浅层地震勘探在工程选址中的应用及断层活动性鉴定

孟立朋，彭远黔，冉志杰，温 超，王 燕

(河北省地震局，石家庄 050021)



浅层地震勘探在工程选址中的应用及断层活动性鉴定

孟立朋，彭远黔*，冉志杰，温 超，王 燕

(河北省地震局，石家庄 050021)

石油地质资料显示，沧州某拟建工程厂址地下深部展布有3条断层，通过浅层地震勘探确认，其中2条断层埋深较深，另1条断裂埋藏较浅，延伸至近地表。通过跨断层钻探、地层年代测试等详实工作，鉴定了该断层的活动性，依据有关研究成果评价了断层对工程的影响，为断层确认及其活动性鉴定在工程中的实际应用提供借鉴。

浅层地震勘探；跨断层钻探；断层活动性

0 引言

工程厂址位于孔店凸起区，断裂构造环境较为复杂[1]，断层探测及其活动性鉴定是该项目选址工作中的一项重要内容。石油地质资料显示，在厂址深部展布3条断层。为确定断层在近地表的展布及其活动特征，需开展浅层地震勘探，并在此基础上，开展跨断层钻探、第四纪地层年代测试等工作，对断层的活动性进行鉴定，并评价地层对工程的影响。

1 断层构造及第四系地层

据大港油田孔店凸起构造带地震反射T2层(相当于馆陶组底界)构造资料，该厂址及周边5 km范围内断层以NE向为主，存在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级断层(图1)。

Ⅱ级断层(孔东断层F12、孔西断层F7)：为盆地或坳陷内部次一级凹陷和凸起之间的边界断层。通常控制箕状凹陷的形成和演化，其断层深度一般可达中生界甚至更深，为基底断层。

Ⅲ级断层：为控制凹陷内部凸起的构造带。这些断层多数为前第四系断层。

Ⅳ级断层：为规模较小，长度一般小于4 km的断层，通常发育于第三系沉积盖层中，有时可切入前第三系基底。这种断层数量较多，形成众多的断块或鼻状圈闭。

其中，Ⅲ级断层F9和Ⅳ级断层F10、F11展布于厂址附近。为确定这3条断层近地表的展布以及活动特征，在厂址及附近开展了浅层地震勘探。

厂址位于河北平原区的沧州地区，自上而下第四系覆盖层划为全新统(Qh)、上更新统(Qp3)、中更新统(Qp2)和下更新统(Qp1)，第四系各组地层的岩性特征简述如下：

①全新统(Qh)：底部常有一层黄褐色残留古土壤层或风化淋溶层，向上是浅灰色、灰黄色砂质粘土及薄层粉砂、细砂组成的河流相沉积，再向上为浅灰色、黄灰色砂质粘土夹透镜状粉砂层及黑色淤泥质砂质粘土夹薄层泥炭层，这是全新统的主要部分；顶部为黄褐色、灰褐色砂质粘土夹透镜状粉砂层，局部夹薄层淤泥质层，滨海地带有海退形成的贝壳堤，全新统底界面深度26～40 m。

②上更新统(Qp3)：一般是2个沉积旋回，分上、下2段。上段为灰黄、灰和灰绿色、少量浅棕色砂质粘土及粉、细砂组成的冲积——浅湖沉积，出现多层淋溶沉积层，是本段地层中标志性特征。本段顶部常有一层黄褐色残留古土壤层和风化淋溶层，与上覆全新统接触，可视为一沉积间断面。下段是灰黄色、黄灰色粘质砂土和砂质粘土，下部有粉、细砂层，以冲积层、冲积-湖积层为主，其中夹海相层。上更新统与下伏地层有沉积间断面，上更新统底界面深度150～175 m。

图1 厂址附近范围内T2层断层展布示意图

③中更新统(Qp2)：有2个明显的沉积旋回，可分上、下2段。下段为黄棕色、灰绿色，局部是棕红色、灰绿色粘土、砂质粘土和中、细砂层，以河、湖相沉积为主；上段是棕黄色、灰绿色砂质粘土与细、中砂组成的河湖相沉积。本组地层与下伏地层之间有沉积间断面，中更新统底界面深度320～360 m。

④下更新统(Qp1)：底界面深度(即第四系下限)一般为350～550 m。其沉积为一套冲积、冲洪积与冰川—冰水堆积及冲积、湖积的粘土、亚粘土夹砂砾石层堆积，普遍含铁锰结核，局部粘土含风化长石砂粒，具不明显的混粒结构。

