华南地区活动断层地震探测方法——以深圳活动断层探测为例_王万合.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY land area; high resolution shear wave; water area; high frequency longitudinal wave 活动断层一般指距今 12 万年以来有过活动的 断层，这类断层具有活动性强，破坏性大等特点， 一直是地震局部门重点研究的方向之一。活动断层 是地震发生的根源，对地面各种设施会造成严重毁 坏。国内外防震减灾有很多成功的经验，排查活动 断层的具体位置，并采取合理避让如修建停车场、 公路、绿地和公园等，是有效减轻地震灾害的重要 途径之一。 新世纪以来，随着我国经济实力的不断增强， 活动断层探测工作也陆续展开。在华北、西北及西 南地区，活动断层错断地表地貌特征较清晰，而华 东、 华南等经济发达的地区活动断层多以隐伏为主， 且大部分地区第四系覆盖层薄，下伏基岩多为花岗 岩，水网发育，活动断层易受早期海侵等影响，造 成断层特征不明显，探测难度大，效果不理想。以 往华南地区活动断层探测以地震方法探测为主，在 ChaoXing 增刊 1 王万合等 华南地区活动断层地震探测方法 99 陆地多采用纵波反射法和人工锤击震源，由于第四 系覆盖层厚度仅数米至数十米，造成纵波在浅部的 分辨率不够，难以对断层进行精确定位。在水域目 前多选择纵波反射法，利用气枪震源激发。而气枪 震源输出能量通常有限，且高频成分不够，在探测 深度和精细划分地层上存在一定困难[1-6]。本文以深 圳活动断层探测研究为基础，在陆域采用了高分辨 率横波探测方法， 在水域采用了高频纵波探测方法， 通过 2 种方法联合探测，有效解决了陆地浅部分辨 率不足、水域能量弱及水域分辨率不足的问题，实 现了对目标断层的精细解译。 1 地质概况 研究区大地构造上属于紫金–惠阳凹褶断束的 组成部分，是加里东褶皱基底上发育而成的晚古生 代凹陷，其后被中、新生代构造叠加、改造，发生 多期断裂和岩浆活动，对地层的破坏明显，造成地 层连续性差，缺失多，除新生代地层外，其他各时 代地层的岩石多受到不同程度的变质作用。由于地 处新华夏莲花山构造带的西南端，区内地质构造比 较复杂，以断裂为主，分为北东向、东西向、北西 向三组。其中，北东向深圳断裂带斜贯全区，包容 和切割了东西向断裂，是区内的主导构造，对整个 测区的地层、侵入体、变质岩分布、构造展布等具 有明显的控制作用。经历了早期较强的逆冲活动和 晚期以左旋为主的扭动活动，断裂规模较大、深度 大，影响带宽几十至三百余米，第四纪地表断错现 象经常可见；压扭性为主的东西向和北西向断裂切 错北东向断裂，形成较晚，规模较小[7-11]。 研究区发育有前寒武系、寒武系、泥盆系、石 炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系 及第四系地层。第四系作为判断断层活动的主要研 究对象，其整体不发育，陆域一般厚度 1020 m， 水域一般 3080 m。区内古近系不发育，第四系下 伏多为花岗岩基岩。 根据区域断裂的特征，选择了 2 条目标活动断 裂作为主要研究对象，即陆域北东向盐田断裂和水 域北西向狮子洋断裂，控制盐田断裂的测线 3 条， 控制狮子洋断裂的测线 5 条。 2 研究区地震探测重难点分析 根据相关地质资料和区内收集钻孔资料知，研 究区活动断层探测具有以下难点[12-13] a. 第四系厚度小，第四系内部反射波不发育。 b. 区内中深层地震条件差，根据研究区钻孔揭 露，下伏基岩主要为紫红色花岗岩残积土图 1，下 伏全风化层主要为灰白色花岗岩，呈土状图 2，两 者之间物性差异较小，较难形成明显的反射波。全 风化层下部为强风化层，呈块状特征图 3 上部， 两者物性有一定差别， 在地震地质条件较好的地段， 两者之间会有弱反射波显示，但极不稳定。强风化 层下部为中风化层，如图 3 中下部显示，中风化层 岩心较完整，且硬度大，其与强风化层之间物性差 异明显，易形成较强的稳定反射波，是全区可连续 追踪的反射界面。研究区深部反射波不发育。 