淺層地球物理方法在廣西欽州灣-北海海域斷層探測的應用

馬勝中

(1.中國地質大學,北京100074;2.國土資源部廣州海洋地質調查局,廣東廣州510760)

淺層地球物理方法在廣西欽州灣-北海海域斷層探測的應用

馬勝中1,2

(1.中國地質大學,北京100074;2.國土資源部廣州海洋地質調查局,廣東廣州510760)

采用淺地層剖面法、單道地震方法和高分辨率2D地震等地球物理方法對廣西北海-欽州灣近岸海域的活動斷層進行探測。結果證明，淺層地球物理方法在研究活動斷層的位置、產狀與形態上均具有很好的作用。針對海域干擾因素多環境復雜等不利因素，通過采用新的數據處理方法技術，取得了理想的探測效果，為今后開展斷層的探測與研究提供了借鑒。

廣西欽州灣-北海；淺層地球物理方法；活動斷層

引言

據統計，上世紀死于地震的人數為160萬以上，而后50 a地震造成的經濟損失約2 000億美元，2005年12月26日，印尼蘇門答臘近海8.9級大地震引發的大海嘯波及13個國家，造成二十多萬人喪生。2006年12月26日發生于臺灣恒春以南的海底強烈地震(7級)導致多條越洋國際光纜的折斷，造成了當時國際通訊的中斷及巨大的經濟損失。頻頻發生的地震等地質災害[1-4]，向人類提出了如何防震抗災的重要問題。事實證明，破壞性地震對城市的威脅和危害越來越大，活動斷裂是深大斷裂的現代復活運動，它主要表現在晚更新世(Q3)、全新世(Q4)以來的第四系的反復活動。

近年來，一些學者利用淺地層剖面資料在渤海開展了初步的研究工作，如胡政等在1969年渤海地震震中附近進行了淺地層探測，解析了淺層斷裂構造特征[5]；趙根模等在渤海灣西部進行了聲學剖面探測，發現原來認為第四紀早期已停止活動的斷裂在晚更新世—全新世仍有活動[6]；王志才等在山東半島北部近海海域進行了聲波剖面探測，基本查清了蓬萊—威海斷裂晚第四紀活動的基本特征平[7]；鄭彥鵬等對海河斷裂進行了高分辨率人工地震探測，揭示了海河斷裂晚第四紀活動的一些特征[8]。但是，總體上目前我國近海海底活動斷裂的研究依然處于起步階段，在海底活動斷裂的調查研究中使用的技術方法過于單一，目前主要以單/多道地震探測為主，缺少多種技術手段相結合。

第三紀(距今70 Ma以來)仍在活動著的地質構造稱為活動性構造或新構造，仍在活動或斷續活動的斷裂，稱為活動斷裂。它們的活動可造成地殼的破裂帶，誘發地震發生，形成地殼不穩定區。為此，本文根據大量地球物理、聲學探測及海底取樣等實測資料（圖1）,對廣西北海-欽州灣近岸的海底地形地貌、斷層以及災害地質因素進行詳細的分析,為該區規劃和開發利用海洋資源提供了必需的科學依據。

1 區域構造體系及活動斷層特征

中元古代以來，廣西地區共發生20余次構造運動[9]，其中四堡、廣西、東吳、印支及燕山運動最為強烈，是具有造山性質的運動。區內巖漿活動頻繁，構造形變以斷裂構造為主。

廣西欽州-北海地處中國東南部大陸邊緣活動帶的西南端，位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度洋板塊交匯處。由于經歷了多次構造運動，且每次構造運動相應形成了一系列深度、規模和性質都有差異的斷裂帶，同時斷裂帶之間互相切割和控制，造成斷裂構造的復雜性。

沿海斷裂有NE向、NW向、近EW向和SN向四組，主要有：NE向的防城—靈山斷裂帶（F2）、合浦—博白斷裂帶（F3）；NW向的欽州灣斷裂（F4）、百色—鐵山港斷裂帶（F5）、犀牛腳—北海斷裂帶（F16）、靖西—崇左斷裂帶（F17）；近EW向的斷裂有那丁斷裂（F10），和SN向斷裂一般為小斷裂。其中，NE向斷裂帶規模和范圍最大，多被NW向斷裂切割并錯動，表明NW向斷裂生成較晚。

