不同勘探方法對淺層小斷距隱伏斷裂探測效果

曾金艷 李自紅 陳 文 扈桂讓 閆小兵

1 山西省地震局,太原市晉祠路二段69號,030021 2 太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,太原市晉祠鎮(zhèn),030025 3 北京美辰建筑抗震工程有限公司,北京市雙龍南里204號,100021

在城市活斷層探測工作中,主要采用淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面勘探相結(jié)合的方法探測隱伏斷裂。槽探技術(shù)一般用于斷層位置較確切、斷層埋深較淺的情況,主要用于研究斷裂的古地震事件、斷層復發(fā)性以及滑動速率,可為進一步分析斷裂的地震危險性提供基礎資料[1]。不同探測方法具有各自的局限性和優(yōu)勢。高分辨率淺層地震勘探是探測隱伏斷裂的主要方法之一,在活動斷層定位和初步判定斷層活動性方面具有不可或缺的作用[2-4],但受工作方法和工作參數(shù)的影響,該方法對地下結(jié)構(gòu)的探測分辨率不高,也難以分辨第四系地層物性差異小、斷距小的斷層[5-8]。鉆孔聯(lián)合剖面勘探方法能提高小斷距斷層的探測效果,但需要在了解斷層大致位置的情況下進行,在上斷點埋深過深或地層變化相對復雜或地層標志層分辨不清的地區(qū)效果較差,對于精確確定斷層錯斷的層位也存在一定難度;槽探工作能查明微小斷距的斷層,但受斷層埋深、地下水位以及地層相對復雜程度的影響,存在一定局限性。

臨汾市位于臨汾斷陷盆地臨汾凹陷,第四系覆蓋層松散沉積,城市內(nèi)斷層大都呈隱伏狀態(tài)。郭家莊斷裂是臨汾市區(qū)內(nèi)一條重要的隱伏斷裂,2008～2015年在進行臨汾市活動斷層探測和地震危險性評價工作時已對該斷裂開展不同程度的探測工作,包括淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合剖面勘探以及槽探等工作,通過不同探測方法相結(jié)合,獲得郭家莊斷裂的空間位置和活動特征,可為評價該斷裂的活動性和臨汾市地震危險性提供重要依據(jù)。本文對比分析淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合剖面勘探以及槽探3種方法對郭家莊斷裂的探測效果。結(jié)果表明,對于第四系松散沉積層以下的隱伏斷裂,不同探測方法得到的研究結(jié)果截然不同,應采用3種方法相結(jié)合來研究活動斷層特征。

1 研究區(qū)地震構(gòu)造特征和郭家莊斷裂概況

1.1 研究區(qū)地震構(gòu)造特征

臨汾斷陷盆地是汾渭斷陷帶中段一個重要的構(gòu)造單元,由辛置凸起、洪洞凹陷、臨汾凹陷、浮山凸起、襄汾凸起以及侯馬凹陷6個次級構(gòu)造單元組成。其中臨汾凹陷西以羅云山山前斷裂為界與羅云山相連,東為浮山凸起,北與洪洞凹陷相鄰,南與襄汾凸起接壤。自上新世以來,臨汾凹陷一直強烈斷陷下沉,表現(xiàn)為走向北北東的地塹式結(jié)構(gòu),凹陷內(nèi)分布有臨汾-甘亭和龍祠沉降中心。臨汾-甘亭沉降中心新生界厚度2 200 m,其中上新統(tǒng)厚度約1 400 m,第四系800 m;龍祠沉降中心新生界厚度1 800 m,上新統(tǒng)1 100 m,第四系700 m。地貌上臨汾凹陷為一東西兩側(cè)向中間傾斜的平原,最低處為汾河河谷[9-10]。臨汾市區(qū)附近主要分布有NNE-NE、NEE以及NW向3組活動斷裂。1695年7級地震發(fā)生在臨汾凹陷內(nèi)。

1.2 郭家莊斷裂概況

郭家莊斷裂是20世紀90年代新發(fā)現(xiàn)的一條斷裂。近10 a來,山西省地震局在斷裂沿線進行多個項目場地的地震安全性評價工作,通過探槽開挖、地基坑斷層素描、場地周邊高密度電阻率法勘探等方法,對郭家莊斷裂進行追蹤調(diào)查。前人工作認為,該斷裂長18 km,總體走向北西,為一左旋正走滑型斷裂,垂直斷距約為0.8～1.0 m,是分割臨汾-甘亭和龍祠沉降中心的一條全新世活動斷裂。郭家莊斷裂位于臨汾市中心城區(qū),斷裂位置的精確定位和活動特性直接影響到未來城市的發(fā)展和規(guī)劃。2008～2015年在臨汾市活動斷層探測和地震危險性評價項目中,對該斷裂進行過深入的研究工作。

2 不同方法揭示郭家莊斷裂特征

2.1 槽 探

郭家莊斷裂錯斷淺地表的證據(jù)是在郭家莊汾河三級階地前緣陡坎上錯斷近地表的古土壤及鈣質(zhì)結(jié)核層,后續(xù)相繼在郭家莊小學、稅務局宿舍建設施工基坑中發(fā)現(xiàn)疑似該斷裂的存在。稅務局槽探剖面位于郭家莊小學東面公路東側(cè),剖面位置見圖1。該剖面由稅務局基坑人工開挖邊坡清理得到,從剖面可發(fā)現(xiàn)郭家莊斷裂淺部近地表的結(jié)構(gòu)信息。