c. 全风化、强风化组成了一定厚度的风化壳， 风化壳和第四系物性差异小。 d. 断层活动性弱，第四系错断落差小。 e. 区内基岩埋深浅，下伏基岩与上伏第四系覆 盖层之间为不整合面，基岩顶部风化严重，历史上 由断层造成的落差被夷平，模糊了断层上断点的存 在，且断层面多以凹陷的形式表现图 4[12]。同时， 该区凹陷的形成还存在其他可能性，给断层的解释 工作带来很大的困难，主要有 ① 早期受构造挤压作用，形成了古丘陵地貌， 造成岩面起伏不平，后期受风化剥蚀作用，较小的 低洼山谷被第四系淤平所覆盖； ② 早期基岩受古河道冲刷和海侵的作用， 形成 了凹凸不平的原始界面； ③ 早期裸露的基岩长期受风化剥蚀作用， 差异 风化易造成横向物性差异，在地震反射剖面上则表 现为反射界面的错断或反射界面呈凹凸不平特征。 f. 测区内部分断层以片理化带的形式存在，造 成断层与围岩间的波阻抗差异较小。这种情况下， 既不利于形成杂乱反射波，也不利于形成破碎带剥 蚀凹陷，进一步增加了断点判断的难度。 图 1 第四系下部花岗岩残积土 Fig. 1 The lower Quaternary granite residual soil 图 2 全风化花岗岩 Fig.2 Completely decomposed granite ChaoXing 100 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 3 强风化与中风化花岗岩 Fig. 3 Strongly weathered and medium weathered granite 1据 14C 测年估算的沉积沉降速率； 2据热释光测年估算的沉积 速率；3基底第四系底板起伏；4推测断层及物探、钻探证实 断层宽破碎带 图 4 西江断裂磨刀门段各钻孔沉积速率曲线及基岩断 层据文献[12] Fig.4 Sedimentation velocity curve of various boreholes in Modaomen section of Xijiang fault and bedrock fault[12] 3 地震探测方法和参数选择 根据区内地震探测的难点知，探测方法和参数 的选择应重点遵循 3 个原则，一是要尽可能选择高 分辨率地震探测方法；二是断层的解释应以凹陷为 重点研究对象；三是要借助速度分析方法，找出不 同凹陷之间的差异。 根据以上原则，陆域采集选择了高分辨率地震 横波探测方法，设计了小道距、小炮距、小偏移距 的观测系统。 采集相关参数如下 检波器主频 28 Hz， 记录长度 1 s，接收排列 120 道，接收道距 2 m，炮 距 4 m，中点激发，自主研发的摆锤式正、反向激 发枕木震源，摆锤质量 30 kg。水域选择了高频地震 纵波探测方法，采用 24 道固体拖缆设备接收，通频 带为 10020 000 Hz，道距 1 m。震源选用了国内先 进的 3 kW 可控震源系统， 发射带宽为 200800 Hz， 线性升频。 4 剖面特征分析及断裂解译 图 5 为陆地激发的横波原始记录，记录中可以 看到清晰的横波反射，该反射波经后期钻孔标定， 确定为风化壳底界面的反射波。图 6 是经数据处理 后获得的时间剖面。根据图 6 可知，风化壳底界面 起伏较大，整体由多个大小不同的凹陷组成，风化 壳底界面埋深 1256 m。在 CDP186CDP259 段凹 陷处，反射波呈一定的不规则反射状，具有断层破 碎带的特征，破碎带宽约 73 m，埋深 3141 m。图 7 为该线层速度剖面，层速度剖面中对应的凹陷部 位有 3 处低速区，其中在 CDP186CDP259 段低速 异常明显，层速度剖面中的低速异常段与时间剖面 上显示的凹陷部位对应较好，两者相互验证，解释 该处应为断层破碎所致。同时，在剖面 CDP630 附 近，钻孔揭露的风化壳底界埋深 24 m，与地震探测 解释的风化壳底界面埋深吻合较好[14]。 图 5 陆地横波原始单炮记录 Fig.5 Original single shot record of land shear wave 本次陆域探测共解释断点 3 个，均为盐田断裂 主断裂位置。