浅层地震勘探方法在活动断层中的应用——以邯郸市活动断层探测为例

彭远黔 朱坤静 冉志杰 张璇 王皓

1)河北省地震局, 石家庄 050021 2)邯郸市地震监测中心, 河北邯郸 056002

0 引言

活动断层与地震和地震地质灾害紧密相关,随着经济建设的不断发展,重大工程项目等建设项目日益增多,活动断层与工程场地的关系更加密切,常需要探明工程场地及其附近的近地表活动断层构造情况,以解决活动断层抗错、避让等工程地质问题。

近年来,浅层反射地震方法在城市活动断层探查中得到广泛应用(方盛明等,2002；刘保金等,2002；徐明才等,2005；杨晓平等,2007；张慧利等,2014；杨歧焱等,2015)。在应用浅层地震勘探方法确定隐伏活断层位置、上断点埋深以及活动性等方面,一些研究者从地震波激发、数据采集方法、资料处理、解释等方面进行了有益的研究,并取得了宝贵的经验,使得活动断层浅层地震勘探剖面质量和断层定位精度不断提高(何正勤等,2001、2010；潘纪顺等,2002；张孝珍等,2009；李大虎等,2010；许汉刚等,2016；杨歧焱等,2016)。小道距、高分辨浅层地震勘探在确定近地表活动断层展布位置、上断点埋深、活动时代等方面取得一定效果(杨歧焱等,2018)。如何获得高分辨率地震剖面,从而有效解译出断层构造是活动断层调查的重要环节。为获得高分辨的地震剖面,除了合理的野外施工外,室内数据处理也是一重要环节。

邯郸市地处华北平原地震带南部,新近纪以来一直处于整体隆升为主的构造运动中,以太行山山前断裂为界,西部为太行山山地丘陵区,东部为华北平原沉降区。第四纪晚期,受构造作用影响,西部第四系为十几米至三十余米厚、以砾石、砂、亚砂土及亚黏土为主的晚更新世-全新世冲积、洪积堆积物,直接覆盖于风化基岩之上。东部平原区第四纪堆积物厚度较大,总厚达300～500m,主要为以冲积、洪积、湖积为主的砂、砾石、黏土类。受SN向和NNE向构造的复合作用,区域构造类型以断裂构造为主,发育若干NNE、NNW向断裂,许多段落隐伏于第四系之下,在西部丘陵区第四系较薄,横向物性变化大,垂向分层性差,这对浅层地震勘探数据处理提出了更高的要求。

本文应用邯郸市活动断层探测项目的小道距(1～2m)浅层地震勘探资料,应用多途径、分步骤方法进行去噪处理,获得高分辨率的地震剖面,有效解释出隐伏活动断层位置、上断点,并通过野外地质调查、钻孔联合剖面对所解释的断层进行验证。

1 邯郸地区地质构造概况

邯郸及邻近地区位于华北地震区华北平原地震带的南部,处于北北东向的太行山山前断裂南段与北西西向磁县断裂的交汇部位,主要发育NNE和NW-NWW向断裂构造,断裂带交织成块状结构特征,将华北地壳切割成许多菱形断块,而周边多为大型边界断裂所围限。总体而言,邯郸及邻近地区总体呈现低山丘陵、山间盆地及丘间洼地相间分布特征,地势西高东低,以太行山山前断裂为界,西部为太行山山地丘陵区,东部为华北平原沉降区。

第四纪晚期,受构造作用影响,西部太行山山地丘陵区以隆升运动为主,第四纪地层发育不良,许多地区基岩出露,部分地区沉积有晚更新世及全新世堆积物,局部地区发育有中更新世沉积物,东部平原区第四纪堆积物厚度大,总厚度达300～500m。

邯郸市活动断层探测目标区断层包括：太行山山前断裂(F1)、邯郸县隐伏断裂(F2)、联纺路断裂(F3)、马头镇断裂(F4)、磁县-大名断裂(F5)和永年断裂(F6)。

太行山山前断裂(F1)：断裂带在邯郸境内称为邯郸断裂带,为邢台-安阳断裂带的中段。该断裂是太行山隆起区与华北平原断陷区内的邯郸-任县断陷分界断裂,长约150km,总体走向N10°E～20°,正断层性质,更新世晚期断裂活动仍比较明显。

