2010, Vol. 53
在能源日趋紧张的今天，发展核电已成为我国解决能源短缺的重要途径[1].在国内外的核电厂安全法规中，都将能动断层的影响放在重要的地位.我国现行核安全导则HAD101/01《核电厂厂址选择中的地震问题》[2]将能动断层定义为：“在晚更新世Q3（约10万年）以来有过运动证据，以致可合理地推论在地表或接近地表处能够再次发生运动的断层”.在核电厂地震安全性评价工作中，非常重要的一项工作就是发震构造和能动断层的鉴定[3]，要求对于隐伏断层地区开展地球物理勘探，探查隐伏断裂的展布和活动性.因此，隐伏断裂的探测是核电厂地震安全性评价工作的一项重要内容.
反射地震勘探技术是根据地下介质在物性差异界面上地震波的运动学和动力学特征，探测地层或岩体的埋深及其速度结构，该方法已在油气、矿产资源及深部结构探测中得到了广泛而有效的应用.目前在城市活动断层探测中，主要采用的是浅层反射地震勘探方法.通过一系列的实践和探索，在观测系统的设计、数据采集参数的选取、资料处理和解释等技术方面已得到了较大的提升，并取得了很好的勘探效果[4, 5].
近年在我国开展的多个核电厂址的地震安全性评价工作中，浅层反射地震勘探技术已广泛应用于第四系覆盖区的隐伏断裂探测，在核电厂的选址中发挥了重要的作用.大量的工程实践表明，由于不同地区第四系地层发育不同、基底岩性不同、构造形式不同、赋水条件不同、人为干扰环境不同等因素的影响，对浅层地震勘探观测系统的设计、数据处理与资料解释、构造形迹的鉴别等方面，提出了许多亟待解决和需要研究的技术问题.
由于我国核电厂址大都拟选于沿海地区，尤其是东南沿海一带预选的厂址更为密集.而这些地区的第四系厚度变化较大，下覆的基岩主要为岩浆岩，由于风化强烈，基岩顶面起伏较大，基岩陡坎、风化坳槽、断层均有发育，这些需要探测的地质异常体在时间剖面上具有相似的特征，常规的浅层反射地震剖面解释原则和标准对断点位置和活动性的鉴别都存在着一定的困难.为此，本文在总结多个核电厂址地震勘探工程实例经验的基础上，对核电厂址浅层反射地震勘探的关键性技术进行针对性的研究，提出在不同地质条件下探测设备的选择、实施方案的设计和实用性强的定量化参数选择范围.
2 浅层反射地震勘探时间剖面中断层的识别首先依据时间剖面上的反射波组特征，结合地质和钻孔资料进行对比分析，确定反射波组与地质层位对应关系和目标层的变化情况.依据中华人民共和国行业标准《活动断层探测方法》（DB/ T152005）[6]中对浅层反射地震资料解释提出的五条识别标志来判别断层.其判别依据如下：
①反射波同相轴或波组的错断；
②反射波同相轴数目突然增加或减少；
③反射波同相轴形态和特征发生突变，反射波零乱或出现空白异常带；
④反射波同相轴的强相位反转.
⑤剖面反射波组的上、下依赖关系.
如果发现有断层存在，将确定其倾角、错距和上断点埋深等参数，并根据测线上的钻探资料推断被测断层的最新活动时代.
在核电厂址隐伏断裂的探测中，断裂在第四系中的错断一般都较小，被探测的目标地质体具有埋深浅、尺度小的特点，这就对浅层地震勘探的分辨率提出了更高的要求.在实际工作中，对于同一场地和同样仪器设备因素等条件下，用不同探测方法，得到的资料和解释成果可能会存在较大的差异，有时甚至会导致误判或漏判断层.因此，需要对探测资料的分辨率作出客观评价，才能判定得到的结果是否可靠，因为超出分辨能力的解释结果是不可靠的.