2 浅层地震勘探

2.1 测线布设

在厂址南侧布设地震勘探测线pm1，在厂址中部布设地震勘探测线pm4、pm6以便有效控制整个厂址。累计完成浅层地震勘探测线6条，其中测线pm3为2 m道间距，其余5条为4 m道间距(图2)。

图2 浅层地震勘探测线布置图

2.2 数据采集和处理

采用美国Geometrics公司StratVisornzxp地震仪进行数据采集，采用70 kg冲击夯源激发地震波。

为合理选取数据采集参数，进行了扩展排列试验。图3为扩展排列地震试验记录(96道)，试验采用道间距4 m，偏移距0 m，全通频带记录。由试验记录可知，干扰波表现为强面波、直达波、浅层折射波。面波的频率和视速度较低，反射波的频率和视速度较高。在近炮点记录道上，浅层反射信息丰富；在远炮点记录道上，地震记录的信噪比较高，有效反射波不受干扰波干扰。为获得浅层反射波，采用小偏移距。

通过试验和综合分析，最终选用的工作参数为：道间距2～4 m，72道接收，0.25 ms采样率、记录长度0.8 s，9～12次覆盖，单点叠加25次，低截频15 Hz，高截频为250 Hz，每道采用6个60 Hz组合检波器串接收。为提高勘探精度，使解释工作更准确，野外施工时采用接收排列在前、激发炮点在后、下倾方向激发、上倾方向接收，单边放炮，连续追踪的反射波法观测系统。

资料处理采用PlotRefa折射处理软件、Vista11.0地震反射处理软件。为了获得高分辨率的浅层地震资料，在资料处理中通过预处理，确定合适的处理方法、处理参数，确保高频有效反射波在处理中不受损失，尽可能提高资料的信噪比，主要处理方法有真振幅恢复、地表一致性振幅补偿、数字滤波、初至静校正、反褶积、速度分析、动校正、剩余静校正、叠加、偏移、时深转换等。

图3 扩展排列试验

2.3 地震勘探资料分析

浅层地震勘探资料分析与解释主要包括：地震反射剖面的分析、确定主要地层层位与反射层的关系、断层的判定[2]。

原始地震记录经数据处理后，得到反映地下介质结构特征的地震反射时间剖面，经时深转换获得深度剖面。剖面的横坐标为地下共反射点序号(CDP号)，反射点间距离为道间距的1/2，剖面上共反射点之间的距离为2 m、1 m。

反射剖面上的地层反射波组用T1、T2、T3和T4标示，依据地震勘探时深转换获得的反射界面深度结果与测区地层资料对比确认，T1、T2、T3代表第四系内部的地层界面反射，T4代表第四系的底界，反射波组表现为震相突出，反射波能量相对较强。资料解释中认为在纵向上地层的沉积是连续的，在横向上同一地层的厚度变化不大。有断层的存在，地层表现为不连续。

由浅层地震勘探结果看出，断层F9、F11在地震测线pm1、pm6中没有显示，说明这2条断层埋藏较深，断层未延伸于近地表；断层F10在测线pm1、pm4中均有明显的显示。为确定该断裂在厂址近地表的展布及其活动特征，在距测线pm1南100 m处分别布设了4 m道间距、9次水平覆盖浅层地震测线pm2，以及2 m道间距、12次水平覆盖超浅层地震测线pm3；在厂址东北布设一条地震测线pm5。限于篇幅，以下只对测线pm1、pm2、pm5勘探结果进行分析介绍。

1)测线pm1

测线pm1位于厂址南部边界，测线总长2 800 m，走向近WE。由图4可见，该剖面具有较高的分辨率和信噪比，反射波组在横向上能被清晰识别和追踪。

在600 ms以上出现了多个有效反射波组，对比反射剖面图中反射波相互关系，解释了4组反射界面，自浅到深分别用T1、T2、T3、T4标示。以CDP1301为界以西，4个波组总体呈现水平的特征，在CDP1301附近东西两段的T2、T3、T4反射波，同相轴不能连续追踪。CDP1301以西T2反射界面埋深200 m，以东埋深约250 m，垂直落差较大。根据剖面中反射波同相轴的横向变化和上下波组关系，在CDP1301附近解释了一个正断层，断层倾向东，倾角75°，错断T2约50 m，上断点埋深130 m左右。

