利用浅层反射波法探查城市地下断层构造

王小明，张平松，吴荣新

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)



利用浅层反射波法探查城市地下断层构造

王小明，张平松，吴荣新

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

地下断层构造是影响城市安全的一项重要因素，近年来，浅层反射波法已逐渐应用于城市地下地质异常勘察。针对福建某城市断层构造特征，首先，建立了反射地震模型，为现场测试系统合理布置提供依据；其次，通过现场实测，获得了断层构造的波场响应特征，并与电法勘探结果进行对比解释，结果表明浅层反射波法可对城市地下断层进行有效定位。

断层构造；浅层反射波法；模拟与探测；城市物探

1 引 言

研究表明，当地震发生时，沿着断层带分布的建筑物遭受到的破坏性远远大于偏离断层几十米以外的建筑物。这一重要研究使许多国家的地震科学家和政府都清楚地认识到城市断层探测的重要性和紧迫性。城市断层常用的地球物理探测方法有浅层地震反射波法勘探、地震面波勘探、地震映像技术、地质雷达、浅层瞬变电磁法、直流电法等物探手段。我国大中城市往往位于盆地与平原地区，城市地下断层大多是被第四纪松散沉积物覆盖的隐伏断层。由于城市内的各种振动和电磁干扰十分严重，给地震活动断层探测及精确定位带来了很大的困难。其中地球物理方法中的浅层反射地震法是城市活断层探测常用的技术之一。浅层地震反射波法是目前工程地震勘探广泛应用的一种方法，和其他物探方法相比，反射波法具有分辨率高、精度高、信息丰富的特点。在工程地质勘查中，浅层地震反射波法勘探主要用于查明第四系覆盖层厚度及分层，基岩埋深及基岩面形态，以及存在不良地质构造的位置、规模、产状、走向等情况，旨在为城市各项建设的总体部署提供地质依据[1-5]。

本文以对福建某城市的地质勘查为例，在分析该地区地质条件和前期地质资料的基础上，建立了浅层地震地质模型，对断层特征进行数值模拟研究，为研究地震波的传播机理以及地层的解释提供佐证。在后期资料解释时，将获得的反射地震剖面与电测深剖面进行对比验证，利用两种地球物理方法提供的不同地质信息进行综合解释[9]，准确定位研究区域内的基岩起伏形态及断裂位置。

2 研究区域地质及地球物理特征

区内位于新华夏构造体系的长乐—南澳断裂带和第二带之上，是由一系列呈NE走向且多期次的断裂破碎带、变质带、火山喷发带、岩体侵入带、岩脉及片麻岩等构成。北部有EW向NEE向断裂带，属纬向构造体系。断裂构造是本区最主要的构造形迹，褶皱少见且规模小。地势总体是地势由西北山地向东南部的丘陵、台地、滨海平原逐渐降低。地貌类型大致分为三类，北部为中低山，中部为兴化平原，南部为低丘。区内地层发育不全，主要有前泥盆系亲营山组、侏罗系长林组、南园组及第四系。本地区淤泥、粉质黏土的纵波速度VP=800～1 550 m/s；残积土、全风化岩及强风化岩的纵波速度VP=800～2 500 m/s；中风化岩的纵波速度VP>2 500 m/s。可以看出，主要层位波速差异较大，各层位波阻抗差异明显，为开展地震反射探测提供了良好的地球物理条件。

3 断层特征数值模拟

在浅层地震勘探中数据质量尤为重要，原始资料获取的好坏，直接影响到资料数字处理的质量和解释的精度，关系到地震勘探的成功与失败，因此，它是浅层地震勘探工作中非常重要的环节[6-8]。为了保证研究区获取较佳的原始数据，建立断层模型进行数值模拟。

根据研究区前期地质及钻孔资料以及现场波速测试资料，建立浅层地震地质模型以及各项正演参数如下：①模型大小600 m×100 m；②震源子波为雷克子波，主频60～80 Hz。③速度参数以模拟沉积岩地区为主。数值模拟采用有限差分法。模型参数如下表(表1)所示。

