活动断裂探测的高分辨率地震数据采集技术1

赵成彬 刘保金 姬计法

（中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002）

活动断裂探测的高分辨率地震数据采集技术1

赵成彬 刘保金 姬计法

（中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002）

高分辨率浅层地震勘探技术能够较准确地探测活动断层的位置、性质，并初步研究断裂的活动性。作者在夏垫断裂上采用不同激发震源、不同道间距、不同观测系统参数的探测方法，获得了多条高质量叠加时间剖面图，图中清晰地显示了从几米到几百米深度范围内的地层结构和构造特征。通过对这些叠加时间剖面的分析，获得了不同激发震源、不同道间距、不同观测系统参数时间剖面的分辨率。给出了对于不同的探测目标层埋深和精度要求所适用的探测方法和工作参数，为提高断层探测的分辨率和活动断层最新活动时代的确定精度奠定了良好的基础。

活动断层 高分辨率 纵横波 可控震源 时间剖面

引言

在城市防震减灾工作中，活动断层探测及其断层活动性鉴定是城市地震危险性评价的一项重要内容。大量震例表明，巨大的城市地震灾害主要是由于隐伏于城市之下的活断层突发性快速错动导致发生“直下型”地震引起的，这种断层的活动对城市建筑造成了严重的破坏和巨大的人员伤亡及经济损失。活断层不仅是产生地震的根源，而且当地震发生时沿断层线的破坏最为严重，人员伤亡也明显大于断层两侧的其它区域。因此，采用有效手段开展城市活断层的探测与地震危险性评价，准确了解活断层的分布和危害性，确定断层的位置和最新活动时代，以便采取有针对性的防震减灾措施，已成为减轻城市地震灾害的一项极其重要的工作。

隐伏断层的探测和断层活动性初步鉴定方法较多，目前所采用的物探方法主要有高精度重力测量、多道直流电法勘探、探地雷达探测和浅层人工地震反射勘探、折射勘探和面波勘探（邓起东等，2007；朱涛等，2007；赵成斌等，2001a）。由于反射地震勘探精度较高，探测深度范围大，适用性强，因此应用较多（王运生等，2007；潘纪顺等，2003；薛荣俊等，1999；柴铭涛等，2007；赵成斌等，2007）。反射地震勘探目前大多采用纵波反射方法，由于纵波反射勘探受各种因素的影响，对浅表地层分辨率受到一定限制，而城市活动断层探测工作不仅要求准确确定断层的位置，而且更重要的是确定断层的上断点埋深和断层的最新活动年代，因此要求探测成果的分辨率要高，分辨薄地层的能力要强。由于纵波的传播速度高、波长长，对薄地层的分辨能力低；而横波在地层中的传播速度低、波长短，因此对薄地层的分辨能力高，有利于更加准确地确定断层的上断点埋深和判定断层的最新活动年代（王永等，2007；邱洁等，1999；赵成斌等，2001b；胡宁等，2007）。因此，在中国地震局“十五”重点项目“中国数字地震观测网络”项目的“城市活断层试验探测”工作中，开展了“高分辨率地震数据采集技术”的研究，以便获得一套高分辨率地震数据采集方法，用以指导城市活断层探测和城市防震减灾工作中的断层活动性鉴定工作。

1 地震数据采集

分辨率和信噪比是地震勘探的2个重要指标。获得高分辨率和高信噪比的记录是获得好的探测结果的关键。分辨率主要与地震波的波长有关，另外还与信噪比有关，而地震波的波长取决于地震波的速度和频率。要想提高地震波的分辨率，除提高地震记录的信噪比之外，还要设法减小地震波的波长。本文所论述的“高分辨率地震数据采集技术”是通过对不同的激发震源、不同的观测系统参数的数据采集方法的研究，来获得一套适合于城市活断层探测和断层活动性初步鉴定的地震数据采集方法。

