不同勘探方法对浅层小断距隐伏断裂探测效果

曾金艳 李自红 陈 文 扈桂让 闫小兵

1 山西省地震局,太原市晋祠路二段69号,030021 2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,太原市晋祠镇,030025 3 北京美辰建筑抗震工程有限公司,北京市双龙南里204号,100021

在城市活断层探测工作中,主要采用浅层地震勘探和钻孔联合剖面勘探相结合的方法探测隐伏断裂。槽探技术一般用于断层位置较确切、断层埋深较浅的情况,主要用于研究断裂的古地震事件、断层复发性以及滑动速率,可为进一步分析断裂的地震危险性提供基础资料[1]。不同探测方法具有各自的局限性和优势。高分辨率浅层地震勘探是探测隐伏断裂的主要方法之一,在活动断层定位和初步判定断层活动性方面具有不可或缺的作用[2-4],但受工作方法和工作参数的影响,该方法对地下结构的探测分辨率不高,也难以分辨第四系地层物性差异小、断距小的断层[5-8]。钻孔联合剖面勘探方法能提高小断距断层的探测效果,但需要在了解断层大致位置的情况下进行,在上断点埋深过深或地层变化相对复杂或地层标志层分辨不清的地区效果较差,对于精确确定断层错断的层位也存在一定难度;槽探工作能查明微小断距的断层,但受断层埋深、地下水位以及地层相对复杂程度的影响,存在一定局限性。

临汾市位于临汾断陷盆地临汾凹陷,第四系覆盖层松散沉积,城市内断层大都呈隐伏状态。郭家庄断裂是临汾市区内一条重要的隐伏断裂,2008～2015年在进行临汾市活动断层探测和地震危险性评价工作时已对该断裂开展不同程度的探测工作,包括浅层地震勘探、钻孔联合剖面勘探以及槽探等工作,通过不同探测方法相结合,获得郭家庄断裂的空间位置和活动特征,可为评价该断裂的活动性和临汾市地震危险性提供重要依据。本文对比分析浅层地震勘探、钻孔联合剖面勘探以及槽探3种方法对郭家庄断裂的探测效果。结果表明,对于第四系松散沉积层以下的隐伏断裂,不同探测方法得到的研究结果截然不同,应采用3种方法相结合来研究活动断层特征。

1 研究区地震构造特征和郭家庄断裂概况

1.1 研究区地震构造特征

临汾断陷盆地是汾渭断陷带中段一个重要的构造单元,由辛置凸起、洪洞凹陷、临汾凹陷、浮山凸起、襄汾凸起以及侯马凹陷6个次级构造单元组成。其中临汾凹陷西以罗云山山前断裂为界与罗云山相连,东为浮山凸起,北与洪洞凹陷相邻,南与襄汾凸起接壤。自上新世以来,临汾凹陷一直强烈断陷下沉,表现为走向北北东的地堑式结构,凹陷内分布有临汾-甘亭和龙祠沉降中心。临汾-甘亭沉降中心新生界厚度2 200 m,其中上新统厚度约1 400 m,第四系800 m;龙祠沉降中心新生界厚度1 800 m,上新统1 100 m,第四系700 m。地貌上临汾凹陷为一东西两侧向中间倾斜的平原,最低处为汾河河谷[9-10]。临汾市区附近主要分布有NNE-NE、NEE以及NW向3组活动断裂。1695年7级地震发生在临汾凹陷内。

1.2 郭家庄断裂概况

郭家庄断裂是20世纪90年代新发现的一条断裂。近10 a来,山西省地震局在断裂沿线进行多个项目场地的地震安全性评价工作,通过探槽开挖、地基坑断层素描、场地周边高密度电阻率法勘探等方法,对郭家庄断裂进行追踪调查。前人工作认为,该断裂长18 km,总体走向北西,为一左旋正走滑型断裂,垂直断距约为0.8～1.0 m,是分割临汾-甘亭和龙祠沉降中心的一条全新世活动断裂。郭家庄断裂位于临汾市中心城区,断裂位置的精确定位和活动特性直接影响到未来城市的发展和规划。2008～2015年在临汾市活动断层探测和地震危险性评价项目中,对该断裂进行过深入的研究工作。

