浅层地震和弹性波CT在西淋岗地区断裂探测中的应用

2021-08-19卢进延

工程地球物理学报 2021年4期

卢进延>

(广东省地球物理探矿大队，广东广州 510800)

1 引言

珠江三角洲地区经济高度发展、人口稠密，隐伏于珠江三角洲城市群之下的断裂(断块)潜在活动对区内人民生命财产安全有着巨大威胁。研究隐伏断裂及其活动性是一项基础性工作。珠江三角洲地区发育了北东向的广从断裂、新会-市桥断裂、南沙-东莞断裂、五桂山北断裂、五桂山南断裂、紫金-博罗断裂，东西向的瘦狗岭断裂，北西向的白坭-沙湾断裂、西江断裂、北江断裂、化龙-海鸥岛断裂、狮子洋断裂、南岗-虎门断裂等多条断裂带，它们控制了三角洲的形成、演化和地震活动。近几十年内，前人对这些断裂的空间展布特征、活动性和珠江三角洲的稳定性等方面进行了大量的研究工作[1-15]，取得了大量成果。西淋岗地区，第四系覆盖层厚，断裂鲜有出露，多为隐伏断裂，以往在西淋岗地区主要以地面地质调查工作为主，受限于调查方法的限制，难以获得隐伏断裂在地下的空间分布特征。

隐伏断裂的探测的地球物理方法主要有地震勘探、高密度电法、音频大地电磁法等[16-18]，近年来也有人应用弹性波CT技术来探测断裂[19，20]，而且取得良好的效果。

本文以西淋岗地区断裂为研究对象，开展浅层地震和弹性波CT工作，精细探测了该地区断裂的空间分布特征，并初步评价了断裂的活动性。

2 地质背景

2.1 地层

西淋岗地区位于广东省佛山市的南部，为丘陵地貌，制高点海拔78 m。山顶部为残留红层与第四系沉积，下部为花岗岩。第四系主要分布于西南山坡，分为晚更新统和全新统。晚更新统为冲洪积物，可分为上、中、下3部分。上部为灰白-乳白色黏土质中细粒砂，向上逐渐变为灰黑色黏土层，厚度为0.5～0.7 m，含腐殖质，覆盖于红壤风化壳之上，但界线模糊且不规则；中部为厚度约3.5 m的松散沉积物，由细砂、粗砂、粉土和黏土组成；下部为褐黄色含砾中粗砂夹透镜状粉细砂，厚度大于2.5 m。

2.2 断裂构造

西淋岗地区主要断裂有西淋岗断裂和石洲断裂位于西淋岗山顶西侧，整体呈10°～20°方向延展，可见长度约0.7 km，断面清晰，呈舒缓波状，断面产状280°～290°∠50°～80°，断裂构造岩宽0.3～1.5 m。断裂表现出多期活动特征，早期断裂右旋走滑，有硅化，形成近水平擦痕与反阶步；中期花岗岩逆冲到白鹤洞组砾岩之上，形成花岗质碎裂岩、花岗质碎斑岩；晚期表现为重力断层，上盘下落，为正断层，见其同方向顺延断面切过晚更新世冲洪积层。石洲断裂为白坭-沙湾断裂带西侧分支，展布于西淋岗中部，整体走向320°，可见长度约1.1 km，断面产状50°∠50°～70°，断面较清晰，呈舒缓波状，并出现分支复合现象。断裂带宽2～4 m，由碎裂岩、硅化岩和断层角砾岩、断层泥等构成，断裂带两侧岩石均存在一定程度硅化，而断层角砾岩中则可见硅化岩角砾。

3 浅层地震及弹性波CT测量

3.1 测线布设

西淋岗地区断裂主要为北东向和北西向，因此沿北西向和北东向布设浅层地震测线，控制西淋岗断裂和白坭一沙湾断裂带西侧分支，共计测线9条，分布为DZ51-1、DZ51-2、DZ51-3、DZ52、DZ53、DZ54-1、DZ54-2、DZ54-3及DZ55。

