宁河断裂伪随机震源地震勘探

任政委，郭淑君，谢兴隆，于蕾

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

宁河－昌黎断裂长约170 km，为燕山隆起、山海关隆起与黄骅拗陷的分界断裂。天津境内称“宁河断裂”，长约26 km（图1）[1]。宁河断裂位于天津市宁河区北部，断裂为正断层，走向近东西，倾向南，为上陡下缓的铲形地壳基底断裂，控制了南侧黄骅坳陷北段中、新生代沉积。西端在宁河区廉庄乡花牛庄村附近交于岭头断裂，往东延伸，过苗庄镇苗枣庄村后出天津境。宁河断裂是天津地区一条重要隐伏断裂。现有资料认为，宁河断裂位于宁河6.9级地震极震区内，又处于唐山7.8级地震的震中区，是引起唐山大地震的四条主要断裂之一，具备一定的研究意义[2-4]。

2017年以来，中国地质调查局水文地质环境地质调查中心在天津市宁河区开展了1/5万环境地质调查。调查发现宁河断裂在浅部存在隐伏断裂带，地表无断裂出露的地形地貌特征[5-12]。有关宁河断裂的研究较少，关于断裂分布、断裂产状、断裂组合等特征，传统地质学难以准确识别。针对宁河断裂上断点埋深以及是否断至第四系内部，目前还没有明确的文献资料。区内第四系内部地层上更新统、中更新统、下更新统及第四系和第三系地质界面存在明显波阻抗差异。因此，具备开展伪随机震源地震勘探前提。伪随机震源地震勘探可精确、快速、有效的探测浅部地层结构、隐伏断裂构造空间展布特征等。经现场地震波速测试，第四系松散沉积地层地震纵波波速在1 300～1 500 m/s，基岩波速超过2 000 m/s[13-16]。

1 勘探区概况

1.1 勘探区位置

勘探区位于天津市宁河区芦台农场区域，区内地势平坦，地面标高2～5 m。区内交通便利、便于开展伪随机震源地震勘探工作（图1）。

1.2 地层岩性

区内第四系分布广泛，从下至上依次为下更新统、中更新统、上更新统、全新统。

下更新统（Q1）：沉积厚度受基底形态和活动断裂控制。岩性以砾质粘土、粉土为主，呈灰色、黄绿色，夹极薄粉细砂层为主。沉积厚度200～220 m。

中更新统（Q2）：岩性以红黄、红褐、棕红色粘土、粉质粘土及粉土为主，局部夹砂砾石、卵石透镜体。沉积厚度60～80 m。

上更新统（Q3）：岩性为浅黄色、土黄色黄土状土，局部夹碎石透镜体和砾石层。沉积厚度40～60 m。

全新统（Q4）：岩性以细砂、中砂、粗砂、砾石互层为主，中间夹有层数不等的粉质粘土、粉土，局部地段夹卵砾石层。沉积厚度一般小于20～30 m[17-21]。

图1 宁河区断裂构造示意图Fig.1 Schematic diagram of fault structure in Ninghe area

图2 单炮记录（单震源60秒扫描记录（a），双震源30秒扫描记录（b））Fig.2 The Seismic record(a wacker sweep of records in 60 s(a),two wackers sweep of records in 30 s(b))

2 伪随机震源

开展城镇物探勘查，最大的挑战是震源问题。传统的可控源抗干扰低、价格昂贵。炸药震源危险，几乎不可能得到批准。伪随机震源采用普通建筑工地夯机作为激发震源，运输方便，价格低，人工搬运可上山，便于在城市和交通繁忙区勘探，是替代昂贵的可控震源和危险的炸药震源的理想震源。

2.1 伪随机震源原理

伪随机震源（简称“wacker”）向地下输入一系列不规则的夯震，通过30～60 s完成300～600次震动扫描，把能量输送到地下。结合安置在伪随机震源附近的特殊检波器所接收的参考信号，通过程控编码，然后在相关器中跟接收到的地震记录做相关处理和解码处理，最后生成单炮地震记录[7]。

2.2 伪随机震源优势

伪随机震源是开展城市地震勘探的理想装置。伪随机震源轻便、经济，用延长时间的分散震动代替破坏性爆炸；能压制干扰，提高地震纪录的信噪比；对环境的破坏和影响小；容易采购和维护，大大降低勘探成本，提高施工速度。