1.1 测线位置

为了获得具有代表性的研究结果，我们把目标断裂选在了研究程度较高的夏垫断裂上。夏垫断裂是华北平原区北部的1条重要的隐伏活动断裂，它是北京东侧大厂凹陷和通县凸起2个第四纪构造单元间的边界断裂（图1）（车兆宏，1993），其断距较大，活动性较强，覆盖层较厚。受夏垫断裂正断倾滑运动的影响，大厂凹陷持续沉降，堆积了厚约600—700m的第四系松散沉积物；通县凸起相对隆升，第四系松散沉积物厚度仅300—400m（徐锡伟等，2000）。研究表明，夏垫断裂两侧第四纪下更新统夏垫组的垂直位移达 319m，中更新统翟里组的垂直位移达139m，上更新统军营组的垂直位移达15m（李鼎容等，1979；彭一民等，1981）。根据夏垫断裂的性质和断裂两侧的地层特征，我们判断在夏垫断裂上开展试验研究有可能获得较好的结果。为此，我们在夏垫断裂上布设了1条浅层地震测线，测线位于潘各庄和齐心庄之间（见图1），全长1100m。

图1 夏垫断裂地质构造及测线位置图Fig. 1 Location of the reflection profile crossing Xiadian fault

1.2 数据采集方法

（1）仪器设备

地震数据采集利用德国DMT公司生产的具有高抗干扰能力、高灵敏度、大动态范围的SUMMIT 高分辨率遥测数字地震仪。纵波激发震源采用井中炸药爆炸震源，井深3m，药量300g；横波激发震源采用锤击扣板震源和横波机械可控震源。纵波探测采用4个/串的100Hz高频检波器；横波探测采用4个/串的38Hz横波检波器。

（2）工作方法和观测系统

浅层高分辨率地震数据采集采用了3种不同方法、不同参数的探测试验，主要包括：2m道间距的纵波探测；2m道间距的横波探测；0.5m道间距的横波探测。数据采集时采用中间追逐激发、双边接收的多次覆盖观测系统，观测系统参数分别为：

纵波测线：道间距2m，中间激发，200道接收，20次覆盖，炸药震源。

横波测线（可控震源）：道间距2m，中间激发，120道接收，20次覆盖，18吨横波机械可控震源。

横波测线（锤击震源）：道间距0.5m，中间激发，120道接收，15次覆盖，24磅锤击扣板震源。

2 地震反射剖面分析

2.1 速度剖面特征

图2 纵波和横波速度对比Fig. 2 Velocity profile of P wave and S wave

图2的速度剖面是由纵波和横波反射原始地震记录经过速度分析获得的，图中数值和等值线为层速度。该测线地下500m以上地层的纵波速度在1300—2500m/s之间，横波速度在100—800m/s之间，二者相差较大。在近地表纵波速度是横波速度的13倍左右，在500m深度约为3倍。图2中的纵波速度和横波速度在横向上也存在差异，在100m以上，纵波速度和横波速度等值线基本都呈水平形态，横向变化不大。在100m以下，横波速度横向仍变化不大，速度等值线基本都呈水平形态；而纵波速度明显变化较大，而且有越往深处变化越大的趋势，明显表现出局部变化剧烈的趋势。这可能是由于不同位置的地层介质对纵波和横波的传播存在差异所造成，也可能是由于地层介质的各向异性所造成。

