楊吉武，趙立波，黃書(shū)華

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

1 引 言

隨著城市化進(jìn)程越來(lái)越快，城市建設(shè)過(guò)程中遇到的問(wèn)題之一就是隱伏斷裂，而現(xiàn)代城市基本都被第四系所覆蓋，靠傳統(tǒng)的地質(zhì)填圖很難找出隱伏斷裂的位置。以前地震勘探在石油領(lǐng)域應(yīng)用得比較多，近年來(lái)淺層地震勘探在城市地質(zhì)調(diào)查和工程地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多[1-8]。目前淺層地震勘探主要以反射波法和折射波法為主，反射波法又分為橫波反射法和縱波反射法，通?？v波波速比橫波波速大5～10倍，縱波反射法具有激發(fā)簡(jiǎn)單、探測(cè)深度大、施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在劃分具有一定厚度的沉積地層層序方面效果較好[9-12]；但是在覆蓋層較薄地區(qū)，由于目的層埋深淺， 反射窗口小， 且震源干擾波較強(qiáng)、面波發(fā)育，較難取得高信噪比資料，而橫波具有速度低、波長(zhǎng)短等特點(diǎn)，在縱橫向分辨率上均比縱波勘探有優(yōu)勢(shì)，橫波反射法比縱波反射法的分辨率和解譯精度更高，對(duì)淺部松散層分層具有較好的探測(cè)效果[13-18]。本文以中山市城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中斷裂探查為例，討論了橫波勘探方法在城市隱伏斷裂探測(cè)中的應(yīng)用效果。

2 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況

中山市在地質(zhì)構(gòu)造體系屬于華南褶皺束的粵北、粵東北、粵中坳陷帶內(nèi)的粵中坳陷。 市內(nèi)出露地層以廣泛發(fā)育的新生界第四系為主，出露基巖以大面積的花崗類(lèi)巖石為主，主要分布在中部五桂山地區(qū)，在北部、中部和南部出露有古生界、中生界地層和北部零星出露的元古界震旦系的古老地層。第四紀(jì)松散沉積物廣泛分布于市內(nèi)，成因類(lèi)型復(fù)雜，主要為河口三角洲沉積，局部為陸相沉積， 巖相巖性及沉積物厚度多變。五桂山南斷裂走向大致為57°，斷裂在地貌上反映較明顯，五桂山南坡的斷層三角面發(fā)育， 航片、衛(wèi)片的線性影像明顯。 斷層在逸仙水庫(kù)西南表現(xiàn)為燕山期花崗巖與寒武紀(jì)八村群呈斷裂接觸。在東方紅水庫(kù)一帶，斷裂走向 56°，傾向北西，傾角 84°；斷面較平直，破碎帶寬 30～50 m，構(gòu)造巖有斷層角礫巖、硅化碎裂花崗巖、壓碎硅質(zhì)巖等，帶內(nèi)及其旁側(cè)發(fā)育著密集石英細(xì)脈群，巖石強(qiáng)烈擠壓破碎，航片上山谷山脊線性影像清晰。該斷裂帶航磁反映比較明顯，地磁異常也特別明顯，ΔZ低于圍巖背景值3 倍以上，平面上以密集的負(fù)值沿?cái)嗔炎呦蚍植肌?1970 年以來(lái)，沿該斷裂多次錄到ML2～4 級(jí)地震。

2.2 地球物理特征

測(cè)線區(qū)地表平坦，對(duì)開(kāi)展地震勘探比較有利。據(jù)地質(zhì)和物探資料，區(qū)內(nèi)第四系地層厚度15～25 m，第四系地層內(nèi)部具有明顯沉積顆粒差異的地層之間、松散沉積層與花崗巖地層之間的波速及密實(shí)度差異較大，具有明顯的波阻抗界面，這些界面因能夠形成較強(qiáng)的反射波而被記錄下來(lái)，具有良好的淺層地震地質(zhì)條件。

3 勘探原理和方法技術(shù)

3.1 橫波反射法原理

橫波反射法勘探就是利用震源激發(fā)橫向地震波，地震波通過(guò)各巖層產(chǎn)生反射，地震勘探儀器記錄下反射波的傳播途徑、震動(dòng)強(qiáng)度、速度、振幅、頻率等參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)因?yàn)榉瓷浣橘|(zhì)的不同而發(fā)生變化，因此通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，就可以推斷出地下巖石或者是地層的所屬類(lèi)型以及分布特征，從而達(dá)到工程地質(zhì)勘查的目的[19,20]。反射波的到達(dá)時(shí)間與反射面的深度有關(guān)，據(jù)此可查明地層埋藏深度及其起伏。反射法觀測(cè)廣泛采用多次覆蓋技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可以削弱多次波干擾[21-24]。