地震波勘探的分辨率通常包括水平分辨率和垂向分辨率.水平分辨率是指在水平方向上确定特殊地质体（如断层、破碎带或尖灭点）大小的精确程度，水平分辨率决定于菲涅尔带半径R1：
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(1) |
其中，h为界面埋深，v是该界面以上的地层速度，f是地震子波的主频.通常以菲涅耳带的直径（2R1）作为水平分辨率[7]，而把在垂直方向上能分辨岩性单元的最小厚度称为垂向分辨率.
在地震勘探中，经常讨论的是垂向分辨率.垂向分辨率又可以用时间分辨率或厚度分辨率两种方式来表示.在时间域内，把能确定出两个独立界面所需要的最小反射时间称为时间分辨率.而在地震勘探的地质解释中，通常将时间分辨率转换为“地层厚度”来描述，故称之为厚度分辨率或地层分辨率.理想情况下，当子波为零相位子波时，地震剖面的时间分辨率tR和厚度分辨率ZR分别为：
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(2) |
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(3) |
由于地震勘探的水平分辨率、垂向分辨率都与地震波速度、频率和频带宽度有关，因此要提高地震勘探成果的分辨率，必须在野外采集、室内处理过程中通过提高反射波的主频和拓宽其频带宽度来实现.在野外采集中，首先要确保震源能激发出高频、高能量和宽频带的地震波.此外，由于反射波的频率与偏移距的大小有关，所以选择合适的观测系统也是一个十分重要的环节.地震勘探实践的成熟经验表明，采用小能量激发，小道距、小偏距、短排列、高频检波器、宽频带接收等方法可以使反射波的主频有明显提高.正式采集时的最佳参数要根据探测目标、场地地质条件，通过现场的激发、接收效果试验来确定.
3 不同地质条件下隐伏断层的浅层反射地震勘探由于核电厂对地震安全、水源、地理、环境和地质等诸多条件都有较苛刻要求，核电厂址大都拟选于沿海一带或邻江靠湖地方，这些地区的地质条件一般都很复杂，第四系松散且厚度变化较大，对地震波的激发和接收都带来了不利的影响.因此必须针对不同场区的地质与地球物理条件合理选择探测设备、观测系统和数据采集参数，采用必要的数据处理和恰当的解释方法，才能可靠无误地确定断层的产状和空间展布，并结合钻探和测年等手段，判别其最新活动时代，为核电厂址的地震安全性评价中的能动断层鉴别提供科学依据.下面就核电厂隐伏断层探测中常遇到的具有代表性的探测难点问题，通过实例讨论在不同地质条件下如何开展隐伏断层的地震勘探工作.
3.1 基岩埋深浅、起伏大情况下的断层探测在浅层反射地震勘探中，当探测目标较浅时，通常需要接收排列尽可能地靠近激发震源，但震源附近的波场复杂，直达波、面波、声波等干扰波十分强烈，在震源附近一定的范围内，有效的反射波信号会完全被干扰波淹没，这就是常说的反射地震勘探在浅部存在的盲区.
本节给出的是我们在广东饶平地区探测黄岗水断裂的一个实例.黄岗水断裂是潮汕盆地东北边缘的一条断裂，大致沿黄岗河展布，控制着饶平盆地的发育.该区第四系直接覆盖在侏罗纪、白垩纪花岗岩之上.现有资料表明，测区附近的基岩顶面起伏较大，第四系厚度较薄，在0~50m之间变化，主要由粘土、淤泥和粉砂组成.这种地质条件下开展浅层反射地震勘探的难点是：基岩顶面的起伏不平会引起反射波的杂乱反射，影响叠加效果；来自浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波覆盖.针对这种情况，采用人工锤击小能量中间激发、60道零偏移距双边接收、10次水平覆盖的观测系统，获得了高频、高信噪比的优质浅层反射资料.
