李大虎，邵昌盛，劉遠志，鄒 俊

（1.四川省地震局 工程地震研究院，成都610041；2.四川省核工業(yè)地質局 二八二大隊，四川 德陽618000；3.中國石化石油工程地球物理有限公司 西南分公司，德陽618000；4.四川省地礦局 物探隊，成都610072）

2008年5月12日汶川8.0級地震發(fā)生在龍門山構造帶中北段，破裂自初始破裂點開始沿龍門山斷裂帶的中央斷裂及前山斷裂呈NE向單側擴展［1］，龍門山斷裂帶南西段在此次地震中并未參與活動；而2013年4月20日08時02分46秒四川省雅安市蘆山縣發(fā)生的7.0級地震的震中（30.3°N，103.0°E）位于龍門山構造帶南段附近（圖1）。兩次地震發(fā)生后，作者均參與了四川省地震局地震現(xiàn)場應急科考工作，對位于龍門山斷裂帶南段的耿達—隴東斷裂進行了野外調查追索，并未發(fā)現(xiàn)地震地表破裂現(xiàn)象；而龍門山斷裂帶作為活動地塊的一級邊界，具有孕育和發(fā)生強烈地震的構造背景，尤其是南段的地震危險性已經(jīng)引起了國內(nèi)外地震學者們的強烈關注［2－6］。由于多年以來龍門山斷裂帶南段淺層地震探測工作開展較少，特別是龍門山南段后山斷裂的耿達—隴東斷裂通過處的植被茂密、基巖出露有限以及部分斷裂隱伏于地表之下等因素，至今對于耿達—隴東斷裂的空間展布位置仍然存在疑問，僅憑目前單一的地面地震地質調查工作難以準確厘定其具體通過位置和展布形態(tài)，從而制約了對該斷裂最新活動性的評價和最大發(fā)震能力的評估。龍門山南段地震災區(qū)的災后恢復重建工作，同樣也受到隱伏斷裂段和余震活動等因素的嚴重制約。

圖1 龍門山構造帶南段斷裂分布圖Fig.1 Distribution of the southern segment of the Longmenshan fault zone

耿達—隴東斷裂位于龍門山斷裂帶后山斷裂南段，蘆山地震后，中國地震學家對龍門山前山斷裂南段的雙石—大川斷裂的活動性研究較為詳細，結論為全新世活動斷裂［7］；而對于耿達—隴東斷裂，雖局部地區(qū)線性影像特征明顯，有晚更新世以來活動的地質和地貌顯示，但由于該地區(qū)第四紀地層地貌不甚發(fā)育，使得耿達—隴東斷裂晚第四紀是否活動的地表行跡并不清晰，對該斷裂的空間展布位置和活動性評價方面更是缺少統(tǒng)一的認識。要研究該斷裂的活動性必須先確認基巖斷裂的存在，繼而研究該斷層向第四紀地層內(nèi)的延伸情況，只有這樣，對斷層的晚第四紀活動性進行評價才有意義。針對耿達—隴東斷裂經(jīng)過地區(qū)復雜的地質構造環(huán)境和特有的淺層地震地質條件，選擇何種地球物理探測方法以及如何實施才能達到較好的探測效果成為需要解決的首要問題。淺層地震反射波法是近地表活動斷裂探測中解決隱伏斷裂定位及切割地層的首選方法，該方法利用人工激發(fā)的彈性波震源，探測數(shù)十米至數(shù)百米深度范圍內(nèi)的地層分布和地質構造，對劃分具有一定厚度的沉積地層層序、探測隱伏活動斷層等地質構造效果較好［7－9］。尤其是近年來，隨著數(shù)據(jù)采集技術和數(shù)據(jù)庫處理手段的不斷進步，利用該方法在研究活動斷裂的空間展布以及深淺構造關系等方面均取得了有價值的經(jīng)驗［11，12］。