邯郸县隐伏断裂(F2)：该断裂带主体为隐伏断裂,走向NNE向,经邢台向SSW延伸,进入邯郸市后确切位置不清,推测在市区的东侧通过,活动时代为早第四纪。

联纺路断裂(F3)：该断裂为NW向展布的隐伏断裂,推测沿联纺路以北延伸,长约17km,根据地面地质调查,在市区电厂路与新兴大街之间地貌上略有显示,据地震勘探资料,断裂最新活动时代为更新世中期。

马头镇断裂(F4)：该断裂为过马头镇的NW向断裂,在马头镇一带呈隐伏状态,向NW方向延入太行山区,长约20km,断裂在新近纪有所活动,最新活动时代为更新世中期。

磁县-大名断裂(F5)：该断裂自鲁西隆起穿越华北沉降平原至太行山隆起中部,横亘三大构造单元,走向NWW,倾向N,倾角较陡,其长度大于180km,具有明显的左旋走滑活动性质。该断裂带是一条活动强的地震带,为1830年磁县7级地震的发震构造(江娃利等,1994b)。

永年断裂(F6)：断裂发育在洺河南岸,走向310°,倾向N,全长约30km,断裂在更新世早期曾活动过。

2 浅层地震勘探

2.1 测线布设

邯郸市活动断层探测布设完成1m道间距浅层测线6条,2m道间距浅层测线9条,其中探测太行山山前断裂(F1)布设2m道间距浅层地震测线4条,即测线MT04、MTXK2-2、HDXK2-4、YNXK2-2；探测联纺路断裂(F3)布设1条2m道间距浅层地震测线HD02；探测马头断裂(F4)布设1条2m道间距浅层地震测线MT01；探测磁县-大名断裂(F5)浅层地震测线共8条,即2m道间距测线CX01、CX04、CXXK2-6,以及1m道间距测线CXXK2-1、CXXK2-2、CXXK2-3、CXXK04、CXXK2-5；探测永年断裂(F6)布设1条1m道间距浅层地震测线YNXK2-1,各测线位置见图1。

图1 研究区构造简图

2.2 观测系统和采集参数

浅层地震勘探采用单边激发多次覆盖的观测系统,采用道间距1～2m,叠加次数10次,60道接收,采样间隔0.25ms,记录长度500ms,采用WACKER夯源,单点激发,每个点激发1500～2000次,数据采集系统为美国STRATAVISOR NX60地震仪。

3 浅层地震数据处理

本文应用Vista地震反射处理系统,在数据处理过程中,运用多途径、分步骤的去噪技术和方法,提高信噪比,其数据处理流程见图2,处理步骤主要包括：预处理、静校正、叠前噪声压制、高精度速度分析、叠前偏移技术、叠后修饰处理。

图2 浅层地震勘探数据处理流程

(1)预处理

预处理包括道编辑、初至切除、振幅恢复、增益、道内振幅均衡。由于近地表横向变化较大,不同部位炮与炮和道与道之间能量和频率差异大,一致性差,采用地表一致性振幅处理,一方面可以消除上述差异,另一方面还可对野值有明显压制作用。应用地表一致性振幅补偿、地表一致性反褶积等技术,消除地表因素对振幅、子波的影响,改善剖面质量。

(2)静校正

由于近地表条件较复杂,导致表层低降速带纵、横向变化较大,以及第四系内部近地表活动断层断距较小,应利用折射波静校正消除地表的中、低频校正量。由于测线场地地形起伏变化较小,未进行高程静校正。

(3)叠前去噪

如何最大限度地提高资料的信噪比,是浅层地震数据处理的关键。针对近地表干扰波复杂、低信噪比的特点,采用多域、多维的去噪手段,可较大地提高地震资料的信噪比。采用陷波和频率域滤波消除规则干扰(工业电流干扰、声波干扰)；采用F-x滤波、F-K二维滤波压制面波干扰；采用F-x域预测滤波、混波处理技术衰减随机噪声；采用预测反褶积、拉冬(Radon)变换消除多次波；并应用两步法进行反褶积：第一步在炮集中进行,第二步在共检集中进行。

(4)速度分析

速度的准确求取是地震勘探的重要一环,由于复杂近地表地震资料速度纵、横向变化较大,采用常规的速度谱资料提取叠加速度,不仅精度低,且容易错选。针对野外实际观测的情况,可选择合适的大道集进行精细的速度分析,此外,在对速度进行分析前,应尽可能提高记录的信噪比,采用速度谱分析前宜先做常速度扫描分析,分析速度谱时要采用较小的速度和CDP间隔。速度扫描的速度增量应小于40m/s为宜,速度分析间隔小于20m/s。