圖1 郭家莊斷裂探測實際材料示意圖

該探測剖面上共出露10條斷層(圖2),走向255°～330°,傾角多在60°～80°之間,斷裂帶寬36 m,走向NWW的斷層位于剖面南部,走向NEE的斷層位于剖面北部,斷層最大斷距為0.35 m,由南向北基本呈梯級錯斷,累積斷距為2.5 m。斷層直達地表,錯斷第四系上更新統(tǒng)上部粉土、粉質(zhì)粘土、中砂層,斷層附近有寬1.2 m的空洞和上部地層擾動現(xiàn)象。斷層面上可見擦痕和構(gòu)造片理,顯示斷層為傾滑正斷層。槽探結(jié)果表明斷裂錯斷全新統(tǒng)地層,斷裂的活動時代確定為全新世。

圖2 郭家莊斷裂稅務局剖面

2.2 鉆孔聯(lián)合剖面勘探

為了證明稅務局剖面揭示的斷裂為郭家莊斷裂,并探究該剖面中斷層在地表以下地層的錯斷特征,在距離該剖面約5.0 m處開展鉆孔聯(lián)合剖面施工。鉆孔聯(lián)合剖面長約40.0 m,由8個地震鉆孔組成,孔深60.0～98.0 m,鉆孔間距3.8～10.0 m。

圖3為根據(jù)8個地震鉆孔結(jié)果繪制的地質(zhì)剖面圖。鉆孔揭示的地層主要為:1)上更新統(tǒng)以黃褐色粉質(zhì)粘土為主,夾兩層中粗砂,底界埋深至43.0 m;2)中更新統(tǒng)為一套青灰色粉質(zhì)粘土、粘土與砂層互層,勘探深度100.0 m范圍內(nèi)未穿透該層。

圖3 根據(jù)鉆孔結(jié)果繪制的地質(zhì)剖面圖

鉆孔聯(lián)合剖面揭示了郭家莊斷裂的存在。在鉆探揭示范圍內(nèi)可見不同層位的地層都有不同程度的錯斷,100.0 m深度范圍內(nèi)的地層均有反映。斷層錯斷的距離隨深度的增加而增大,最大斷距達1.5 m,從鉆孔地質(zhì)剖面圖上能分辨的上斷點埋深約7.4 m。根據(jù)年代樣品測試結(jié)果,該地層為上更新統(tǒng)地層,因此郭家莊斷裂在勘探剖面上可分辨的活動時代為晚更新世。上部地層由于地層標志層不清晰無法分辨是否錯斷。

2.3 淺層地震勘探

2.3.1 測線布設和測試參數(shù)

針對郭家莊斷裂的空間位置,共布設12條淺層地震勘探測線,測線橫跨郭家莊斷裂可能展布的位置。參考區(qū)內(nèi)的地質(zhì)資料和現(xiàn)場探測方法實驗結(jié)果,選擇小道間距、小偏移距、多通道長排列接收的高分辨率淺層地震勘探技術(shù)進行探測,根據(jù)淺層地震勘探結(jié)果確定郭家莊斷裂的位置。在探測結(jié)果中,9條測線揭示了郭家莊斷裂的斷層結(jié)構(gòu)信息,3條測線在剖面上未揭示斷層信息。為研究不同的淺層地震工作參數(shù)對測試結(jié)果的影響,選取同一位置處2條觀測參數(shù)不同的測線加以分析,2條測線位置詳見圖1,地震波激發(fā)和數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表1。

表1 淺層地震勘探參數(shù)

2.3.2 測線淺層地震勘探P波剖面特征

在勘探資料解譯中,地層反射波組分別用T01、T02…表示,剖面上T01～T04代表第四系地層內(nèi)部界面,TQ代表第四系底界面,TN代表第三系地層界面,剖面上揭示的斷點分別用FP1、FP2…表示。

1)GJZ1測線。該測線位于郭家莊村鼓樓大街,測線呈南北向布設,長約1.49 km,起點在北。從圖4可以看出,GJZ1測線剖面的有效反射波信息雙程走時可達900 ms,從上至下可追蹤到多個強反射波組,各波組的反射信息較為豐富。400 ms以上的5組波組反射能量強,同相軸在整條剖面上具有很好的連續(xù)性;400 ms以下反射波組信號模糊,對于識別界面具有一定的難度。從反射時間剖面來看,界面總體呈水平狀分布,各界面橫向連續(xù)性好,層間有一定的小反射界面。整條剖面未出現(xiàn)界面錯斷等斷層特征,認為該剖面無斷層存在。

