况.利用其在地震波剖面上丰富的波组特征,判定断层的存在并确定其产状等基本参数.与其他方法相比,该方法在断层定位及其特征的判定上具有较高的精度,在地震系统的活断层探测项目中得到广泛应用.在现今的工作过程中,一般采用反射波法和折射波法[6].其中反射波法地震勘探以反射界面为物理前提,能够同时反映多个地层界面的形态,精确的成像能够较直观地显示断层在各个地层中的形态.反射波多次覆盖有利于压制干扰,提高反射波的信噪比,进一步提高反射波法的勘探效果,使得探测结果更加准确.折射波法适用于下伏介质的速度高于盖层的速度的条件,此时在盲区外就能接收到该界面上产生的折射波,利用折射波的走时可以确定界面的埋深和沿界面的地震波传播速度.折射波适合于界面埋深和起伏不大的情况[6].
浅层地震波探测法的工作流程一般为野外资料的搜集以及后期资料处理.首先根据目标区场地条件确定合适的震源并确定实地测线布设位置,一般来讲常用的震源有炸药震源、锤击震源、电火花震源、空气枪、震源枪震源和可控震源等;采用地形图结合地物、测绳量距的方法确定炮点、检波点,每条测线端点、拐点及地面易辨认的标志物(如沟渠、桥头、电线杆、里程碑等)的坐标用GPS测定;然后将搜集回来的地震波资料进行后期处理,即将地震数据转化为地质数据.考虑到浅层地震波法易受到干扰并要求分辨率较高的问题,应消减干扰波,突出有效波,突出高频信息,最终获得较高的分辨率的时间剖面(图1).一般为经过去噪处理后结合地质资料的对比分析[7],来进行隐伏断层的识别和解释,确定断层位置、产状、性质、错动量、上断点等特征[8-9].
从图1可以看出,断层右侧T5波向东不断抬升,明显倾斜且角度变大,其上的T1波、T2波产状近水平;而断层左侧一定的范围内,T1波、T2波则由水平突然变得倾斜、弯曲,同时找不到与右侧相对应的T5波.断层的存在明显,向上错断了T12波.该断层为倾向西的正断层,视倾角超过45°,顶端埋深约为十几米[10].
图1 汤东断裂在一条测线上的时间剖面图(据文献[10]修改)Fig.1 Time section of the Tangdong fault along a survey line(Modified from Reference[10])
城市活断层的浅层地震波探测法与传统的野外地质工作方法相比,具有工作量小、较易获得可信度高的数据的优点;同时浅层地震勘探不仅可以用来确定断层的位置和产状,而且可以用来判定地层的变形特征和断层的活动时代,在现今的城市活断层探测工作中有着广泛的应用.但是浅层地震波探测法也有着目前难以解决的工作难点.首先,浅层地震波探测法对于走滑断层的探测难以取得较好的效果.走滑断层的垂直断距较小,因此在浅层地震反射剖面中很难直接依靠反射层的错动判定断层的存在.需根据断层附近存在的断层带造成反射界面不连续的现象,来综合判断断层的存在和其位置[4].此外,浅层地震波探测容易受到一些外界因素的影响.城市地区的浅层地震勘探主要受到交通和机械振动的干扰,必须采取切实可行的针对性措施,通过选择合适的震源、合理的技术方案和资料处理手段,最大限度地抑制干扰,提高信噪比[2],才能获得可信度较高的成果.
1.2 深层地震波探测法
深层地震波探测法要比浅层地震波探测法所探及的深度大,其探测目的是查明活动断裂的切割深度以及其是否具有深度背景,一般可达莫霍面(42~45 km)的深度[11],可以探测某地区地壳几何结构特征,以及相关地震区的深部发震构造特征及浅部主要活断层向深部的延伸情况、深浅构造藕合关系,特别是前人提出的“底腹断层”的存在与否,及其与深部构造、浅表断层的关系.由于必须采用爆炸源,该方法主要适合在城区外围对主要活动断层和深部隐伏断层进行探测[4].