龍門山斷裂帶南段地區(qū)狹窄的山間峽谷場地和特有的地形地貌特征、復雜的地震地質構造環(huán)境，要準確定位耿達—隴東斷裂隱伏段的展布位置、產(chǎn)狀及斷錯量等參數(shù)，需要在地質調查工作基礎上，根據(jù)具體的場地條件和地震地質環(huán)境特點開展實驗性探測，為選擇可靠的地震勘探施工參數(shù)提供依據(jù)。本次探測研究工作主要采用人工錘擊端點激發(fā)、小道間距、多道短排列接收和多次覆蓋觀測相結合的地震數(shù)據(jù)采集技術以及合適的數(shù)據(jù)處理方法獲得淺層地震反射剖面圖像，以此揭示耿達—隴東斷裂在寶興縣隴東鎮(zhèn)若必溝一帶的空間展布位置和近地表構造形態(tài)。該研究結果不但為研究耿達—隴東斷裂近地表活動構造提供了地震學依據(jù)，也對龍門山斷裂帶后山斷裂南段現(xiàn)今的活動性以及龍門山南段地區(qū)未來地震危險性評估具有重要意義，同時也為災后重建和避震規(guī)劃、減少未來可能造成的地震災害損失等提供科學依據(jù)。

1 地震構造環(huán)境和地震測線布設

耿達—隴東斷裂北起耿達，向南經(jīng)磽磧、隴東至瀘定以東，總體走向NE40°，傾向NW，全長約170km，在寶興縣西南發(fā)育了一系列近似平行的NE向斷層帶和弧形沖斷層。通過現(xiàn)場地震地質調查發(fā)現(xiàn)，在若必溝一帶發(fā)育有寶興河T1、T2階地，斷錯地貌并不明顯，僅在兩側基巖處見有斷層破碎帶；但對于被第四紀沉積物所覆蓋的部分，就需要通過物探手段確定。

淺層地震反射波法開展的前提是測區(qū)場地介質具備一定的波阻抗差異。結合已有的工程地質鉆探資料，若必溝西河左岸的T1階地不同密實程度的卵石土層波速值在0.8～1.6km/s，而下伏基巖——白云巖的波速在2.5～4km/s，二者之間的波阻抗差異明顯，在地震時間剖面上能形成有效的波阻抗反射界面，具備開展地震勘探工作的地球物理條件。因此選擇在寶興河西河的T1階地上開展地震反射波的數(shù)據(jù)采集工作，在跨耿達—隴東斷裂及其分支斷裂的可能通過位置布設了2條淺層地震反射測線（圖2）。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

淺層地震反射波法一般適用于工作環(huán)境相對較好的地區(qū)（盆地、平原）探測物性差異大、且具有一定規(guī)模的地質構造，要把該方法應用到構造環(huán)境復雜、交通條件不便的龍門山南段山間峽谷場地探測斷裂構造的展布位置，還需要解決一系列關鍵的技術問題。由于地震勘探的精度取決于地震資料的分辨率，而地震資料的分辨率又與所采用的方法技術和工作參數(shù)密切相關，盡管在資料處理中可采用多種數(shù)據(jù)處理手段來改善地震資料的質量，但要想通過數(shù)據(jù)處理從丟失了有效信息的地震資料中得到有用的結果則是不可能的。因此，采集高信噪比的原始記錄資料是基礎。

2.1 地震數(shù)據(jù)采集

圖2 測區(qū)地震構造環(huán)境與地震測線示意圖Fig.2 Seismic tectonic environment and the seismic survey line diagram in the survey area