根据野外采集的数据，通过一系列数据处理得到了反射波组清晰的时间剖面图，图 1b是穿越黄岗水断裂反射地震剖面的局部，图 1a是紧邻测线在仙春附近跨黄岗水断裂的地质剖面图[8].在图 1的（a）和（b）中，水平距离的比例尺是相同的，可以看出，反射地震剖面揭示出的断层F1和F2的规模、倾向和产状都与地质剖面上看到的F1和F2的特征十分相似.说明纵波反射法在基岩埋深浅、起伏大的情况下，采用小能量激发、小点距、短排列用高频检波器接收等技术手段对隐伏的探测是有效和可靠的.
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图 1 地震反射剖面（b）与地质剖面（a）的对比 Fig. 1 The comparison between seismic reflection section (b) and geological profiles (a) |
本实例的测区位于潮汕平原西南盆地内，基底为侏罗纪和白垩纪的花岗岩，第四纪沉积厚度在部分地段达到150m以上[9]，主要为冲积、海积与冲海积互层，这些互层会影响地震波的传播和高频信号的能量耗散.由于测线位于人口稠密的潮汕平原，测线附近村落密布，车辆行人活动频繁，人为干扰十分强烈.
为了排除干扰噪声，在本次浅层地震勘探中，采用KZ-20型可控震源激发地震波.该震源能量可调，抗干扰能力强，对地面无损坏，在实际探测中显示出了在人口稠密区开展地震勘探的明显优势.数据采集使用德国DMT公司制造的Summit型高分辨率遥测数字地震仪，每个测点采用三只100Hz高频检波器点组合方式接收，采用最小偏移距27 m、检波点距3m、64道单边接收的8~12次覆盖观测系统.
图 2所示的是其中之一断点F1L1附近的局部剖面[4]，可以看出t0、t1和t2波组的反射界面平直连续，tg界面的深度变化较大，且在CDP3518的断点两侧，tg界面的波组特征明显不同，南段的同相轴连续性好，起伏不大，而其北段的连续性差，起伏较大.在CDP3460~3520之间，tg界面明显抬升，CDP3523~3590之间呈下降趋势，tg波组在CDP3521附近的同相轴出现明显中断.这些异常足以判定F1L1断点的存在.为了验证地震勘探发现断点的可靠性，跨F1L1断点布设了ZK5和ZK6二个钻孔，结果ZK5在137.5 m见到强风化层，138 m为中-微风化花岗岩；而ZK6到142m才见强风化层，钻到147m深度因卡钻终孔，但在该深度仍没有见到中微风化花岗岩，这与地震勘探确定的断点位置及基岩落差十分一致.t2波组是第四系下部埋深约100m处厚度为10m左右的一层花斑黏土（测年时代为Q2）顶面的反射波，该波组在测区的其他测线上都能追踪到，是一典型的标志层.在F1L1断点上方，t2波组平直连续，没有错断，说明该断层的最新活动时代为中更新世.
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图 2 F1L1断点附近的时间剖面（a）和深度剖面（b） Fig. 2 The time-section (a) and depth-profiles (b) near the fault F1L1. |
在2005年广东粤东核电项目的隐伏断裂探测中，在中国地震局地球物理研究所完成的10km地震反射时间剖面上，发现有10多个测段出现反射波后续波列增长的异常现象，但这些反射波组的同相轴连续，没有错断的迹象.出现该现象测段的横向尺度通常较小，并随深度增加明显缩小，在较深处逐渐消失，波列尾部的包络线呈现出渐变的弧形状底界.分析该区的卫星影像和测线附近的地表情况，发现上述异常大都位于河塘水域等地表水富集、地形相对低洼的地带，是一种与区域性岩层含水量变化有明显相关的特征，显然与强风化花岗岩层厚度与含水量的变化有着密切的关系.分析认为反射波后续波列增长的异常现象应该是花岗岩顶部的风化坳槽或风化层增厚的反映.
为了揭示反射波后续波列增长与地质结构特征的关系，证实上述与风化层厚度有关的推断，课题组专门在惠来县龙江镇附近出现这种异常的测段进行了小点距高分辨率反射地震勘探和钻探验证.试验中采用锤击震源，用24道高频高阻尼检波器小点距（2m）单边接收，经数据处理后得到的时间剖面和结合钻探结果的解释剖面见图 3.
