浅层地震反射波法在某大型工程场址工程地质勘察中的应用

林承灏,潘浩波,方良好,毛健伟



浅层地震反射波法在某大型工程场址工程地质勘察中的应用

林承灏1,潘浩波1,方良好1,毛健伟2

( 1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.上海申丰地质新技术应用研究所有限公司，上海 201702)

浅层地震反射波法是工程地质勘察中隐伏断裂探测的重要物探手段。为了查明某大型工程场址区内隐伏断裂分布特征，在近场地质资料分析的基础上，针对覆盖层厚度薄、断裂构造复杂等技术难点，采用了横波反射法对场区隐伏断裂进行探测。分别从野外数据采集、资料处理及探测成果解释等方面进行了详细介绍，准确查明了场址区隐伏断裂的位置、埋深及其展布形态等特征，并用钻孔验证了结果的可靠性。结果表明，横波反射法在薄覆盖层、复杂构造地区的隐伏断裂探测中能够取得良好的应用效果，为今后类似地区开展隐伏断裂探测提供重要技术参考。

浅层地震反射波法；工程地质勘察；横波反射；隐伏断裂

( 1.SeismologicalAdministrationofAnhuiProvince,HefeiAnhui230031,China；2.ShanghaiShenfengGeologicalNewTechnologyApplicationResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai201702,China)

1 引 言

浅层地震反射波法是根据地下介质在物性差异界面上地震波的运动学和动力学特征，来探测地层或岩体的埋深及其速度结构的地球物理方法[1]。该方法能够准确查明覆盖层厚度、基岩起伏形态及隐伏断层位置、埋深及展布形态，尤其在推断断层上断点埋深方面提供重要依据[2-9]。因此，该方法在工程地质勘察、城市活断层探测等相关领域中受到了广泛的重视。

某大型的水利枢纽工程项目拟建节制闸、船闸两大建筑物及闸上下游河道、引航道等。该工程是一项重大的水利枢纽工程，建设规模宏大，项目选址显得尤其重要。经多方论证，项目前期规划设计选址在安徽庐江县西北部，由于该场址位于大别山东部的郯庐断裂带边缘，区内断裂发育，构造复杂，对场地稳定性、工程建设及运行安全等方面存在很大安全隐患，因此，研究并查明场址范围内隐伏断层分布特征是该项目工程地质勘察的主要任务。为了查明场区隐伏断裂的位置、埋深及展布形态等特征，本文采用浅层地震横波反射波法，较好地解决了场区覆盖层厚度薄、构造复杂等不利条件的影响，获得了满意的效果，探测结果为项目工程场址的选择、工程结构设计等方面提供了可靠的依据。

2 近场区地质概况和地球物理前提条件

2.1 地质条件概况

近场区主要位于华南新构造区下扬子隆陷带，该隆陷带由受断裂控制系列的条状隆起和盆地相间组成[10]。新构造运动主要以差异性的升降运动为特征，西部的大别山带为相对的上升区，其余大部分地区为下降区。近场区内断裂在新构造期具有明显的活动，控制了新第三纪地层及喷出岩以及第四纪更新世地层的分布，结合断裂剖面分析，区内的断裂在第三纪时期活动明显，但在第四纪时期活动减弱，晚第四纪期以来活动迹象不明显。新生代沉积及断裂的活动性表明，新构造期以来近场区构造活动趋于减弱。

近场区第四系地层发育较广泛，厚度分布在10～35 m，主要以冲积型为主，其次为湖积、残坡积等，其地层分布简述如下：

第四纪中下更新统(Q1+2)：主要沉积为洪积物，其次为冲积物和残坡积物。岩性为砂、砾石层、浅棕红色亚黏土夹灰白色黏土条带等，厚度约0～20 m，主要集中分布在场地西南部。

第四纪上更新统(Q3)：主要沉积为冲积物，褐黄色夹青灰色亚黏土，结构致密，黏性和塑性较强，含铁锰结核和钙质结核，并有较多的锈斑。底部为棕黄色含砾亚黏土、亚砂土等，厚度约0～30 m。

第四纪全新统(Q4)：主要为河流冲积物，其次为湖积物。分布于河谷及湖岸附近，组成河湖漫滩和一级阶地。冲积物主要分布于现代河流的两侧。下部以亚砂土、砂砾为主，上部以亚黏土为主。

场区及其周围基岩岩性主要为上侏罗统(J3)火山凝灰岩、泥岩、砂岩等，呈强风化—中风化。

2.2 地球物理前提条件

根据场地附近钻孔勘察资料，近场区范围内第四系覆盖层厚度较薄，岩性主要为粉质黏土、黏土、砂砾石等。根据本次现场测试的剪切波速数据及地区经验值，综合考虑场区内主要物性参数如表1所示。

