水域浅层地震勘探在东莞市活断层探测中的应用

盛 强，郭良田，安好收，罗传根

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州 510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室，广东 广州 510070；4.江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210008)

0 引言

城市内的断裂多被第四系松散沉积物所覆盖，地球物理勘探为探测这类隐伏断裂的主要方法，常用的地球物理探测手段有人工地震勘探等。而浅层地震勘探是城市活断层浅部探测中最为有效的方法之一，可以提供断层的位置、断层活动和地层变形等有关参数，具有分辨率高、对地下结构的再现性较好等优点，已成为城市活断层探测中不可或缺重要方法。对此，国内外已有广泛的应用和研究。美国的洛杉矶地震实验计划(LARSE计划)主要是利用人工源地震及天然地震方法来获得洛杉矶地区地下直至孕震深度的结构图像，包括断层成像，特别是盲断层成像。我国自20世纪80年代以来，已有20多个城市相继开展了“城市活断层探测与地震危险性评价”工作，为浅层地震勘探在城市活断层探测中的应用积累了丰富的经验[1-5]。

水域浅层地震勘探具有成本低、效率高、成果直观等特点，尤其是操作方便、适用范围广，目前做为一种补充勘察方法，已被广泛应用于水域工程勘察领域，特别是在沿海、沿江等地区。虽然我国已对多个城市进行活断层探测，但水域浅层地震勘探应用的公开报道并不多。本文是东莞市城市活断层探测项目的专题成果之一[注]“东莞市石龙-厚街、南坑-虎门断裂探测与地震危险性评价”项目追加专题：水域浅层地震勘查.，主要介绍南坑—虎门断裂水域浅层地震探测情况，以说明水域浅层地震勘探在城市活断层探测中的应用和探索。

1 研究区概况

1.1 地质地貌

东莞地区位于华南加里东褶皱系的粤北、粤东北—粤中拗陷带内。区域内出露地层的包括：前寒武系、寒武系、泥盆系、石炭系、二迭系、三迭系、侏罗系、白垩系，古近系及第四系。区域内第四系主要包括晚更新世及全新世地层，主要分布于珠江三角洲河流水网地区、沟谷与河岸冲积平原。区域内北东向断裂是地表出露规模最大，延伸最长的断裂构造。

东莞地区位于东江南缘，其西北侧为呈北东向展布的狭长带状平地，河流发育，构成三角洲平原区；东南部主要为丘陵台地区，但在丘陵台地中还发育有河谷平原地貌[6-8]。

1.2 地球物理背景

区域范围内地球物理场总体特征表现出异常幅度小、变化平缓的特征，说明本区深部构造环境的差异性不大，与地表构造活动和地震活动环境相一致，尤其是区域及其邻近区域的地球物理场异常变化较小。区域范围内的地壳厚度接近大陆的平均值，基本处于重力均衡状态，属于较为稳定的地区。

1.3 南坑—虎门断裂概况

南坑—虎门断裂隶属于紫金—博罗断裂带西南段，东北起自五华境内，往西南经紫金、博罗、龙溪进入东莞境内，沿横沥、寮步、五马、三马至虎门，目标区内长度约55km。断裂总体走向NE45°～55°，倾向SE，倾角45°～70°，为东江三角洲新生代断陷盆地的南缘边界断裂[9]。前人对该断裂的测年数据显示断裂于中更新世晚期有过活动。

历年的工程地质和工程场地地震安全性评价对断裂构造有零星揭示，但断裂的展布特征，尤其是断裂的隐伏位置，埋藏深度、地震危险性等方面都未曾做过详细系统的工作，至今没有准确的定位，更不可能采取相应的措施，因此对断裂进行探测和危险性评价，将为东莞市城市规划，重要工程加固、选址、抗震措施的选择提供依据。

2 水域浅层地震勘探工作原理与方法

2.1 勘探原理

浅层反射地震方法是利用地层之间由于波阻抗差异所产生的反射相位特征来推测、解释地下构造[10]，确定上断点埋深。它能够有效地对地下反射界面成像，通过分析反射波组特征的变化而做出是否存在断层的判断。

浅层地震勘探是通过人工激发弹性波在地下岩土层中的传播规律和特点，分析地质构造情况的一种物探方法，也是探测隐伏于第四系中的活断层最重要的方法之一[11-16]。水域浅层地震探测是以震源在水面激发声波，同时在水面用检波器接收反射波，在水面上对水下浅层地层进行探测的一种技术。其过程是通过震源将声波送人水中并传人水体底部，由于水体底部及各地层界面在波阻抗上的差异，部分声波穿过界面继续传播，部分经界面反射后返回水面，通过检波器接收返回波，再经放大和数字化后，形成波形图。通过对波形图和高密度地震映象图的数据处理、判读、速度分析等手段得到各个层面的探测结果[17-22]。

2.2 数据采集

2.2.1 仪器设备

地震仪采用美国产NZXP数字地震仪(图1-a)；激发采用高压空气枪及与其配套的空压机(图1-b)；水听器由四个组合成1道，主频80Hz，道间距2m，接收道数为24道。

