甘孜—玉树断裂南段浅层地震反射波法探测

赵 航，李大虎，赵 晶，张 理，陈学芬

（1.四川省地震局，四川 成都610041；2.四川省地震局西昌地震中心站，四川 西昌615000；3.四川省地震局康定地震中心站，四川 康定626001）

近二十年来，巴颜喀拉块体边界断裂带发生了一系列的强震、大地震（邓起东等，2010；梁明剑等，2016）。其中，2010年4月14日发生在青海省玉树藏族自治州玉树县（33.2°N，96.6°E）的7.1级地震造成了严重的人员伤亡和财产损失，是继2008年5月12日汶川地震之后又一次有极大社会影响的地震事件。玉树地震的发震断层为甘孜—玉树断裂，该断裂虽然大部分存在明显的地表断裂行迹，但局部段落穿过第四纪盆地或受冲沟侵蚀和最新的冲洪积扇所覆盖，断层行迹不甚明显。因此，仅凭目前单一的地面地震地质调查工作难以准确厘定其具体的空间通过位置和展布形态，从而制约了对该断裂最新活动性的评价和最大发震能力的评估，对于灾后进行的工程选址工作，同样也受到隐伏断裂段和强余震活动等因素的严重制约。然而，多年以来还没有专门针对甘孜—玉树断裂南段地区开展过浅层地球物理探测工作，针对甘孜—玉树断裂南段地区复杂的地质构造环境和特有的浅层地震地质条件，选择何种地球物理探测定位方法以及如何实施才能达到较好的探测效果成为了需要解决的首要问题。浅层地震反射波法探测是目前国内外为探测第四系覆盖区隐伏断裂所采用的一种可信度较高且较为成熟的一种方法，利用反射剖面上丰富的反射波组特征判定断层的存在并确定其产状等基本参数，与其它方法相比，该方法在断层定位及几何特征的判定上具有较高的精度，尤其是近些年来，浅层地震反射波法在大震科学考察与城市活动断层探测中得到了广泛的应用，并有效地解决了一些地质问题（丁志峰等，2002；尤惠川等，2002；何正勤等，2007，2013；李大虎等，2010，2015a，2015b；顾勤平等，2013）。本次探测研究主要通过采用人工锤击激发、小道间距、多道短排列接收以及多次覆盖观测相结合的地震数据采集技术及数据处理获得浅层地震反射剖面图像，揭示了甘孜—玉树断裂南段的空间展布位置及近地表构造特征，该研究结果不但对研究玉树地震的深浅构造关系、分析活动构造和地裂缝或疑似地表破裂带的成因、讨论玉树地震孕育与发生的构造背景和发震构造模式提供了地震学证据，还对灾后恢复重建和工程选址工作中避开断裂带、减少未来可能造成的地震灾害损失都具有重要的现实意义。

1 浅层地震测区概况和方法技术

1.1 甘孜—玉树断裂简介

玉树地震发生在青藏高原羌塘地块与巴颜喀拉地块交接处的金沙江缝合带上，发震断层为巴颜喀拉块体南边界的甘孜—玉树断裂，倾角近于直立，属左旋走滑性质（见图1）。该断裂北西起于青海治多以西，向南东经玉树、玉树巴塘（小巴塘）、邓柯、马尼干戈至甘孜附近与鲜水河断裂呈左阶羽列（Mingjian Liang et al.，2020），断裂总体走向在N50°～60°W之间，全长约500 km。断层以左旋走滑运动为特征，常见冲沟、洪积扇、河流阶地及冰碛物等的左旋错断现象，全新世以来的平均水平滑动速率在7～12 mm/a（闻学泽等，1985）。断裂几何结构特征及近代地震地表破裂的研究结果表明，四川境内的甘孜—玉树断裂以邓柯和垭口为界可大致分为三段：北西段（邓柯段）长约80 km，发生过1896年邓柯7级地震，现今可见的地震地表破裂长达60 km；中段（马尼干戈段）长约170 km，根据历史地震记载和14C测龄结果，该断裂段于1 320±60年发生过一次8级左右的地震，地震地表破裂在许多地段上现今仍可辨认出来，于2010年4月14日发生过玉树7.1级地震，据初步考察，地震地表破裂带长达25 km；南东段（甘孜段）全长约40 km，发生过1854年甘孜≥7级地震（闻学泽等，2003）。

图1 甘孜—玉树断裂展布及活动块体示意图

1.2 测区断错地貌现象与地震测线布设

测区位于甘孜县格萨尔南侧山前冰水洪积扇上，测区北侧甘孜—玉树断裂切过一系列山脊、冰碛垄，形成断层垭口和断层槽谷地貌（见图2a、b）；南侧断裂切过山前冰碛台地，台地上形成断层槽谷地貌（见图2c、d）；然而在冰水洪积扇上，可能有后期冰雪融水的冲蚀作用影响，断层行迹并不明显。因此，根据测区南、北两侧的断层地貌，地震测线垂直跨两侧地貌的连线（见图3），并结合场地的地形地貌布设了3条测线，确保能够控制住断层可能通过的位置。

