2013, Vol. 56
2. 四川省地震局地震工程研究院, 成都 610041;
3. 上海申丰地质新技术应用研究所有限公司, 上海 201107
2. Institute of Engineering Seismology of Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China;
3. Shengfeng Institute of Geological Techniques Co., Ltd, Shanghai 201107, China
在干扰较强的城市环境中探测被第四系松散沉积物覆盖、落差较小、埋深较浅的活动断层，浅层地震勘探法无论是在初勘还是在详勘阶段都已成为城市活动断层探测的主要方法之一.近年来，浅层地震勘探法在国内外城市活断层调查中取得了许多宝贵的经验[1-8].地震勘探法包括纵波勘探与横波勘探，纵波勘探又分为纵波反射与纵波折射.各种方法具有各自的优缺点，在具体实施过程中应根据探测目的及地质条件的不同来选择使用不同的地震勘探方法和技术参数.
然而，受地震勘探方法的分辨率、探测深度、多解性等方面的限制，仅依赖于任何一种地震勘探方法还不能完全解决探测断层的目的，通常采用多种方法的联合应用或进行钻孔来抑制地震勘探反演问题解的非单值性，进一步提高地震资料解释的精度，以达到准确对断层进行定位的目的.徐明才等[9]采用地面地震层析成像和高分辨率地震反射剖面相结合的方法，较好地解决了从地表至地下数千米深度范围内的地层和地质构造分布；吴子泉等[10]采用高分辨率地震勘探和电法勘探的联合反演法对两盘无明显断距的走滑断层进行了精确的定位；酆少英等[11]将高分辨率折射和浅层反射地震方法联合应用于活断层探测中，确定了断层的存在及位置；刘保金等[12]采用浅层P波和SH波多次覆盖反射方法以及初至波层析成像技术获得了研究区近地表断裂的交切关系、断裂活动性以及深、浅构造特征；姚保华等[13]在上海地区开展深、浅地震反射、地震宽角反射/折射、高分辨地震折射和大地电磁测深等联合剖面探测获得了研究区近地表至Moho面的精细速度结构、电性结构和深浅构造关系.多方法的联合反演能从不同角度查明构造特征，而钻探工作是取得直接证据的必要手段.在城市隐伏断层探测中，主要采用浅层地震勘探和钻探联合地质剖面相结合的工作方法，即先通过浅层地震勘探准确地判定隐伏断层的确切位置、产状及其上断点埋深，为钻探联合地质剖面位置的布设和钻孔深度的设计提供可靠的地震学依据.最后结合浅层地震勘探、钻探联合地质剖面及地层样品年龄测试等结果来综合鉴定断层的活动性[14-16].何正勤等[17]利用地震勘探与钻探相结合的方法研究了核电厂址的隐伏断裂；杨卓欣等[18]将高分辨率浅层地震与钻探相结合的方法应用于兰州市城市活动断层探测中，根据高分辨折射勘探得出介质岩性存在横向差异的结论，而此结论最终由钻探资料得以验证.
NW-SE走向的废黄河断裂(图 1中F3)是徐州地区一条重要的隐伏断裂，为了查明它的具体位置、性质及活动习性等，《徐州市新城区、开发区活动断层探测与地震危险性评价》项目在L3-5测线上联合应用了共偏移距地震反射勘探、横波反射勘探及高分辨率折射勘探三种地震勘探手段，获得了测线控制地段、有效探测深度范围内高分辨率的地层结构、构造特征以及速度结构分布图像等结果，为钻孔联合地质剖面位置的布设和断层活动性的初步判定提供了可靠的地震学证据.联合反演具有互补性，可以弥补单一地震方法的不足.共偏移距反射波法在覆盖层较薄、基岩面起伏较大的地区可快速对被测目标进行准确定位，能够给出一个概略的地下地层结构分布形态；高分辨率折射层析不但可以弥补反射地震资料在探测浅表的不足，还可以为反射地震资料的静校正和偏移处理提供有用的速度资料.本文探索了在覆盖层埋深较浅地区隐伏断层探测的有效方法，对今后在全国范围内开展的城市隐伏活动断层探测研究工作具有实际的借鉴意义.
