综合地球物理方法在地震安全性评价中的应用和成果

蔡玲玲，杨歧焱，郭秋娜，温　超，李　皓，吕国军，彭远黔

(河北省地震局，石家庄　050021)



综合地球物理方法在地震安全性评价中的应用和成果

蔡玲玲，杨歧焱，郭秋娜，温超，李皓，吕国军，彭远黔

(河北省地震局，石家庄050021)

摘要：以唐曹铁路地震安全性评价项目探测断裂为例，采用浅层地震勘探、小折射和钻探等综合地球物理方法，查明宁河—昌黎断裂的展布情况，并结合钻孔资料判定断层的活动时代。 研究结果表明，宁河—昌黎断裂呈NEE向展布，由南、中、北3段组成，南北两段以正断为主，中段为走滑性质，为早—中更新世断裂。补充和丰富了该地区的地球物理勘探资料，为该地区的地震安全性评价，国土资源规划等提供基础资料。

关键词：综合地球物理方法；地震安全性评价；宁河—昌黎断裂

0引言

断裂等地质构造的活动可以引发地震或者直接产生地面变形，对地面建、构筑物可产生直接破坏，也可能会产生非常严重的次生灾害[1]。地球物理勘探是探测隐伏构造的有效手段，通过地球物理勘探工作，明确断裂等构造的展布位置、最新活动时代，对确定建、构筑物的避让位置、活动构造的发震能力有重大意义[2-3]，所以探测断裂等构造是地震安全性评价工作中非常重要的工作。浅层地震勘探方法以其精度高,反映地质构造直观、准确,尤其是对活动断层的判别起到关键性作用等特点,被广泛地应用到地震安全性评价工作中。反射地震勘探技术是根据地下介质在物性差异界面上地震波的运动学和动力学特征，探测地层或岩体的埋深及其速度结构，该方法已在油气、矿产资源及深部结构探测中得到了广泛而有效的应用。目前，在城市活动断层探测中，主要采用浅层反射地震勘探方法。通过一系列的实践和探索，在观测系统的设计、数据采集参数的选取、资料处理和解释等技术方面已得到了较大的提升，并取得了很好的勘探效果。在唐曹铁路的浅层地震勘探过程中,针对不同的地震地质条件,采用灵活多变的技术措施,取得了明显的效果[4]。

1概况

图1　唐曹铁路位置示意图及区域地震地质构造图

2浅层地震勘探

地震勘探作为一种高精度的地球物理勘探方法，已被广泛用于石油、煤炭、冶金等地质领域，地震反射波资料能很好地解决如地层划分、断裂构造、古河道(谷)及砂体圈定等地质问题，且具有较高的分辨率[5]。自第三纪以来，沉积有不同颗粒的砂层、粘土层及粉质粘土层等不同岩性的地层，各地层之间存在明显的波阻抗差异，在地震波传播过程中将会产生明显的反射界面，从而说明该区浅部地震地质条件较好，具备开展地震勘探的物性前提[6]。

勘探区范围内地层倾角较小，基本满足地震勘探中弹性波相关理论的水平层状介质的假设条件；勘探区地形高差较小，地势平坦，对数据采集结果的影响不大，且便于野外施工。根据断层探测的目的以及第四系地层物性特征，选用浅层地震反射波方法进行勘探。

此次浅层地震勘探工作，采用美国Geometrics公司Strata Visor NZ XP型地震仪进行地震勘探数据采集。地震波采用70 kg冲击震源激发，该震源勘探深度能够达到400 m。工作中采用冲击夯源冲击置于地面的金属垫板，以便提高震动能的耦合转换效率。

根据目标区地质及岩石物性特征，为提高测量精度，使解释工作更准确，野外施工时采用接收排列在前、激发炮点在后、下倾方向激发、上倾方向接收，单边放炮，连续追踪的反射波法观测系统。具体采集参数见表1。

表1　观测系统和地震数据采集参数

2.1干扰波调查

通过干扰波调查，可以查清工区内主要干扰波的类型，例如面波、浅层折射波、声波、高频干扰波和环境噪声等。目的是为了采取有效措施压制干扰波，突出有效波，提高信噪比，增强资料品质。

图2为采用偏移距0 m、道间距4 m，单只60 Hz检波器展开接收的扩展排列原始记录图。从图中可以看到,干扰波较为发育，主要表现为强的面波、直达波、浅层折射波，部分测线有声波干扰。测区内反射波与主要干扰波基本分离出现的时间、道序随地段存在差异，为了尽可能增加浅部信息，偏移距不宜过大，本次选用16 m偏移距。