获得了地下风化壳的起伏形态和构造 凹陷等重要地质信息，为区域构造的确定和断裂活 动性分析提供了丰富的基础资料。 图 8 为水域激发的高频纵波原始记录，记录中可 清晰看到水底和风化壳底界面的反射。同时，水域砂 泥层的堆积形成了一定厚度的稳定层，在记录中也有 反射波显示。图 9 为经数据处理后水域时间剖面与钻 孔压线关系图，根据钻孔标定，剖面上共解释了 3 组 反射波，分别为 T1、T2和 Tz。T1波能量强、连续性好， 起伏变化与主要航道位置对应较好，根据波组强反射 的特征、水中速度 1 500 m/s 及水深变化与反射走时的 对应关系知，该波为水底反射波；T2波以水平层状为 主，连续性好，可全区追踪，根据收集的过线钻孔标 定知，该反射波为全新统海相沉积物Q4m淤泥层底界 ChaoXing 增刊 1 王万合等 华南地区活动断层地震探测方法 101 图 6 YT3 线地震时间剖面综合解释结果 Fig.6 Comprehensive interpretation result of seismic time profile of line YT3 图 7 YT3 线层速度谱特征 Fig.7 Characteristics of linear velocity spectrum of YT3 line 图 8 水域高频纵波反射记录 Fig.8 High frequency longitudinal wave reflection record in water area 反射波。Tz波能量强、连续性好、起伏变化强烈。部 分测段存在较多绕射波、回转波等，其下部无反射波， 应为基岩内部物性差异小所致。结合过线钻孔揭露情 况，解释为风化壳底界反射波[15]。 本次水域探测共解释断点 22 个，18 个断点为 狮子洋断裂主断裂位置。根据断点平面解释结果， 狮子洋断裂由 4 条断裂组成， 分别为南岗–东博寮海 峡断裂带南支和北支、黄埔–矾石水道东侧断裂、化 龙–海鸥岛断裂，4 条断裂共同组成了狮子洋断裂束 [16]。同时，探明了主航道的位置、砂泥层的发育情 况等图 10。 为检验探测效果，在陆域 YT3 线 CDP186 CDP259 段解释的破碎带处开展了排钻验证工作，共 布设钻孔 8 个，排钻揭露情况显示，该处存在宽度超 过 100 m 的断层带， 断层带内岩心破碎呈泥状图 11。 图 9 水域时间剖面与钻孔压线关系图利用深中通道钻孔 Fig.9 Diagram of the relationship between time profile of water area and borehole pressure lineby using Shenzhong passage hole ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 47 卷 图 10 SZYS3 线地震时间剖面综合解释结果 Fig.10 Comprehensive interpretation results of seismic time profile of line SZYS3 图 11 YTZ05 验证孔揭露断层带情况 Fig.11 YTZ05 verified hole reveals the fault zone 5 结 论 a. 针对华南地区水网发育、第四系覆盖层薄、 基岩埋深浅等特点，采用陆域高分辨率横波法和水 域高频纵波法联合探测活动断层。 b. 该区活动断层解释应以凹陷为重点、凹陷特 征与速度分析相结合的解释方法。解释结果与实际 钻孔揭露情况吻合较好，有效解决了以往在该区施 工探测效果差、断层解释困难的问题。为华南地区 活动断层地震探测及解决工程地质领域问题提供了 一条行之有效的工作思路。 c. 由于地震剖面显示的凹陷面多为风化壳底 界面，并非真正意义上的地质界面，通过地震探测 获得的断层是否为活动断层，尚需借助钻探工作进 一步确认。 参考文献 [1] 冠养琦. 珠海市近岸浅层地震剖面调查及其工程地质意义[J]. 海洋与海岸带开发，1992，9165–68. 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