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图 1 徐州市断层及地震测线分布位置图 Fig. 1 Map showing faults and seismic profiles in Xuzhou city |
废黄河断裂又名徐州断裂，西起铜山县刘集附近，经卧牛山北、徐州市和柳集等地，断裂总体走向北70°~75°，宽约1~2km，实际上是由数条断裂组成的断裂带，是目标区内规模最大、可能的活动时代较新的隐伏断裂，课题组将其作为徐州市目标断层中需探测和评价的重中之重1).徐州基岩面埋深除西北角外大多小于50m，覆盖层与基岩之间存在很大的波阻抗差异，为开展浅层地震勘探提供了必要的地球物理前提.徐州西北角和东南部的邵楼盆地内基岩为古近纪或白垩纪粉砂岩，其余地区多为二叠纪煤系地层或寒武纪灰岩.
1)江苏省地震工程研究院.《徐州市新城区、开发区活断层探测与地震危险性评价》项目隐伏断层的控制性人工地震探测子专题成果报告.南京：2011
本文研究的浅层地震勘探L3-5测线跨NW-SE走向的废黄河断裂布设，测线走向为近SN向，南端点位于沟西村，北端点位于马庄村，剖面长度为718m(见图 1).高分辨率折射勘探测线与横波反射勘探测线重合，起点位于横波反射勘探测线192桩号，终点位于549桩号.
3 浅层地震勘探方法 3.1 共偏移距地震反射波法共偏移距反射波法在基岩埋深较浅且起伏较大的地区可快速对被测目标进行准确定位，其效果主要取决于如何通过扩展排列试验来选择避开干扰对有效反射波影响较小的“最佳偏移距”[19-21].现场扩展排列试验发现偏移距为25m时受震源干扰、面波干扰等影响较小.因此，野外资料采集后我们对L3-5测线数据集(L3-5测线观测系统和采集参数等将在后面3.2.1小节中具体描述)抽取了共偏移距为25m的地震记录道.为了增强有效反射波，我们在对原始资料静校正后进行了10~60Hz的带通滤波、地震道振幅动态平衡(AMPEQU)及去噪等处理，最后，以水平坐标(桩号)表示位置，以双程旅行时间表示深度，得到了信噪比较高、反射能量较强、目标反射层TG起伏形态清楚的共偏移距反射地震时间剖面图 2.
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图 2 共偏移距地震反射剖面 Fig. 2 Common offset seismic reflection profile |
共偏移距反射波法无需对资料进行正常时差校正和水平叠加等处理，其结果虽不甚准确，但保留了地层反射波的原有特征，能够给出一个概略的地下地层结构分布形态，使课题组在第一时间了解到有效反射相位大致存在的位置及界面起伏形态等信息.根据本地区地质和钻孔资料，图 2上能被清晰识别并连续追踪的T1反射波来自第四系内部层位，未见断错迹象.反射波TG对应于覆盖层底界，信噪比高、起伏形态及相位变化清楚.根据TG同相轴在横向上的明显落差、振幅能量的转变以及相位变化等特征，课题组初步判断在桩号约407处存在一向S倾的正断层.
3.2 超浅层横波(SV)反射勘探 3.2.1 横波反射勘探资料采集和处理L3-5测线所处位置覆盖层厚度较薄(图 1)，若要确定断裂是否延伸至第四系和判读第四系中断裂的断点，浅层高分辨率横波反射勘探无疑要比纵波反射勘探更适合.课题组从选用高性能的仪器设备、适宜的震源、选择最佳的观测系统及避免不利的地震激发接收条件等几个方面来保证获得最佳地震观测记录，因为想要通过数据处理从丢失了有效信息的地震资料中获得有用的结果往往是徒劳的[22].经扩展排列试验后选定观测系统为：道间距2m、炮间距4m、零偏移距、48道双边对称接收、0.5ms采样率及1024ms记录长度、5次垂直叠加和12次水平叠加相结合.
资料处理采用中国地震局统一采购的活断层探测专用的GRISYS地震反射处理软件，处理模块主要包括了静校正、频率带通滤波、二维倾角滤波、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加、反褶积、时变谱白化(RETWHI)和叠后偏移.采用速度扫描和速度谱相结合的方法来提高求取动校正叠加速度的准确性.利用测线上后期的高分辨折射勘探及波速测井所获得的速度结果加以校准，提高动、静校正及偏移处理的精度.利用叠前反褶积和叠后偏移相结合的工作方法来分别提高纵向分辨率和横向分辨率.叠后采用随机噪声衰减(RNATTE)压制噪声，达到提高剖面的信噪比和连续性的目的.