3 数据采集与处理关键技术

地震勘探除了采用常规采集与处理技术，还采用了震源组合、实时噪声压制、F－K滤波3项关键技术。

3.1 震源组合

野外数据采集过程中，采用2 台伪随机震源组合。图2（a）为单震源60秒震动扫描记录，图2（b）为双震源30秒震动扫描记录。实验结果表明：双震源组合压制噪声好，信噪比高，工作效率可提高一倍。

3.2 实时噪声压制

来往车辆震动是野外数据采集时最大干扰，常规采集技术难以有效压制车辆噪声。实时噪声压制技术在记录相关前，按照汽车噪声的传播规律，一道一道压制噪声。设置一个耐噪声均方值的门槛，只要某通道噪声水平高于门槛值，就设输出为零。

实时噪声压制技术，可有效压制车辆噪声，提高了原始记录信噪比（图3）。实时噪声压制技术在高干扰城镇地区应用效果好，成功解决了地震勘探进城的难题。

3.3 F-K滤波

图3 实验记录（无车辆通过（a）、有车辆通过常规采集（b）、有车辆通过采用实时噪声压制（c））Fig.3 The experimental records(passing without vehicles(a),conventional acquired while vehicles passed(b),noise suppression enabled while vehicles passed(c))

针对地基较软区域，震源震动随机性差。参考道（伪随机震源附近的特殊检波器所接收的参考信号）除了零延迟的中心脉冲，在其两侧还出现了其它脉冲。这是由于非随机参考道周期性特征导致的。随机性差的记录会产生一系列干扰“鬼波”，如果不采用特殊处理技术切除“鬼波”，将会给叠加剖面带来干扰信息，进而影响到对地层层位、断层的判断。图4为F-K滤波前后对比图，采用F-K滤波技术消除了“鬼波”干扰，提高了原始数据的信噪比。

图4 F-K二维滤波（滤波前（a）、滤波后（b））Fig.4 F-K two-dimensional filtering(Before filtering(a),After filtering(b))

4 勘探效果分析

4.1 解释依据

地震反射叠加剖面反射波组反映了地下界面形态和地下地层介质的物性差异，根据剖面反射波组特征，结合地质或钻孔资料确定地层结构和构造特征。

4.2 地层结构

工区第四系内部可划分5个标准反射层（图5、图6）。T1标准反射层对应全新统（Q4）+上更新统（Q3）底界，底板埋深65～75 m，地层厚度65～75 m；T2标准反射层对应中更新统（Q2）底界，底板埋深约135～145 m，地层厚度70～75 m；T3、T4标准反射层对应下更新统（Q1）内部界面；T5标准反射层对应下更新统（Q1）底界，底板埋深340～360 m，地层厚度205～215 m。

4.3 宁河断裂

宁河断裂由5条正断层组成（图5、图6），从北往南依次命名F1-1、F1、F1-2、F1-3、F1-4正断层。断裂带近东西向平行展布，倾角70～75º。其中F1为宁河断裂的主断裂，倾向南，其余4条为次生断裂。

4.4 钻孔验证

在宁河主断裂（F1），上下盘各布置1个钻孔（图5）。钻孔揭示，至全新统底板埋深约20 m处，岩心对比无明显差异；至上更新统底板埋深66.9 m处，岩性明显出现错位。证明宁河断裂上断点已经断至上更新统内部。

5 结论与建议

图5 TNHDZ02线地震解译剖面Fig.5 Seismic interpretation profile of line TNHDZ02

图6 TNHDZ03线地震解译剖面Fig.6 Seismic interpretation profile of line TNHDZ03

伪随机震源抗干扰能力强、轻便、经济、对环境破坏小。可以精确、快速、有效的探测浅部地层结构、隐伏断裂构造空间展布特征等。引进了伪随机震源组合、实时噪声压制、二维F-K滤波3项关键技术，成功解决了高干扰环境下地震勘探难题。宁河断裂由5 条正断层组成，断裂带近东西向平行展布（图1）。钻探揭示宁河断裂上断点已经断至上更新统内部，距地表66.9 m。建议增加相应的地震勘探工作，查清宁河断裂的活动性。