横波地震勘查在活断层探测中的应用与进展

陆一锋 闫 敏

（江苏长江地质勘查院，江苏 南京 210046）

活断层是新构造运动和活动构造作用中的最重要的构造表现形式和研究对象[1]。定义活断层需具备4条基本要素[2]：（1）活断层在现今地震构造时期中存在错位现象；（2）活断层具有未来重新发生或复活错动的可能性和倾向性；（3）活断层在地貌学方面显示出具有近代活动性的证据；（4）活断层伴随有地震活动性。其往往控制最新沉积物的分布和现今地貌的格局，作为活动性断层，在城市发展和城镇建设过程中，有必要对活断层进行更深入的危险性评估[3]。

横波地震勘查是利用横波在地层中传播，探查地下空间结构及岩性的地震勘查方法。横波地震勘查具有传播速度低、信噪比高、分辨率高、受干扰影响小等优点，广泛用于工程、地下水探测、第四纪松散层序列划分、地灾调查、浅部基岩面探测等，并取得了良好的成果。本文通过以往研究成果结合自身的实际应用，对横波地震勘查在探测活断层方面进行综合评价，并探讨横波地震勘查目前存在的问题。

1 横波地震勘探及应用现状

1.1 横波地震勘查原理

横波地震勘查法与纵波地震勘查法类似，是利用地下不同介质之间的波阻抗差异，在界面上产生反射横波的一种地球物理方法[4]。在采集数据时，利用横波可控震源产生SH波，横波在地下介质传播过程中遇到波阻抗差异的界面时发生反射，横波检波器接收反射信号并通过无线电信号传输给地震仪记录下来，通过后期的地震数据处理形成时间剖面，研究时间剖面上波组的频率、振幅、相位等波动场特征、动力学特征以及双程走时，推断地层结构、断层位置及其深度，解决相关地质问题。

1.2 横波地震勘查在活断层探测中的应用

21世纪以来，国内外学者利用横波地震勘查在世界不同地区进行了一些研究和实践，从简单的单次覆盖叠加到多次覆盖叠加，从定性研究逐渐发展为半定量、定量研究。

Ranajit等[5]在葡萄牙利用横波地震反射对松散沉积层的变形模式和隐伏断层带的特征进行了探测。通过对横波反射剖面的研究（图1），发现沿浅层土层边界叠加速度呈现阶梯状变化，揭示了同沉积期的断层作用，同时在原始横波地震记录中发现了断层造成的波组异常。

图1 维拉·弗兰卡·希拉地区速度分布及横波反射剖面[5]

Harris[6]在美国密西西比海湾的五个地点利用横波反射方法探测表层新构造变形特征。横波地震反射剖面显示了一系列浅层构造作用，其中包括逆断层、断层传播褶皱以及活化的正断层作用，为古地震挖掘和浅层钻探提供了重要的地质证据。横波反射剖面（图2）揭示，基岩不整合面和第四系地层内都出现能量较强的反射波。基岩面深度大约在30～50m深，而在断崖线西边，基岩深度大约在10m左右。在剖面东部，压扭性断层作用被解译为穿过第四系沉积物中多个反射层的突出上断面。

图2 伊利诺伊州塔姆斯地区的横波反射解译剖面[6]

Zhenming等[7]在美国俄勒冈州西北部利用浅层横波反射法调查天使山断层。天使山断层是波特兰市区附近最活跃的断层之一，应用横波地震技术对天使山断层成像表明（图3），该断层在多个位置偏移了晚更新世砂砾层（22～34ka）。沿天使山断裂带走向，研究区内晚更新世砂砾的位移由西北无明显位移增加到东南约18m。Zhenming等在Pudding河一个异常弯曲处进行了勘查，利用横波反射剖面发现了在比晚更新世砾石沉积更晚的沉积层中的潜在的构造变形。该研究成果为天使山断裂带的古地震记录提供了依据，为今后沿Pudding河的地质调查奠定了基础，为今后的古地震开挖调查确定了可能的地点。

图3 俄勒冈州西北部地区的横波反射解译剖面[7]

2 实际应用

2.1 研究区位置及测线布设

本次研究区选在郯庐断裂带上，位于安徽省泗县境内。地理坐标：东经118°00′～118°30′、北纬33°20′～33°40′，位置如图4所示。根据地质条件和实地施工情况，垂直断裂方向布设测线两条，其中一条测线为纵波勘查线，另一条为横波勘查线，沿水泥路布设。为了便于纵、横波资料的对比，横波勘查线与纵波勘查线平行布设，两线相距仅1km。