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图 3 风化坳槽在时间剖面上的波场特征 （a）时间剖面；（b）深度剖面. Fig. 3 The wave field characteristics of weathering belt in time-section (a) Time-section; (b) Depth-profiles. |
在图 3a中，位于CDP220~300一带，同样发现了这种反射波后续波列增长的现象，在60 ms以下至少要比正常测段（CDP160附近）的反射波增长3个同相轴的后续波列.为了揭示这种波场特征与风化层厚度关系，我们在正常和异常反射波列测段分别布设了两个钻孔ZK1和ZK2.
钻探结果表明，ZK1处的强风化层厚度只有0.7m，而ZK2揭示出的强风化层厚度却达到8.6m.从图 3a的时间剖面可以看出，ZK1位置的基岩反射波由2~3个周期组成，而ZK2附近的基岩反射波在6个周期以上.我们认为，这种基岩反射波的后续波列延长是由于强风化花岗岩内部或底面的反射波与其顶面反射波延迟叠加的结果.由于受到反射波频率的限制，强风化花岗岩顶面的反射波还没有记录完毕时，其下部的反射波就相继到达，二者延时叠加后就在时间剖面上呈现出波组延续较长的现象.因此，在花岗岩地区开展浅层反射地震勘探时，根据波组的延续情况可以大致估计强风化层厚度的横向变化情况，从而排除把因风化坳槽或风化层增厚情况而使波列延长的测段误判为断层的现象.
3.4 海域（水域）隐伏断层的浅层反射地震勘探在核电厂地震安全性评价中，除了对陆域断层的探测外，有时还需要进行海域（水域）断裂的探测.由于探测条件和对设备要求的特殊性，在近几年的核工程海域断层探测中，发现在观测系统设计、震源选择、时间剖面解释等方面存在较多的技术问题.本节将通过三个收集到的有代表性的水域浅层地震勘探的实例来说明在不同条件下应该注意的一些技术问题.
3.4.1 海域隐伏断层的浅层反射地震勘探 3.4.1.1 基岩埋深数百米的海域反射地震勘探本例所示的地震勘探测线位于福建平潭岛以东的平潭凹陷南部东缘，据有关物探和地质资料[10]，平潭凹陷是第三纪早期拉张下陷作用所形成的，属于断陷盆地性质，具有箕状特征，凹陷的沉降中心与沉积中心均偏向同生断层一侧，凹陷内的沉积主要由下第三系组成，厚度逾2000m以上.
为了查明平潭凹陷南部东边缘断裂的位置、产状和最新活动时代，上海海洋石油局第一海洋地质调查大队完成了“福建福清核电厂可行性研究阶段厂址海域地球物理勘查”工作1）.本次探测在该区布设了多条地震勘探测线.震源采用GCS90气枪，用GEOFIX系统导航，DAS-1高分辨数字地震仪接收，观测系统和地震数据采集参数是：单边放炮，接收道数48道，检波点间距12.5m，炮点间距12.5m，电缆入水深度5 m.数据处理用法国CGG公司的Geocluster1100软件在PC-CLUSTER微机群集系统进行，该系统由16个PC节点组成，每个节点配置有双CPU、2GB内存、36GB硬盘，可进行并行处理.在本次探测完成的多条测线上都取得了很好的探测效果，图 4给出的是其中一条测线上时间剖面的局部.可以看出该时间剖面的信噪比和分辨率都较高，有多个反射波组清晰易辩.显示出的断层特征十分明显，图 4所示的断层是一个长期发育与生长的同生断层，它对盆地的沉积起着控制作用，其最大断距可达1086m，上部断错了早、中更新世地层，该断层的最新活动时代为中更新世晚期.
