横波地震勘探在城市隐伏断裂探测中的应用

2021-06-05杨吉武赵立波黄书华

工程地球物理学报 2021年3期

杨吉武，赵立波，黄书华

(广东省地质调查院，广东广州 510080)

1 引言

随着城市化进程越来越快，城市建设过程中遇到的问题之一就是隐伏断裂，而现代城市基本都被第四系所覆盖，靠传统的地质填图很难找出隐伏断裂的位置。以前地震勘探在石油领域应用得比较多，近年来浅层地震勘探在城市地质调查和工程地质领域的应用越来越多[1-8]。目前浅层地震勘探主要以反射波法和折射波法为主，反射波法又分为横波反射法和纵波反射法，通常纵波波速比横波波速大5～10倍，纵波反射法具有激发简单、探测深度大、施工效率高等优点，在划分具有一定厚度的沉积地层层序方面效果较好[9-12]；但是在覆盖层较薄地区，由于目的层埋深浅，反射窗口小，且震源干扰波较强、面波发育，较难取得高信噪比资料，而横波具有速度低、波长短等特点，在纵横向分辨率上均比纵波勘探有优势，横波反射法比纵波反射法的分辨率和解译精度更高，对浅部松散层分层具有较好的探测效果[13-18]。本文以中山市城市地质调查项目中断裂探查为例，讨论了横波勘探方法在城市隐伏断裂探测中的应用效果。

2 测区地质概况及地球物理特征

2.1 测区地质概况

中山市在地质构造体系属于华南褶皱束的粤北、粤东北、粤中坳陷带内的粤中坳陷。市内出露地层以广泛发育的新生界第四系为主，出露基岩以大面积的花岗类岩石为主，主要分布在中部五桂山地区，在北部、中部和南部出露有古生界、中生界地层和北部零星出露的元古界震旦系的古老地层。第四纪松散沉积物广泛分布于市内，成因类型复杂，主要为河口三角洲沉积，局部为陆相沉积，岩相岩性及沉积物厚度多变。五桂山南断裂走向大致为57°，断裂在地貌上反映较明显，五桂山南坡的断层三角面发育，航片、卫片的线性影像明显。断层在逸仙水库西南表现为燕山期花岗岩与寒武纪八村群呈断裂接触。在东方红水库一带，断裂走向 56°，倾向北西，倾角 84°；断面较平直，破碎带宽 30～50 m，构造岩有断层角砾岩、硅化碎裂花岗岩、压碎硅质岩等，带内及其旁侧发育着密集石英细脉群，岩石强烈挤压破碎，航片上山谷山脊线性影像清晰。该断裂带航磁反映比较明显，地磁异常也特别明显，ΔZ低于围岩背景值3 倍以上，平面上以密集的负值沿断裂走向分布。 1970 年以来，沿该断裂多次录到ML2～4 级地震。

2.2 地球物理特征

测线区地表平坦，对开展地震勘探比较有利。据地质和物探资料，区内第四系地层厚度15～25 m，第四系地层内部具有明显沉积颗粒差异的地层之间、松散沉积层与花岗岩地层之间的波速及密实度差异较大，具有明显的波阻抗界面，这些界面因能够形成较强的反射波而被记录下来，具有良好的浅层地震地质条件。

3 勘探原理和方法技术

3.1 横波反射法原理

横波反射法勘探就是利用震源激发横向地震波，地震波通过各岩层产生反射，地震勘探仪器记录下反射波的传播途径、震动强度、速度、振幅、频率等参数，这些参数会因为反射介质的不同而发生变化，因此通过对这些参数的分析，就可以推断出地下岩石或者是地层的所属类型以及分布特征，从而达到工程地质勘查的目的[19,20]。反射波的到达时间与反射面的深度有关，据此可查明地层埋藏深度及其起伏。反射法观测广泛采用多次覆盖技术，其优点是可以削弱多次波干扰[21-24]。

3.2 野外施工参数选取试验

本研究选用德国DMT公司的SummitⅡplus高分辨率数字地震仪采集数据。该地震仪与常规的地震仪相比，动态范围大，不易引起波形畸变，具有模拟带通滤波、低通滤波功能以及假频抑制功能，尤其是排列长度和道距可以根据实际勘探目标随意改变，分布式设计使其在野外操作更为方便灵活；检波器为 28 Hz 横波传感器；震源采用24磅重锤锤击竖立于坑内的铁质垫板。

浅层地震勘探观测系统设计是否合理是获得良好探测结果的关键，因此为更好地确定横波反射的参数，开展长排列实验。根据实验结果及对工区的干扰波波组、有效波组及勘探深度的综合认识，选取最小偏移距、炮间距、覆盖次数和接收道数最佳观测窗口[16]，以保证施工质量及实现勘探目的。