深层地震波探测法的工作流程与浅层地震波法类似,都是野外资料的收集结合后期的数据处理过程.但是深层地震波探测法要注意以下几个方面.
首先,对于层位的选择至关重要,一般在实验前会做井深试验,其目的是选择一个最佳的激发层位,使在该层位激发能够获得高频率、单一稳定波形及高信噪比的目的层反射波[12].选择激发层位时要考虑3个方面:一要充分考虑避开声波、面波、低频不规则干扰波;二是要充分考虑激发层位岩性对反射波的影响,激发层位岩性不同,所形成的反射波的频率、波形和振幅就不同;三是要考虑经济上的合理性,以能获得最佳地质效果而又经济的孔深为原则[13].
其次,在数据解释的过程中,应参考工作区的构造运动特征,综合叠加资料,开展剖面对比和地层标定,完成构造解释.构造解释主要是分析地震波场、识别构造单元(特别是断裂构造)、分析深浅部构造特征.
在城市地区采用深层地球物理方法探测活断层的深部特征,详细了解浅部构造与深部构造之间的关系,对于判断活动断层的地震危险和预测可能的地震震级与震中位置等具有重要意义.
1.3 三维地震探测方法
在上述讨论的地球物理方法中,以上两种方法都是建立在二维平面的基础上对活断层进行浅部或深部探测.近年来,三维地震探测方法逐渐成熟,其数据量大,偏移归位准确,横向分辨率高,有利于复杂构造和小构造的研究[14].三维深地震测深的观测系统不是沿一条纵向测线,而是由多条边(即多条剖面)组成的任意形状(不规则三角形或多边形).爆炸观测是在三维空间进行,任意一个炮点的爆炸观测既有纵剖面又有非纵剖面的记录观测[12].三维地震探测法的一般流程为野外数据的采集以及后期对数据的处理过程.
三维地震探测是在二维地震探测的基础上建立三维模型,形成立体图像来对地下活断层进行解译.三维地震采集的数据经过处理后得到的是一个数据体,可对断层进行立体追踪,而且三维偏移能实现反射界面准确归位,在地层倾角较大、构造较复杂地区较二维地震勘探有明显优势[15].夏训银[5,14](2010)在顺义新城规划区用三维地震勘探进行了城市活断层探测,对工作区内顺义-良乡断层中深部空间形态和展布进行了高精度控制.
高分辨率三维地震探测深度范围大、精度高,成果显示直观,也很容易转换为地质成果.三维地震探测得到的数据可以垂直断层走向,任意切割剖面,避免了二维地震探测中障碍物限制造成的测线与断层斜交的问题,可以较清楚地显示断层的展布方向和相互切割关系[15],在浅、中、深层的构造勘探中具有强大的优势.但城市活断层探测是一项十分复杂的课题,要求的目的深度范围变化很大,通常要求从几米、十几米到上千米,对三维地震观测系统的要求极高,这样施工的成本非常高.在城市活断层探测中应根据要求,对不同的城市环境、地震地质条件合理选取三维地震的观测系统,以获得较好的勘探效果.
城市地球物理探测与传统的野外工作相比还面临着许多困难.城市建筑和公共设施制约了探测工作的设计和施工,工业生产、公共交通和居民生活对探测工作产生很强的干扰.在城区开展地球物理探测,需要对传统的技术方法进行改进和调整,提高探测的抗干扰能力和分辨率.同时,应针对城市地区的特点,采用多种有效方法进行综合地球物理探测与解释,得到更加可靠的地下介质结构和活断层分布图像[4].