图4 测线pm1浅层地震勘探结果(彩色图形显示)

2)测线pm2

为了查明断层的走向以及向浅部的延伸情况、追踪上断点埋深，在距测线pm1南100 m处分别布设了道间距4 m、9次水平覆盖，长度为750 m浅层地震测线pm2(图5)。由图可见，剖面图上显示了T1、T2、T3、T4共4组稳定的反射界面，在CDP121～136之间，反射波同相轴错断，解释为倾向东的正断层，上断点埋深125 m左右。道间距2 m、12次水平覆盖的浅层地震同样显示，断层上断点埋深125 m。

图5 测线pm2浅层地震勘探结果(变面积显示)

3)测线pm5

为进一步查明断层的走向、规模，在距测线pm1东北约3 km处布设了一条近EW向、道间距4 m、9次水平覆盖，长度3 000 m浅层地震测线pm5(图6)。由图可见，在600 ms以上同样出现了多个有效反射波组，剖面图上显示出T1、T2、T3、T4共4组稳定的反射界面。在CDP701以东4套波组中，T2、T3、T4之间的厚度自西往东逐渐增大，在CDP701附近东西2段的T2、T3、T4反射波同相轴明显被错动。根据剖面中反射波同相轴的横向变化和上下波组关系，在CDP701附近解释了一个正断层，断层倾向东，倾角约75°，错断T2、T3、T4约50 m、90 m、100 m，上断点埋深135 m左右。

图6 测线pm5浅层地震勘探结果(彩色图形显示)

厂址及附近6条浅层地震勘探结果均揭示，厂址第四纪以来的沉积层内部存在多组反射能量强，横向连续性较好的地层反射波组。上述测线所揭示的断层特征非常明显，在断层附近反射波同相轴明显错断。

综合浅层地震勘探结果，图1中编号F9和F11断层在浅层地震探测控制的深度范围内没有发现断裂存在的迹象，断层未延伸至近地表；编号F10的断层埋藏较浅，展布于厂址的东南部，为走向NEE，倾向ES，倾角75°的正断层，断层上断点埋深125 m左右。

3 断层活动性鉴定

断层F10的活动时代确定对工程选址至关重要。为此，在浅层地震勘探的基础上，开展跨断层钻探、地层年代测试。

3.1 跨断层钻孔

在厂址南侧pm2的桩号200～280 m之间布置3个钻孔(图7)，钻孔自西向东分布，孔间距分别为60 m和20 m。考虑到浅层地震勘探的误差和沉积地层相变的复杂性，钻孔剖面长设计为80 m，以浅层地震解释的断层倾向和上延至地表的位置为基准点，上盘一侧的钻孔距离基准点10～20 m，下盘剖面端点距基准点60～70 m，为确保钻探揭穿晚更新世地层，钻孔设计深度180 m。

钻孔探测采用由外向里逐渐逼近的施工方法，钻探施工中回次进尺1～2 m，单次进尺岩心采取率：粘性土、粉土≥90%，砂≥80%，对于厚度≥0.1 m的地层须编录，取光释光年代测试样品7个。

图7 跨断层钻孔分布地震剖面图(pm2)

3.2 钻孔地层对比

对比钻孔地层岩性，钻孔地质剖面地层自上而下可划分为28层(图8)，第1～13层(0～80 m)地层较为稳定，略向东倾，厚度变化不大，钻孔ZK1与ZK2第14～20层(80～120 m)的地层厚度变化较大，地层难以对比，但是其下部第21～23层(120～141 m)地层稳定，具有较好的对比性，表明钻孔ZK1与ZK2在80～120 m之间地层差异是由沉积环境所致，与断层无关。

第24层粉质粘土层钻孔ZK2(141～145.7 m)与ZK3(141～151.7 m)难以对比，地层特征明显不同，ZK2(141～145.7 m)为黄褐色可塑—硬塑粉质粘土夹粉土，ZK3(141～151.7 m)为褐黄色较为坚硬的粉质粘土、粘土。

第25层粉砂层钻孔ZK3与ZK2对比，粉砂层顶界落差为4.0 m，底界落差为5.8 m。第26层粉质粘土层的底界钻孔ZK3与ZK2对比落差为3.5 m，第27层砂层底界钻孔ZK2比ZK3深2.5 m。

