浅层地球物理方法在广西钦州湾-北海海域断层探测的应用

马胜中

(1.中国地质大学,北京100074;2.国土资源部广州海洋地质调查局,广东广州510760)

浅层地球物理方法在广西钦州湾-北海海域断层探测的应用

马胜中1,2

(1.中国地质大学,北京100074;2.国土资源部广州海洋地质调查局,广东广州510760)

采用浅地层剖面法、单道地震方法和高分辨率2D地震等地球物理方法对广西北海-钦州湾近岸海域的活动断层进行探测。结果证明，浅层地球物理方法在研究活动断层的位置、产状与形态上均具有很好的作用。针对海域干扰因素多环境复杂等不利因素，通过采用新的数据处理方法技术，取得了理想的探测效果，为今后开展断层的探测与研究提供了借鉴。

广西钦州湾-北海；浅层地球物理方法；活动断层

引言

据统计，上世纪死于地震的人数为160万以上，而后50 a地震造成的经济损失约2 000亿美元，2005年12月26日，印尼苏门答腊近海8.9级大地震引发的大海啸波及13个国家，造成二十多万人丧生。2006年12月26日发生于台湾恒春以南的海底强烈地震(7级)导致多条越洋国际光缆的折断，造成了当时国际通讯的中断及巨大的经济损失。频频发生的地震等地质灾害[1-4]，向人类提出了如何防震抗灾的重要问题。事实证明，破坏性地震对城市的威胁和危害越来越大，活动断裂是深大断裂的现代复活运动，它主要表现在晚更新世(Q3)、全新世(Q4)以来的第四系的反复活动。

近年来，一些学者利用浅地层剖面资料在渤海开展了初步的研究工作，如胡政等在1969年渤海地震震中附近进行了浅地层探测，解析了浅层断裂构造特征[5]；赵根模等在渤海湾西部进行了声学剖面探测，发现原来认为第四纪早期已停止活动的断裂在晚更新世—全新世仍有活动[6]；王志才等在山东半岛北部近海海域进行了声波剖面探测，基本查清了蓬莱—威海断裂晚第四纪活动的基本特征平[7]；郑彦鹏等对海河断裂进行了高分辨率人工地震探测，揭示了海河断裂晚第四纪活动的一些特征[8]。但是，总体上目前我国近海海底活动断裂的研究依然处于起步阶段，在海底活动断裂的调查研究中使用的技术方法过于单一，目前主要以单/多道地震探测为主，缺少多种技术手段相结合。

第三纪(距今70 Ma以来)仍在活动着的地质构造称为活动性构造或新构造，仍在活动或断续活动的断裂，称为活动断裂。它们的活动可造成地壳的破裂带，诱发地震发生，形成地壳不稳定区。为此，本文根据大量地球物理、声学探测及海底取样等实测资料（图1）,对广西北海-钦州湾近岸的海底地形地貌、断层以及灾害地质因素进行详细的分析,为该区规划和开发利用海洋资源提供了必需的科学依据。

1 区域构造体系及活动断层特征

中元古代以来，广西地区共发生20余次构造运动[9]，其中四堡、广西、东吴、印支及燕山运动最为强烈，是具有造山性质的运动。区内岩浆活动频繁，构造形变以断裂构造为主。

广西钦州-北海地处中国东南部大陆边缘活动带的西南端，位于欧亚板块、太平洋板块和印度洋板块交汇处。由于经历了多次构造运动，且每次构造运动相应形成了一系列深度、规模和性质都有差异的断裂带，同时断裂带之间互相切割和控制，造成断裂构造的复杂性。

沿海断裂有NE向、NW向、近EW向和SN向四组，主要有：NE向的防城—灵山断裂带（F2）、合浦—博白断裂带（F3）；NW向的钦州湾断裂（F4）、百色—铁山港断裂带（F5）、犀牛脚—北海断裂带（F16）、靖西—崇左断裂带（F17）；近EW向的断裂有那丁断裂（F10），和SN向断裂一般为小断裂。其中，NE向断裂带规模和范围最大，多被NW向断裂切割并错动，表明NW向断裂生成较晚。