3.2.2 超浅层地震剖面特征时深转换是地震-地质解释的必经途径，课题组根据资料处理时获得的叠加速度资料以及时间剖面上不同界面反射波的双程旅行时，计算出了相应地层反射界面的埋藏深度，并将结果标注于叠加时间剖面右侧，见图 3.L3-5测线长度为718m，有效剖面长度为670m，设计探测深度范围为10~70m.由图 3可以看出叠加时间剖面信噪比较高，在测线控制地段、有效探测深度范围内的废黄河断层构造特征非常清楚.其中，T1反射波来自第四系内部层位，整条测线上能被清晰识别以及可靠连续追踪，未见断裂构造影响.T1波组的双程时间在205~230ms，对应的界面埋深在18.5~20m.TG反射波来自覆盖层的底界，双程走时在桩号约407处出现明显不连续现象.分界点南部整体双程走时较大，在400ms左右；北部双程走时约在330~350ms，南北存在约60ms的整体时间落差，且在不连续处伴随出现了反射波能量的突变与断面波.TG反射波组对应的基岩面埋深在32~41m之间.根据以上特征，课题组判断存在一向S倾的断裂构造，视倾角较陡，约为65°，总体表现为上盘下降、下盘上升的正断层，视断距约为7.6m.
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图 3 废黄河断裂的浅层地震横波反射叠加时间剖面 Fig. 3 Stacked time section of the shallow shear wave seismic reflection crossing the Feihuanghe fault |
为提高地震资料解释与断层异常识别的水平，排除资料处理不当等带来的假象，课题组查验并分析了原始共炮点单炮记录.图 4列出了震源位于断层上、下盘以及断层上等四种不同位置处(震源位于断层上盘且接收排列跨过断层、震源位于断层上、震源位于断层下盘且接收排列跨过断层、震源及接收排列不跨断层)的原始单炮记录，从多方面论证断点异常的可靠性.由图 4可见，当震源位于断层不同位置时，对断层的反映也不同.当震源位于上、下盘且接收排列跨过断层时，有效反射波只是一侧发生零乱或缺失(图 4a、4c).而当震源位于断层上时，基岩有效反射相位几乎不能被可靠识别(图 4b).当震源在测线上移动时，断层位置附近上、下盘的反射同相轴的错断位置不断发生变化，由此可以初步判断断层带的范围和断距，从而通过测线上一系列的原始记录识别断层的具体位置.
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图 4 震源处于不同位置处时浅层地震共炮点记录 (a)震源位于断层上盘；(b)震源位于断层上；(c)震源位于断层下盘；(d)震源及排列均离开断层. Fig. 4 The common shot gather of shallow seismic records with sources at different positions (a) Source located on the fault hanging wall; (b) Source across the fault; (c) Source located on the fault foot wall; (d) Source and receiving array away from the fault. |
从图 4中可以看出，覆盖层内部反射波组连续且起伏不大，基岩顶面反射波的双程走时在横向上有突变，以激发震源为中心接收排列两侧基岩埋深明显处于不同高程(图 4c)，两侧基岩反射波双程旅行时的落差达60ms左右，体现了断层视断距的大小.由共偏移距地震反射时间剖面及横波反射叠加时间剖面解释的断层在原始单炮记录上得到了验证.
3.3 高分辨率折射 3.3.1 数据采集及资料处理高分辨率折射法可用于寻找覆盖层下不同岩性的分界面、陡坎等，在一定程度上能够弥补或替代反射波资料的缺失[18].另外，高分辨率折射地震层析成像能为反射地震资料的静校正和偏移处理提供有用的速度信息，从而提高反射地震资料的处理效果.鉴于此，课题组与横波反射勘探测线重合布设了一条高分辨率折射地震勘探测线，起点位于L3-5测线192桩号，终点位于549桩号.采用多重追逐相遇观测系统，参数为：120道检波器(28Hz)接收、道间距3m、单个地震排列长度357m，地震排列共设计了18个炮点，炮间距为24m.密集炮距、密集道距的观测系统以及走时层析成像技术的引入为提供精细的超浅层地壳速度结构模型奠定了基础.