从表1中分析可知，各层介质之间存在较为明显的波阻抗差异，有利于相位追踪，为本地区开展浅层地震勘探提供了必要的地球物理条件。

表1 主要介质物性参数值

3 工作方法

3.1 浅层地震反射波法

浅层地震反射波法是地震勘探方法中应用较为广泛的一种方法。该方法主要根据组成地层岩石的弹性差异，利用人工激发地震波，当地震波向下传播遇到弹性不同的分界面时，就会发生反射，地震勘探仪器记录这些反射地震波。由于反射波在介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形将随通过介质的结构和弹性性质的不同而变化，根据接收到的反射波旅行时间和速度资料，就能推断解释地层结构和地质构造的形态，而根据反射波的振幅、频率、速度等参数，则可以推断地层或岩石的性质，从而达到地震勘探的目的[11]。

3.2 测线布设

在前期地震地质调查等资料分析的基础上，结合现场工作条件，在场地北部和南部各布设了1条控制性地震勘探长测线Ⅰ与Ⅱ，测线走向近NW向，具体位置如图1所示，Ⅰ测线长度为3.165 km，Ⅱ测线长度为4.101 km。

3.3 野外数据采集

由于工程场地覆盖层厚度薄，地层较复杂，靠近居民区，环境噪声干扰较强等不利因素，给现场施工带来很大难度，为了获得高质量的数据资料，在激发震源选择、激发方式、观测系统等各个环节都进行了精心的前期试验准备工作。

本次勘探使用美国SI仪器公司生产的S-LAND全数字化地震数据采集系统，该系统为国内外目前性能最为优良的浅层地震勘探仪器之一。

激发震源是获取高信噪比地震记录的关键，鉴于城市活断层探测工作大量实例，本次工作采用压制随机干扰强、性能稳定、可重复性以及对环境无破坏等优点的WTC5060TZY型纵横波两用可控震源，该震源的最大振动出力为30 kN，振动频率范围为6～250 Hz。

激发方式分为纵波和横波两种方法，在工作前期分别进行了纵波和横波扩展排列试验，以选择最佳采集窗口和最优的激发方式。纵波试验采用单边激发，道间距3 m，72道排列，图2(a)为纵波试验的单炮记录，面波、直达波清晰可辨，但反射波不发育，原始记录信噪比低，难以分辨有效反射波。因此，该场地不具备开展浅层纵波地震勘探的条件；横波试验采用中间激发对称观测，道间距3 m，72道排列，图2(b)为横波试验的单炮记录，面波、直达波、反射波均有发育，且清晰可辨。综合分析认为横波反射波法为更好的选择。

图1 工区测线布置Fig.1 The layout map of lines at working site

图2 现场排列试验单炮记录Fig.2 The single shot records of the arrangement test

针对纵波地震记录反射波不发育情况，初步分析可能是：一方面覆盖层底部存在厚层状砂砾石，导致地震波能量大量衰减；另一方面纵波比横波传播速度快，致使纵波地震记录中时间窗口窄，加之基岩埋深浅，反射波信号大部分被直达波淹没，分辨率低。因此，横波比纵波勘探在浅层目标探测中具有更为明显的优势。根据上述试验结果，本次工作采用横波勘探方法，确定最终采集参数以及观测系统布置如表2所示，其中采样率为0.5 ms，采样长度为1 024 ms。

表2 观测系统参数

3.4 数据资料处理

资料处理的目的是提高有效反射波信号的信噪比和分辨率，获取地层弹性波速，常规的数据处理包括各种校正、滤波、反滤波、褶积、反褶积、叠加以及偏移等处理手段。本次资料的处理采用了vista和geogiga处理软件包相结合，数据处理以获取浅层信息为主，尽量保留宽、高频信息，以提高浅层地震数据分辨率。为了尽可能地避免各种外界干扰，最大程度地保留数据中的原始信号，数据采集选择在夜间进行，为高信噪比、高保真度数据处理提供了有效的保障[12,13]。

