SPAC法在海口江东新区新近纪-第四纪地层精细划分中的应用

钟宙灿, 蔡水库, 刘巧霞, 张前, 章雪松, 张匡华, 王富

(1.海南省海洋地质资源与环境重点实验室, 海口 570206; 2.海南省地质综合勘察院, 海口 570206; 3.海南省地质调查院,海口 570206; 4.中国地震局地球物理勘探中心, 郑州 450002; 5.海南省海洋地质调查研究院, 海口 570206)

微动探测技术是一种基于台阵观测的天然场源微动信号进行提取瑞雷波频散曲线,进而反演获得地下介质S波速度结构的地球物理勘探方法[1]。Aki[2]基于平稳随机过程理论采用空间自相关(spatial autocorrelation,SPAC)法,从微动信号中提取面波频散曲线,推动了微动理论方法技术的发展。微动探测方法已被中外许多学者广泛应用于地层速度结构探测中[3]。王振东[4]和冉伟彦等[5]开展长周期微动法用于深部地质结构界面分层研究。Liu等[6]利用微动台阵观测技术测定地表60 m深度范围的速度结构。何正勤等[7]利用SPAC法获得了地下1～2 km深度范围的横波速度结构,并通过钻孔结构对比验证了其可靠性。徐佩芬等[8-10]在河南、山西等多地利用微动技术进行地层分层、断裂构造探测及陷落桩勘察,取得显著效果。翟法智等[11]利用二重圆形关系台阵探测城市暗浜,填充物深度误差在0.2 m以内。Tian等[12]在青山海湾地区采用2 Hz地震检波器进行微动探测,获得的横波速度结构与钻孔岩性对比,证明了SPAC方法得到结构的准确性。徐浩等[13]利用微动勘探技术开展城市地面沉降检测,通过钻孔验证波束异常处,验证了该技术的有效性。齐娟娟等[14]基于扩展空间自相关法(extended spatial autocorrelation,ESPAC)的线性台阵的微动B超技术,实现了大深度、高精度详查。

随着海口江东新区的设立,为保障江东新区内建筑工程建设及安全运行,海南省地质局联合中国地质调查局武汉地质调查中心开展城市地质调查,查明地下空间结构特征。江东新区地处滨海平原,海陆过渡带沉积物成因多样、新近纪-第四纪地层接触关系复杂,区域内工程地质和水文地质调查程度偏低,为了查明江东新区内地质条件,需利用地球物理探测技术等开展地质调查工作。由于江东新区所处的环境条件复杂,常规的钻探工程施工成本大、钻孔孔位受建筑物等限制,难以达到理想勘查效果。微动探测以其环保无损、抗干扰、场地条件要求低等特点,已在城市地质调查、地下空洞等多个领域[15-19]中取得了显著的应用成果。

现基于微动探测SPAC法基本原理,通过反演微动台阵观测数据获得的地层结构,并与地质钻孔对比,验证该方法的有效性;采用“钻探+加密微动探测”方法,指导江东新区内新近纪-第四纪地层单元[20]的精细划分,为海口江东新区的科学规划、地下空间的安全高效利用与管理、地上地下一体化“透明江东”和“智慧江东”的建设提供地质支撑和服务。

1 研究区地质概况

1.1 地貌

海口江东新区位于海南岛北部海陆交互地带,总体呈北西-南东向展布,东西向从文昌市至南渡江,南北向从云龙镇至琼州海峡,总面积约298 km2,如图1所示。根据地貌成因,区内地貌类型主要分为火山地貌、河流地貌和海积地貌,其中火山地貌主要分布于江东新区中南部以及演丰镇一带成,河流地貌主要分布于研究区西南部的灵山镇一带,海积地貌主要分布于研究区北部的桂林洋一带。

红色框区域为江东新区范围图1 海口市地图Fig.1 Map of Haikou City

1.2 地层

研究区内下伏基岩为石炭纪-二叠纪片麻岩和混合岩,上覆地层从老到新依次为中新统下洋组及灯楼角组,上新统海口组,更新统秀英组、北海组及多文组,全新统琼山组、烟墩组及Qh(未建组)。