根据浅层地震测线异常地段布设验证钻孔，相关验证孔编号为ZK0074、ZK0073、ZK0053、ZK0054、ZK0058、ZK0067、ZK0077、ZK0065、ZK0076等，根据钻孔分布位置共布置8对跨孔弹性波CT测量工作，形成3条弹性波CT剖面。

3.2 测量方法及技术

浅层地震数据采集使用的仪器为德国DMT公司研发的第五代地震数据采集系统Summit X one地震仪和西安地质仪器厂生产的Z60型横波检波器(主频60Hz)。采用中间放炮两边接收的工作方式，六次覆盖观测系统，24道接收，道间距2 m，炮间距4 m，偏移距1 m。采样间隔选为0.5 ms、采样时间为1 024 ms、数字滤波为全通，锤击开关触发，震源采用高分辨率浅层地震可控震源。浅层地震单炮记录见图1。由图1可知，有效反射波组连续性好，反射层位突出，信噪比高，相邻道能量无明显差异，数据质量优秀，合格率为100 %，优良记录可达到96.6 %。

图1 浅层地震单炮记录Fig.1 Shallow seismic single shot record

弹性波CT数据采集采用Geode浅层地震仪及CH3R型高灵敏度12道声波探头。每个接收探头均采用20倍集成运算放大器进行阻抗匹配、抑制道间串扰。震源采用HX-DHH-02B电火花测井震源，该震源产品具有激发能量大，一致性好，触发精准，安全可靠，无破坏，无污染等特点。弹性波CT工作时以一个钻孔为发射孔，在发射孔中按0.25 m间距发射高频弹性波。以另一个钻孔为接收孔，在接收孔中按一定间距(与发射点间距相同)接收弹性波。弹性波CT单炮记录见图2，从图2中可见，各道初至清晰，干扰小，信噪比高，数据质量优秀。数据合格率100 %，优良记录可达到97 %。

图2 弹性波CT单炮记录Fig.2 Elastic wave CT single shot record

4 测量成果讨论

4.1 浅层地震成果讨论

根据测量成果，最终选取与西淋岗断裂、白坭-沙湾断裂密切相关的DZ54-1线、DZ55线及弹性波CT1～CT3号剖面进行详细讨论。

DZ54-1线呈北西向，时间剖面成果显示T0-1、T0-2及T1这3个地震波组波形态稳定性，同相轴清晰，延续长度较长，为波阻抗差异界面，见图3。T0-1为第四系人工填土、黏土等底界面，反射时间一般大于90 ms，埋深约7～15 m；T0-2为砂层、淤泥层底部、花斑黏土顶部的反射波，反射时间一般大于100 ms，埋深约8～20 m；T1为基岩面，上部为K1b(早白垩世百足山组)地层，下部为ηγK2(晚白垩世二长花岗岩)，反射时间一般小于350 ms，埋深约30 m。位于测点54029、54055、54102、54119、54161、54164、54181、54218、54258处反射波组错断或缺失，共推断了FD54-1～FD54-9等9条断裂，倾向北西或南东。T0-2波组存在多处错动，最大错动20 ms，推测为断裂活动引起，断距1～2 m。剖面成果显示，该处地层挤压特征较为明显，推测该处为一较宽的断裂破碎带，主断裂破碎带宽度约40 m。

图3 DZ54-1浅层地震时间剖面Fig.3 DZ54-1 shallow seismic time profile

DZ55线呈北东向，剖面成果显示T0-1、T0-2及T1这3个地震波组波形态稳定性，同相轴清晰，延续长度较长，为波阻抗差异界面，见图4。T0-1为第四系人工填土、黏土等底界面，反射时间一般大于100 ms，埋深约8～15 m；T0-2为砂层、淤泥层底部、花斑黏土顶部的反射波，反射时间一般大于120 ms，埋深约8～15 m，该层局部地段缺失；T1为基岩顶界面，为K1b地层，反射时间一般大于250 ms，埋深约25～30 m。位于测点55052、55101、55272处，反射波组错断，共推断了FD55-1、FD55-2及FD55-3等3条断裂，断裂倾向北东。