注：①直达波；②浅层折射波；③反射波；④面波图2　测线扩展排列原始记录图

2.2低速带测定及结果

根据地表覆盖层的分布特点，选择有代表性的地段进行了低速带测定，目的是为了在数据处理中消除低速带厚度变化对测量结果的影响，提高剖面资料质量。低速带测定采用小折射相遇时距曲线观测系统。为了准确地测定低速层的速度和厚度，选择了0.5 m偏移距，每端分别激发地震波。图3为垂直于测线Ts01小折射反演结果，各测线低速带速度及厚度情况见表2。

图3　测线Ts01小折射反演结果

小折射编号V1速度/(m/s)V2速度/(m/s)低速带厚度/mTs01-140012004.0Ts02-140012004.0Ts03-140012002.0Ts05-140012003.0Ts06-150011003.0

由表2可见，该区低速带的波速V1一般在400～500 m/s之间；低速带底面速度V2为1 100～1 200 m/s；低速层厚度2.0～4.0 m。

2.3地震数据处理及解释

地震资料处理使用的软件包括：日本OYO公司折射处理软件PlotRefa、加拿大GEDCO公司地震反射处理软件Vista11.0。为了获得高分辨率的浅层地震资料，除了在野外采集原始资料时使用尽可能宽的频带之外，还应在资料处理中选择合适的处理方法，补偿地层及其它非地质因素造成的高频损耗，确保高频有效反射波在处理中不受损失，提高资料的信噪比。

虽然地震数据处理没有一个严格统一的模式，不同地区地震资料，处理流程可能不尽相同，但总的原则是以尽量补偿和保护地震信号的高频成分，提高信噪比和分辨率为目的。因此，在处理中应对原始资料的品质进行认真分析，了解有效波和干扰波的频率分布范围，选择适当的滤波方法来消除干扰，做好动、静校正和速度分析等，最大限度地保证同相位叠加。根据野外原始资料品质分析结果，并通过大量的处理方法和参数试验，最终选用了如下具有针对性的地震数据处理流程：1)野外地震数据解译；2)观测系统定义；3)振幅恢复；4)炮(道)编辑；5)数字滤波；6)静校正；7)反褶积；8)速度分析；9)动校正；10)剩余；11)共反射点叠加；12) 叠后反滤波；13)叠后偏移；14)时深转换。野外原始地震记录经过资料处理之后，便可得到能够反映地下不同地质结构特征的地震反射时间剖面图和速度结构图，这些图件从不同的方面反映了地下地质结构的特征。资料解释的主要内容就是结合地质资料和钻孔资料对这些图作出相应的地质解释。本次反射地震勘探的资料解释工作主要包括：地震反射时间剖面的分析与解释，深度剖面图的绘制及断层的判定等。

依据地震勘探剖面的反射波组特征，结合地质资料的对比分析，可以确定地震波组及其与地质层位的关系。对反射波组的分叉、合并、中断、尖灭等现象和上下地层反射波组的相互依赖关系的细致分析，能够判断这些变化与地层变化的关系，从而获得地层的纵、横向变化及构造情况，进而确定可能存在断错反射层的断裂的位置、产状和活动性。反射时间剖面解释包括以下主要内容：①确定主要地质层位与反射层的关系；②判定断层或破碎带等地质构造等。

活动断层探测的主要目标是要确定断层的位置和产状，鉴于篇幅所限，在此选取2条典型的测线进行介绍。图4是测线a经过数据处理后的地震反射时间剖面、时—深转换剖面、地质解释剖面。在图4a地震反射时间剖面中，丰富的地层界面反射波组出现在剖面400 ms以上的时间范围内，存在2组起伏变化的反射波组，由4～5个强相位组成，在剖面图上解释了2个地层反射界面，标识为T1、T2。

图4　测线a浅层地震勘探反射时间剖面和地质解释剖面图

从剖面中反射波同相轴的横向连续性来看，T1在整个剖面中的360～400 m (CDP181～201)之间呈现不连续，根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组的关系，在该测线剖面上解释了1个断点，标识为F1。根据时—深转换剖面和地质解释剖面，断层上断点埋深为70 m左右，断层错动上更新统(Q3)中部，但是没有错动其上部。