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图 4 覆盖层较厚地区的海域地震反射剖面 Fig. 4 Seismic reflection section of the sea areas covered by thick layers |
1）中国地震局地球物理研究所.福建福清核电厂可行性研究阶段地震安全性评价报告.2006.6，101~103
本次探测结果表明，平潭凹陷内的断裂构造较发育，倾向或东或西均有存在，但西倾更为多见，一般是高角度正断层，断距差异较大，由数十米至千余米不等.据有关资料，平潭凹陷内的断层形成于始新世末的玉泉构造运动时期，晚第三纪至第四纪由于台湾挤压隆起导致对本区的侧向挤压在盆地内形成一些褶皱构造，但常为断裂所切割1）.图 4所示的时间剖面清晰的显示出了这一特点，该断裂错断了新近纪至早、中更新世地层.
3.4.1.2 基岩埋深百米尺度的海域反射地震勘探在基岩埋深百米尺度的情况下，采用小能量激发、短排列小道距接收有利于获得分辨率较高的地震剖面.本实例的探测工作由国家海洋局第一海洋研究所实施完成2），根据勘察任务和目的及调查船的情况，在探测中采用电火花震源单边激发，高频多道接收电缆接收，海洋工程24道地震仪数据采集.采用12次覆盖的观测系统，多道与单道地震同船作业的工作方式.数据采集选用的参数是：发射能量300J，记录长度400ms，放炮间隔3.125m，采样间隔0.2ms，最小偏移距6.75~7.50m.处理软件是国家十五“863”开发的适用于微机的多道地震处理软件GEOSEIS.
2）中国地震局地球物理研究所.石岛湾核电厂可行性研究阶段地震安全性评价报告.2007.5，68~86
数据处理后得到的时间剖面反射波组清晰，见图 5给出的剖面局部.根据相邻海域的地层和钻孔资料，通过测区内多条地震测线的反射波组特征的对比，确定划分了各地层的推断时代.测区的海相沉积层U1的底部反射界面R1代表了末次冰期形成的剥蚀面（全新世），而U2单元下部的地震反射特征与相临海域晚更新世早期海相沉积的地震相十分相似，因而反射界面R2可能代表了在晚更新世早期形成的剥蚀面[11].
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图 5 覆盖层较薄地区的海域地震反射剖面 Fig. 5 The seismic reflection profiles of the sea areas covered by a thin layers |
从时间剖面（见图 5）可以看出，该断层带由分布在隆起的基底顶部及两侧的十几条断层组成，断层带的宽度约3km，断层密度较大.各断层的倾角近直立，隆起西侧各断层倾向为NW，东侧为SE.断层的断距较小，约1~2 m，但其中最新的断层已错动了全新世早期地层的底界.
3.4.2 江河水域隐伏断层的反射地震勘探该实例的探测工作是由江苏省工程物理勘察院实施完成的.测线横跨长江，激发震源采用高压空气枪，与其匹配的空压机的气压为80kg/cm2，激发间隔控制为4~6s.用专用水上漂浮电缆接收，检波器主频80Hz，道距2m，接收道数24道.数据采集用美国产NX浅层地震仪，为了能够高保真接收到宽频带的地震信号，工作中采用通频道接收、连续自动记录方式.
数据采集前，在现场对激发能量、观测系统、气枪和电缆的入水深度和采集参数进行了对比试验.野外正式数据采集时采用拖拉式连续航行和定时激发方式施工，电缆和气枪都挂在船尾，沉入水下1.2m，二者保持6m距离（即最小偏移距为6 m），实行连续走航式定时记录.为了精确获取各地层的深度信息，避免不同观测时间水位升降带来的水深误差，数据采集时实施了实时水位观测，其结果用于地震资料解释的水位校正.实测时水位观测的时间间隔为20min，改正精度为±0.1m，高程采用85年国家高程基准.
由于野外采集的数据信噪比高，基岩顶面和第四系内部标志层的反射波能量强，所以数据处理流程相对简单，基本上属于常规处理[12].但水域浅层反射地震数据处理经常会碰到水底多次波和层间多次波，尤其是水底多次波的能力很强，经常叠加在地层反射波中，使整个时间剖面中的有效反射波组难以识别和追踪，有关研究[13]表明：对于周期性的水底多次波在叠前通过二步法反褶积，即尖脉冲反褶积和预测反褶积可较有效得到压制和衰减.