2 地球化学方法
地球化学探测是通过捕捉、识别和确定地层中的异常点、晕或异常带的空间位置和它们随时间的变化特征来探查活断层的存在,为进一步开展活断层探测提供依据.地球化学探测的主要测项包括气体和超细固体颗粒[16],在城市活断层探测中一般利用土壤气含量的不同来获得活断层的位置特征.测定的组分一般为化学性质稳定、不易受环境影响而发生变化的物质,如Rn、Hg、CH4及其他碳氢化合物,以及一些气体同位素,如3He/4He等.目前,在活动断层的地球化学探查中的主要测项为Hg和Rn.Hg量测量常采用土壤气汞和土汞相结合的方法进行配套探测,氡(Rn)测量主要有α粒子测量、γ射线测量和土壤氡气测量.活动断裂地球化学探查的野外现场采样主要是通过深1 m左右的浅孔进行的,通常使用空心的钻进工具,并将Teflen类毛细管与钻具的空心管相连接,应用大气采样器定流量、定时间抽气采样,样品测试分析可在现场就地进行[16].
下面以土氡气的探测为例介绍城市活断层的地球化学探测方法.目前利用土壤中氡气含量的变化来探测活断层已经是一种比较成熟的方法.土壤中氡气的测量具有精度高、污染小、操作简单的优点.
地壳放气的主要通道是断层,特别是对于一些穿透能力强的气体.气体地球化学探测技术是一种寻找隐伏断层位置的方法.地球内部在压力差、浓度差、温度差等因素作用下,不同成因的气体会通过断层向地表迁移并逸出.可以通过活断层上地球气体释放的气体强度变化的异常信息来探测活动断层的位置.王志成[17]研究认为,断层气含量的异常幅度值与断层的活动年代和强度有一定的联系.不活动断裂的氡气测值不超过异常下限值,而活动性较强断裂的异常峰值可达背景值的7倍多甚至十几倍[18],因此从异常的峰值可以对断裂的活动性做出初步判断.
氡是镭放射性元素的衰变产物,一种放射性气体,有3个天然同位素,222Rn是最重要的同位素,半衰期为3.825 d.因为氡的同位素均属惰性气体,在运移过程中不参与化学反应.氡气由于其本身的性质,具有较强的纵向运移能力而且能够长距离运移.有研究表明,在浅层土壤中,氡气的含量随着深度的增加而变化,其含量变化的原因是氡气流动形式的机制不同.在近地表,由于风化作用和其他地质作用强烈,土壤的疏松程度和裂隙程度加大,那么,氡气的向上流动速度和强度便会变慢.此时,氡气的运移主要是扩散作用,即深部纵向运动的氡气浓度会在近地表降低,因此,氡气含量值不会出现明显的突变[19].随着深度的加深,氡气的运移从扩散作用逐渐转化成纵向的运动.断层处岩石的破碎程度较大,且裂隙发育,连通好,有利于氡气的释放和向上运移,在断层上部的土壤中形成氡的富集带.测量断层上部氡的浓度可以查明隐伏断层位置并从地球化学角度对其活动性进行评价[20].在断层出现的地区,氡的含量会远远高于该地区其他位置的背景值.图2中表示的是Ciotoli等(1998)在意大利中部Fucino盆地测线3的探查结果.1915年在该盆地区曾发生一次7级地震,产生地表断错.在这条测线上,Rn异常向断层陡坎(OFS)偏移[16,21].现今测氡采用的仪器一般为FD-3017Ra A智能化测氡仪[22-23].它是一种新型的瞬时测氡仪器,可以定量测量土壤或水中氡浓度.其特点是没有探测器污染问题,也不存在氡射气的干扰影响,并且具有较高的灵敏度,操作简便,现场可获取结果.现今一般的野外工作流程为,在晴朗干燥的天气条件下,用钢钎在土壤中打一个深约50 cm的小孔,然后将已排空的取样器插入其中,用抽气筒抽出土壤气体以便进行氡的富集,之后进行测量,读取脉冲计数[20].在重点点位采取多次取样的原则,以提高取样结果的准确性.然后按测量剖面线路统计土壤氡浓度背景值,并采用算术平均法计算该剖面线路的土壤氡浓度背景值;按土壤氡浓度背景值加倍做标准差,分别作为偏高值、相对高值区域和异常区域的分界线[22].