从典型原始单炮记录图 5可以看出，地震记录上来自基岩面的折射震相非常清楚，能被可靠识别及连续追踪.在72道位置上出现拐点，课题组初步估算拐点南侧(小号端)基岩折射波速度约为2900m/s，拐点北侧基岩折射波速度约为4600m/s.折射波视速度的突变在原始记录图上表现为初至到时的超前或滞后.课题组初步判定这种异常是由72道处(对应于L3-5测线上407桩号处)两侧基岩岩性有差异所导致.由图 5b中间炮看出基岩面存在着起伏，根据横向上速度的突变及双程反射时间的落差可初步判定72道位置存在一向S倾的断裂构造.
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图 5 典型地震原始记录图 (a)2号炮点；(b)9号炮点；(c)17号炮点. Fig. 5 A typical seismic record section (a)Shotpoint 1; (b)Shotpoint 9; (c)Shotpoint 17. |
高分辨率折射地震数据处理采用加拿大骄佳公司的基于非线性旅行时算法的折射层析成像软件(Geogiga DW Tomo).资料处理时引入了走时层析成像技术[23-24]，得到了测线控制地段超浅层地层的构造轮廓及速度结构分布图像.处理流程主要包括：拾取初至到时、建立初始速度模型、正演理论走时、非线性迭代反演、得到速度结构分布图像.经10次迭代后，反演模型的理论走时曲线与观测走时曲线拟合较好.图 6给出了高分辨率折射勘探法获得的初至到时射线路径分布图.由图 6可以看出在测线控制地段、有效穿透深度范围(约96m)内地下结构得到了较好的覆盖，层析反演的精度得到了保证.
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图 6 射线路径分布图 Fig. 6 The distribution of ray paths |
高分辨率折射层析成像反演得到了测线控制地段从地表至有效探测深度范围内的速度结构分布图像及构造轮廓.由图 7可见，测线浅地表附近的地壳结构非常复杂.由于测线跨度较小，覆盖层内部横向非均匀性特征不明显；而纵向非均匀性特征明显，总体呈现出明显的纵向分层特点，纵向上大致可以分出三层、两个分界面.整个基岩呈现出高速分布特征，但是，以桩号265(对应于L3-5测线上407桩号处)为界，南北两侧基岩呈现出截然不同的速度结构分布特征且基岩面起伏形态明显.桩号265以北基岩速度出现高异常，课题组推测此异常是由两侧基岩岩性不同所引起.分界位置与共偏移距地震反射时间剖面、横波反射叠加时间剖面上推论的断点位置一致性较好.经多方法的联合应用及综合解释，使断点异常的解释更为可信.
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图 7 高分辨率折射勘探层析成像速度剖面 Fig. 7 Tomography image of the velocity profile obtained from high-resolution refraction survey |
多种地震勘探方法能够彼此验证、相互补充，但在地震认识指导下的钻探工作是取得直接证据的必经之路，地震勘探方法反演的结果亦需要用钻孔来加以验证[25].同时，钻探可赋予浅地震勘探成果以地质含义并验证浅地震勘探结果的正确性.为了进一步对本次探测研究工作发现的废黄河断层断点确切位置的定位及活动性研究、验证浅层地震勘探结果的有效性，课题组与浅层地震勘探测线重合布设了1条跨断层的钻孔联合地质剖面，以弥补地震勘探的不足，使断层达到更精确的定位.该钻孔剖面长度为74.9m，由5个孔深为36~52m(均穿透第四系地层，以揭露断层的存在和活动性)的钻孔组成，钻孔水平间距为11.23~27.46m.
图 8为根据5个钻孔结果得出的地层柱状图，经整理和连接形成的钻孔联合地质剖面.图中地层从上往下可分为五层，其基本层序为：耕土→粉土→黏土→粉砂→黏土→基岩.钻探资料证实了在L3-5测线上基岩岩性的横向差异及基岩顶面的起伏形态.图 8显示：基岩岩性横向差异自约31m深度即有显示，差异的分界位置约在33桩号(以最南面钻孔位置为基准)处.33桩号以南基岩为侏罗系紫红色-杂色火山碎屑岩，以北基岩突变为震旦系灰色白云岩，且基岩顶面自S往N有向上抬升的趋势，该结果与高分辨折射勘探得出两侧基岩岩性有差异的推论吻合较好.