活动性构造总是通过现代地形地貌、活动断裂、活动盆地、地震活动、地壳形变、温热泉、古地温、崩塌滑坡、海平面升降等表现出来,认真分析它们的活动情况和规律,对查明地质构造稳定性具有重要意义。

根据各种资料，广西钦州湾-北海海域主要活动断裂有5条。

NE向的防城—灵山断裂带（F2）、合浦—博白断裂带（F3）；NW向的钦州湾断裂（F4）、犀牛脚—北海断裂带（F16）、靖西—崇左断裂带（F17）构成广西钦州湾“X”型活动断裂主体格架，对地质构造稳定性影响最大。

2 浅层地球物理探测

活动断裂判别标志有很多，如遥感影像标志有新构造时期活动断裂常具清晰醒目的线状标志；地质等其它标志有切割第三系或第四系的断层，控制水系走向的断层和已获得第四纪同位素年龄值的断层。实践证明，浅地层剖面法、单道地震等方法在研究活动断层的位置、产状与形态上均具有很好的作用。本文采用浅层地球物理方法对广西钦州-北海近岸海域的活动断层进行探测。

2.1 浅地层剖面测量

浅地层剖面测量是一种基于水声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。可以获得海底沉积结构和地层变化的界面信息，应用于水下工程勘察和海洋地质研究的诸多领域。

浅地层探测仪器的工作原理，主要是通过换能器将控制信号转换为不同频率(一般在100 Hz～10 kHz之间)的声波脉冲向海底发射，该声波在海水和沉积层传播过程中遇到声阻抗界面，经反射返回换能器转换为模拟或数字信号后记录下来，并输出为能够反映地层声学特征的记录剖面。

浅地层剖面的工作原理与多波束测深和旁侧声纳相类似，区别在于浅地层剖面系统的发射频率较低，产生声波的电脉冲能量较大，发射声波具有较强的穿透力，能够有效穿透海底数十米的地层[10-11]，地层分辨率在8 cm以上。它可以提供调查船正下方地层的垂直剖面信息，它可以准确地反映出地层界面及可能存在的浅层气、浅断层和古河道等海底地质灾害因素或其它物体（如管线）。浅地层剖面仪的穿透深度则因工作频率和海底沉积物类型的不同而异。

本次调查浅地层剖面测量系统采用德国INNOMAR公司SES-96参量浅层剖面系统，外接涌浪补偿系统，可输出水深数据。采用发射功率18 kW，主频100 kHz，差频4～12 kHz，在调查中一般使用差频8 kHz，探测到的地层分辨率较高（图2）。

2.2 单道地震剖面测量

单道地震记录系统由单道数据采集处理系统、震源系统、信号接收电缆、记录仪组成。主要用于了解中、浅地层结构，浅层气、浅地层断裂等灾害的发育情况。

单道地震与油气地震勘探技术具有相同的工作原理，不同的是，单道地震探测技术中震源能量小、频带宽(几十赫兹到几千赫兹)、主频高(几百赫兹到上千赫兹)，一般选用电火花和气枪作为震源，能量从几十焦耳到几千焦耳，地层的穿透深度从几十米到数百米。在工程调查中一般使用电火花震源，选择250～540 J的激发能量，每秒激发二次的速率，同时在水中激发时产生的能量主频较高，提高了记录的分辨率[12]。单道地震能够有效穿透海底数百米的地层，地层分辨率在0.5 m以上。它可以提供调查船正下方地层的垂直剖面信息，它可以准确地反映出地层界面及可能存在的浅层气、浅断层和古河道等海底地质灾害因素（图2、图3）。

