基于浅层地震勘探技术的近海海底断裂探测研究

朱再宁，晏琮良

(江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210008)

0 引言

我国“十二五”规划首次将海洋经济提升到国家战略高度(张莉，2006;李文增等，2011;潘新春等，2012)。海洋开发利用首先必须依赖于近海或海上工程设施(邱大洪，2000，金翔龙，2006)，而建设这些工程首先必须进行相应的海洋地质灾害调查和评估。

相比于陆地，海洋地质灾害研究起步较晚，难度也更大。海底被海水覆盖，以往地质资料较少。在当前形势下，应依据国情和各地区实际状况，将海洋地质灾害研究重点集中在对本地区海上活动有较大影响的灾害类型，如海底滑坡、地震、工程软弱层等(赵广涛等，2011)。

活动断裂是引发海域地震的主要原因之一。受客观条件限制，位于海底之下的断裂因被水体覆盖而较少或不为人们所认知。然而，事实证明海底断裂活动所带来的危害和损失有时是十分巨大的。因海底断裂运动发生的地震往往会引起海啸，所造成的人员伤亡和财产损失常常很惨重。自1900年以来，印度尼西亚附近海域共发生了11次8级以上地震(李西双等，2008;王新洋等，2014)。

我国是一个海洋大国，拥有1.8万余km的大陆海岸线(刘保华等，2005)，1.4万余km的岛屿海岸线，且沿海地区人口稠密，城镇集中，经济较为发达。因此，研究和防范海洋地质灾害意义极大。

目前，海洋地质灾害调查多采用单波束测深、多波束测深、侧扫声纳、浅地层剖面和海洋人工地震勘探等海洋地球物理探测技术以及海底钻探取样等方法。其中地震勘探是目前海底探查应用最广、成效最高的地球物理勘探技术(金翔龙，2007)。

海洋地震勘探主要利用人工地震波在海底地层岩石中的传播规律来研究海底以下地质构造，推断地层结构，勘查海底资源。该技术以高精度和高效率较好地解决了海底以下一定深度内的工程地质问题，它能准确可靠地确定工程地质中重要的基岩埋深、起伏、断裂位置及其展布等(朱嘉等，2008)。

某近海项目位于辽东附近北黄海海区。发育于我国东北东部的某断裂带可能穿越该海区，为查明其分布情况，以评价该区域地震安全性，采用水域浅层地震勘探技术进行探测及研究。

1 研究区地貌地质概况及地震勘探前提条件分析

1.1 海域地形地貌概况

研究区海域属近岸浅海，海底地貌类型主要为浅海堆积平原。10 m水深以浅范围宽约6～15 km，海底地势平坦，形态单调，平均坡度为2'52″，大部分区域水深超过8 m。

1.2 地质概况

该区大地构造隶属中朝准地台辽东台隆，断裂以北东向为主。推测北侧断裂往南延伸可到区内海域，这是本次海域地球物理勘查的重点目标。

近岸区域地层简单，缺失很多，仅发育下元古界辽河群盖县组变质砂岩及片岩类，上元古界青白口系南芬组粉砂质绢云板岩、桥头组粉砂质绢云板岩和变质石英砂岩。第四系沉积主要由砂砾石、含粉质黏土、黄土状土及含砾砂土、细砂和淤泥构成。

收集到的附近海域多处钻孔资料反映该范围海底浅部地层结构简单，覆盖层由第四系全新统淤泥、淤泥质粉细砂构成，基岩由上至下为全—强—中—微风化变质砂岩，各处孔位岩性基本相同，仅存在厚度差异。

1.3 地震勘探前提条件分析

根据区域地质特征及钻孔资料推断测线涉及到的海底基岩以变质砂岩、板岩及石英砂岩为主，纵波速度达3 000～4 000 m/s;第四系松散沉积主要以全新统淤泥为主，其纵波速度仅为1 500 m/s左右。第四系与基岩间存在明显的速度差异，其间可构成良好的反射界面。断裂引起基岩错动或明显破碎时，将出现基岩反射波组的错动或缺失。

2 方法成果及地质解释

2.1 应用方法及其技术参数

本次海域地球物理勘查以多道浅层地震方法为主，设计A—A'、B—B'2条测线进行海域隐伏断裂勘查，测线沿垂直于该断裂即北西往南东方向布置，在推测的断裂部位还增补了单道浅层地震测线，以配合多道浅层地震资料进行综合解释(图1)。

图1 测线位置及推测的某断裂示意图Fig.1 Sketch showing seismic line location and an inferred fault

多道浅层地震采用拖拉式(单端激发、单边接收)连续航行方式施工，定时激发并接收记录，采用的技术参数为：激发能量80 kg/cm3，激发间隔4s，空气枪、电缆入水深度1.2 m左右，道距2 m，24道接收，偏移距2 m，记录长度512 ms，采样率0.5 ms，采用共反射点覆盖技术，覆盖次数4～6次。

单道浅层地震采用拖曳式连续观测方式，即将接收电缆与电火花源以4～5 m间距并列拖于船尾，连续航行，定时激发并接收记录，发射能量350 J，工作频率0.1 ～3 000 Hz，记录长度 250 ms，发射间隔1s。