2.2 反射时间剖面特征

2.2.1 纵波和横波剖面分辨率对比

图3为纵波和横波剖面及相应的频谱对比，道间距为2m。在图3中这2条剖面反射能量都较强，反射震相都较多，由此所反映出的断裂构造特征也比较清楚。从图3的左图可以看出，井中炸药震源激发的纵波剖面频率较高，频带较宽，主要能量集中在10—140Hz左右。机械可控震源激发的横波剖面频率较低，频带较窄，主要能量集中在 10—80Hz左右。虽然纵波剖面比横波剖面的频率高、频带宽，但是由于横波剖面的速度比纵波剖面低得多，因此横波的波长比纵波的波长短。根据图2给出的纵波速度在1300—2500m/s之间，横波速度在100—800m/s之间，由此可以看出，纵波剖面的波长远远大于横波剖面的波长，这一点从剖面上的反射波组特征也可以看出。在纵波剖面上可以识别出7组反射能量较强、横向连续性较好的反射震相（T1—T7），而在横波剖面上可以识别出13组反射能量较强、横向连续性较好的反射震相，其中除纵波剖面上的T1—T7反射震相之外，还出现了6组反射震相（T01、T02、T11、T12、T21和T41），表明横波剖面分辨薄地层的能力强。根据已有钻孔资料（徐锡伟等，2000），T7震相应为第四系底界的反射波，其它震相均为第四系内部地层的反射波，主要为砂层和粘土分界面产生的反射波，其中所反映的最浅地层在3m左右，所分辨的地层厚度约2—3m。横波剖面不仅反映的地层层位较多，而且对断层的反映也更加清晰。在图3右图的横波剖面上，由于断层所造成的反射同相轴的分叉、扭曲、畸变和错断特征都比图3左图的纵波剖面明显，断层的位置、形态、特征和上断点都更加清晰，表明横波剖面比纵波剖面的分辨率高。

图3 纵波和横波剖面对比Fig. 3 Time section of P wave and S wave

2.2.2 不同道间距横波剖面分辨率对比

图4为不同道间距横波剖面对比，其中左图为4m道间距剖面，右图为2m道间距剖面。由于2条剖面采用的是同一种横波机械可控震源和相同的激发参数，因此剖面的纵向分辨率基本相同，在剖面上都能看到10组反射震相T01、T02、T1、T11、T12、T2、T21、T3、T4、和T41，但是横向分辨率明显不同，左图的横向分辨率明显低于右图的横向分辨率，右图剖面同相轴的连续性明显提高，同相轴形态更加清晰。断层的位置、破碎带宽度和上断点位置都更加准确，断层的形态和特征也更加清楚。从图4的剖面还可以看出，在500ms（深度60m）以上，2m道间距剖面的横向分辨率提高明显；而在500ms（深度60m）以下，横向分辨率提高不明显。这说明了一个问题，即地震勘探的横向分辨率不仅取决于第一菲涅尔带的宽度，而且还取决于勘探时所采用的道间距。由于地震波越往下传播高频成分衰减越快，频率越低，同时地震波的速度也越往下越高，导致第一菲涅尔带越往下越宽，因此在深部第一菲涅尔带的宽度在横向分辨率上起了主要作用，只要采用合适的道间距一般不会因道间距影响横向分辨率。但是在浅部，地震波频率较高，速度较低，第一菲涅尔带的宽度较小，如果道间距相对过大，则会影响剖面的横向分辨率，这就是图 4中左图剖面的横向分辨率在500ms以下基本没受影响，而在500ms以上明显受到影响、剖面的横向分辨率明显降低的原因。

图4 不同道间距横波剖面对比Fig. 4 S wave time section with different group intervals

2.2.3 不同震源横波剖面分辨率对比

图5为不同震源横波剖面的对比，其中左图为24b大锤横波剖面和相应的频谱图，道间距0.5m，右图为机械可控震源的横波剖面和相应的频谱图，道间距2m。对比左、右图可以看出，锤击横波剖面相对机械可控震源横波剖面能量较弱，但分辨率较高。从右图可控震源剖面上可以分辨出4组能量较强、较连续的反射震相T01、T02、T1和T11，但在左图锤击横波剖面上除这4组反射震相外，还可以看到多组能量较强、较连续的反射震相，如在T01和T02之间、T02和T1之间以及T1和T11之间都还存在1至2组反射震相，这表明锤击震源虽然激发的能量较弱，但激发信号的频率较高，因此所获得的剖面分辨率较高，分辨薄层的能力强，能分辨的最浅地层深度为3m左右。从各自的频谱图也可以看到这一点，锤击横波剖面的频率较高，频带较宽，主要能量集中在10—180Hz左右。机械可控震源横波剖面频率较低，频带较窄，主要能量集中在 10—80Hz左右，因此锤击激发的横波波长比机械可控震源激发的横波波长短，所以锤击横波剖面的分辨率高于机械可控震源的分辨率。另外，从剖面150ms以上部分还可以看出左图不仅分辨率有所提高，同相轴的连续性也明显变好，这表明随着震源激发频率的提高和道间距的减小，地震剖面的纵向和横向分辨率都得到了显著的提高，剖面上所反映出的断点 FP2更加清楚，断点位置和上断点埋深更加准确，这给断层位置的确定和断层活动时代的判定提供了可靠证据，也为城市地震危险性评价和制定抗震防灾规划提供了可靠的基础资料。