由于本次测线位置地形较平坦，地形起伏对资料影响可以忽略，无须进行地形校正处理。针对浅层目标，数据处理中主要进行常规数据编辑、叠前去噪以及叠加速度分析。

图3是Ⅰ测线原始横波单炮记录的频谱图，频带范围较宽，反射波有效频带集中在20～50 Hz，图4是原始单炮记录处理前后效果对比图，处理后反射波组清晰可见。通过频谱图进行频谱分析以了解资料中的有效波的主频，据此设计相应的带通滤波器对数据进行滤波，经过效果分析对比，最后确定最佳滤波参数。叠前F-K滤波主要用来衰减面波等干扰波，可以明显提高资料的信噪比和分辨率。叠加速度提取重点是速度谱分析，对于浅层资料处理中采用小速度增量和小CMP间隔增量，结合测线附近钻孔分层剪切波速资料，求取准确的叠加速度，为后续的动校正处理提供可靠的速度资料。

图3 单炮记录频谱Fig.3 Spectrum diagram of single shot

图4 测线Ⅰ单炮记录处理前后对比Fig.4 Comparison of single shot between raw and processed data in lineⅠ

4 资料解释与分析

4.1 地质解释

经过数据处理，获得测线Ⅰ与Ⅱ时间叠加剖面图，如图5(a)与图6(a)所示，图中所示为勘探测线中的某一段剖面；图5(b)与图6(b)分别是由相应的时间叠加剖面经时深转换后获得的深度剖面，其中转换所用速度参数是由前面速度分析中获得的叠加速度，利用DIX公式转换成地层平均速度，再结合测线附近的钻孔剪切波速资料进行反复修正所获得的平均地层速度。

4.1.1 Ⅰ测线

图5所示为Ⅰ线时间叠加剖面图以及地质解释图，时间叠加剖面反射波阻信噪比相对较高，能够较为清楚地反映测线下浅部地层形态特征。时间剖面图中存在一组反射能量强、振幅均衡、震相特征明显的反射波同相轴T0(红色曲线)。整体上分析，该相位在横向上分布较稳定，起伏平缓，其双程反射时间约为80～224 ms，根据地层波速数据对剖面进行深度校正，T0反射界面埋深约为10～28 m，推断为侏罗系基岩与第四系覆盖层分界面反映，在桩号1 372～1 456 m范围内，T0同相轴发生明显错断、扭曲现象，异常明显，异常区记为A，排除周围环境干扰因素，推断该处异常为断层错断地层所致，推断上断点埋深约为10～12 m，落差约为12～15 m。

4.1.2 Ⅱ测线

Ⅱ测线布置在道路附近，测线走向由西北向东南，地形起伏平缓，该测线实测的时间叠加剖面图如图6(a)所示，图中存在2组相对明显的同相轴(红色曲线)，其中T1轴约在88～115 ms之间起伏变化，分布零散，仅在测线起始端0～650 m范围内分布较为稳定，其余段落未见明显分布，因此，该组相位不能作为有效的追踪目标层，结合钻孔资料推断为第四系内部黏土层与砂砾石层界面反射。T0轴反射能量较为均一，相位分布相对稳定，可作为追逐目标层进行分析对比，其双程反射时间约为91～450 ms，对应深度约为16～78 m，推断为侏罗系基岩与第四系覆盖层分界面反映。T0同相轴在桩号819～1 570 m范围内发生明显错断、扭曲现象，异常特征明显，在排除外界环境干扰因素下推断为断层错断地层反映，该异常区记为B。由于T1相位在时间剖面图中未能进行有效追踪，无法推测断层浅部发育特征，根据T0轴错断特征，推断上断点埋深约为26～35m，断层下降盘同相轴连续性较差，能量较弱，根据测线附近钻孔资料显示，异常区B下降盘基岩埋深在60 m以上。

图5 Ⅰ线地震勘探时间剖面与地质解释剖面Fig.5 Time stack section and geological profile in line Ⅰ

图6 Ⅱ线地震勘探时间剖面与地质解释剖面Fig.6 Time stack section and geological profile in line Ⅱ

4.2 断裂分析

根据地震剖面解译结果，结合钻孔资料分析可知，Ⅰ测线存在异常区A，标记为断点F1-1，推断为倾向东南的正断层；Ⅱ测线存在异常区B，标记为断点F2-1和F2-2，其中F2-1推断为倾向东南的正断层，F2-2推断为倾向北西的正断层，由F2-1和F2-2两条正断层形成地堑型断裂带。综合2条测线探测结果显示，通过异常区A和B存在一条隐伏断裂带，走向大致为北北东向，断裂平面分布如图7所示。