图5是测线b经过数据处理后的地震反射时间剖面、地质解释剖面。在图5a中，丰富的地层界面反射波组出现在剖面500 ms以上的时间范围内，存在2组平缓变化的反射波组，由3～4个强相位组成，在剖面图上解释了2个地层反射界面，标识为T1、T2。从剖面中反射波同相轴的横向连续性来看，T1在整个剖面中的1 560～1 640 m (CDP781～821)之间呈现不连续，根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组的关系，在该测线剖面上解释了1个断点，标识为F2。根据时—深转换剖面和地质解释剖面，断层上断点埋深为90 m左右，断层错动上更新统(Q3)中部，但是没有错动其上部。

3钻探

图5　测线b浅层地震勘探反射时间剖面和地质解释剖面图

图6　唐曹铁路钻孔柱状图——以跨沿海高速公路特大桥钻孔为例

4勘探成果

通过浅层地震勘探并结合钻孔资料得到结论如下：宁河—昌黎断裂呈NEE向展布，由南、中、北3段组成，南北两段以正断为主，中断为走滑性质。5条测线结果表明，断层上断点为60～120 m，结合钻孔资料，判断出没有错断上更新统，为早—中更新世断裂。

图7　地震勘探成果图

5结论与讨论

本文以唐曹铁路活动断层探测为例，较系统地介绍了在地震安全性评价工作中，运用综合地球物理勘探方法开展隐伏活动断层探测的野外工作、资料处理和解释，并总结如下：

1)在断层勘探中，需根据具体的场地条件和第四系沉积覆盖特点进行探测。在沉积相较好的地区，浅层地震反射波法为首选的探测方法，可查明隐伏断裂的展布位置、上断点埋深等重要参数，获得对断裂构造特征的认识。

2)尽管地震安全性评价中钻孔深度有限，仍可充分利用其钻孔资料，与浅层地震勘探资料相互印证，特别是为上断点的解释提供依据。

3)通过此次浅层地震勘探布设了5条浅层地震勘探剖面，查明宁河—昌黎断裂的走向、性质，并分析其活动时代。

4)通过此次探测，补充和丰富了该地区的地球物理勘探资料，为该地区的地震安全性评价、国土资源规划等提供基础资料。

参考文献：

[1]邓起东, 徐锡伟, 张先康, 等. 城市活动断裂探测的方法和技术[J]. 地学前缘, 2003, 10(1): 93-104.

[2]方盛明, 张先康, 刘保金, 等. 探测大城市活断层的地球物理方法[J]. 地震地质, 2002, 24(4): 606-613.

[3]刘保金, 柴炽章, 酆少英, 等. 第四纪沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏活动断层为例[J]. 地球物理学报, 2008, 51(5): 1475-1483.

[4]李大虎, 何强, 邵昌盛, 等. 综合地球物理勘探在青川县城区活动断层探测中的应用[J]. 成都理工大学学报: 自然科学版, 2010, 37(6): 666-672.

[5]何正勤, 潘华, 胡刚, 等. 核电厂址隐伏断裂探测中的地震勘探方法研究[J]. 地球物理学报, 2010, 53(2): 326-334.

[6]孙立新. 地震勘探技术在裴沟矿31采区的应用[J]. 华北地震科学, 2014, 32(3): 31-34.

Synthesis Geophysical Method in Earthquake Safety Evaluation

CAI Ling-ling, YANG Qi-yan, GUO Qiu-na, WEN Chao, LI Hao, LYU Guo-jun,PENG Yuan-qian

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

Abstract:In the seismic safety evaluation of Tang-cao railway project, we use synthesis geophysical methods including shallow seismic exploration, refraction, drilling to find out the distribution and activity time of the Ninghe-changli fault conbining with drilling data. The results show that the Ninghe-changli fault is an early-middle Pleistocene fault which extends in dirction of NEE and cosists of 3 segment:south segment, middle segment and north segment, the south segment and north segment are mainly normal type while the the middle is strike-slip type. The study supplements and enrichs the geophysical prospecting data of the region and provides basic data for the seismic safety evaluation, land planning, et al.

Key words:synthesis geophysical method; seismic safety evaluation; Ninghe-changli fault

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.004

中图分类号:P315.9

文献标志码:A

文章编号:1003-1375(2016)01-0021-09

作者简介：蔡玲玲(1983—)，女，河北临城人，工程师，主要从事地震监测工作.E-mail：caill9911@163.com

基金项目：河北省地震科技星火计划项目(DZ20140714052)

收稿日期:2015-05-05

蔡玲玲，杨歧焱，郭秋娜，等．综合地球物理方法在地震安全性评价中的应用和成果[J]．华北地震科学，2016，34(1):21-29.