经对外业实测数据进行相关处理，得到各测线地震时间剖面图以用于断点及断裂的推断解释研究。

2.2 断点异常及断裂平面分布判别依据

断点异常是根据地震时间剖面中有效反射相位特点，结合地质资料加以判别：(1)有效反射相位出现局部缺失或信号减弱;(2)有效反射相位存在明显落差、突变、扭折或发育绕射波;(3)有效反射相位特征出现明显不同或增减、分叉、合并等异常情况;(4)若覆盖层内界面与基岩有效反射相位异常特征相对应，表明其断点已断至该界面。

断裂的平面分布是在分析各断点特征的基础上，连接某些相邻测线上特征、性质相似的断点而成，其主要依据是：(1)各断点的产状、性质一致或相近;(2)各断点的上断点深度和所断层位大约一致;(3)各断点位置基本上处于同一直线上。

2.3 断点、断裂异常特征及分析

根据成果资料，A—A'测线上首先发现fp1、fp22处断点异常，具体特性如下。2.3.1fp1断点异常 该断点异常位于A—A'测线的4 770 m附近，此处地震时间剖面(图2)显示(Tg及Tg')反射波组出现同步中断、错动，北西侧反射波组平整，南东侧反射波组起伏，推测为断裂引起。经分析该断裂为北西高、南东低的正断裂，倾向东南，倾角较陡，断裂两侧基岩面落差3～4 m。该断裂不仅显示错断了基岩面，关键是它还清晰地揭示了该断点已错断了整个基岩风化层，其上断点深度约为水下24 m。由该断点上覆第四系全新统内部反射波组未见明显扰动迹象判断，该断裂最新活动时代为晚更新世或晚更新世以前。

图2 fp1、fp2断点异常地震时间剖面图(多道)Fig.2 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp1and fp2

2.3.2fp2断点异常 该断点异常位于A—A'测线的4 960 m附近，地震时间剖面图(图2)显示该处同样出现反射波组(Tg、)中断和错动，与fp1不同的只是其为北西侧低、反射信号起伏，而南东侧高、反射波组平整。分析认为该断裂为南东高、北西低的正断裂，倾向北西，倾角较陡，断裂两侧基岩面落差4 m，与fp1一样，该断裂不仅错动了基岩面，也使整个基岩风化层发生了错动，其上断点深度为水下25 m。而上覆第四系全新统内部反射波组未见明显扰动，同理判断该断裂的活动时代也应为晚更新世或晚更新世以前。

fp1断点与fp2断点构成一典型的地堑构造，其宽度约190～200 m，构成地堑的两侧断裂产状较陡。

为查实上述2个断点异常的存在，在异常段的北东侧约400 m处布置了1条与其平行的短测线，其地震时间剖面图(图3)获得了几乎一致的结果，证实fp1断点异常与fp2断点异常的可靠性，只是在地堑的宽度和一些细节上略有差别。

图3 A—A'补测测线地震时间剖面图(多道)Fig.3 Seismic time section(multichannel)of the supplement survey line A—A'

由于在A—A'测线西南侧约10 km处的B—B'测线上未发现类似于上述2个断点的异常，即在fp1与fp2两断点往南西延伸到B—B'测线部位，全风化及中风化片岩反射相位都连续完整，未见上述错断异常特征，表明fp1与fp2两断点未延伸到B—B'测线。

为进一步追索引起上述2个断点的断裂分布方向及延伸长度，在A—A'测线与B—B'测线之间增加布置了F—F'测线，结果在F—F'测线上发现fp3、fp42处断点异常(图4)，该2个断点异常各方面参数均符合整个断裂带的延伸特征，判断断裂延伸至F—F'与B—B'测线之间(图1)。

图4 fp3、fp4断点异常地震时间剖面图(多道)Fig.4 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp3and fp4

为了解断点上覆第四纪地层分布特征，进一步判断断裂活动年代，在F—F'测线上又增做了高频单道地震勘查，结果显示，断点上方的全风化基岩面(Pg)出现了与浅层多道地震勘查结果类似的明显落差(图5)，其宽度也与多道地震资料基本一致，表现为宽约200 m的地堑。

但单道地震比多道地震更清晰地反映了Pg波组在2个断点附近的特征，即Pg波组未出现截然错断特征，而呈近似连续的凹陷形态。据此分析认为，该地堑部位全风化层明显增厚，可能是该地堑两侧断裂形成后风化作用沿断层加剧造成的，说明该断裂最新活动应在全风化层形成以前，因此认为它在早—中更新世更为确切。

综上可见，某种条件下，仅借助多道地震确定断层的最新活动时代是有局限性的，而采用多种方法互相补充和印证比较有效。

图5 F—F'测线单道地震时间剖面图Fig.5 Single-channel seismic time section of the survey line F—F'

3 结论

(1)某断裂是本次项目研究区域最重要的断裂，它在研究区以北陆域沿江两岸分布，总体上呈地堑式发育特征。

(2)根据本次研究成果，并结合收集到的地质资料，可以推断该断裂在始入北黄海海域段仍然延续原有走向并保持地堑式发育特征。

(3)该断裂研究区海底部分最新活动时代应为晚更新世或晚更新世以前，早—中更新世更为确切。以往有资料推测该断裂可能穿过海底与山东境内的即墨—阜平断裂相连，但本次勘查结果显示该断裂并未连续地沿其总体走向往西南方向延伸。

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