1.3 地震数据采集

本次反射波地震数据采集仪器采用的是美国Geometries公司的NZXP数字地震仪，配以分布式Geode地震采集站，24-bit A/D转换，动态范围144 dB，通频带1.75～20 kHz，有宽频带和可选滤波器以记录不同频谱范围的地震信号，其各项指标均能满足浅层探测的要求。由于探测场地位于四川省甘孜藏族自治州甘孜县十六道班的山脊平台上，场地范围内地势起伏较大，高地多为基岩出露，基岩岩性为三叠系上统拉纳山组（T3l）和三叠系上统曲嘎寺组（T3q）变质砂岩、板岩、灰岩。据不同震源特征的已有研究表明，采用小能量激发相对能增强高频波的能量（柴铭涛等，2007），因此，综合以上各因素，在本次探测工作中我们选取了携带较为方便、适合测区作业的锤击震源。

图2 测区附近甘孜—玉树断裂南段的断错地貌现象

图3 甘孜—玉树断裂南段地表最新活动形迹与地震测线布设示意图

浅层地震反射波法对被测目标进行准确定位的效果主要取决于如何通过扩展排列试验来选择避开干扰对有效反射波影响较小的“最佳偏移距”，对于覆盖层较浅的工作区，应采用小点距、短排列、小偏移距的工作方式，以此来获得小断层弱信号的反射信息（方盛明等，2002，2006）。已有研究表明，采用小道间距、小偏移距和短排列接收的工作方法对缩短干扰噪声的影响半径、保护地震信号的高频成分，提高地震记录的分辨率是十分有利的（刘保金等，2002，2008）。综合以上研究结果并结合本次测区地形地貌特征和现场地震记录特点，本次探测研究采取了小道间距、小偏移距、多道短排列接收、共反射点多次覆盖观测的工作方式，以达到对断裂构造进行精确定位的目的。此次反射波法地震勘探的具体工作参数设计如下：浅层地震勘探工作共布设地震测线3条，最佳工作参数选择12道接收、检波点距5 m，炮点偏移距为25～35 m不等，完成共反射点6次叠加覆盖、采样间隔0.25 ms、采样点数2 000个、记录长度500 ms，最终获得了高频高信噪比的优质浅层地震反射资料，浅层人工地震测线工作获得共炮点有效记录341张，记录全部合格，图4为典型单炮反射原始记录图，图5为多次覆盖观测系统示意图。

1.4 反射波数据处理

图4 典型单炮反射原始记录

室内数据处理过程中有效地保护和恢复地震记录中的有效宽、高频反射信息以及提高资料信噪比是资料处理的关键，而压制干扰、提高地震资料的信噪比和分辨率是资料处理的目的（Yilmaz O，2000）。本次数据处理采用中国地震局统一采购的活断层探测专用的GRISYS地震反射处理软件，处理模块主要包括了静校正、频率带通滤波、二维倾角滤波、正常时差校正（NMO）、共中心点（CMP）叠加、反褶积、时变谱白化（RETWHI）和叠后偏移。针对甘孜—玉树断裂南段的具体工作环境、测区地质条件和现场地震记录特点及室内对各种处理流程的试验对比，特设计了以下数据处理流程：1）数据解编及格式转换；2）振幅补偿；3）叠前去噪；4）带通滤波；5）静校正；6）抽CDP道集；7）NMO校正及拉伸切除；8）建立速度模型及速度分析；9）剩余静校正；10）共反射点叠加；11）叠后反滤波；12）叠后随机噪音衰减。

图5 多次覆盖观测系统

2 地震剖面解译与断裂定位

断裂探测的主要目标是要确定断层的位置和产状等，在地震叠加时间剖面上通过对反射波组特征、波速变化和地层构造等重点环节进行分析，并结合地震地质调查结果可以判定断裂的展布位置，再根据断层向第四系地层内部的延伸情况可进一步研究其活动性。本次探测工作在对测区内地震反射时间剖面上的反射波组的追踪和识别的基础上，并根据DB/T15-2005《活动断层探测方法》对地震剖面成果进行断层判定。本次浅层人工地震勘探有效反射波揭示了不同测线布设区第四系的底界面的形态和断错特征，并针对每条测线的基岩面的埋深及形态情况，根据水平叠加时间剖面分别进行了解译，并依据水平叠加时间剖面中出现同相轴的错断、扭曲或强相位转换等现象特征来推断该规划区场地范围存在的断裂构造分布情况。