地表出露地层主要有:下更新统秀英组,岩性底部为灰白色、灰黄色砂砾层,上部为紫红夹白、黄色等杂色黏土层;中更新统多文组,岩性底部灰黑色致密-气孔状玄武岩,顶部为残积厚红土,主要分布于灵山-演丰-塔市一带;中更新统北海组,岩性下部以黄褐色砾砂为主,上部以红褐色含砾、中细砂或细中砂为主,主要分布于桂林洋一带;全新统琼山组,底部为浅褐黄色粗砂层、砂砾层,上部以灰黄粉质黏土为主,主要分布于东营-灵山镇一带;全新统烟墩组,主要为黄色砂与灰黑色淤泥质黏土互层为主,主要分布于研究区沿海、高山村及演村一带;全新统未建组,岩性为冲洪积成因的黄色砂砾及中细砂,分布于南渡江两岸。

1.3 构造

海口江东新区所处的雷琼断陷盆地边界断裂(王五-文教断裂)与盆地内部断裂(铺前-清澜断裂、马袅-铺前断裂、长流-仙沟断裂及儒关村-云龙断裂)共同控制的构造变形,同时控制了地块的垂直差异升降运动。区内主要发育三组断裂(图2),一为近南北向的铺前-清澜断裂(F1),二是近东西向的马袅-铺前断裂(F2),三是近东西向的新村-林乌断裂(F3)。

图2 研究区微动测点位置图(据文献[20]修改)Fig.2 Location map of the microtremor points in the study area(revised from ref.[20])

2 SPAC法基本原理及工作方法

微动勘探的基本原理是基于平稳随机过程理论及弹性波理论[21],根据面波传播特性,从地震台阵记录微动信号的垂直分量估算面波相速度[22],通过提取瑞雷波频散曲线,进而反演获得观测台阵下方S波速度结构,最后由波速差异解释地质现象,从而达到勘察的目的。

2.1 SPAC法

SPAC法(空间自相关法)认为微动在时间和空间上随机分布,并且在特定的时间内具有稳定性。因此将某一时段的微动信号记录看成是平稳随机过程的样本函数X{t,ξ(r,θ)},定义台阵中心O和其圆周上测点A的空间自相关函数S(r,θ)为

(1)

式(1)中:g(ω,r,θ)dω为空间协方差函数;h(ω,φ)为频率-方位密度;ω、r、θ分别为角频率、观测半径、波的入射角;k、φ分别为波数和方位角[21-22]。

可得空间协方差函数g(ω,r,θ)的方位平均值表达式为

(2)

式(2)中:J0(rk)、rk分别为第Ⅰ类零阶贝塞尔函数[10]及其宗量。

进而求出角频率空间自相关系数ρ(ω,r)为

(3)

式(3)中,h0(ω)为观测台阵中心频率-方位密度。

最后根据式(4)获得瑞雷波相速度c(f)。

(4)

式(4)中:f为频率。

可见,通过计算台阵中心点与圆周上各点的空间自相关函数并对其方位平均得到空间自相关系数ρ(ω,r),再用第Ⅰ类零阶贝塞尔函数拟合对其拟合,便可求出相速度c(f),获得瑞雷波相速度频散曲线,最后采用个体群探索分歧型遗传算法[23]反演出地下S波速度结构,从而达到解译指导工程实践。

2.2 观测系统

为了满足SPAC法对圆形观测台阵的要求,单点微动探测时观测台站需沿着圆周布置,且至少等间隔布设3台,中心点布设1台,组成圆形观测台阵,可得到可信的空间自相关系数。本次采用的观测系统(图3)由10个观测点组成,1个置于圆心、9个分别置于内接3个三角形顶点,通过RTK定位确保每个观测点达到厘米级定位精度。

1～10为台阵观测点号;r台阵圆周半径图3 微动观测台阵示意图Fig.3 Illustration of microtremor station observation