3.2 野外施工參數(shù)選取試驗(yàn)

本研究選用德國(guó)DMT公司的SummitⅡplus高分辨率數(shù)字地震儀采集數(shù)據(jù)。該地震儀與常規(guī)的地震儀相比，動(dòng)態(tài)范圍大，不易引起波形畸變，具有模擬帶通濾波、低通濾波功能以及假頻抑制功能，尤其是排列長(zhǎng)度和道距可以根據(jù)實(shí)際勘探目標(biāo)隨意改變，分布式設(shè)計(jì)使其在野外操作更為方便靈活；檢波器為 28 Hz 橫波傳感器；震源采用24磅重錘錘擊豎立于坑內(nèi)的鐵質(zhì)墊板。

淺層地震勘探觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理是獲得良好探測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵，因此為更好地確定橫波反射的參數(shù)，開(kāi)展長(zhǎng)排列實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)工區(qū)的干擾波波組、有效波組及勘探深度的綜合認(rèn)識(shí)，選取最小偏移距、炮間距、覆蓋次數(shù)和接收道數(shù)最佳觀測(cè)窗口[16]，以保證施工質(zhì)量及實(shí)現(xiàn)勘探目的。

長(zhǎng)排列試驗(yàn)采用1 m道間距，中間放炮，偏移距1 m，6次錘擊疊加系統(tǒng)，濾波通帶為全通，采樣間隔為0.25 ms，記錄長(zhǎng)度1 024 ms。通過(guò)擴(kuò)展排列試驗(yàn)和干擾背景調(diào)查，了解各種干擾波的分布特征，為合理選取偏移距及最大炮檢距等參數(shù)提供依據(jù)。從長(zhǎng)排列的時(shí)間剖面上看(圖1)，170～260 ms之間反射波同相軸明顯，但0～24和 80～96樁號(hào)之間可接收到反射波能量較弱，在經(jīng)過(guò)抽取96道2 m道間距排列和24道2 m 道間距排列(圖2)對(duì)比可以看出，24道2 m道間距排列對(duì)反射波組的能量集中，記錄更加清晰明了，最終確定施工所用的排列長(zhǎng)度為24道2 m 道間距。為了勘查五桂山南斷裂，本次工作共布設(shè)2條地震測(cè)線，分別為DZ01和DZ02。

圖1 96道長(zhǎng)排列試驗(yàn)Fig.1 96-channel arrangement test

圖2 96道2 m道間距和24道2 m道間距對(duì)比Fig.2 Comparison of 96-channel 2-meter track spacing and 24-channel 2-meter track spacing

3.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)處理步驟為：解編→預(yù)處理→球面擴(kuò)散補(bǔ)償→疊前濾波→道間平衡→抽 CDP道集→速度分析→動(dòng)校正→自動(dòng)剩余靜?！B加→疊后濾波→修飾處理→AGC→剖面打印→初步解釋→時(shí)間剖面輸出。

其中主要節(jié)點(diǎn)的功能及參數(shù)如下：預(yù)處理時(shí)對(duì)反相道反相、不正常道切除；疊前濾波主要為頻率帶通濾波，濾波的截止頻率由原始記錄中的頻譜分析結(jié)果決定；道間平衡將各道的總能量調(diào)整為同一水平；CDP道集選排按多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行抽取共炮點(diǎn)道集；速度分析主要為相似性頻譜分析法，通常 10個(gè)炮點(diǎn)選擇一個(gè)速度節(jié)點(diǎn)，在差異較大的炮點(diǎn)適當(dāng)增加速度節(jié)點(diǎn)，從圖3速度譜中根據(jù)反射波同相軸疊加能量最強(qiáng)的原則拾取疊加速度，把同相軸校正至水平，說(shuō)明拾取的速度為該同相軸的最佳速度；應(yīng)用速度分析確定的二維速度模型對(duì)超級(jí)CDP道集進(jìn)行動(dòng)校正。資料處理是淺層地震勘探中重要的工作環(huán)節(jié)，根據(jù)本次淺層地震的特點(diǎn)、測(cè)區(qū)淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，為了提高垂向分辨率和空間定位精度，加強(qiáng)了速度分析、面波及地表波處理、反褶積和偏移等方面的資料處理工作。通過(guò)對(duì)比分析水平疊加與偏移成像效果，圖4結(jié)果顯示，偏移成像對(duì)于剖面的干擾波起到了收斂作用，提高了剖面橫向分辨率。