本次地震反射波數(shù)據(jù)采集使用的儀器是美國Geometries公司的NZXP數(shù)字地震儀配以分布式Geode地震采集站，24-bit A/D轉換，動態(tài)范圍144dB，通頻帶1.75～20kHz，有寬頻帶和可選濾波器記錄不同頻譜范圍的地震信號，其各項指標均能滿足淺層探測的要求。由于龍門山南段地區(qū)河谷地帶Ⅰ級階地上卵石層會造成高頻信號迅速衰減，若采集時采用檢波器組合的方式來壓制面波會嚴重損失高頻成分的信息，從而不利于提高地震勘探的分辨率。而山間河谷基巖面埋藏較淺的地區(qū)需要盡可能地保留原始地震記錄中的高頻成分，因而本次探測工作主要采用40Hz的單個檢波器采集縱波反射信息，盡可能地采集從低頻到高頻的地震信息。為了確保地震記錄的質量，除了在探測工作中根據(jù)不同的地表條件選用適合于相應地震測線的工作方法外，還在每條測線地震數(shù)據(jù)采集之前進行擴展排列試驗，其目的是：①了解測線周圍干擾波類型、強度和時空分布特征；②了解目的層反射波組的強度；③了解震源激發(fā)條件等，進而確定反射波最佳觀測窗口（如觀測系統(tǒng)、儀器參數(shù)等）。為了能在地震記錄上分析有效波分布與干擾波分布，所有試驗排列最小偏移距都取0m，然后根據(jù)有效波發(fā)育時窗、干擾波面波特征以及現(xiàn)場施工條件等確定道距、炮距、偏移距、接收道數(shù)等參數(shù)，使得有效反射波落在最佳的觀測窗口內(nèi)，獲得較高的信噪比，從而提高淺層地震勘探的精度。

圖3 Ⅰ測線擴展排列試驗Fig.3 Interference wave of Survey lineⅠ

圖3是隴東鎮(zhèn)若必溝西河左岸Ⅰ測線典型擴展排列試驗記錄，由圖中可以看出，存在較強的線性干擾，且來自淺部的有效信號被震源附近強烈的面波所覆蓋，使得近震源處的有效波在原始地震記錄中較難辨別；但雙程旅行時位于150ms以內(nèi)遠離震源的接收道可連續(xù)追蹤基巖反射波信息。由于地震記錄上存在較強干擾，因此需采用小道距小偏移距多次覆蓋的觀測系統(tǒng)和排列參數(shù)來提高信噪比。

為了得到高質量的地震反射記錄，根據(jù)測區(qū)場地條件與探測目的合理地選擇地震波的激發(fā)震源也是本次探測工作的重要環(huán)節(jié)。只有在震源激發(fā)的地震波信號具有足夠的能量和較寬頻帶范圍的前提下，才能使數(shù)據(jù)采集處理和分析解釋具有實際意義，因此選擇合適的震源是實現(xiàn)淺層地震勘探目標的必要條件［13］。根據(jù)已有的研究，采用小能量激發(fā)震源相對能增強高頻波的能量［14］，因而采用小能量激震是十分必要的。本次探測場地均位于寶興河西岸Ⅰ級階地上，交通條件不便和局部場地所限等因素使可控震源車難以在此開展工作。根據(jù)已有的研究結果結合作者近些年在龍門山地區(qū)開展斷裂探測的實踐經(jīng)驗，錘擊震源雖然激發(fā)的能量較弱，深度約＜100m，但其激發(fā)信號的頻率較高，同相軸的連續(xù)性也明顯變好，所獲得的地震剖面分辨率較高，因此本次探測選用的是攜帶較為方便、適合龍門山地區(qū)作業(yè)的錘擊震源。

在龍門山南段地區(qū)開展淺層地震探測工作觀測系統(tǒng)參數(shù)的選取時需考慮到以下幾個問題：一是最大偏移距的確定一般要求與探測的目標層深度相當，使目的層反射有足夠的正常時差，有利于速度分析和區(qū)分一次反射波和多次波與其他相干噪聲，但最大偏移距又不能太大。如果太大，一方面會增加動校正的拉伸畸變，影響資料分辨率；另一方面會使遠炮點接收到的反射波發(fā)生相位畸變，對共中心點（CMP）的假設也變得無效。二是最小偏移距的大小直接影響感興趣的淺層反射波的覆蓋次數(shù)。一般來說，為獲得更淺層的地層反射，最小偏移距應盡可能的小；但如果太小，近炮點道會受到震源干擾波的影響。三是為了提高地震資料的橫向分辨率和覆蓋次數(shù)，一般應采用較小的道間距和跑間距。