图4 DZ55浅层地震时间剖面Fig.4 DZ55 shallow seismic time profile

DZ54-1测线上布设ZK0053、ZK0058及ZK0067等验证钻孔，DZ55测线布设了ZK0078验证钻孔。钻孔资料显示西淋岗地区存在软沉积变形带，黏土层均发育微褶皱现象、层内扭曲、卷曲变形等变形构造，局部发育明显类震褶层，发育球状构造、枕状构造、火焰构造等震褶构造，下部见“雷挤压片理”，清晰可见一条切割第四系断裂，倾角为70°，两盘岩性区别较为明显。软沉积变形带之下为构造角砾岩、碎粉岩、碎斑岩、断层泥带，该构造带主要分为三段。上段主要为碎粉岩、碎裂岩带，受后期构造作用影响，发育挤压片理化；中段主要为碎斑岩化二长花岗岩，局部见硅化、褐铁矿化；下段主要为角砾岩、碎粉岩、断层泥及红层等，红层角砾原岩多为破碎再胶结的砂岩，部分红层角砾呈未胶结状态。该段之下为碎裂岩、碎斑岩、碎粉岩、断层泥，为该断裂带构造活动最为强烈之处。碎裂岩处多发育倾角为60°～80°断面，断面见明显擦痕，阶步。验证了断裂的存在，断裂切割第四系覆盖层。

浅层地震剖面划分了上、中、下3个层位，共推断了27个断点。上部位第四系人工填土、黏土，埋深约6～15 m；中部为砂层、淤泥层底部、花斑黏土，埋深约8～20 m，该层总体变化大；下部为基岩。根据断点分布的空间位置特征，西淋岗地区断裂由两组组成。一组北西向，为白坭-沙湾断裂；一组北东向，为西淋岗断裂。

4.2 弹性波CT成果讨论

根据验证钻孔分布位置共实施8个剖面弹性波CT测量工作，形成3条弹性波CT剖面。如图5～图7所示。

图5显示，在中间ZK73、ZK54和ZK58三个钻孔处有一组明显低波速异常带，向剖面左侧(ZK74孔方向)倾斜。ZK0073～ZK0054～ZK0058等短距离剖面的第四系覆盖层纵波波速变化形态表明西淋岗地区存在软沉积物变形的迹象。

图5 弹性波CT1号剖面波速影像Fig.5 Wave velocity image of elastic wave CT1 profile

图6显示，在ZK65和ZK67钻孔处有一组向剖面左侧(ZK77孔方向)倾斜的低波速异常带，呈多组平行条带状发育。两个剖面的异常带均影响到第四纪地层，推测为第四纪断裂，综合这两条剖面，该断裂带倾向南西，倾角较陡。

图6 弹性波CT2号剖面波速影像Fig.6 Wave velocity image of elastic wave CT2 profile

图7显示，在ZK67～ZK76和ZK76～ZK58有两组低速异常带，推测为断裂破碎带。经计算该断裂破碎带倾向南东，倾角约57°。

图7 弹性波CT3号剖面波速影像Fig.7 Wave velocity image of elastic wave CT3 profile

弹性波CT成果表明，实施剖面内有两组破碎带通过，一组为北西向，倾向南西，视倾角约40°，该组呈多组平行条带状发育，影响宽度5～25 m；另一组为北东向，倾向南东，视倾角约20°，呈多组平行条带状发育，影响宽度3～20 m。破碎带影响范围内，纵波波速变化极大，受构造挤压影响，岩石总体较为松散破碎，局部岩石相对坚硬，其纵波波速明显低于完整的围岩的纵波波速。在ZK0073～ZK0054～ZK0058剖面中存在一组反向的破碎异常，两者呈“X”型。成果显示北西向断裂错断了北东向断裂。对比钻孔资料，弹性波CT推断破碎异常带与钻孔揭示的断裂位置一致。