图5 不同震源横波剖面对比Fig. 5 S wave time section with different seismic sources

3 结论与讨论

3.1 浅层地震数据采集的分辨率

通过上述对炸药震源、横波机械可控震源和锤击扣板震源所获得的反射时间剖面的分析，得到了采用不同震源、不同道间距和不同激发参数所获得剖面的分辨率。采用锤击扣板震源激发横波，可使最浅探测深度达到近地表3—5m的深度范围。同时，根据各种震源的激发信号主频和所获得的地震波速度，可以计算出在本测区条件下各种激发震源的地震波波长和纵向分辨率（按λ/4计算）分别为：

爆炸源激发的纵波，按近地表纵波速度为1300m/s和主频100Hz计算，其波长为13m，纵向分辨率约为3.3m；

横波可控震源激发的横波，按近地表横波速度为 100m/s和主频 40Hz计算，其波长为2.5m，纵向分辨率约为0.7m；

横波锤击扣板震源激发的横波，按近地表横波速度为100m/s和主频80Hz计算，其波长为1.25m，纵向分辨率约为0.4m。

3.2 活动断层探测的反射地震数据采集方法讨论

在地震勘探中，由于不同的震源类型、不同的探测方法、不同的工作参数所获得的资料具有不同的分辨率，因此在城市活断层探测工作中，要根据探测目标层埋深和精度要求选择适当的探测方法和工作参数，采用由深到浅的顺序进行探测，以提高地震勘探的分辨率和对活动断层的探测精度。若探测目标为自深部发震断裂至浅部断层的最新活动时代，则可采用以下步骤：①采用深地震纵波反射勘探方法，确定中深部发震断裂的位置以及与历史地震震源的对应关系；②采用浅层纵波反射地震方法，确定断裂的浅部构造特征以及与深部构造之间的关系；③采用浅层横波反射地震方法，确定断裂在近地表（几米至几十米）深度范围内的构造特征和上断点深度，并确定断层的活动性。

在城市活断层探测工作中采用这种纵、横波联合探测的方法，探测断层的位置及其活动性可以实现从深到浅、从粗到细逐步准确地确定断层的位置、形态、性质及其特征，确定断层的最新活动时代。以便根据测区附近的应力场，分析断层的受力情况，预测断层的活动性，为城市地震危险性评价和制定抗震防灾规划提供可靠的基础资料。

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The Acquisition Technique of High-Resolution Seismic Data for Prospecting of Active Faults

Zhao Chengbin, Liu Baojin and Ji Jifa
(Research Center of Exploration Geophysics, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)

The high-resolution shallow seismic technique can be used for prospecting position, property and basic activity of a fault. We have obtained many high quality stack time sections by prospecting method with different seismic source, different geophone interval and different observing system on the Xiadian fault. These sections display clearly the stratum structure and the structure characteristics in the scale from several meters to several hundred meters. The prospecting methods and parameters fitting for goal stratum at different depth and different accurate requirements are given out through analyzing the stack time sections. This technique provides a good foundation for raising the prospecting resolution of fault position and the last active time.

Active fault；High-resolution；Longitudinal wave and transverse wave；Controlled seismic focus；Time section

赵成彬，刘保金，姬计法，2011. 活动断裂探测的高分辨率地震数据采集技术. 震灾防御技术，6（1）：18—25.

地震行业科研专项（200808041）、国家发展与改革委员会项目“城市活断层试验探测”（20041138）资助中国地震局地球物理勘探中心论著编号：RCEG201105

2010-10-22

赵成彬，男，生于1955年。高级工程师。主要从事活断层探测研究。E-mail：ZCB001001@sina.com