活動性構造總是通過現代地形地貌、活動斷裂、活動盆地、地震活動、地殼形變、溫熱泉、古地溫、崩塌滑坡、海平面升降等表現出來,認真分析它們的活動情況和規律,對查明地質構造穩定性具有重要意義。

根據各種資料，廣西欽州灣-北海海域主要活動斷裂有5條。

NE向的防城—靈山斷裂帶（F2）、合浦—博白斷裂帶（F3）；NW向的欽州灣斷裂（F4）、犀牛腳—北海斷裂帶（F16）、靖西—崇左斷裂帶（F17）構成廣西欽州灣“X”型活動斷裂主體格架，對地質構造穩定性影響最大。

2 淺層地球物理探測

活動斷裂判別標志有很多，如遙感影像標志有新構造時期活動斷裂常具清晰醒目的線狀標志；地質等其它標志有切割第三系或第四系的斷層，控制水系走向的斷層和已獲得第四紀同位素年齡值的斷層。實踐證明，淺地層剖面法、單道地震等方法在研究活動斷層的位置、產狀與形態上均具有很好的作用。本文采用淺層地球物理方法對廣西欽州-北海近岸海域的活動斷層進行探測。

2.1 淺地層剖面測量

淺地層剖面測量是一種基于水聲學原理的連續走航式探測水下淺部地層結構和構造的地球物理方法。可以獲得海底沉積結構和地層變化的界面信息，應用于水下工程勘察和海洋地質研究的諸多領域。

淺地層探測儀器的工作原理，主要是通過換能器將控制信號轉換為不同頻率(一般在100 Hz～10 kHz之間)的聲波脈沖向海底發射，該聲波在海水和沉積層傳播過程中遇到聲阻抗界面，經反射返回換能器轉換為模擬或數字信號后記錄下來，并輸出為能夠反映地層聲學特征的記錄剖面。

淺地層剖面的工作原理與多波束測深和旁側聲納相類似，區別在于淺地層剖面系統的發射頻率較低，產生聲波的電脈沖能量較大，發射聲波具有較強的穿透力，能夠有效穿透海底數十米的地層[10-11]，地層分辨率在8 cm以上。它可以提供調查船正下方地層的垂直剖面信息，它可以準確地反映出地層界面及可能存在的淺層氣、淺斷層和古河道等海底地質災害因素或其它物體（如管線）。淺地層剖面儀的穿透深度則因工作頻率和海底沉積物類型的不同而異。

本次調查淺地層剖面測量系統采用德國INNOMAR公司SES-96參量淺層剖面系統，外接涌浪補償系統，可輸出水深數據。采用發射功率18 kW，主頻100 kHz，差頻4～12 kHz，在調查中一般使用差頻8 kHz，探測到的地層分辨率較高（圖2）。

2.2 單道地震剖面測量

單道地震記錄系統由單道數據采集處理系統、震源系統、信號接收電纜、記錄儀組成。主要用于了解中、淺地層結構，淺層氣、淺地層斷裂等災害的發育情況。

單道地震與油氣地震勘探技術具有相同的工作原理，不同的是，單道地震探測技術中震源能量小、頻帶寬(幾十赫茲到幾千赫茲)、主頻高(幾百赫茲到上千赫茲)，一般選用電火花和氣槍作為震源，能量從幾十焦耳到幾千焦耳，地層的穿透深度從幾十米到數百米。在工程調查中一般使用電火花震源，選擇250～540 J的激發能量，每秒激發二次的速率，同時在水中激發時產生的能量主頻較高，提高了記錄的分辨率[12]。單道地震能夠有效穿透海底數百米的地層，地層分辨率在0.5 m以上。它可以提供調查船正下方地層的垂直剖面信息，它可以準確地反映出地層界面及可能存在的淺層氣、淺斷層和古河道等海底地質災害因素（圖2、圖3）。