2 不同方法揭示郭家庄断裂特征

2.1 槽 探

郭家庄断裂错断浅地表的证据是在郭家庄汾河三级阶地前缘陡坎上错断近地表的古土壤及钙质结核层,后续相继在郭家庄小学、税务局宿舍建设施工基坑中发现疑似该断裂的存在。税务局槽探剖面位于郭家庄小学东面公路东侧,剖面位置见图1。该剖面由税务局基坑人工开挖边坡清理得到,从剖面可发现郭家庄断裂浅部近地表的结构信息。

图1 郭家庄断裂探测实际材料示意图

该探测剖面上共出露10条断层(图2),走向255°～330°,倾角多在60°～80°之间,断裂带宽36 m,走向NWW的断层位于剖面南部,走向NEE的断层位于剖面北部,断层最大断距为0.35 m,由南向北基本呈梯级错断,累积断距为2.5 m。断层直达地表,错断第四系上更新统上部粉土、粉质粘土、中砂层,断层附近有宽1.2 m的空洞和上部地层扰动现象。断层面上可见擦痕和构造片理,显示断层为倾滑正断层。槽探结果表明断裂错断全新统地层,断裂的活动时代确定为全新世。

图2 郭家庄断裂税务局剖面

2.2 钻孔联合剖面勘探

为了证明税务局剖面揭示的断裂为郭家庄断裂,并探究该剖面中断层在地表以下地层的错断特征,在距离该剖面约5.0 m处开展钻孔联合剖面施工。钻孔联合剖面长约40.0 m,由8个地震钻孔组成,孔深60.0～98.0 m,钻孔间距3.8～10.0 m。

图3为根据8个地震钻孔结果绘制的地质剖面图。钻孔揭示的地层主要为:1)上更新统以黄褐色粉质粘土为主,夹两层中粗砂,底界埋深至43.0 m;2)中更新统为一套青灰色粉质粘土、粘土与砂层互层,勘探深度100.0 m范围内未穿透该层。

图3 根据钻孔结果绘制的地质剖面图

钻孔联合剖面揭示了郭家庄断裂的存在。在钻探揭示范围内可见不同层位的地层都有不同程度的错断,100.0 m深度范围内的地层均有反映。断层错断的距离随深度的增加而增大,最大断距达1.5 m,从钻孔地质剖面图上能分辨的上断点埋深约7.4 m。根据年代样品测试结果,该地层为上更新统地层,因此郭家庄断裂在勘探剖面上可分辨的活动时代为晚更新世。上部地层由于地层标志层不清晰无法分辨是否错断。

2.3 浅层地震勘探

2.3.1 测线布设和测试参数

针对郭家庄断裂的空间位置,共布设12条浅层地震勘探测线,测线横跨郭家庄断裂可能展布的位置。参考区内的地质资料和现场探测方法实验结果,选择小道间距、小偏移距、多通道长排列接收的高分辨率浅层地震勘探技术进行探测,根据浅层地震勘探结果确定郭家庄断裂的位置。在探测结果中,9条测线揭示了郭家庄断裂的断层结构信息,3条测线在剖面上未揭示断层信息。为研究不同的浅层地震工作参数对测试结果的影响,选取同一位置处2条观测参数不同的测线加以分析,2条测线位置详见图1,地震波激发和数据采集参数见表1。

表1 浅层地震勘探参数

2.3.2 测线浅层地震勘探P波剖面特征

在勘探资料解译中,地层反射波组分别用T01、T02…表示,剖面上T01～T04代表第四系地层内部界面,TQ代表第四系底界面,TN代表第三系地层界面,剖面上揭示的断点分别用FP1、FP2…表示。

1)GJZ1测线。该测线位于郭家庄村鼓楼大街,测线呈南北向布设,长约1.49 km,起点在北。从图4可以看出,GJZ1测线剖面的有效反射波信息双程走时可达900 ms,从上至下可追踪到多个强反射波组,各波组的反射信息较为丰富。400 ms以上的5组波组反射能量强,同相轴在整条剖面上具有很好的连续性;400 ms以下反射波组信号模糊,对于识别界面具有一定的难度。从反射时间剖面来看,界面总体呈水平状分布,各界面横向连续性好,层间有一定的小反射界面。整条剖面未出现界面错断等断层特征,认为该剖面无断层存在。