长排列试验采用1 m道间距，中间放炮，偏移距1 m，6次锤击叠加系统，滤波通带为全通，采样间隔为0.25 ms，记录长度1 024 ms。通过扩展排列试验和干扰背景调查，了解各种干扰波的分布特征，为合理选取偏移距及最大炮检距等参数提供依据。从长排列的时间剖面上看(图1)，170～260 ms之间反射波同相轴明显，但0～24和 80～96桩号之间可接收到反射波能量较弱，在经过抽取96道2 m道间距排列和24道2 m 道间距排列(图2)对比可以看出，24道2 m道间距排列对反射波组的能量集中，记录更加清晰明了，最终确定施工所用的排列长度为24道2 m 道间距。为了勘查五桂山南断裂，本次工作共布设2条地震测线，分别为DZ01和DZ02。

图1 96道长排列试验Fig.1 96-channel arrangement test

图2 96道2 m道间距和24道2 m道间距对比Fig.2 Comparison of 96-channel 2-meter track spacing and 24-channel 2-meter track spacing

3.3 数据处理技术

数据处理步骤为：解编→预处理→球面扩散补偿→叠前滤波→道间平衡→抽 CDP道集→速度分析→动校正→自动剩余静校→叠加→叠后滤波→修饰处理→AGC→剖面打印→初步解释→时间剖面输出。

其中主要节点的功能及参数如下：预处理时对反相道反相、不正常道切除；叠前滤波主要为频率带通滤波，滤波的截止频率由原始记录中的频谱分析结果决定；道间平衡将各道的总能量调整为同一水平；CDP道集选排按多次覆盖观测系统进行抽取共炮点道集；速度分析主要为相似性频谱分析法，通常 10个炮点选择一个速度节点，在差异较大的炮点适当增加速度节点，从图3速度谱中根据反射波同相轴叠加能量最强的原则拾取叠加速度，把同相轴校正至水平，说明拾取的速度为该同相轴的最佳速度；应用速度分析确定的二维速度模型对超级CDP道集进行动校正。资料处理是浅层地震勘探中重要的工作环节，根据本次浅层地震的特点、测区浅层地质结构情况，为了提高垂向分辨率和空间定位精度，加强了速度分析、面波及地表波处理、反褶积和偏移等方面的资料处理工作。通过对比分析水平叠加与偏移成像效果，图4结果显示，偏移成像对于剖面的干扰波起到了收敛作用，提高了剖面横向分辨率。

图3 速度分析谱Fig.3 Velocity analysis spectrum

图4 水平叠加剖面与偏移成像剖面对比Fig.4 Comparison between horizontal superimposed profile and migration imaging profile

4 地震时间剖面解释

野外采集的地震资料经过数字处理之后，得到的主要成果资料是经过水平叠加(或偏移叠加)的时间剖面。它们是反射波资料进行地质解释的基础。在一般情况下，通过时间剖面上波的对比，可以确定反射层的构造形态、接触关系以及断层分布等情况。对断裂的识别主要依据以下几个方面：①反射波同相轴错位；②反射波同相轴突然增减或消失，波组间隔突然变化；③反射波同相轴产状突变，反射零乱或出现空白带；④反射波同相轴发生分叉、合并、扭曲、强相位转换等现象。

在收集与本研究相关地质、钻探资料的基础上，结合本次地震勘探资料分析，根据各测线的地震时间剖面，进行有效反射相位对比和同相轴追踪，重点是基岩面反射相位的连续追踪，其次是对覆盖层内反射层位的对比分析，绘制测线的时间解释剖面图。

图5为DZ01时间剖面图。从图5可以看出，在时间剖面上共识别出2个反射波组，标识为T0和T1。T1层反射波组连续性较差，是黏土层与全风化层分界面，双程时间为150 ms左右，在桩号180～200之间出现了反射强弱相间；T0层为基岩界面，是全风化层与强风化层的分界面，反射波组连续性较好，双程时间为180 ms左右，结合地质资料推断T1层为强风化层界面，在桩号190左右反射波组出现了明显错断，推断为断裂引起所致。

图6为DZ02时间剖面图。从图6上可以看出，DZ02线共识别出两个反射波组T0、T1。T0波组连续，反射波能量最强，，T1波组反射波能量稍弱些，T0层双程旅行时间190～330 ms，界面较起伏，界面清晰，振幅均一。在桩号30～34间，反射波组发生错断，断距双程时差达120 ms左右，推断为断裂；T1层双程旅行时间为150 ms左右，界面平整，反射波能量一般，界面较清晰，未发现明显构造异常。

5 钻探验证

根据本次地震勘探结果，分别在DZ01线桩号190号和DZ02线桩号30号的位置布置验证钻孔ZK01和ZK02，钻探验证结果见图7。

从图7可知，地震剖面推断的断裂位置得到了很好的验证。ZK01揭示在孔深21 m处风强风化碎裂岩，岩块呈棱角状，沿裂面见构造擦痕，往下岩芯都还很破碎，与地震剖面反映基本吻合。ZK02提示地层与ZK01一致，在孔深36～42 m处岩芯出现石英脉晶洞、裂隙面绿泥石化现象及构造角砾岩，这些都是断裂的特征，因此地震剖面得到了很好的验证。