图2 意大利Fucino盆地地球化学探测结果(据文献[16,21])Fig.2 Geochemical prospecting result in the Fucino basin,Italy(From References[16,21])
但是,土壤气体地球化学方法也有一定的不足,这种方法较易受到取样点周围环境的影响,如天气、第四纪岩层厚度、地层结构、湿度、地下水源状况等.此外这种方法给出的断层位置比较宽,而且不是每条测线异常都明显,对于异常不明显的测线,断层位置就难以确定.此外,若地下土壤层土质不均匀或是潜水面较浅的地层中,所得到的测量结果也会受到影响.但同时,若在各种条件适宜的情况下进行地球化学探测,可以较快地获得活动断层的相关情况,如断层上断点的位置等等,为野外地质探测能够提供较好的定量依据.
3 传统地质方法
现今城市多位于平原区或盆地区,地表被第四纪松散沉积物所覆盖,野外的活断层钻探仍然是活断层探测工作的重要方法.若要高效准确地完成城市活断层探测工作,钻探工作开展之前了解目标区的区域地质地貌概况就显得十分必要.地质地貌概况一般可以通过遥感资料分析和当地地形图、石油、水文钻孔等资料做初步了解.根据前期资料分析,野外钻探工作也可以分为两类:对于上断点埋深较浅(一般为小于10 m)[16]的活断层,采用深挖探槽的方式即可对断层特征进行研究;对于埋藏较深的活断层,可以采用野外钻孔施工的方法来开展工作.
3.1 探槽探测方法
一般经前期工作显示目标断层上断点埋深小于10 m时,我们可以选择探槽法来对活断层进行探测和分析.探槽要具有一定的规模,不能太小,以尽可能完整地揭露断层活动的历史.探槽的开挖地点一般选择在断层出露地段的一些关键地点,特别是具有关键作用的断错微地貌分布地段,在此处探槽可以揭示活断层最新活动后留下的痕迹.组合探槽和多探槽对比是恢复断层活动过程和古地震完整性的办法之一.探槽开挖完成后,首先应对探槽剖面进行仔细观察和分析,以掌握探槽剖面所反映的活动构造的总体特征,确定各次事件及其标志,必要时可以取测年和古生物样品,然后再进行编录.在描述岩性的过程中要做出初步判断,以便后期与周围地层对比;同时,要对断层带的位置及宽度加以特别的注意和记录,要注意识别探槽中断层的多次错动.槽探法不适用于沉积物堆积松散的地区和地球物理探测结果显示上断点埋藏较深的地区.
3.2 钻孔钻探方法
对于深度较大,开挖探槽不足以露出上断点的断层可以采用钻孔钻探识别活断层的方法.目前,在城市活动断层探测和断层活动性评价工作中主要有2种类型的钻孔:第1类是在目标区内不同的有代表性地区打标准孔,对钻孔岩心进行精细地层划分及系统测年和测井,研究第四纪地质演化和环境变迁;第2类是选择地球物理探测中可靠程度较高的典型剖面,开展小间距联合钻探剖面工作,这是为了在地球物理探测和标准孔探测的基础上,进一步对断层定位及断层活动性进行研究.由于第四纪地层岩相变化大,而且城市活动断层探测要求的定位精度高,一般来说,联合钻探剖面中断层两侧钻孔的间距一般在10~20 m,很多时候可直接在钻孔中发现活动断层的断层面.在钻探的过程中,要注意回次进尺的深度及采心率以保证各层位没有缺失和研究结果的准确率.同时,注意采集测年和古生物样品,同时对于特征层位进行影响记录或者取样保存.采集的样品要能满足各时段地层划分的需要;要注意采集有意义的测年样品,主要地层单元和每个事件层的年代样品控制一般年代样品采样间隔一般为1 m,古生物样品根据实际需要进行采样;对于晚更新世晚期以来的地层,采样间距可以更小,可以采集测年精度高的14C样品,同时可以根据具体情况采用多手段(如TL、孢粉等)相互配合,进行综合对比分析.通过以上钻孔施工,我们可以对比同深度不同钻孔的岩性以及同层位不同钻孔岩心的年龄,以确定该区域是否可能存在断错,以及若存在断错其上断点的位置.此外,岩心的岩性描述也尤为重要,钻孔钻探过程中需要对岩心岩性做出初步判别,若偏差较大会造成多孔对比不具可比性,使得探测失去意义.在进行钻孔剖面对比时,应遵从岩性段对比和标志层对比相结合的原则对剖面上各钻孔柱状图进行详细比较,对关键层位要慎重判别,区分构造成因和非构造成因.对断层两侧同一地层厚度的差异、断层和断距的分布和变化、上断点的位置等,均要十分仔细和特别慎重地加以研究.