表1 模型参数

表1中，地层厚度根据研究区钻孔柱状图划分地层，各地层波速均为现场波速测试结果。

在浅层地震勘探中，勘探的重点是地表以下几米至几十米，因此，为了保证接收到最浅目的层的反射信息，浅层地震勘探的起始记录时间一般为0 ms，即不设置延时。一般记录长度要能够记录到震源激发的地震波在目的层产生的反射，并留有一定余量，因此排列长度不能过大也不能过小，要根据现场情况，选用合适的地震记录长度。在浅层城市地震勘探中，背景噪声干扰严重，波阻抗差异较小，不宜选用较大的偏移距。由于震源是锤击震源，接收时窗不应该远离炮点，否则会在目的层上形成广角反射，导致记录到的反射波波形畸变。同时，由于浅层地震勘探中目标体的尺寸较小，为了保证对其反射界面的充分采样，道间距的选取不宜过大，一般为1～3 m[10-13]。

根据以上原理设置模型采集参数如下：道间距2 m，偏移距8 m，12道固定排列长度接收。采用弹性波方程进行数值模拟。断层模型图与数值模拟单炮记录如下图(图1、图2)所示。

图1为浅层反射地震断层数值模拟剖面图，图2为炮点位于不同位置上的断层剖面图。对比图2(a)、图2(b)可以看出，当整个排列不在断层上时，同相轴相互平行且平滑，各反射波组相互平行，反射波同相轴清晰；当排列在断层上时，反射波组与波系发生明显变化；反射波同相轴突然增加或者缺失且波组间隔也发生变化；反射波同相轴不平行、不平滑；单道记录拖尾现象较严重。由于在反射层错断处，往往伴随出现断面波、绕射波等，才会形成上述现象，这些都是断层判别的典型依据[14]。

图3为数值模拟通过处理后得到的地震反射剖面图。总体看来，数值模拟反射剖面图中断层位置与模拟断层剖面图中断层位置对应性良好。断层倾角、两盘都与所建模型对应性较好。在断层两盘时，相邻检波点得到的相位到时相同，同相轴连续；断层位置上，反射波同相轴发生错断，由于断层影响，将同相轴分为上下两个平行的两个部分。

图1 模拟断层剖面Fig.1 Profile of simulation fault

图2 不同位置单炮记录Fig.2 Single shot record of different positions(a)Receiving array is not on the fault; (b)Receiving array is across the fault

图3 数值模拟反射剖面Fig.3 Reflection profile of numerical simulation

通过断层特征数值模拟可以看出，浅层地震反射波法勘探对于埋深较浅的断层探测非常准确，分辨率较好，为后期实际探测打下了坚实的基础。

4 实际探查与分析

根据前期数值模拟，在本次浅层地震反射勘探工作中，采样参数及观测系统选用参考数值模拟结果。对于场区存在的随机干扰波，采用单边激发，6次覆盖的观测方式压制。测线的布设利用GPS控制测线方向，皮尺辅助定距离的方法，以控制测量点误差。图4为浅层反射波数据处理主要流程。

本区浅层地震地质条件可整体看作两层结构，浅部为第四系的冲积土、洪积土或浅积土，速度较低，约400～1 200 m/s；深部为花岗岩类坚硬岩组、火山岩类坚硬岩组及变质岩较坚硬岩组，速度较高，达2 000～4 500 m/s，波阻抗差异明显，为主要反射界面。基岩中的构造断裂，因断裂两侧存在大量裂隙，而成为风化相对强烈位置，在基岩面上体现为风化凹槽，即风化槽，使得上覆土层增厚。火成岩没有明显层理，岩体内部和深部同相轴不明显，断裂两侧土层厚度不均，反射时间将有明显差异。结果如图5、图6所示。

图4 数据处理主要流程Fig.4 Main flowchart of data processing

图5 反射地震剖面Fig.5 Profile of reflection earthquake

图6 电测深剖面Fig.6 Profile of electrical sounding

测线方位40度，测线长度约600 m。经波阻对比确定基岩与第四系间的较强的反射同相轴，由图5中可以看出，该同相轴自西南起点处50 ms向东北方向逐渐减小至30 ms。在测线中部276～366 m处同相轴反射时间较大，达60 ms，圈定异常区域。本测线浅部土层速度取值为800～1 200 m/s时，进行时深换算可得本测线基岩面起伏形态，可见基岩面在测线中部异常区域埋深突变，土层增厚，为明显的风化凹槽，基岩面在该风化槽西侧相比东侧要略深，推断在处发育有断裂构造，与该地区域地质断裂有一定关联性。由图6可以看出，电测深剖面将地层区分较为清晰，大致划分为三层剖面，0～-30 m为第四纪松散层，可以看出该松散层密实且比较潮湿，对应的视电阻率较低，以下电阻率均较高，在测线270～370 m处，视电阻率最低，在地层中对应一风化凹槽。