(5)偏移处理

由于探测的对象为隐伏断层,在断层发育的地方,地下地质构造往往较复杂,宜采用叠前偏移技术,使地下构造正确成像。应用叠前基尔霍夫时间偏移技术,输出时间迁移数据集叠加轨迹,为偏移孔径函数的设计提供信息；以初始速度不同的百分比增量创建偏移速度分析数据集,进行偏移速度分析,选择最佳偏移速度；以15°～50°的偏移孔径角度创建偏移孔径角度数据集,选择最佳的孔径角度。

(6)叠后处理

为使得最终剖面更加清晰、层次分明,地震波组清楚,目的层清晰可见,剖面信噪比提高,还需对剖面作进一步的修饰性处理,其目的是修饰剖面面貌,而并非对资料进行实质性处理。叠后处理主要包括提高信噪比和分辨率均衡处理。应用4D噪声衰减、T-x 域预测去噪、径向滤波、中值滤波、时变滤波等方法提高信噪比；应用反Q滤波、F-x反褶积和时变谱白化等技术提高叠后剖面分辨率,通过以上处理,达到信噪比、分辨率和波组的有机统一。

上述数据处理的目标是提高资料的分辨率和信噪比,有效识别断层构造。浅层地震勘探的分辨率分为2个方面,即横向分辨率和垂向分辨率。

横向分辨率是指2个绕射点得以分辨的最小水平向距离,横向分辨率反映浅层断层位置准确性的参数。在偏移前,一般都将菲涅耳带半径作为横向分辨率的极限,反射波在经过偏移处理后,横向分辨率会大大提高,不再受限于菲涅尔半径的大小。理论上,横向分辨率最高为道间距的一半,本文浅层地震反射波勘探道间距为1～2m,则横向分辨率最高可达0.5～1.0m。

垂向分辨率对于确定断层上断点的埋深、判断断层最新活动时代至关重要。地震剖面解释的断层取决于地震记录的分辨率,其与地震波的波长λ有关,根据瑞利准则,一个反射波的分辨率的极限为 1/4 波长,反射波的分辨厚度为

(1)

式中,λ为反射波的波长(m)；v为层速度(m/s)；f为地震波的主频(Hz)。

当断距小于ΔH时,如果没有特别明显的破碎带或者反射波相位的明显变化,仅凭地震勘探资料很难分辨出断层的存在,如果剖面上有断层显示,则可分辨的断层上断点的埋深要大于实际埋深。

本文应用不同的滤波和处理方法来实现提高数据处理的分辨率和信噪比,图3 为叠前记录数据在进行F-K滤波、预测反褶积处理时获得的对比分析结果,可以看出对原始数据应用F-K滤波、预测反褶积后,数据中面波得到有效减弱,子波压缩明显,多次波能量得到了较大的压制,有效提高了地震资料的主频,信噪比也得到提高。

图3 F-K滤波、预测反褶积处理前后对比

图4为叠后进行4D随机噪音衰减、反Q滤波处理获得的对比分析结果,经过4D去噪、反Q滤波后,剖面信噪比有了较大的提高,剖面质量得到了显著改善。

图4 4D去噪、反Q滤波处理的效果对比图

4 浅层地震剖面特征及其断层解释验证

通过上述浅层地震勘探数据,获得高分辨率的地震剖面,有效解释出断层构造,确定了隐伏活动断层位置及其活动特征,并通过野外断层追踪、钻孔地质剖面对所解释断层的准确性、可靠性进行验证。

4.1 测线CXXK04

在磁县石桥村东南布设1m道间距超浅震勘探测线CXXK04探测磁县-大名断裂(F5),邯郸市活动断层探测项目应用常规处理方法对数据进行处理,在测线CXXK04的南段未见断层存在迹象。

图5 测线CXXK04浅层地震剖面断层解释、断层出露位置

图6 测线CXXK04西北890m处断层出露剖面

4.2 测线YNXK2-2

在位于永年界河店北布设1条浅层地震勘探测线YNXK2-2探测太行山山前断裂(F1),图7 为测线YNXK2-2经高分辨数据处理后的地震反射及断层解释剖面。在地震反射剖面中,丰富的地层界面反射波组出现在剖面200ms以上的时间范围内,存在2组反射波组,由多个强相位组成。根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上、下反射波组关系,在剖面桩号1125m(CDP1125)附近解释了1个断点,100ms以下的反射波组同相轴歼灭,具有断层存在的显著特征,断裂构造清晰,断层为倾向E,断层上断点位于75ms(埋深60m)左右。