3.3 断层活动时代鉴定

《沧州市活断层探测与地震危险性评价项目》(2014)在沧州市实施了标准钻孔CZ01[3]，其晚更新世底界埋深159.5 m，岩性为中、细砂，其对应的光释光年龄为128 ka。厂址跨断层钻孔ZK2 深159.8～173.0 m为厚13.2 m的砂层，其底界对应的释光年龄为123 ka。对比标准钻孔CZ01与厂址跨断层钻孔地层岩性特征及释光年龄，厂址区晚更新统地层底界埋深172.0 m左右。

地震勘探、钻孔探测及测年结果表明，断层位于钻孔ZK2与ZK3之间，断层的上断点在141 m，上断点断错的地层年代在101.5±3.5 ka～107.4±2.8 ka之间。根据第25层粉砂层的断错情况判断，断距为5.8 m，断层的最新活动时代为晚更新世。

4 断层对工程影响评价

断层活动可以引起地面变形，当变形或变形梯度达到一定的数值时，在变形带内可以发生地表位错。因此，鉴定断层是否在地表或接近地表处存在显著的形变、位移对工程至关重要。韩竹军[4]依据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)换算出隐伏活断层突然错动产生地表破裂带的临界值，即当隐伏活断层突然错动引起地表变形梯度达到或者超过0.02时，地表出现破裂带，依据位移与应变的本构关系(Hook定律)，从隐伏活断层地表破裂带随上断点埋深、倾角、运动性质等变化的模拟计算可知，上断点埋深≥60 m的隐伏活断层在未来突发性错动发生地震时，其破裂很难扩展到地表。依据上述研究，展布于厂址东南部NEE向的断层F10虽然是一条晚更新世活动断层，但是其上断点埋深141 m，若在未来发生突发性错动时，该断层破裂难以扩展到地表。因此，可忽略断层错动对地面建筑的影响。

图8 跨断层钻孔联合地质剖面图

5 结论与认识

1)地震勘探与钻孔探测结果表明，展布于厂址东南部NEE向的断层F10是一条晚更新世活动断层，其上断点埋深141 m。

2)依据有关研究成果，该断层若在未来发生突发性错动时，其破裂难以扩展到地表，可忽略断层错动对地面建筑的影响。

3)浅层地震勘探具有多解性和间接性，钻探直接揭示地层，可准确判断断层的位置以及活动特征。钻探对断层成功探测必须以地球物理勘探，尤其是地震勘探结果为基础；保证钻探对断层定位有效性的另一前提是钻探施工质量。为此，需采取有效措施控制钻孔施工，确保施工质量，如派驻技术人员全程监督钻探施工。

[1] 李明刚，漆家福，杨桥，等．渤海湾盆地黄骅坳陷新生代结构特征及构造动力学模式[J]．地球学报，2009，30(2)：201-209．

[2] 蔡玲玲，杨岐焱，郭秋娜，等．综合地球物理方法在地震安全性评价中的应用和成果[J] ．华北地震科学，2016,34(1)：21-29．

[3] 中国地震局地球物理研究所．河北省城市活断层探测与地震危险性评价项目沧州市活断层探测与地震危险性评价分项目技术报告[R]．2014．

[4] 韩竹军,冉勇康,徐锡伟.隐伏活断层未来地表破裂带宽度与位错量初步研究[J].地震地质,2002,24(4): 484-494.

Shallow Seismic Exploration and Fault Activity Identification in Engineering Site

MENG Li-peng,PENG Yuan-qian,RAN Zhi-jie,WEN Chao,WANG Yan

(Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China)

Petroleum geological data show that,there are three deep faults in the engineering site of Cangzhou.The detailed work contained the shallow seismic exploration,drilling and formation age test of fault overlying Quaternary strata.The activity of the fault is identified and the influence of the fault to the engineering is evaluated.It provides a typical example for the practical application of fault activity identification in the important engineering location.

shallow seismic exploration; cross fault drilling; fault activity

孟立朋，彭远黔，冉志杰，等．浅层地震勘探在工程选址中的应用及断层活动性鉴定[J]．华北地震科学，2016，34(4):20-27.

2016-04-06

河北省地震科技星火计划项目“河北省1：25万地震构造图编制”(DZ20150504104)

孟立朋(1983—)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事地震地质研究．E-mail：782679390@qq.com

*通讯作者：彭远黔(1965—)，男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事工程地震研究．E-mail：pengyq84531@126.com

P315.9

A

1003-1375(2016)04-0020-08

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.004