2.3 高分辨率2D多道地震剖面测量

高分辨率2D地震资料的采集一般使用48道或96道多道地震电缆，近岸常常使用24道电缆，缩小偏移距，为了避免虚反射对高频成分的压制作用，震源和检波器电缆的沉放深度比较浅，一般震源的沉放深度3 m，电缆的沉放深度4 m。地震震源一般是小容量GI气枪震源或套筒枪组合震源，以保证产生高频率的地震子波。这种方法采集到的地震资料频带可达20～350 Hz，比常规的地震采集资料的频带(20～50 Hz)要高得多，可以满足识别薄层及地层结构的需要，提高了精度。

图1 调查范围、测线和取样站位

图3 单道地震剖面显示的近似直立的断层

3 海域探测结果

采用浅层地球物理方法探测得到的资料，根据其声学特征所反应的地震相，利用反射波组的振幅、频率、连续性、波形和反射形态的相对变化，反射波组错断、出现断层绕射波或反射波组明显的下拉来识别断层，并得到如下结果：

按其方向，广西钦州湾-北海海域活动断裂可归纳为NW向、NE向2组为主（图4），构成“X”型活动断裂主体格架。

3.1 NE向断裂组

图4 钦州湾断裂构造(据广州海洋地质调查局资料编)

（1）合浦—博白断裂带（F3），自合浦经博白、玉林至北流延伸，南西端进入北部湾海域。总体走向呈NE50～60°，倾向南东，倾角10～80°。断裂所经之处为南流江河谷低地，水系受断裂控制。其北西侧有高达千米的六万大山和大容山，南东侧有云开大山，地貌反差十分明显，断层山、断层崖以及洪积扇极为发育。断裂主要由合浦—博白断裂、北海—东平断裂、福成—东平断裂等三条平行的主干断裂以及几条次级断裂组成。

它的南西端进入北部湾海域后，在第四纪地层及前侏罗系基底内部表层断裂极为发育。合浦—博白断裂带分为三支（以下称为北部断裂带F3-1、中部断裂带F3-2、南部断裂带F3-3）以北东向、北东东向穿过研究区，且每一段又都是断裂带，是由一系列向西南呈喇叭状分布的NE向断层组成。

合浦—博白断裂带在钦州湾海域的北部断裂带、中部断裂带、南部断裂带之间为断陷型盆地。断层大多朝凹陷的主体部位呈阶梯状断落，并被一系列北西向张剪性断层所错断和复杂化。合浦--博白断裂带为一组地堑和地垒构造组合，控制该地堑北侧边界的断裂带由多条密集排列的阶梯状正断层组成，该地堑构造形成NE向的狭长形断陷型盆地，断层的走向大多与局部凹陷构造展布的方向一致。断裂延入前新四系基底，并控制基底的起伏变化。

燕山运动晚期以来，该断裂带一直在强弱不等地持续活动，直接控制着合浦盆地的形成和发展，该断裂带在全新世有活动。

根据合浦—博白断裂带的走向和性质，从图2中看出反射波组发生错断，断层断至全新世底界R1，认为它是活动断裂，可能在研究区西南外接涠西南大断层，涠西南大断层是涠西南凹陷北部边界断层[13]。茹克等人认为晚白垩世产生了涠西南凹陷及其北部边界断层。

（2）钦防—灵山断裂带(F2)，规模较大，沿十万大山和六万大山北侧延伸，经灵山、钦州、防城至东兴，进入北部湾。钦州湾一带的海岸、海湾和岛屿形态受此断裂控制，均显示十分平直和受到挤压破碎，北东向线性和带状形迹明显。史料记载，历史上发生过有感地震61次，其中，6级以上地震1次，5级以上地震1次，4.75级以上地震5次。防城－灵山断裂带在中更新世以来（约100万a）一直在活动，最新活动年龄为1 500 a，说明在第四纪以来一直在活动[14]。