L1测线NE向布设，地震剖面（图6）揭示出的地层反射具有较高的信噪比和分辨率特征，且在横向上反射波同相轴可以连续追踪，反映的沉积地层界面比较连续，具体而言对于剖面上同相轴连续的P1波组推测为第四系底界面的反射波，强相位双程T0时间为20～35 ms之间，反射波速度800～1 300 m/s，经时深转换后，第四系底界面的埋藏深度在20～25 m；P2波组形态类似P1波组，强相位双程T0时间为40～50 ms，反射波速度1 500～2 200 m/s，推测为不同程度风化的岩层波阻抗差异所致，未发现地层产状和剖面反射波同相轴出现的错断、扭曲等现象。

L2测线自公路起沿N45°E布设，从图7地震剖面来看，同相轴P1波组推测为第四系底界面的反射波，强相位双程T0时间为40～65 ms，反射波速度800～1 500 m/s，经时深转换后，第四系底界面的埋藏深度在35 m左右；P2波组强相位双程T0时间为70～80 ms，反射波速度1 800～2 600 m/s，所揭示出的第四系底界面反射波同相轴出现的错断、扭曲的现象，推测为断裂构造的通过位置，即剖面中红线标注的位置。

图6 L1测线动校叠加时间剖面

图7 L2测线动校叠加时间剖面

L3测线自公路起沿N45°E布设（图3），地震剖面图8揭示出的地层反射具有较高的信噪比和分辨率特征，P1、P2波组均清晰可见，且在横向上反射波同相轴可以连续追踪，地层界面的起伏变化形态和断裂构造特征也非常清楚，具体而言对于剖面上同相轴连续的P1波组推测为第四系底界面的反射波，强相位双程T0时间为60～75 ms，反射波速度900～1 400 m/s，经时深转换后，其埋藏深度在45 m左右；P2波组形态类似P1波组，强相位双程T0时间为85～100 ms，反射波速度1 600～3 000 m/s，推测为不同程度风化的岩层波阻抗差异所致，根据剖面右方出现的同相轴形态的扭曲以及分叉、合并等现象可以划分出红线标示处为断裂构造的通过位置。

图8 L3测线动校叠加时间剖面

3 讨论与结论

根据3条时间叠加剖面揭示的结果，地震测线L1位于基岩台地上，场地下部地层为基岩，上部地层为土壤层和风化的基岩堆积层，地震剖面揭示出的地层反射具有较高的信噪比和分辨率特征，推测为不同程度风化的岩层波阻抗差异所致，但未发现地层产状和剖面反射波同相轴出现的错断、扭曲等现象。地震测线L2跨基岩台地和台地西缘的冲洪积扇，地震剖面揭示出的第四系底界面反射波同相轴出现的错断、扭曲的现象，表明基岩台地和冲洪积扇之间的边缘存在一条断裂，但从线性地貌的延伸性来看，该断裂新活动并不明显，甘孜—玉树断裂新活动行迹并未从该处通过。地震测线L3穿越了整个冰水洪积扇，并跨南北两侧断层地貌的连线，地震剖面揭示出的地层反射具有较高的信噪比和分辨率特征，且在横向上反射波同相轴可以连续追踪，地层界面的起伏变化形态和断裂构造特征也非常清楚，解译出3支断层，在覆盖层中呈花状构造展布，符合大型走滑断裂的构造样式。

本次探测工作中采取了小道间距、小偏移距、多道短排列接收和共反射点多次覆盖观测的工作方式，查明了北西向的甘孜—玉树断裂南段在甘孜格萨尔一带的空间展布位置和近地表构造形态，在实际工作中取得了良好的效果，探测结果也表明了在高原基岩埋深较浅地区宜采用人工锤击激发、小道间距、小偏移距、多道短排列单边接收的多次覆盖观测系统工作方式，以此可获得高频、高信噪比的优质浅层反射地震资料。

由于不同的地球物理数据反演方法往往存在程度不同的非唯一性（多解性），所以，对于同一研究区域，采用不同的数据源和多种物性参数反演方法研究其深部结构无疑成为解决这一问题的有效途径（李大虎等，2016，2019）。对于埋深约几十米的基岩面测区采用浅层地震反射纵波方法探测往往可以取得较好的探测结果，对于超浅层测区可以采用横波反射来探测第四系内部的反射层和确定断层上断点的位置，采用纵波反射和横波反射的联合探测，可以更加清晰地揭示断裂构造由浅至深的空间展布形态以及近地表更加详细的分层情况；联合采用浅层地震反射波法和高密度电阻率成像法探测，对于断裂通过位置造成的岩体破碎和地层位错往往反映更加敏感，因此可以更好地反映地下介质的含水状况及横向变化特征，从而实现从不同物性角度查明断裂的精确空间展布位置、几何形状以及物性特征的目的，为进一步评价断裂活动性和研究地震危险性以及未来发震能力评估提供科学依据。