綜合以上研究結果并結合本次測區(qū)地形地貌特征和現(xiàn)場地震記錄特點以及已有的鉆孔資料分析得出，一方面要使用人工錘擊震源激發(fā)高主頻信號以提高淺層分辨率；另一方面要采用小道間距、多道短排列接收、共反射點多次覆蓋觀測系統(tǒng)，以達到對耿達—隴東斷裂構造進行精確定位的目的。此次反射波法地震勘探的具體工作參數(shù)設計如下：采樣率0.25，記錄長度0.50s，道間距1～2m，炮間距1～2m，偏移距30m，每個地震觀測排列采用單邊24道、40Hz的檢波器接收，多次覆蓋觀測系統(tǒng)，覆蓋次數(shù)為12次，最終獲得了高頻優(yōu)質的淺層地震反射資料。

2.2 反射波數(shù)據(jù)處理

室內(nèi)數(shù)據(jù)處理過程中有效地保護和恢復地震記錄中的有效寬、高頻反射信息以及提高資料信噪比是資料處理的關鍵，而壓制干擾、提高地震資料的信噪比和分辨率是資料處理的目的［15］。本次數(shù)據(jù)資料處理采用中國地震局活斷層探測專用的GRISYS地震反射處理軟件，處理模塊主要包括靜校正、頻率帶通濾波、二維傾角濾波、正常時差校正（NMO）、共中心點（CMP）疊加、反褶積、時變譜白化（RETWHI）和疊后偏移。針對耿達—隴東斷裂不同通過地段的具體工作環(huán)境、測區(qū)地質構造特征和現(xiàn)場地震記錄特點及室內(nèi)對各種處理流程的試驗對比，特設計了以下數(shù)據(jù)處理流程：數(shù)據(jù)解編及格式轉換→振幅補償→帶通濾波→二維傾角濾波→抽CDP道集→建立速度模型及速度分析［10］→NMO校正及拉伸切除→共反射點疊加→疊后去噪。

其中，速度分析是地震數(shù)據(jù)處理中的關鍵問題之一，采用速度譜分析前宜先做常速度分析，對整個剖面進行變速掃描，初步了解測段整體的速度結構及分布范圍；再按每30個CMP道集做一個速度譜，參考速度掃描，求取一個初始的疊加速度；然后，根據(jù)初選的NMO速度對CMP道集進行動校正和剩余靜校正處理，并將其結果應用于原始CMP道集；最后在剩余靜校正后的CMP道集上進行第二次速度分析，以獲得更為精確的疊加速度。

面波是地震資料處理中最常見的干擾波，能量強且分布范圍廣，對于干擾波和有效波頻率分布差異較大的資料通常可采用高通濾波方法去除面波；但是一般來說，干擾波和有效波頻率分布經(jīng)常重疊，用這種方法有效波也很容易被濾除，尤其是在資料信噪比較低的時候，不宜輕易使用。故針對龍門山南段山間峽谷測區(qū)階地上覆的砂卵礫石層不但影響地震波能量的下傳，而且產(chǎn)生多種多樣的干擾波掩蓋微弱的有效反射信息，尤其是來自淺部的有效信號容易被震源附近強烈的干擾波所覆蓋，降低了地震資料的信噪比。針對這種情況，本項探測工作在數(shù)據(jù)處理過程中，借鑒以往龍門山地區(qū)的地震數(shù)據(jù)處理技術和綜合對比研究本次探測工作中所采集到的地震數(shù)據(jù)，嘗試對比使用不同的去噪方法效果后選取了二維傾角濾波。該方法利用多道傾角濾波法對線性干擾進行壓制，首先對噪聲的頻率和視速度進行分析，根據(jù)其頻率和視速度特征在干擾波的優(yōu)勢頻段內(nèi)分組建立噪聲模型，然后從原始資料中將噪聲減去。這樣消除的噪聲都集中在干擾波覆蓋的區(qū)域，其他部分不受影響。圖4給出了采用二維傾角濾波方法壓制干擾、提高記錄信噪比對比圖，以若必溝電站Ⅰ測線單炮記錄（第1～3炮）為例，在單炮點地震記錄（圖4-A）上，多組不同視速度的線性干擾波掩蓋了記錄上的大部分有效反射，近炮點記錄道上反射信息被淹沒在強烈的面波等干擾之中；而在二維傾角濾波處理之后的地震記錄（圖4-B）上，來自不同深度的反射波清晰可見，尤其是在近地表記錄道上150ms以內(nèi)的淺地層反射波已變得清晰可辨。該方法突出了有效反射波，提高了信噪比，從強干擾噪聲中提取有效反射具有較好的效果，較適宜處理龍門山南段地區(qū)所采集到的地震數(shù)據(jù)。