图4 研究区位置图

2.2 采集参数

纵波采集参数为井深10m，药量1kg，观测系统采用5m道距、40m炮距、256道接收，中间激发双边对称接收，16次叠加的观测系统。

横波的采集参数为垂迭10次，震源荷重方式为重型汽车负载1t砂袋。观测系统采用2m道距、6m炮距、48道接收，中间激发双边对称接收，8次叠加的观测系统。

2.3 地质成果

纵波勘查线的解译结果如图5所示。从时间剖面中可以看出基岩面的波组在断裂处有明显的错断，但是在第四系底部断点特征由波组错断变为波组扭曲，而在第四系内部由于浅部信噪比，未能明显的显示出断层的特征。断层倾角深部较缓，浅部较陡，落差随着埋深变浅而变小，纵波勘查断层的上断点埋深约60m。由此可见单纯的利用纵波勘查方法无法判定断层的活动性及浅部的延伸情况。

在反射波勘探方法中，纵向分辨率与地震波的波长直接相关，与地震波的速度和频率有关。在浅部地层中，纵波的速度大约在1000～2000m/s范围内，而横波的速度与纵波相比较低，主要集中在100～300m/s范围内。在同一地区的相同地质条件下，横波的频率就要比纵波的低许多。纵波的频率主要分布在80～100Hz之间，而横波的主频集中在30Hz左右，因此横波的波长约为纵波的1/3～1/2，其垂向分辨率约为纵波的2～3倍。据此在纵波测线附近布设了横波测线。

图5 纵波勘查线初步解译结果

横波勘查线的解译结果如图6所示。从时间剖面中可以看出波组在断层处发生明显的扭曲，且存在“蝴蝶状”绕射波，从而可以判断此处存在断层。其断层位置与纵波勘查线发现位置平行相距约1km左右，且其断点特征与纵波勘查线断点在浅部的特征一致。据此可以判定两断点属于同一断层。断层倾角较陡，视落差约3m，上断点埋深约20m，错断第四系地层。从横波测线的解译成果可以推断该断层在第四纪时期仍有活动，判定该断层为活断层。

本文应用实例说明在潜水位较浅的第四系松散层覆盖的地区，相较于纵波地震勘查，横波地震勘查能更有效地对50m范围以浅的地层进行高精度探测。通过横波地震勘查，可以及时发现城市地区活断层在松散沉积层留下的微弱活动迹象，并精准地确定活断层的空间位置，为城市活断层探测提供地球物理证据，并为城市地区的地震危险性评估以及地震灾害防治措施提供指导性意见。

图6 横波勘查线初步解译结果

3 存在问题及建议

（1）横波勘查技术具有一定的局限性，无法在水体中传播，且在悬空的桥面上激发振动和放置检波器对数据采集没有任何作用价值。因为附近水体会对横波数据采集质量造成一定的影响，在施工设计阶段要做好现场踏勘工作，尽量避开水域面积施工。

（2）横波地震勘查技术具有一定的多解性，需结合其他地球物理方法或钻孔共同解译，提高地质解译的准确性和精度。

（3）虽然横波地震勘查技术在软、硬件方面取得了较大的发展，但主要应用于二维地震勘查，应用于三维地震勘查仍是技术难题之一，有待于进一步研究。对于勘查精度要求较高的工程，可以加密布设测线形成网状，在后期的处理中，进行建模，构成三维解释模型。

（4）横波在传播过程中衰减较快，勘查深度有限，在需要对埋深较大的断层延展情况进行勘查时需要和纵波方法联合起来。

（5）利用“上断点”指标来确定活动断裂及其最新活动时代，在判断活动性相对较弱的活动断裂时，存在一定的局限性，因此在实际应用中还需结合地质资料做全面深入的分析[8]。

（6）现阶段很少有专门针对浅部地层的地震资料处理模块，基本上都是使用适合于深部地层的纵波地震资料的处理模块。但横波道间距较小，处理过程中可以人为地加大道间距来提高速度，以适应地震处理软件的需求。其次横波的频率较低，处理过程中要进行适当调整，提高频率。