传统地质方法在应用上依然是城市活断层探测工作的主要方法,但是这种方法具有耗时长、受外界客观因素影响大等缺点.因此在现今工作中,若条件允许,一般都在获得地球物理或者地球化学的定量数据以后,选取精准地点开始探槽或钻探工作.但不得不提到的是,探槽或钻探工作得到的成果的精确度要远远大于上述地球物理或地球化学方法所获得的成果.
4 结论与讨论
我国的活断层工作开始虽然较早,但一直处于一个学习国外经验和自我探索的过程中,经过几代人的努力,虽然总结出了一系列定性与定量的研究方法,但由于城市是一个人口与建筑密集,地下情况复杂的集合体,对于城市活断层高精度的探测还会一直是一个复杂的过程.地球物理探测方法和地球化学探测法能为活断层的探测提供定量的数据依据.同时充分利用前人资料,对断层分布及其可能的空间位置和产状等做出初步分析,在此基础上,对断层周围进行传统的地质工作能够更好地了解目标断层,对目标断层的可靠性做出适当评价.
从已开展的城市活断层探测实践来看,随着精度要求的提高,单一的依靠某一种方法对活断层进行定位和评价一般来讲是不精确的.通过上述不同方法的联合探测与解释,会对不同深度以及不同位置的断层进行较好的定位[12].地球物理方法和地球化学方法能够初步提供活断层的位置和上断点信息,也为标准孔布设提供了范围.通过钻孔或探槽钻探的结果可以验证之前地球物理及地球化学方法的准确性,为城市活断层的定位和活动性分析提供较为准确的研究结果[24-25].因此,若条件允许,在活断层探测的工作中应将几种方法有机结合起来,对探测的目标活断层进行全面分析才能获得更好的效果.
对于活断层的研究,我国的学者还处于一个探索的阶段,在以后的研究中应更注重对于断层的活动时代及断层的性质的定量研究,这样才能更好地为城市建设服务,减少活断层引起的地震给人类带来的损失.
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ANALYSIS OF THE MAIN METHODS OF ACTIVE FAULT DETECTING IN URBAN AREAS
YANG Xu,BAI Zhi-qiang
School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China
With entering into new active period of the earth,earthquakes take place more frequently.According to recent researches,earthquake disasters in urban areas are mainly caused by the underlying active faults.Active faults are those moved since Late Quaternary.Since 1990s,new methods for active fault detecting have been explored.This paper analyzes the properties of active faults and summarizes the detecting methods for active faults on the basis of previous practices and the authors'experiences.The methods of active fault detecting can be generally classified into three aspects, i.e.,geophysical methods,geochemical methods and borehole drilling methods.The three methods all have their own advantages and disadvantages.If engineers combine the three methods in active fault detecting,they will achieve their work much more accurately and effectively.
active fault;geophysical method;geochemical method;traditional geological method;earthquake disaster
2015-06-18;
2015-11-26.编辑:张哲.
杨旭(1986—),女,博士研究生,古生物学与地层学专业,主要从事第四纪城市活断层相关研究,通信地址北京市海淀区颐和园路5号,
E-mail//yxpku@pku.edu.cn
白志强(1956—),男,教授,博士生导师,主要从事综合地层学研究,E-mail//zqbai@pku.edu.cn
1671-1947(2016)06-0589-04
P575.1
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