2.3 数据采集

采用北京水电物探研究所生产的WD-1智能勘探仪,仪器屏幕上可以直接观察到地层频散曲线及其逐渐收敛稳定的过程;仪器频带范围0.5～50 Hz,采样间隔5～100 ms,采样长度600～3 600 s,可根据实际情况进行滤波处理。

在野外数据采集前,需将观测台阵所用的拾震计放置于同一地点,同时记录波形数据,截取部分时段数据如图4所示,可见波形基本完全相同,各拾震计间的相干系数优于95%,满足微动探测对仪器的要求后方能采集数据。

图4 仪器一致性测试波形记录Fig.4 Waveform records of instrument’s conformance test

同时针对观测系统分别布设了最大边长为40、64 m的三角形台阵试验,研究台阵规模与探测深度的关系,试验结果如图5所示。

Vc为面波速度图5 频散曲线对比Fig.5 Comparison of the dispersion curves

由图5可知,台阵最大边长为40 m时,最大勘探深度约为170 m;当台阵最大边长为64 m时,最大勘探深度约为203 m。随着台阵最大边长的增大,勘察深度得到有效提升,因此在本研究区内采用最大边长为64 m三重圆形台阵。

数据采集时,保证所有采集人员远离观测台阵,尽量减少不必要的人文干扰,实时监控仪器波形数据和频散曲线,10～30 min完成0～200 m深度的地层勘探。

2.4 数据处理

本次数据处理解释软件为北京水电物探研究所配套enc_P系列程序。主要处理步骤如下。

步骤1对原始数据[图6(a)]设定自相关分段点数后计算出功率谱密度,预设面波频率区间2～15 Hz。

图6 S波速度结构主要处理步骤Fig.6 Main processing steps of S-wave velocity structure

步骤2利用SPAC法进行自相关处理,先求出每个微动探测点台阵中心点与圆周上各点的自相关系数并取方位平均,再用第Ⅰ类零阶贝塞尔函数拟合,计算出与台阵相对应的相速度,从而获得相速度频散曲线[图6(b)]。

步骤3建立初始地层结构模型后不断进行调整优化,得到最终地层结构分层模型,并用遗传算法反演得到横波速度结构模型[图6(c)],经过拟合后理论频散曲线与实际频散曲线较吻合度高。

3 成果解释

3.1 探测成果与钻孔成果对比分析

江东新区下伏基岩与上覆地层以及不同时代地层(灯楼角组、海口组、秀英组、烟墩组)之间均存在波速差异(图7),这就为微动探测划分层位提供了地球物理前提。

为了进一步了解微动探测结果的可靠性和精度,对区内实测的微动频散曲线进行反演得到S波速度结构,并与研究区内测点附近的浅钻JDSK6进行对比分析(表1、图8)。

Vs为横波速度图8 S波速度结构与钻孔JDSK6对比Fig.8 Comparison of S-wave velocity structure with borehole JDSK6

钻孔JDSK6揭露地层主要有6层:第1层(0～10.2 m)为素填土和粉细砂,局部夹砾粒;第2层(10.2～15.35 m)为黏土,局部夹粉土;第3层(15.35～23.7 m)为含贝壳碎屑砾砂,夹粉砂;第4层(23.7～94 m)为粉质黏土,夹贝壳碎屑岩;第5层(94～133.8 m)为贝壳碎屑砂砾岩;第6层(133.8～200.17 m)由多层相间的粉质黏土、中粗砂以及粉砂组成。

由S波速度结构可知,S波速度分布总体上呈上低下高的特征,自上而下可分为6层:第1层深度为0～10.1 m,S波层速度约为160 m/s;第2层深度为10.1～14.5 m,S波层速度约为190 m/s;第3层深度为14.5～24.7 m,S波层速度约为430 m/s;第4层深度为24.7～93 m,S波层速度约为650 m/s;第5层深度为93～134.8 m,S波层速度约为720 m/s;第6层深度为134.8～202.3 m,S波层速度约为830 m/s。在45.2～54 m及93～134.8 m处分布两处旋回低速层,对应着贝壳碎屑砂砾岩。