图 6所示的是经过数据处理后得到的时间剖面（a）和深度剖面（b）的一个段落，可以看出剖面的信噪比和分辨率都很高，断点出现的异常明显易辨，是典型的正断层性质.由于断裂两侧在较深处（时间大于50ms）的波场存在着明显不同，由此可以判定为断层而不是基岩陡坎.同时，断点上方第四系内部界面的反射波组同相轴完整连续，说明该断层在第四纪以来没有活动.
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图 6 长江水域浅层地震勘探时间剖面（a）和深度剖面（b） Fig. 6 The time section (a) and depth profiles (b) of shallow seismic exploration in Yangtze river |
本文通过总结我国多个核电厂址隐伏断层反射地震勘探工作的经验，精选给出了近年来在陆地、海域、基岩埋深很浅、第四系巨厚和长江水域等不同地质条件下隐伏断层探测的典型工程实例.这些实例都具有在各种特定情况下的代表性，为了便于类似工程在不同地质条件下制定实施方案、选择探测设备、设计观测系统、确定采集参数和判别断层特征时参考和借鉴，现将上述实例中所用定量化的技术参数和实用范围作一个较系统的总结.
（1）在基岩埋深浅（小于100m）、起伏较大的情况下，宜采用小能量激发、高频检波器小检波距、小偏移距、用短排列双边（或单边）接收的观测系统，以便获得高频、高信噪比的优质浅层反射地震资料.对于陆域探测可采用人工锤击或小型高频可控震源来激发地震波.对于浅海或江河水域应采用电火花等高频性能好的激发震源，水中接收电缆的道数应大于等于24道，检波间距1~2m为宜，用单道浅层剖面和多道反射地震同船走航式探测对于断层的判别更加可靠.
（2）在第四系较薄的沿海地区，尤其是基岩为花岗岩的测段，如果发现反射波同相轴连续、但局部测段的反射波有后续波列同相轴明显增多现象，应考虑是否有风化层增厚或风化凹槽的情况.为了避免把风化凹槽和基岩陡坎误判为断层，在设计观测系统时，有效探测深度的窗口要尽可能大些，这样可以根据较深处的波场差异来判别和佐证.
（3）在人口稠密、环境干扰强、第四系较厚的地区开展断层探测，由于目的层较深，有时第四系内部还存在淤泥细砂互层等导致地震波高频信号的能量耗散，因此需要较大能量的激发震源才能实现探测目标，在环境条件不允许使用爆破震源的情况下，应选用出力较大的可控震源.因为可控震源能量可调，抗干扰能力强，对地面无损坏，在人口稠密区开展地震勘探具有明显的优势.检波器频率和观测系统参数要根据现场扩展排列试验来确定，检波间距可适当增大，如2~3m.考虑到施工方便和工作效率，宜用单边较长排列（48道以上）接收.
（4）在基岩埋深百米尺度的海域（水域）地震勘探中，电火花或水枪是较理想的激发震源，水中接收电缆的道数应大于等于24道，检波间距2~3m，覆盖次数6次以上.在覆盖层厚度为数百米的沉积凹陷地区开展海域（水域）地震勘探时，应使用能量较大的空气枪或水枪震源，水中接收电缆的道数应大于等于48道，电缆入水深度视水深条件而定，检波间距3~5m，覆盖次数12次以上.由于在海域（水域）中，不存在类似陆域近炮点的面波干扰波问题，所以最小偏移距应尽可能小，这样可以同时获得浅部和深部的地层信息，不仅有利于识别断层和基岩陡坎，而且对于上断点埋深和断面倾角这两个重要参数的确定十分关键.此外，在海域（水域）地震勘探的数据处理中，用反褶积等方法来消除多次波也是必要的.
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