圖3 速度分析譜Fig.3 Velocity analysis spectrum

圖4 水平疊加剖面與偏移成像剖面對(duì)比Fig.4 Comparison between horizontal superimposed profile and migration imaging profile

4 地震時(shí)間剖面解釋

野外采集的地震資料經(jīng)過(guò)數(shù)字處理之后，得到的主要成果資料是經(jīng)過(guò)水平疊加(或偏移疊加)的時(shí)間剖面。它們是反射波資料進(jìn)行地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)。在一般情況下，通過(guò)時(shí)間剖面上波的對(duì)比，可以確定反射層的構(gòu)造形態(tài)、接觸關(guān)系以及斷層分布等情況。對(duì)斷裂的識(shí)別主要依據(jù)以下幾個(gè)方面：①反射波同相軸錯(cuò)位；②反射波同相軸突然增減或消失，波組間隔突然變化；③反射波同相軸產(chǎn)狀突變，反射零亂或出現(xiàn)空白帶；④反射波同相軸發(fā)生分叉、合并、扭曲、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。

在收集與本研究相關(guān)地質(zhì)、鉆探資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合本次地震勘探資料分析，根據(jù)各測(cè)線的地震時(shí)間剖面，進(jìn)行有效反射相位對(duì)比和同相軸追蹤，重點(diǎn)是基巖面反射相位的連續(xù)追蹤，其次是對(duì)覆蓋層內(nèi)反射層位的對(duì)比分析，繪制測(cè)線的時(shí)間解釋剖面圖。

圖5為DZ01時(shí)間剖面圖。從圖5可以看出，在時(shí)間剖面上共識(shí)別出2個(gè)反射波組，標(biāo)識(shí)為T(mén)0和T1。T1層反射波組連續(xù)性較差，是黏土層與全風(fēng)化層分界面，雙程時(shí)間為150 ms左右，在樁號(hào)180～200之間出現(xiàn)了反射強(qiáng)弱相間；T0層為基巖界面，是全風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層的分界面，反射波組連續(xù)性較好，雙程時(shí)間為180 ms左右，結(jié)合地質(zhì)資料推斷T1層為強(qiáng)風(fēng)化層界面，在樁號(hào)190左右反射波組出現(xiàn)了明顯錯(cuò)斷，推斷為斷裂引起所致。

圖6為DZ02時(shí)間剖面圖。從圖6上可以看出，DZ02線共識(shí)別出兩個(gè)反射波組T0、T1。T0波組連續(xù)，反射波能量最強(qiáng)，，T1波組反射波能量稍弱些，T0層雙程旅行時(shí)間190～330 ms，界面較起伏，界面清晰，振幅均一。在樁號(hào)30～34間，反射波組發(fā)生錯(cuò)斷，斷距雙程時(shí)差達(dá)120 ms左右，推斷為斷裂；T1層雙程旅行時(shí)間為150 ms左右，界面平整，反射波能量一般，界面較清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯構(gòu)造異常。

5 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)本次地震勘探結(jié)果，分別在DZ01線樁號(hào)190號(hào)和DZ02線樁號(hào)30號(hào)的位置布置驗(yàn)證鉆孔ZK01和ZK02，鉆探驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖7。

從圖7可知，地震剖面推斷的斷裂位置得到了很好的驗(yàn)證。ZK01揭示在孔深21 m處風(fēng)強(qiáng)風(fēng)化碎裂巖，巖塊呈棱角狀，沿裂面見(jiàn)構(gòu)造擦痕，往下巖芯都還很破碎，與地震剖面反映基本吻合。ZK02提示地層與ZK01一致，在孔深36～42 m處巖芯出現(xiàn)石英脈晶洞、裂隙面綠泥石化現(xiàn)象及構(gòu)造角礫巖，這些都是斷裂的特征，因此地震剖面得到了很好的驗(yàn)證。

圖7 ZK01剖面和ZK02剖面Fig.5 ZK01 profile and ZK02 interpret profile

6 結(jié) 語(yǔ)

在開(kāi)展隱伏探測(cè)之前，通過(guò)對(duì)工作區(qū)開(kāi)展地震橫波勘探長(zhǎng)排列試驗(yàn)，了解工作區(qū)地震波地球物理特征，分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果后選取最佳施工參數(shù)，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，且提高了施工效率。

通過(guò)對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理后得到了地震剖面，分析對(duì)比地震剖面后推測(cè)出隱伏斷裂構(gòu)造的位置，經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證與地震剖面信息基本吻合，說(shuō)明用橫波地震對(duì)隱伏斷裂的勘探是可靠的，對(duì)以后同類(lèi)勘探有著借鑒意義。