从表1可知,底界面的误差介于0.44%～5.54%,误差较大(5.54%)出现于秀英组与海口组3段分界面处,可能是由于海口组3段贝壳碎屑砾砂中夹有粉砂,地层间岩性之间波速差异减小,降低了分层精度。海口组贝壳碎屑砂砾岩与粉质黏土之间及灯楼角组内的中粗砂与粉质黏土之间界面的波速差异较大,易于有效区分。岩性分界面探测精度总体呈现出随深度加大而减小的特征,这与研究区内浅钻JDSK4、JDSK5与其对应的微动测点结果的比对基本一致。

对比可知,SPAC法探测波速差异大的地层分界面,可有效确定其深度,其精度也较高;微动解释的岩层界面与钻孔揭露的岩性界面之间不是一一对应的,存在着一定的误差,可根据钻孔揭露的结果修正后为绘制地质剖面图提供数据支撑。

3.2 二维微动剖面划分岩性层位

采用“钻探+加密微动探测”方法,于研究区内完成2条二维微动剖面,共72个微动探测点。以AA′线为例,施工6个间距约500～2 000 m的浅钻和35个微动测点,依据横波速度等值线并结合钻孔资料修正后绘制地质剖面,精细地刻画出研究区内的新近纪-第四纪地层单元。如图9所示,自上而下,波速呈现出不断增大的特征,存在明显的岩性界面;结合区内的钻孔岩性资料,视横波速度剖面反映出6个岩性层位,分别为人工填土、烟墩组、多文组、秀英组、海口组及灯楼角组,各层组的埋深总体上逐步变大。

1为灯楼角组;2为海口组;3为秀英组;4为多文组;5为烟墩组;6为人工填土;7为粉细砂;8为含角砾黏土;9为黏土;10为贝壳碎屑砂砾;11为粉质黏土;12为贝壳碎屑砂砾岩;13为粉质黏土与粉砂互层;14为中粗砂;15为岩性界线;16为推断断层及编号;17为钻孔编号及孔深(单位:m)图9 AA′线微动探测综合解释剖面Fig.9 Comprehensive interpretation profile of microtremor survey of line AA′

(1)人工填土。主要由灰色、褐色素填土组成,分布于地表,平均厚度3～5 m,将横波速度<120 m/s划分为该层位,其在剖面纵向上表现为厚度分布较均匀,横向上1 200～2 600 m区段缺失。

(2)烟墩组(Qh3y)。测线上未见出露,属滨海、潟湖相沉积,岩性主要由黄灰色粉砂、细砂、砾砂及淤泥质黏土组成,组底部以薄层状砾砂层为特征。主要分布于测线北东部,平均厚度约6 m,将横波速度120～160 m/s划分为该层位,其在剖面纵向上表现为厚度分布不均匀,横向上5 800～6 900 m区段厚度逐步变大。梁定勇等[24]在江东新区JDGK3孔3.8 m处采集了光释光(OSL)测年样品,测试分析得出的年龄为(1.04±0.07)ka,认为该组时代为晚全新世。

(3)多文组(Qp2d)。局部出露地表,岩性以含角砾黏土为主,不整合叠覆于秀英组之上,底面高程3～14 m,平均厚度约5 m。将横波速度160～200 m/s划分为该层位,在剖面上表现为厚度分布较均匀。洒骁等[25]开展琼北火山岩激光40Ar/39Ar定年研究,正等时线年龄为(0.53±0.04)Ma,该组时代为中更新世。

(4)秀英组(Qp1x)。测线上未见直接出露,为隐伏分布。岩性以杂色黏土层为主,个别钻孔揭露黏土层之下为白色、灰白色、黄色含砾中粗砂层,平均厚度约11 m。将横波速度200～240 m/s划分为该层位,横向上3 300～3 900 m及6 800～8 070 m厚度分布较薄,其他区段分布较均匀。该组地质时代为早更新世。