2.3 高分辨率2D多道地震剖面測量

高分辨率2D地震資料的采集一般使用48道或96道多道地震電纜，近岸常常使用24道電纜，縮小偏移距，為了避免虛反射對高頻成分的壓制作用，震源和檢波器電纜的沉放深度比較淺，一般震源的沉放深度3 m，電纜的沉放深度4 m。地震震源一般是小容量GI氣槍震源或套筒槍組合震源，以保證產生高頻率的地震子波。這種方法采集到的地震資料頻帶可達20～350 Hz，比常規的地震采集資料的頻帶(20～50 Hz)要高得多，可以滿足識別薄層及地層結構的需要，提高了精度。

圖1 調查范圍、測線和取樣站位

圖3 單道地震剖面顯示的近似直立的斷層

3 海域探測結果

采用淺層地球物理方法探測得到的資料，根據其聲學特征所反應的地震相，利用反射波組的振幅、頻率、連續性、波形和反射形態的相對變化，反射波組錯斷、出現斷層繞射波或反射波組明顯的下拉來識別斷層，并得到如下結果：

按其方向，廣西欽州灣-北海海域活動斷裂可歸納為NW向、NE向2組為主（圖4），構成“X”型活動斷裂主體格架。

3.1 NE向斷裂組

圖4 欽州灣斷裂構造(據廣州海洋地質調查局資料編)

（1）合浦—博白斷裂帶（F3），自合浦經博白、玉林至北流延伸，南西端進入北部灣海域。總體走向呈NE50～60°，傾向南東，傾角10～80°。斷裂所經之處為南流江河谷低地，水系受斷裂控制。其北西側有高達千米的六萬大山和大容山，南東側有云開大山，地貌反差十分明顯，斷層山、斷層崖以及洪積扇極為發育。斷裂主要由合浦—博白斷裂、北海—東平斷裂、福成—東平斷裂等三條平行的主干斷裂以及幾條次級斷裂組成。

它的南西端進入北部灣海域后，在第四紀地層及前侏羅系基底內部表層斷裂極為發育。合浦—博白斷裂帶分為三支（以下稱為北部斷裂帶F3-1、中部斷裂帶F3-2、南部斷裂帶F3-3）以北東向、北東東向穿過研究區，且每一段又都是斷裂帶，是由一系列向西南呈喇叭狀分布的NE向斷層組成。

合浦—博白斷裂帶在欽州灣海域的北部斷裂帶、中部斷裂帶、南部斷裂帶之間為斷陷型盆地。斷層大多朝凹陷的主體部位呈階梯狀斷落，并被一系列北西向張剪性斷層所錯斷和復雜化。合浦--博白斷裂帶為一組地塹和地壘構造組合，控制該地塹北側邊界的斷裂帶由多條密集排列的階梯狀正斷層組成，該地塹構造形成NE向的狹長形斷陷型盆地，斷層的走向大多與局部凹陷構造展布的方向一致。斷裂延入前新四系基底，并控制基底的起伏變化。

燕山運動晚期以來，該斷裂帶一直在強弱不等地持續活動，直接控制著合浦盆地的形成和發展，該斷裂帶在全新世有活動。

根據合浦—博白斷裂帶的走向和性質，從圖2中看出反射波組發生錯斷，斷層斷至全新世底界R1，認為它是活動斷裂，可能在研究區西南外接潿西南大斷層，潿西南大斷層是潿西南凹陷北部邊界斷層[13]。茹克等人認為晚白堊世產生了潿西南凹陷及其北部邊界斷層。

（2）欽防—靈山斷裂帶(F2)，規模較大，沿十萬大山和六萬大山北側延伸，經靈山、欽州、防城至東興，進入北部灣。欽州灣一帶的海岸、海灣和島嶼形態受此斷裂控制，均顯示十分平直和受到擠壓破碎，北東向線性和帶狀形跡明顯。史料記載，歷史上發生過有感地震61次，其中，6級以上地震1次，5級以上地震1次，4.75級以上地震5次。防城－靈山斷裂帶在中更新世以來（約100萬a）一直在活動，最新活動年齡為1 500 a，說明在第四紀以來一直在活動[14]。