图7 测线YNXK2-2浅层地震剖面断层解释及其钻孔分布

沿测线YNXK2-2断点附近布置了4个钻孔：HZX5-1,HZX5-2,HZX5-3,HZX5-4。其中,HZX5-1和HZX5-3位于断点西侧,两孔间距15m；HZX5-2和HZX5-4位于断点东侧,两孔间距13m(图5)。根据钻孔地层,结合该场地获得的热释光(TL)测年数据(中国地震局地质研究所等,2010),钻孔地层为第四系全新统、更新统上部欧庄组和更新统中部杨柳青组(未见底)。综合岩芯、测年数据,在钻孔HZX5-2和HZX5-4之间存在一正断层(图8),断层断错了更新统中部杨柳青组地层,断面视倾向东,上断点距地表约52m,与地震剖面所解释断层位置、倾向、上断点埋深60m基本一致。

图8 界河店场地钻孔地层对比与构造综合解释①

4.3 测线CXXK2-6

在磁县东田村东布设1条浅层地震勘探测线CXXK2-6探测磁县-大名断裂(F5),图9 为测线CXXK2-6经高分辨数据处理后的地震反射及断层解释剖面,丰富的地层界面反射波组出现在剖面200ms以上的时间范围内,存在多组反射波组。根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上、下反射波组关系,在剖面1880m附近解释了1个断点,双程反射时间50ms及其以内的反射波同相轴错动,断裂构造清晰,断层为倾向N,断层上断点位于50ms(埋深45m)左右。

图9 测线CXXK2-6浅层地震剖面断层解释及其钻孔分布

沿测线CXXK2-6断点附近1857～1907m共布设4个钻孔：HZX4-1、HZX4-3、HZX4-4、HZX4-2。内侧3、4号孔距离断点10m,外侧1号钻孔距3号钻孔、2号钻孔距4号钻孔均为15m(图10)。根据钻孔地层,结合该场地获得的热释光(TL)测年数据,钻孔第四纪地层划分为全新统、更新统上部欧庄组和更新统中部杨柳青组(未见底)。综合岩芯、测年数据,在钻孔HZX4-3和HZX4-4之间存在一正断层(图10),断层断错了更新统中部杨柳青组,断面视倾向北,上断点距地表47m,钻孔揭示的断层与地震剖面所解释断层位置、倾向、上断点埋深45m基本一致。

图10 东田村场地钻孔地层对比与构造综合解释图(1)中国地震局地质研究所等,2010.河北省城市活动断层探测与地震危险性评价项目(邯郸市项目)工程技术报告.内部资料.

5 结论与讨论

小道距浅层地震勘探方法是探测活动断层浅部构造特征和对断裂进行准确定位的有效技术手段,如何准确获得近地表活动断层位置和活动特征,提高地震剖面资料的分辨率和信噪比是有效的途径之一,地震数据处理是其重要的环节。本文通过选择恰当的数据处理方法和技术,运用多途径、分步骤进行去噪处理,对邯郸市活动断层浅层地震资料进行数据处理,获得了较高信噪比和分辨率的浅层地震剖面,以磁县-大名断裂、太行山山前断裂浅层地震剖面处理结果为例,结合野外地质调查、钻孔联合剖面探测资料,检验了浅层地震勘探处理结果的可靠性。

图11为邯郸市活动断层探测项目应用常规地震处理流程和处理方法获得的CXXK2-6测线浅层地震剖面①, 图12 为本文所处理的地震剖面,对比可见,本文处理剖面的随机噪音、多次波得到有效压制,信噪比和分辨率得到了明显提升,具有较高的信噪比和分辨率,剖面更加能够清晰揭示断层的细微变化,在位于剖面1880m附近两侧的反射波组存在明显差异,北部反射波组呈现水平状,南部反射波呈现倾斜变化,在双程反射时间50ms以内的反射波同相轴错动明显,更易判断断层倾向和断层上断点埋深(断层上断点位于50ms,深度45m)。由此可见,通过合理的数据处理,可获得高信噪比、高分辨率的浅层地震剖面,更加清楚地揭示出断层位置和断层特征,对活动断层浅层地震勘探数据处理具有一定的借鉴作用。

图11 CXXK2-6浅层地震勘探剖面①

图12 CXXK2-6浅层地震勘探剖面(本文处理结果)

致谢：本研究工作应用了邯郸市活动断层探测项目浅层地震勘探数据以及成果资料,现场人员付出了辛勤的工作,在此表示感谢。