3 地震剖面解譯

斷裂探測的主要目標是要確定斷層的位置和產(chǎn)狀等因素。在地震疊加時間剖面上通過對反射波組特征、波速變化和地層構造等重點環(huán)節(jié)進行分析，結合地震地質調查結果可以判定斷裂的展布位置，再根據(jù)斷層向第四系內(nèi)部的延伸情況和上斷點埋藏狀態(tài)可進一步研究其活動性。本次探測工作在對測區(qū)內(nèi)地震反射時間剖面上的反射波組的追蹤和識別的基礎上，根據(jù)DB/T 15-2005《活動斷層探測方法》對地震剖面進行斷層判定。根據(jù)反射波組特征識別推測活動斷層及其位置的主要依據(jù)有4點：①反射波同相軸或波組的錯斷；②反射波同相軸數(shù)目明顯增加或減少；③反射波同相軸產(chǎn)狀突變，反射零亂或出現(xiàn)空白區(qū)域；④反射波同相軸的強相位反轉。

圖4 二維傾角濾波處理前后的單炮地震記錄Fig.4 Seismic records before and after the 2-D dip filtering processing

3.1 測線Ⅰ

測線Ⅰ經(jīng)處理后獲得的疊加時間剖面（圖5）信噪比較高，主要發(fā)育的反射波同相軸為P1波組，出現(xiàn)在雙程反射時50ms附近，推測為基巖（白云巖）頂層反射波。該反射波組整條測線上均有發(fā)育、能量較強，以西河左岸Ⅰ級階地上覆砂卵石層等效速度1.5km/s計，對應的界面埋深約37.5m（該深度已得到鉆孔證實）。其中反射波組在CDP73附近的同相軸出現(xiàn)了明顯錯斷、不連續(xù)等異?，F(xiàn)象。據(jù)這些波組異常判定此處為耿達—隴東斷裂的通過位置，該斷裂表現(xiàn)為上沖性質，傾向NW，視傾角65°左右。

3.2 測線Ⅱ

圖6為測線Ⅱ的反射波疊加時間剖面圖，從圖中可以看出反射波組P1整條測線上均有發(fā)育，為白云巖頂面反射波，同相軸出現(xiàn)于雙程時間在40ms附近，以西河左岸Ⅰ級階地上覆層等效速度在1.5km/s左右計算，其對應的界面埋深約30m。該剖面位于測線CDP12處出現(xiàn)了明顯的同相軸扭曲、錯斷，主要表現(xiàn)為反射波同相軸自NW往SE存在的上沖波組呈現(xiàn)分叉、合并現(xiàn)象，符合斷裂構造較為典型的運動學、動力學特征，由此推斷為耿達—隴東分支斷裂的通過位置。該處斷裂傾向NW，視傾角較陡，約80°。由于此次探測在有效勘探深度范圍內(nèi)發(fā)育的反射波組有限，未能接收到更深處的反射信息，故對深層斷層的形態(tài)及性質反映并不明顯。