3.2 NE向斷裂組

（1）欽州灣斷裂帶（F4），是一條沿欽州灣深水港線320°走向的隱伏斷裂，在欽州港見有擠壓陡立帶。向SE延伸至潿洲島、斜陽島。在該斷裂與欽防--靈山斷裂帶交匯處，茅嶺江由NE向拐折為NW向，拐折角近90°。潿洲島第四系火山活動發育于該斷裂帶上。欽州灣斷裂帶進入北部灣海域，北西向穿過研究區西南部，走向320～350°，由一系列相互平行的斷層組成（主要為F4-1，F4-2，F4-3，F4-4，F4-5斷層），是左行平移斷層，傾角較陡，甚至直立（圖3）。

（2）靖西--崇左斷裂帶（F17），在研究區的西南部通過，走向300～330°，由一系列相互平行的斷層組成（主要為F17-1，F17-2斷層），是左行平移斷層，傾角較陡。

（3）犀牛角—北海斷裂帶（F16），在研究區的東北角北西向經過，向SE延伸至北海，在該斷裂與合浦斷裂帶的中部斷裂帶交匯處，走向有變化，是平移斷層，傾角較陡。

NE向的斷裂被NW向斷裂切割并錯動，表明NW向斷裂生成較晚。這些斷裂第四紀以來一直在活動，這些斷裂在陸區的最新活動年齡為0.15萬a，斷裂深度為±20 km，屬于淺源地震，地震活動度為Ⅱ-Ⅲ度。研究區目前地震活動處于第二活動期的相對活躍期，地震活動較強的有NE向的合浦--博白斷裂帶和欽防--靈山斷裂帶[14]。

地震活動與斷裂關系很密切，地震是斷裂活動的表現形式之一。斷裂錯動達及地表或發生新的構造變動時，如在強烈地震作用下產生地震斷層或地裂縫，則直接危及人身安全和破壞工程建筑。活動斷裂的交匯地帶是發生強烈差異運動的場所，經常伴生地震，引發次生地質災害。根據《廣西地震資料》，自公元288～1966年本區發生100余次地震，其中90%以上地震多發生在北東向斷裂或北東與北西向斷裂交匯處。

4 結論

廣西欽州灣-北海海域具有優越自然條件、西部大開發的機遇以及復雜的海洋工程地質特征。海底地形地貌較為復雜，存在斷層等災害地質因素,對海上構筑物存在直接或潛在的危險性。尤其斷層很發育，而且是活動斷層，是海底工程建設的危險區,應引起高度重視。

最近由廣州海洋地質調查局開展的一些項目中，在廣東大亞灣近岸水域中對延伸至海域中活動斷裂進行了調查，采用的方法主要有單/多道淺層地震探測和海上鉆孔，取得了良好的效果（圖5）。

圖5 多道地震剖面顯示的斷層

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Abstract：The comprehensive geophysics methods to detect active faults of the sea area in Qinzhou Bay-Beihai,Guangxi Province is used.The experiment proves that using the geophysics methods such as sub-bottom profiling,single-channel seismic,high-resolution 2D seismic prospecting to study the position and form of active fault is feasible.The good effect has been gotten on active fault.In view of the disadvantages such as many interfering factors and complex marine environments,some new data processing methods and technology are used.The obtained idea survey effect can be used for reference in active fault detection.

Key words:Qinzhou Bay-Beihai;shallow geophysics method;active fault

Application of Shallow Geophysical Method to Detect Active Fault in Nearshore of Qingzhou Bay-Beihai

MA Sheng-zhong1,2

（1.China University of Geosciences,Beijing 100074,China;2.Guangzhou Marine Geological Survey,the Ministry of Land and Resources,Guangzhou Guangdong 510760,China）

P736

A

1003-2029（2010）02-0020-05

2010-01-18

我國重點海岸帶濱海環境地質調查與評價-北部灣廣西近岸海洋地質環境與地質災害調查資助項目（12120106 11403）

馬勝中（1968-），男，廣東興寧人，高級工程師，中國地質大學（北京）工程碩士研究生，從事海洋環境地質、災害地質和綜合地質地球物理研究工作。（E-mail：sz-ma@163.com）