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图 8 钻孔联合地质剖面图 Fig. 8 The composite drilling geological section |
对比浅层地震反射时间剖面和钻孔地质剖面得出：浅层地震时间剖面上的反射波组与钻孔联合地质剖面上地质分层有着较好的对应关系.浅层横波反射地震时间剖面上的T1反射波对应于钻孔地质剖面图上粉砂层的顶界，该顶界在ZK5、ZK1、ZK2、ZK4、ZK3中的埋深分别为19.4、19.2、19.2、19.1、19.4，处于大致相同的高程，与横波反射地震时间剖面解释的18.5~20m吻合较好.该层对应时代为Q42)，并未发现断裂迹象.浅层横波反射地震时间剖面上的TG反射波对应于钻孔地质剖面上的基岩顶面，钻孔联合剖面显示该顶面在断层两侧的埋深分别为39.5m和31.6m，其视断距为7.9m.该结果与横波反射时间剖面解释结果吻合较好.由图 8可以看出，钻孔联合地质剖面控制地段的废黄河断层Q3以来未见活动迹象，不属于地震活动断层.
2)江苏省地震工程研究院.《徐州市新城区、开发区活断层探测与地震危险性评价》项目目标断层的晚第四纪活动性鉴定工作报告.南京：2012
5 结论与讨论某一种物探手段或单一的波场信息只能反映研究目标体的某个侧面，而不能反映其全部物理信息.解决这一问题的有效方法是通过多种方法的联合应用(包括方法内综合应用和方法外综合应用)来抑制地震勘探反演问题解的非单值性.课题组通过在同一条测线上联合应用三种不同的地震勘探方法，获得了在测线控制地段、有效探测深度范围内徐州废黄河隐伏断层的位置、性质以及速度结构分布图像等.结果表明：该断层在L3-5测线桩号约407处存在约60ms的双程时间落差，视断距约为7.6m，视倾角约65°，为一向S倾的正断层.在浅覆盖区的断裂调查中，利用反射波法对构造界面的敏感和折射波法对速度结构的敏感，采用共偏移距地震反射波法、横波反射勘探法、高分辨率折射勘探的联合反演和综合解释技术解释的断层要比单独使用其中任何一种手段更加可靠.多种地震勘探方法能从不同角度查明断层的位置、性质以及特征，为钻孔联合剖面位置的布设与钻孔深度的设计提供地震学依据.
但是，即便是精度和分辨率最高的地震勘探方法技术也不可避免存在多解性的问题，在地震认识指导下的钻孔联合地质剖面能够取得直接证据，同时钻探赋予地震勘探以地质含义并验证地震勘探结果的正确性.三种地震勘探方法属于方法内综合应用，而方法外综合应用的钻孔联合剖面结果表明：浅层地震勘探确定的断层位置和性质与钻孔联合地质剖面吻合较好，且地震时间剖面上的反射波组分层与钻孔联合地质剖面上的地质分层也存在着较好的对应关系.钻孔联合剖面揭示，测线控制范围内的废黄河断层在33桩号(即地震勘探时间剖面约407桩号处)附近视断距约为7.9m，该桩号以南基岩为侏罗系紫红色-杂色火山碎屑岩，以北基岩突变为震旦系灰色白云岩.该结果亦与高分辨率折射勘探法得出断点两侧基岩岩性有差异的推论吻合较好.多种地震勘探方法的联合反演及钻孔联合剖面揭示出在控制地段的徐州废黄河断层Q3以来未见活动迹象，不属于地震活断层.探测结果为废黄河断层活动性的评价和徐州市的地震危险性与危害性提供了地震学和地质学证据.
致谢本项探测研究工作得到了江苏省地震局、徐州市地震局的大力支持与配合，以及中国地震局活断层监理组卢造勋研究员、方盛明研究员、汪一鹏研究员、向宏发研究员的指导，在此一并表示感谢.感谢两位匿名审稿人提出中肯的意见和建议.
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