(5)海口组(N2h)。测线上海口组未直接出露,隐伏分布于秀英组之下;海口组3段岩性以灰白、灰黄色贝壳碎屑中砂为主,偶夹黄色贝壳碎屑粉土;海口组2段岩性以青灰色、深灰色粉质黏土为主,局部夹灰白色含贝壳碎屑岩;海口组1段岩性以黄褐色、灰黄色贝壳碎屑砂砾岩为主,偶夹灰白色粉质黏土。海口组顶部以贝壳碎屑中砂与上覆秀英组呈平行不整合接触,底部以贝壳碎屑砂砾岩与下伏灯楼角组整合接触,平均厚度约80 m。将横波速度240～500 m/s划分为该层位,横向上0～8 070 m厚度分布表现为逐渐变厚,其中5 400～6 100 m区段有断裂发育。该组的地质时代为晚上新世。

(6)灯楼角组(N1d)。该组沉积环境为浅海陆棚,钻孔资料显示上部岩性以灰绿色粉砂与粉质黏土互层为主,中下部为灰白色中粗砂为主。该组底部与下伏地层呈整合接触,顶部以灰绿色粉质黏土与上覆海口组灰黄色贝壳屑砂质砾岩整合接触。将横波速度>500 m/s划分为该层位,横向上0～8 070 m埋深逐渐变大,其中6 100～6 250 m区段有断裂发育。结合梁定勇等[24]的研究成果,表明该组的地质时代为晚中新世。

3.3 断裂推断

依据视横波速度在纵向上表现出台阶跳跃现象,秀英组、海口组与灯楼角组地层之间岩性界面存在明显错动现象,较好地显示了断裂的空间分布特征(图9、图10)。综合地质资料推断出AA′线的隐伏断裂F2w为近东西向的马袅-铺前断裂(F2),与以往推断断裂位置相比偏南约600 m,延伸至BB′线2号点附近(图2);BB′线的隐伏断裂F3w为近东西向的新村-林乌断裂(F3),与以往推断的断裂位置相比偏南260 m(图2),未延伸至AA′线。

图10 BB′线微动横波视速度反演剖面Fig.10 S-wave apparent velocity inversion section of microtremor survey of line BB′

4 结论

基于SPAC法的基本原理,采用微动探测方法探测海口江东新区地下地层结构,较好地发挥了微动探测场地要求低、抗干扰能力强、工作效率高等优点,取得了很好的应用效果。通过比对微动反演结果与测点附近的地质钻孔结果,并结合已知钻孔及地质资料进行综合解释,得到以下结论。

(1)研究区内200 m以浅地层结构主要由6个岩性层位组成,其中海口组中的贝壳碎屑砾砂、砂砾岩与其接触的黏土层之间波速差异较大,易于有效区分;岩性界面探测精度总体呈现出随深度加大而减小的特征,其精度介于0.44%～5.54%,满足城市地质调查的精度要求。表明微动探测法可有效划分岩性差异较大的地层,其探测精度较高,应用效果较好。

(2)依据横波速度等值线的变化特征,利用测点附近的钻孔结果修正后进行地质综合解释,将海口江东新区新近纪-第四纪地层划分为中新统灯楼角组,上新统海口组,更新统秀英组和多文组,全新统烟墩组和Qh(未建组),为江东新区新近纪-第四纪地层单元精细化划分提供地球物理依据;同时根据速度等值线的台阶跳跃现象推断出隐伏断裂,证实了微动探测是一种探测隐伏断裂行之有效的手段。

(3)采用“钻探+加密微动探测”方法,降低了钻探工程勘探成本的同时还能保证工程地质勘察的精度要求,可为海南岛其他地区第四系-新近系等松散沉积层地区的地层结构探测提供重要参考。微动探测方法凭借其高效、低成本、应用范围广等优点,相信能在城市地质调查等方面做出更大贡献,助力海南自贸港建设。