地表淺部地震勘探方法在城市隱伏活動斷裂調查中的應用

徐吉祥　張曉亮　李瀟　王繼明　薛愛民　舒律

關鍵詞：地震勘探;主動源面波;混合源面波;三分量地震頻率諧振;隱伏活動斷裂

面波是一種彈性波，它的能量主要集中于距離自由地表約一個波長范圍內，其基本原理是體波通過與自由界面或分層介質的彈性分界面相互作用，并滿足物理上的自由邊界條件或界面的連續條件而產生。按照能量源不同，面波勘探可分為主動源面波和被動源面波勘探（黃真萍等，2015），其中，主動源面波法又稱穩態面波或瞬態面波法，并逐漸發展為多道瞬態面波技術等;但被動源面波法在世界范圍內名稱尚未統一，如在美洲稱為被動源面波，在日本稱為微動技術，在歐洲則稱為環境噪聲成像等（趙東，2010）。采用人工激發的彈性波作為震源的主動源勘探方法，探測精度較高，但易受震源能量和排列長度的限制，勘探深度有限;而利用長時間觀測環境噪聲記錄的被動源探測方法，其探測深度大，但易受信號能量弱和頻率低的影響，其探測精度較差（夏學禮等，2008;劉康和等，2001）。在地表淺層勘探中，聯合主動源和被動源面波勘探優勢互補，既提高探測深度，又保證探測的分辨率。探測過程中充分利用不同頻段信息的分辨力，通過對頻譜地震信息拼接提取頻散曲線進行聯合勘探（劉慶華等，2015;徐元璋等，2013）。三分量地震頻率諧振勘探采用地層地質結構P和S波諧振頻率，識別地下界面波阻抗差大小和界面傾斜度。波阻抗大，其效應大;界面傾斜度高，則其效應較小;通過地下某巖層分界面對應某一特定的地震諧振頻率，分析諧振頻率可以獲得地下巖層位置和波阻抗信息（王振東，2006;李華等，2020）。

本文以黃莊-高麗營斷裂為例，采用主動源面波、混合面波勘探和三分量頻率諧振勘探方法進行實驗研究，分析了各種方法在活動斷裂淺部地質結構調查中的應用效果，總結了3種方法的優缺點及數據采集特點，研究成果可為淺表地震勘探方法應用于城市地質調查工作提供參考。

1概況

黃莊-高麗營斷裂是橫穿北京市平原區的一條隱伏活動斷裂，整體呈正斷傾滑性質，控制著北京凹陷和西山隆起的邊界（圖1）。該活動斷裂南起河北省涿州，在北京境內由西南向東北一直延展到密云以西，走向NNE，總長132 km。斷裂形成于燕山運動末期，切割了侏羅系及以前的地層，控制了白堊系、古近系和新近系，第四紀以來仍有活動（北京市地質調查研究院，2007;張曉亮等，2016）。

1966年石油部探測北京平原區地質構造格局時發現黃莊一高麗營斷裂，之后諸多學者從各個角度對其構造特征和活動性進行了研究。徐杰等（1992）對大灰廠段的斷裂活動性研究表明此斷裂中更新世仍顯著活動;高文學等（1993）認為黃莊一高麗營斷裂是整體呈正斷傾滑性質的晚更新世活動斷裂，并將該斷裂劃分為3個基本段落;馬文濤等（2004）利用高精度淺層地震探測獲取了黃莊-高麗營斷裂北京市立水橋附近的地下淺表結構，主要由2條相距1300 m近平行的東西走向的次級斷裂組成，2條次級斷裂在634 m處相交，斷裂斷距8m;劉保金等（2009）采用深地震反射剖面精細揭示黃莊-高麗營斷裂的深淺構造特征，其向下可延伸到8～9 km的深度;高戰武等（2010）研究認為斷裂蘆井—曉幼營段下方未發現地殼速度結構的橫向變化及小地震定向排列現象，推斷其下方可能不存在殼內深斷裂。

近年來在高麗營鎮等區域發現多處地裂縫造成的建筑和公路破壞（劉元章等，2019）。例如，高麗營鎮村民住房的墻體曾遭破壞，周邊公路也曾因路面塌陷一度中斷;位于地裂縫帶上的多處民房出現貫通性裂縫;北京華都肉雞廠南墻東南下降30 cm導致墻體破壞;西王路中路一民房房屋墻體開裂，并有加大趨勢。諸多證據顯示上述破壞均與黃莊—高麗營斷裂密切相關（賈三滿等，2007）。2009年，北京市地質礦產勘查院野外調查發現斷裂穿越某規劃建設區，建設方根據調查結果對斷裂采取了避讓措施，目前已開展對斷裂的監測工作，結果顯示斷裂活動仍在持續。

實踐證明，通過對受損建筑的加固和修補并不能有效阻止地裂縫的破壞和繼續發展，針對活動斷裂引發的地裂縫等地質災害現象，應在重大工程建設前期提前開展調查研究工作，對斷裂進行精確定位和活動性分析，及時采取科學的避讓措施或工程手段。因此，對隱伏活動斷裂的探測工作就顯得尤為重要。