为了验证地震剖面解译结果的正确性，在2条测线附近布置2组共5个钻孔(钻孔平面位置如图7所示)，其中ZK1和ZK2为第一组钻孔，ZK3～ZK5为第二组钻孔，每个钻孔均揭露到基岩深度。根据钻孔资料显示，工区范围内地层结构为地表粉质黏土、黏土层(Q3+4)，厚度变化较大；中部为粗砂、砾石层(Q1+2)，仅在工区西南部零星分布，厚度变化较大；下部基岩地层主要形成于上侏罗统(J3)，揭露出岩性主要有泥岩、砂岩及安山质凝灰岩，基岩顶面可作为断层性质的标志层。

ZK1和ZK2分别布置在断裂带内部上盘和断裂带东侧下盘，其揭露基岩埋深分别约为31.5 m和20.5 m，基岩埋深落差约为11 m，推测为基岩断层反映。ZK3～ZK5分别布置在断裂带西侧下盘、断裂带内上盘及断裂带东侧下盘，揭示第四系土层由上部的粉质黏土和黏土以及下部的砂砾石层，揭露基岩埋深分别约为33.5 m、62 m及23 m，其中ZK3与ZK4基岩埋深落差约为28.5 m，ZK5与ZK4基岩埋深落差约为39 m，推测ZK3与ZK4之间以及ZK5与ZK4之间存在断层构造。因此，地震反射剖面解释的异常区A和B两处的异常特征与钻孔验证具有很好的对应关系。

图7 工区内隐伏断层分布Fig.7 The distribution map of concealed faults at working site

综上所述，工区范围内存在一条北北东走向的地堑型隐伏断裂带，该断裂带在工区南部由两条规模较大的倾向相对的正断层形成的地堑型异常带，在工区北部形成一条倾向东南的正断层，该断裂带影响宽度约为84～751 m，其中工区南部影响带宽度较北部范围大，上断点埋深在10～35 m之间，倾角约为66°～77°。结合区域构造分布，推断该断裂带属于郯庐断裂带的次级分支断裂，即池河—西山驿断裂，异常区A和B的位置较前人推断的位置分别西移了约0.1 km和1.2 km。工区范围内第四系覆盖层厚度约为10～35 m，但在断层破碎带附近，由于受到断层错断影响，断层上盘覆盖层最大厚度达78 m左右。

5 结 语

本文通过浅层地震反射波法在某大型工程场址工程地质勘察中隐伏断层探测的应用实例，获得以下几点认识：

1)浅层地震反射波法实际野外工作中，应结合场地地震地质条件，通过典型性试验来优选施工技术参数，在覆盖层厚度薄、基岩埋深浅、构造复杂地区，尤其是存在厚层状砂砾石层的情况下，采用横波勘探比纵波勘探能够获得更好的应用效果。

2)通过浅层地震反射波法，查明了池河—西山驿断裂带在近场范围内隐伏段的准确位置、埋深及形态特征，为该项目工程建设的可行性研究和规划设计提供了参考依据，也为后期开展地震地质研究提供重要的地球物理资料。

3)Ⅱ测线在距离800～1 600 m之间，由于各种因素制约，地震剖面的信噪比较低，在后期详勘阶段，可以通过小重量人工震源、小道间距、小偏移距、短排列和高频检波器接收的工作方法，最大程度获取浅部、高频反射信息，对断层在浅部松散层内发育特征进行进一步的深入分析研究，以查明断层活动的最新状态。

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The Application of Shallow Seismic Reflection Wave Method to Engineering Geological Investigation in One Large Engineering Site

Lin Chenghao1，Pan Haobo1，Fang Lianghao1，Mao Jianwei2

Shallow seismic reflection wave method is one of the important geophysical exploration methods of concealed fault detection in engineering geology investigation. In order to find out the distribution features of concealed faults in a large project site, the SH-wave reflection method was used in detecting the concealed faults in this paper, based on the analysis of geological data in near-site and focused on many technique problems, such as the thin sediment and complicated geological structure and so on. The key technique points were introduced in detail, such as data acquisition, data processing and profile interpretation and so on, and the location, buried depth and distribution characteristics of concealed faults were investigated precisely and the reliability of the results was tested by drills. The result shows that it has achieved good application effect in thin sediment and complicated geological structure by SH-wave reflection. This method and technique will provide an important technical reference for detection of concealed fault in this region and the other area with similar geological conditions.

shallow seismic reflection wave method; engineering geological investigation; SH-wave reflection; concealed fault

1672—7940(2016)05—0652—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.016

安徽省地震科研基金青年项目(编号:20160612)；中国综合地球物理场观测大华北地区项目(编号:201508009)

林承灏(1984-)，男，工程师，主要从事工程地球物理勘探和地震安全性评价等方面工作。E-mail：290659262@qq.com

P631.4

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2016-05-15