综合两种地球物理方法，根据其提供的不同地质信息进行解释，反射地震剖面与电测深剖面对应性较好。结合区域地质资料，准确定位了研究区内断裂位置；掌握了第四纪松散层厚度及基岩分布规律，完成城市地质调查的工作任务。

5 结 论

1)数值模拟对现场实测有着重要的作用。根据研究区区域地质资料，建立异常区模型进行数值模拟试验，可为现场实测时观测系统和采集参数的选择提供更多佐证。

2)在城市地质探查中，由于电磁波、金属电缆、金属管线等不可回避的强干扰因素，使探地雷达、电法勘探在城市内将很难实现，反射地震勘探对于构造的准确定位有着不可替代的作用。

3)由于物探方法的多解性，在进行勘查时，不能根据单一的物探方法进行地质解释，应将多种物探方法同时进行，结合不同物探方法所携带的不同地质信息进行综合解释。

[1]陆基孟.地震勘探原理[M].北京:石油大学出版社,2001.

[2]吴子泉,刘元生,刘保金,等.地球物理方法在城市地震活动断层精确定位中的应用[J].地球物理学进展,2005,20(2):528-533.

[3]潘纪顺,张先康,刘保金,等.城市活断层的抗干扰高分辨率浅层地震勘探研究[J].中国地震,2003,19(2):148-157.

[4]张赓,庹先国,张毅,等.浅层地震反射波法数据采集参数正演模拟研究[J].工程勘察,2015(1):93-98.

[5]Wang C. Detection of a recent earthquake fault by the shallow reflection seismic method[J]. Geophysics, 2002, 67(5):1 465-1 473.

[6]刘保金,张先康,方盛明,等. 城市活断层探测的高分辨率浅层地震数据采集技术[J].地震地质,2002,24(4):524-532.

[7]李澎,王山山.浅层地震反射方法在工程物探中的应用[J].物探化探计算技术,2004,26(3):227-230.

[8]蓝星,张炜,王堃鹏,等.浅层地震和高密度电法在汉旺地区勘查中的应用[J].工程地球物理学报,2012,9(6):654-658.

[9]何强,李录明,赖敏,等.凤凰山地区蒲江—新津—德阳隐伏断裂反射波法地震勘探与断裂活动性研究[J].地震地质,2004,26(4):706-715.

[10]张银松,雷宛,祝杰,等.浅层地震反射波法的参数选择及其应用效果[J].勘察科学技术,2011(4):16-18.

[11]曹江涛,翟伟强,方勇.浅层地震反射波法在山区工程勘察中的应用[J].工程勘察,2014(8):84-88.

[12]周竹生,蒋婵君,郭有刚.浅层地震反射波法在隧道工程勘探中的应用[J].工程地球物理学报,2008,5(5):516-518.

[13]吴曲波,徐贵来,柯丹,等.浅层地震和高密度电法在城市规划调查中的综合应用[J].世界核地质科学,2011,28(3):173-179.

[14]聂碧波,赵建明,郦逸根,等.浅层地震勘探在城市活断层探测中的应用[J].工程地球物理学报,2015,12(1):15-21.

The Application of Shallow Reflection Method to the Detection of Underground Fault Structure in the City

Wang Xiaoming,Zhang Pingsong,Wu Rongxin

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)

Underground fault structure is an important factor which affects city safety. Recently, shallow reflection method has been gradually used in city underground geological anomaly exploration. According to the character of electrical sounding of one city in Fujian, this paper firstly builds seismic reflection model to provide basis for reasonable arrangement of field test system; then it compares the seismic waves field response character of fault structure getting by field measurement with electrical exploration results and makes some explanation. The results show that shallow reflection method could locate city underground fault and make judgment effectively.

fault structure; shallow reflection method; simulation and detection; city geophysical exploration

1672—7940(2016)02—0231—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.017

王小明(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向为地球探测与信息技术。E-mail:wxm605806268@163.com

P631.4

A

2015-06-18