3.2 NE向断裂组

（1）钦州湾断裂带（F4），是一条沿钦州湾深水港线320°走向的隐伏断裂，在钦州港见有挤压陡立带。向SE延伸至涠洲岛、斜阳岛。在该断裂与钦防--灵山断裂带交汇处，茅岭江由NE向拐折为NW向，拐折角近90°。涠洲岛第四系火山活动发育于该断裂带上。钦州湾断裂带进入北部湾海域，北西向穿过研究区西南部，走向320～350°，由一系列相互平行的断层组成（主要为F4-1，F4-2，F4-3，F4-4，F4-5断层），是左行平移断层，倾角较陡，甚至直立（图3）。

（2）靖西--崇左断裂带（F17），在研究区的西南部通过，走向300～330°，由一系列相互平行的断层组成（主要为F17-1，F17-2断层），是左行平移断层，倾角较陡。

（3）犀牛角—北海断裂带（F16），在研究区的东北角北西向经过，向SE延伸至北海，在该断裂与合浦断裂带的中部断裂带交汇处，走向有变化，是平移断层，倾角较陡。

NE向的断裂被NW向断裂切割并错动，表明NW向断裂生成较晚。这些断裂第四纪以来一直在活动，这些断裂在陆区的最新活动年龄为0.15万a，断裂深度为±20 km，属于浅源地震，地震活动度为Ⅱ-Ⅲ度。研究区目前地震活动处于第二活动期的相对活跃期，地震活动较强的有NE向的合浦--博白断裂带和钦防--灵山断裂带[14]。

地震活动与断裂关系很密切，地震是断裂活动的表现形式之一。断裂错动达及地表或发生新的构造变动时，如在强烈地震作用下产生地震断层或地裂缝，则直接危及人身安全和破坏工程建筑。活动断裂的交汇地带是发生强烈差异运动的场所，经常伴生地震，引发次生地质灾害。根据《广西地震资料》，自公元288～1966年本区发生100余次地震，其中90%以上地震多发生在北东向断裂或北东与北西向断裂交汇处。

4 结论

广西钦州湾-北海海域具有优越自然条件、西部大开发的机遇以及复杂的海洋工程地质特征。海底地形地貌较为复杂，存在断层等灾害地质因素,对海上构筑物存在直接或潜在的危险性。尤其断层很发育，而且是活动断层，是海底工程建设的危险区,应引起高度重视。

最近由广州海洋地质调查局开展的一些项目中，在广东大亚湾近岸水域中对延伸至海域中活动断裂进行了调查，采用的方法主要有单/多道浅层地震探测和海上钻孔，取得了良好的效果（图5）。

图5 多道地震剖面显示的断层

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Abstract：The comprehensive geophysics methods to detect active faults of the sea area in Qinzhou Bay-Beihai,Guangxi Province is used.The experiment proves that using the geophysics methods such as sub-bottom profiling,single-channel seismic,high-resolution 2D seismic prospecting to study the position and form of active fault is feasible.The good effect has been gotten on active fault.In view of the disadvantages such as many interfering factors and complex marine environments,some new data processing methods and technology are used.The obtained idea survey effect can be used for reference in active fault detection.

Key words:Qinzhou Bay-Beihai;shallow geophysics method;active fault

Application of Shallow Geophysical Method to Detect Active Fault in Nearshore of Qingzhou Bay-Beihai

MA Sheng-zhong1,2

（1.China University of Geosciences,Beijing 100074,China;2.Guangzhou Marine Geological Survey,the Ministry of Land and Resources,Guangzhou Guangdong 510760,China）

P736

A

1003-2029（2010）02-0020-05

2010-01-18

我国重点海岸带滨海环境地质调查与评价-北部湾广西近岸海洋地质环境与地质灾害调查资助项目（12120106 11403）

马胜中（1968-），男，广东兴宁人，高级工程师，中国地质大学（北京）工程硕士研究生，从事海洋环境地质、灾害地质和综合地质地球物理研究工作。（E-mail：sz-ma@163.com）