圖4 GJZ1測線地震時間剖面

2)QLF7測線。該測線位于GJZ1測線西約80 m,且平行于GJZ1測線布設,測線長約6.0 km,起點在南。測線穿越貢院路、鼓樓西大街、解放路、汾河路、北外環(huán)路等繁華區(qū)段以及汾河,存在干擾大、空炮等情況,在一定程度上會影響剖面的質(zhì)量。從圖5(下圖為測線斷點位置區(qū)段局部剖面)可以看出,整條測線反射時間剖面信噪比較高,反射波同相軸連續(xù),能量較強,各反射波組對應的地層從南向北深度逐漸變深。根據(jù)對比追蹤分析,揭示6組反射波組。從整條反射剖面來看,除T01界面由于現(xiàn)場施工干擾和河流影響而能量稍弱外,其他界面在整條剖面發(fā)育、能量強。在位于測線3699樁號處,T03及以下波組出現(xiàn)不同程度的錯斷,深部錯斷較淺部更明顯。從下往上斷距逐漸縮小,T02及以上波組同相軸未發(fā)現(xiàn)錯斷,但存在被擾動的跡象。斷點兩側(cè)地層界面均呈視傾向北的形態(tài),上盤下降、下盤上升,為正斷層特征。計算得到視斷距約為4.0～18.0 m,斷點傾向北,可分辨的上斷點埋深約208.0 m。

圖5 QLF7測線地震時間剖面

3 郭家莊斷裂探測結(jié)果分析

1)淺層地震勘探揭示的郭家莊斷裂深部特征為:GJZ1測線可分辨的界面埋深約為320 m,對于更深處的地層結(jié)果反映模糊,在該測線郭家莊斷裂并無反映;QLF7測線適當提高覆蓋次數(shù)和偏移距,加大地面震源能量,增加排列長度以達到增加測試深度的目的,測線剖面可清晰揭示深度630 m以上地層的結(jié)構(gòu)信息,并且剖面上郭家莊斷裂中深部的斷層信息得到反映,可分辨的上斷點埋深為208.0 m。

由此可知,較小的偏移距可以提高淺部地層的反射信息,但會降低較深地層的分辨率,適當增加偏移距和排列長度可提高深部結(jié)構(gòu)信息的分辨率。從原理上來說,對于高頻端,有效頻帶會隨覆蓋次數(shù)的增加而拓寬,資料分辨率會隨覆蓋次數(shù)的增加而提高。但由于覆蓋次數(shù)的低通濾波作用,在中低頻端,覆蓋次數(shù)的增加會降低資料分辨率,導致淺部斷層更加無法分辨。適當提高偏移距、增大排列長度和震源激發(fā)能量,可提高探測深度,以達到初步確定斷裂位置的目的,為鉆孔聯(lián)合剖面勘探位置的選擇和鉆孔深度的設計提供依據(jù)。因此,僅靠淺層地震勘探是無法分辨斷距較小斷層的斷點埋深,也無法確定最新活動時代。

2)跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面確定的斷層位置與淺層地震勘探結(jié)果吻合較好。根據(jù)鉆孔地質(zhì)剖面圖可知,100 m深度范圍內(nèi)斷層錯斷距離最大約1.5 m,斷距非常小,斷層上斷點埋深約7.4 m,錯斷上更新統(tǒng)地層,對于更淺部的地層錯斷信息則無法清晰分辨。

3)與淺層地震勘探方法相比,鉆孔聯(lián)合剖面勘探可提高小斷距斷裂的分辨率,也是進一步驗證淺層地震勘探結(jié)果和確定斷層最新活動時代的有效方法之一。該方法將郭家莊斷裂的上斷點埋深提高至7.4 m,活動時代確定至晚更新世,但由于近地表地層標志層非常薄,在地層識別時被忽略。更精確的斷層錯斷位置仍無法確定,還需進一步開展槽探工作。

槽探結(jié)果表明,郭家莊斷裂錯斷至地表,斷距僅為0.35 m,斷層活動時代為全新世,這種斷距分辨率是地震勘探方法所不具備的。由此表明,開展淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面勘探時,在地層標志層過薄、地形高差以及巖性相變復雜的情況下,有可能造成判識遺漏,從而誤判。在條件許可的情況下,還需要結(jié)合槽探結(jié)果進一步驗證。

4 結(jié) 語

本文通過淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合剖面勘探、槽探3種方法揭示郭家莊斷裂信息特征,得到以下認識:

1)淺層地震勘探方法很難分辨埋深較深、斷距較小的斷層,采用常規(guī)的小道間距、小偏移距的高分辨率淺層地震勘探技術(shù)也無法解決該問題。

2)適當提高偏移距、增大排列長度和震源激發(fā)能量,可提高探測深度,以達到初步確定斷裂位置的目的,為鉆孔聯(lián)合剖面勘探位置的選擇和鉆孔深度的設計提供依據(jù)。

3)采用鉆孔聯(lián)合剖面勘探可提高小落差斷裂的分辨率,也是進一步驗證淺層地震勘探結(jié)果和確定斷層最新活動時代的有效方法之一。但如果近地表地層標志層非常薄,在地層識別時往往容易被忽略。

4)槽探對斷距微小的斷層具有很好的分辨率,可更精確地識別斷層錯斷位置。

5)采用3種方法相結(jié)合是精確確定斷層空間形態(tài)和活動特性的最有效方法。