图1 仪器设备Fig.1 Photos of instruments and equipments

2.2.2 测线布置

本次水域浅层地震勘查共有4条测线，总长19.364km。由于篇幅所限，本文仅介绍测线Ⅲ，具体测线位置见图2。本次水域导航、定位采用Trimble AgGPS332信标仪，定位观测与浅层地震勘查同步进行。经已知控制点多次观测检查，动态定位精度为±0.18m。

图2 测线分布图Fig.2 Geological structure map and the distribution of measuring lines

2.2.3 试验工作

试验工作在现场进行，包括激发能量、记录长度、采样率、电缆与震源入水深度及最佳偏移距等，根据试验结果(图3)，确定各项技术参数为：偏移距4m，激发气压80kg/cm2，激发间隔4s，船速2.9节，记录长度512ms，采样率0.5ms，震源、电缆入水深度1.2～1.5m，覆盖次数4次。

图3 单炮试验记录图Fig.3 Figure of single shot test

2.3 数据处理方法

(1)地震记录整理，根据实测航迹进行有效炮文件(记录)抽取，保证4次覆盖。

(2)常规处理，一般流程为：频谱分析→频率滤波→速度扫描→动校正叠加等。形成初步地震时间剖面，主要作为外业质量监控。

(3)后期处理，在工作站上进行，除常规处理外，还包括反褶积、剩余静校正、多次速度分析、fk滤波及去噪等特殊处理(图4、图5)，以达到突出有效波、压制干扰波的目的，形成最终地震时间剖面[23-27]，作为成果解释用，具体处理过程见图6。

3 成果分析及解释

图4 叠后去噪前时间剖面图Fig.4 Time-profile before denoising after stacking

图5 叠后去噪后时间剖面图Fig.5 Time-profile after denoising after stack

图6 浅层地震数据处理流程图Fig.6 Flow chart of shallow seismic data processing

地震波速度是时—深换算中最重要的参数，求取速度参数采用两种方法：一是根据钻孔资料反算速度；二是利用本次反射资料求取的叠加速度进而换算出平均速度。通过对上述两种方法求取的速度进行综合分析，由浅至深平均速度选择为1450～1700m/s，以此平均速度为基础进行反射界面的时深换算。

由Ⅲ测线地震时间剖面及解释剖面图可见，发育3个有效反射波组(T0、Tg及Tg1)(图7)。T0波组为水底反射波组，连续性好，且可追踪，所对应界面埋深为3～7m；Tg波组推测为全新统淤泥、淤泥质砂、中粗砂(Qh+Q3p)与侏罗系砾岩、泥质粉砂岩(J)及震旦系片岩、片麻岩、混合质变粒岩(Z)界面间的反射波组，能量较强，连续性较好，且可追踪，起伏不大，所对应界面埋深为9～22m； Tg1波组推测为黑云母二长花岗岩(γ5)侵入在侏罗系或震旦系中形成的界面的反映，能量较Tg波组弱，局部呈多组振荡波特征，起伏较大，界面埋深呈两侧浅中间深且北西侧深于南东侧特征，为53～92m。

Ⅲ测线的f3断点位于测线4120m处，即地震时间剖面2565CDP附近(图8)，资料显示，该处Tg1反射波组出现错断现象，呈北西低南东高特征，两侧黑云母二长花岗岩面(Tg1)落差约8m，倾向北西，具正断性质，但其上覆基岩面及覆盖层内反射波组连续完整，均未见错断迹象。据区域地质资料，初步推断为断层所引起，但其上断点未错断至基岩面及覆盖层内，埋深约83m，为基岩中前第四纪老断层。

图7 Ⅲ测线地震时间剖面图(部分)Fig.7 Seismic time-profile of measuring line Ⅲ (sectional)

图8 f3断点异常时间剖面及解释剖面图Fig.8 Abnormal time-profile and geological interpretation profile of breakpoint f3

4 结论与讨论

本文采用小道距、高频率水域纵波反射法，初步查明了南坑—虎门断裂在水域覆盖部分的断点位置，为后期钻孔探测提供了依据。水域浅层地震勘探所获得的地震时间剖面揭示出基岩反射界面连续完整，第四系地层内未发现明显错断。而测线Ⅲ所在的地震时间剖面上所解释的f3断点两侧基岩高差为8m，上断点埋深为83m。综上分析推测南坑—虎门断裂第四纪以来没有明显的活动迹象。

通过水域浅层地震勘探研究水域中隐伏断裂分布情况效果较为明显，但同时也应注意到这一方法在应用过程中的不足之处，如本区域范围内地下水位较高，土层薄以及土层本身多相变和成层性差，震源的脉冲及震源能量较弱等因素对水上地震资料的收集和解释带来不利影响等。未来水域浅层地震勘探应用于城市活断层探测过程中应采取切实可行的针对性措施，通过选择合适的震源、合理的技术方案和资料处理手段，最大限度地抑制干扰，提高地震资料信噪比和分辨率，增强解释结果的可靠性。