4 討論與結論

a.針對龍門山斷裂南段狹窄的山間峽谷場地、特有的地形地貌環(huán)境和交通條件不便、山體疏松易塌方等工作條件，經(jīng)現(xiàn)場記錄試驗發(fā)現(xiàn)來自淺部的有效信號容易被震源附近強烈的干擾波覆蓋等特點，采取了小道間距、小偏移距、多道短排列接收和共反射點多次覆蓋觀測的方式，查明了北東向的耿達—隴東斷裂及其分支在寶興縣隴東鎮(zhèn)若必溝一帶的空間展布位置和近地表構造形態(tài)。經(jīng)鉆探資料證實淺層地震反射波法所確定的斷裂位置和基巖面埋深等參數(shù)是準確可靠的，對今后龍門山南段地區(qū)開展的活斷層探測工作具有重要的參考價值。淺層地震探測定位結果結合地震地質調查發(fā)現(xiàn)斷裂通過處零星發(fā)育寶興西河T1、T2階地，但未見較大的河流沖溝發(fā)育和斷錯河流T1、T2階地等現(xiàn)象。

圖5 測線Ⅰ地震反射波疊加時間剖面圖Fig.5 Stack time section of the seismic reflection in Survey lineⅠ

圖6 測線Ⅱ地震反射波疊加時間剖面圖Fig.6 Stack time section of the seismic reflection in Survey lineⅡ

b.根據(jù)已有的研究結果［16］結合龍門山地區(qū)斷裂探測實踐表明，錘擊震源相對于可控震源而言雖激發(fā)的能量較弱，深度約＜100m，但其激發(fā)信號的頻率較高、頻帶較寬、同相軸的連續(xù)性較好，所獲得的地震時間剖面分辨率較高，因此在龍門山斷裂探測工作中，如測區(qū)位于狹窄的山間場地且覆蓋層厚度＜50m，限制了可控震源車或炸藥震源以及長排列觀測系統(tǒng)在這種山間槽谷地區(qū)開展淺層地震反射波法探測的情況下，宜采用錘擊震源和短排列的接收觀測方式；在數(shù)據(jù)處理方面，針對龍門山南段峽谷場地激發(fā)地震波時較強的線性干擾掩蓋近地層反射等情況，尤其是來自淺部的有效信號容易被震源附近強烈的干擾波所覆蓋，本文利用多道傾角濾波法對線性干擾進行壓制，獲得了用于斷層判別和解譯的地震時間剖面。

c.龍門山南段地區(qū)的地形地貌及地質構造較為復雜，既有基巖出露區(qū)，又有分布于河谷、山間的礫石及砂礫石層，且受到不同規(guī)模的斷裂影響，其第四紀沉積厚度也存在不同程度的差異，對于埋深約幾十米的基巖測區(qū)采用淺層地震反射縱波方法探測往往可以取得較好的結果。但由于縱波反射勘探本身受到各種因素的影響，導致其對淺表地層分辨率存在一定的限制；而橫波勘探的分辨率比縱波地震勘探要高，使其在超淺層斷層探測中具有較為明顯的優(yōu)勢，且橫波探測結果能夠彌補縱波探測丟失的近地表構造情況和覆蓋層信息，所以在今后的探測工作中，對于超淺層測區(qū)可以采用橫波反射來探測第四系內(nèi)部的反射層和確定斷層上斷點的位置。在條件允許的情況下，實現(xiàn)縱波反射和橫波反射的聯(lián)合探測，可以清晰掌握斷裂構造由淺至深的空間展布形態(tài)以及揭示近地表更加詳細的分層情況，為進一步研究斷裂活動性和對未來發(fā)震能力評估提供科學依據(jù)。

本文相關的野外探測工作中，還有四川省地震局工程地震研究院其他同事參加；在地震數(shù)據(jù)處理過程中，與楊歧焱博士和顧勤平博士進行過多次有益的交流與探討，在此一并向他們表示衷心的感謝！

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