图4 GJZ1测线地震时间剖面

2)QLF7测线。该测线位于GJZ1测线西约80 m,且平行于GJZ1测线布设,测线长约6.0 km,起点在南。测线穿越贡院路、鼓楼西大街、解放路、汾河路、北外环路等繁华区段以及汾河,存在干扰大、空炮等情况,在一定程度上会影响剖面的质量。从图5(下图为测线断点位置区段局部剖面)可以看出,整条测线反射时间剖面信噪比较高,反射波同相轴连续,能量较强,各反射波组对应的地层从南向北深度逐渐变深。根据对比追踪分析,揭示6组反射波组。从整条反射剖面来看,除T01界面由于现场施工干扰和河流影响而能量稍弱外,其他界面在整条剖面发育、能量强。在位于测线3699桩号处,T03及以下波组出现不同程度的错断,深部错断较浅部更明显。从下往上断距逐渐缩小,T02及以上波组同相轴未发现错断,但存在被扰动的迹象。断点两侧地层界面均呈视倾向北的形态,上盘下降、下盘上升,为正断层特征。计算得到视断距约为4.0～18.0 m,断点倾向北,可分辨的上断点埋深约208.0 m。

图5 QLF7测线地震时间剖面

3 郭家庄断裂探测结果分析

1)浅层地震勘探揭示的郭家庄断裂深部特征为:GJZ1测线可分辨的界面埋深约为320 m,对于更深处的地层结果反映模糊,在该测线郭家庄断裂并无反映;QLF7测线适当提高覆盖次数和偏移距,加大地面震源能量,增加排列长度以达到增加测试深度的目的,测线剖面可清晰揭示深度630 m以上地层的结构信息,并且剖面上郭家庄断裂中深部的断层信息得到反映,可分辨的上断点埋深为208.0 m。

由此可知,较小的偏移距可以提高浅部地层的反射信息,但会降低较深地层的分辨率,适当增加偏移距和排列长度可提高深部结构信息的分辨率。从原理上来说,对于高频端,有效频带会随覆盖次数的增加而拓宽,资料分辨率会随覆盖次数的增加而提高。但由于覆盖次数的低通滤波作用,在中低频端,覆盖次数的增加会降低资料分辨率,导致浅部断层更加无法分辨。适当提高偏移距、增大排列长度和震源激发能量,可提高探测深度,以达到初步确定断裂位置的目的,为钻孔联合剖面勘探位置的选择和钻孔深度的设计提供依据。因此,仅靠浅层地震勘探是无法分辨断距较小断层的断点埋深,也无法确定最新活动时代。

2)跨断层钻孔联合剖面确定的断层位置与浅层地震勘探结果吻合较好。根据钻孔地质剖面图可知,100 m深度范围内断层错断距离最大约1.5 m,断距非常小,断层上断点埋深约7.4 m,错断上更新统地层,对于更浅部的地层错断信息则无法清晰分辨。

3)与浅层地震勘探方法相比,钻孔联合剖面勘探可提高小断距断裂的分辨率,也是进一步验证浅层地震勘探结果和确定断层最新活动时代的有效方法之一。该方法将郭家庄断裂的上断点埋深提高至7.4 m,活动时代确定至晚更新世,但由于近地表地层标志层非常薄,在地层识别时被忽略。更精确的断层错断位置仍无法确定,还需进一步开展槽探工作。

槽探结果表明,郭家庄断裂错断至地表,断距仅为0.35 m,断层活动时代为全新世,这种断距分辨率是地震勘探方法所不具备的。由此表明,开展浅层地震勘探和钻孔联合剖面勘探时,在地层标志层过薄、地形高差以及岩性相变复杂的情况下,有可能造成判识遗漏,从而误判。在条件许可的情况下,还需要结合槽探结果进一步验证。

4 结 语

本文通过浅层地震勘探、钻孔联合剖面勘探、槽探3种方法揭示郭家庄断裂信息特征,得到以下认识:

1)浅层地震勘探方法很难分辨埋深较深、断距较小的断层,采用常规的小道间距、小偏移距的高分辨率浅层地震勘探技术也无法解决该问题。

2)适当提高偏移距、增大排列长度和震源激发能量,可提高探测深度,以达到初步确定断裂位置的目的,为钻孔联合剖面勘探位置的选择和钻孔深度的设计提供依据。

3)采用钻孔联合剖面勘探可提高小落差断裂的分辨率,也是进一步验证浅层地震勘探结果和确定断层最新活动时代的有效方法之一。但如果近地表地层标志层非常薄,在地层识别时往往容易被忽略。

4)槽探对断距微小的断层具有很好的分辨率,可更精确地识别断层错断位置。

5)采用3种方法相结合是精确确定断层空间形态和活动特性的最有效方法。