2數據采集與處理

試驗地點為順義區高麗營鎮順沙路綠化帶，區內地勢平坦，干擾較少，便于開展工作。

混合源面波勘探法采用線性陣列技術，聯合主動源與被動源對地下淺層結構進行勘探。地震采集儀采用德國DMT公司生產的Summit，檢波器為威海雙豐物探股份有限公司生產的4.5 Hz低頻檢波器，采用單邊激發，主動震源為50 kg落錘，36道接收，檢波點距1.5 m，炮間距1.5 m，最小偏移距15 m，采樣率1ms，記錄長度10 s。

數據后期處理采用北京派特森科技股份有限公司自主研發的數據處理軟件，數據處理流程見圖2。

三分量地震頻率諧振H/V譜比技術勘探，使用的是Summit地震采集儀和威海雙豐物探股份有限公司生產的2 Hz三分量檢波器，震源為50 kg落錘。采用單邊激發裝置，36道接收（12個三分量檢波器），檢波點距2m。炮間距2m，最小偏移距奇數炮14 m，偶數炮12 m，采樣率4 ms，記錄長度30 s。

數據后期處理同樣采用北京派特森科技股份有限公司自主研發的數據處理軟件，數據處理流程見圖3。

3結果與討論

主動源多道瞬態面波主要用于地下淺層結構的精細化探測，而混合源多道瞬態面波能夠對深部和淺部的地質結構進行探測。在此基礎上，利用三分量地震頻率諧振勘探方法勘探成果與上述2種方法探測結果進行對比分析，比較3種方法優缺點。

3.1主動源多道瞬態面波

主動源多道瞬態面波法獲取數據處理后的剖面如圖4。根據橫波波速不同，剖面上低層分界面明顯，其中10 m以上地層橫波速度相對較大，主要在200 m·s^-1以上，推測為黏質粉砂為主的細顆粒沉積物;10～15 m深度的地層，橫波速度明顯降低，速度約100～130 m.s^-1，推測為含水率較高的砂質黏土層。在水平距離71 m，約10 m深處，橫波速度出現階梯式變化，根據橫波速度變化及層位形態分布可推斷此處為由斷裂錯斷地層所致，通過與地表活動斷層引起的路面破裂位置對比，波速突變位置與路面破裂的位置相吻合。由波速與時間的關系可計算出此處斷距約2m，表明斷裂在地表以下10 m深處上下兩盤出現1～2 m的層位錯動。

3.2混合源多道瞬態面波

混合源多道瞬態面波，綜合主動源信號和被動源噪聲信號（本次探測主要來自通過順沙路車輛產生的噪聲），優勢互補，既增加了探測深度，又保證了探測的分辨率。

與主動源探測結果相比，混合源探測剖面（圖5）在地下15 m內的成像效果不如主動源探測結果。但在15～40 m深度范圍內，橫向上出現一個明顯低速異常通道，該異常位置與斷裂位置吻合，初步判斷可能與斷裂帶引起的地層破碎有關。但斷裂帶兩側并未顯示出地層的垂直錯動，推測深部覆土層，除破碎帶以外，斷裂上下盤并未出現明顯的速度差。

3.3三分量地震頻率諧振

三分量地震頻譜諧振H/V譜比的探測剖面如圖6，在測線水平距離75 m處，斷裂位置較為清晰，在8～12 m深度的低H/V譜比帶（藍到淺藍色），與主動源探測剖面上（圖4）10～15 m深度的低速異常帶特征相似，斷裂兩側出現明顯錯動，但在探測深度上存在2—3 m誤差。其產生原因可能是缺少對地層對比資料和橫波速度信息標定，無法提供準確的地層對比資料和橫波速度信息。

4結論

通過實驗對比分析了主動源多道瞬態面波、被動源多道瞬態面波和三分量地震頻率諧振H/V譜比3種地球物理方法在探測活動斷裂淺部精細結構調查應用效果，取得的幾點認識如下：

1）主動源多道瞬態面波勘探方法，能夠對地表以下15 m以淺地質信息，包括地質結構及地層進行相對精細刻畫;混合源多道瞬態面波勘探方法，結合了主動源信號和被動源（噪聲），能夠有效補充低頻頻段信號，增加探測深度;三分量地震頻譜諧振H/V譜比勘探方法，能夠對地表以下15 m深度范圍內的地質信息進行較為詳細的刻畫。

2）3種不同方法對斷裂探測的特征基本一致，相互印證，大大提高了解釋的可信度。同時，該方法組合有效地解決了地表超淺部地震勘探難的技術難題，為今后開展地表超淺部地質探測提供了重要手段。

3）三分量地震頻譜諧振H/V譜比探測結果與瞬態面波探測結果存在水平位置和深度差異，推測誤差產生的原因主要是對地層的橫波速度判斷出現偏差，若獲取橫波速度資料對地震速度進行校正，可以減少或避免相應誤差，相關工作有待進一步研究。