彭遠(yuǎn)黔 朱坤靜 冉志杰 張璇 王皓
1)河北省地震局, 石家莊 050021 2)邯鄲市地震監(jiān)測(cè)中心, 河北邯鄲 056002
活動(dòng)斷層與地震和地震地質(zhì)災(zāi)害緊密相關(guān),隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展,重大工程項(xiàng)目等建設(shè)項(xiàng)目日益增多,活動(dòng)斷層與工程場(chǎng)地的關(guān)系更加密切,常需要探明工程場(chǎng)地及其附近的近地表活動(dòng)斷層構(gòu)造情況,以解決活動(dòng)斷層抗錯(cuò)、避讓等工程地質(zhì)問(wèn)題。
近年來(lái),淺層反射地震方法在城市活動(dòng)斷層探查中得到廣泛應(yīng)用(方盛明等,2002;劉保金等,2002;徐明才等,2005;楊曉平等,2007;張慧利等,2014;楊歧焱等,2015)。在應(yīng)用淺層地震勘探方法確定隱伏活斷層位置、上斷點(diǎn)埋深以及活動(dòng)性等方面,一些研究者從地震波激發(fā)、數(shù)據(jù)采集方法、資料處理、解釋等方面進(jìn)行了有益的研究,并取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn),使得活動(dòng)斷層淺層地震勘探剖面質(zhì)量和斷層定位精度不斷提高(何正勤等,2001、2010;潘紀(jì)順等,2002;張孝珍等,2009;李大虎等,2010;許漢剛等,2016;楊歧焱等,2016)。小道距、高分辨淺層地震勘探在確定近地表活動(dòng)斷層展布位置、上斷點(diǎn)埋深、活動(dòng)時(shí)代等方面取得一定效果(楊歧焱等,2018)。如何獲得高分辨率地震剖面,從而有效解譯出斷層構(gòu)造是活動(dòng)斷層調(diào)查的重要環(huán)節(jié)。為獲得高分辨的地震剖面,除了合理的野外施工外,室內(nèi)數(shù)據(jù)處理也是一重要環(huán)節(jié)。
邯鄲市地處華北平原地震帶南部,新近紀(jì)以來(lái)一直處于整體隆升為主的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中,以太行山山前斷裂為界,西部為太行山山地丘陵區(qū),東部為華北平原沉降區(qū)。第四紀(jì)晚期,受構(gòu)造作用影響,西部第四系為十幾米至三十余米厚、以礫石、砂、亞砂土及亞黏土為主的晚更新世-全新世沖積、洪積堆積物,直接覆蓋于風(fēng)化基巖之上。東部平原區(qū)第四紀(jì)堆積物厚度較大,總厚達(dá)300~500m,主要為以沖積、洪積、湖積為主的砂、礫石、黏土類。受SN向和NNE向構(gòu)造的復(fù)合作用,區(qū)域構(gòu)造類型以斷裂構(gòu)造為主,發(fā)育若干NNE、NNW向斷裂,許多段落隱伏于第四系之下,在西部丘陵區(qū)第四系較薄,橫向物性變化大,垂向分層性差,這對(duì)淺層地震勘探數(shù)據(jù)處理提出了更高的要求。
本文應(yīng)用邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目的小道距(1~2m)淺層地震勘探資料,應(yīng)用多途徑、分步驟方法進(jìn)行去噪處理,獲得高分辨率的地震剖面,有效解釋出隱伏活動(dòng)斷層位置、上斷點(diǎn),并通過(guò)野外地質(zhì)調(diào)查、鉆孔聯(lián)合剖面對(duì)所解釋的斷層進(jìn)行驗(yàn)證。
邯鄲及鄰近地區(qū)位于華北地震區(qū)華北平原地震帶的南部,處于北北東向的太行山山前斷裂南段與北西西向磁縣斷裂的交匯部位,主要發(fā)育NNE和NW-NWW向斷裂構(gòu)造,斷裂帶交織成塊狀結(jié)構(gòu)特征,將華北地殼切割成許多菱形斷塊,而周邊多為大型邊界斷裂所圍限。總體而言,邯鄲及鄰近地區(qū)總體呈現(xiàn)低山丘陵、山間盆地及丘間洼地相間分布特征,地勢(shì)西高東低,以太行山山前斷裂為界,西部為太行山山地丘陵區(qū),東部為華北平原沉降區(qū)。
第四紀(jì)晚期,受構(gòu)造作用影響,西部太行山山地丘陵區(qū)以隆升運(yùn)動(dòng)為主,第四紀(jì)地層發(fā)育不良,許多地區(qū)基巖出露,部分地區(qū)沉積有晚更新世及全新世堆積物,局部地區(qū)發(fā)育有中更新世沉積物,東部平原區(qū)第四紀(jì)堆積物厚度大,總厚度達(dá)300~500m。
邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)目標(biāo)區(qū)斷層包括:太行山山前斷裂(F1)、邯鄲縣隱伏斷裂(F2)、聯(lián)紡路斷裂(F3)、馬頭鎮(zhèn)斷裂(F4)、磁縣-大名斷裂(F5)和永年斷裂(F6)。
太行山山前斷裂(F1):斷裂帶在邯鄲境內(nèi)稱為邯鄲斷裂帶,為邢臺(tái)-安陽(yáng)斷裂帶的中段。該斷裂是太行山隆起區(qū)與華北平原斷陷區(qū)內(nèi)的邯鄲-任縣斷陷分界斷裂,長(zhǎng)約150km,總體走向N10°E~20°,正斷層性質(zhì),更新世晚期斷裂活動(dòng)仍比較明顯。
邯鄲縣隱伏斷裂(F2):該斷裂帶主體為隱伏斷裂,走向NNE向,經(jīng)邢臺(tái)向SSW延伸,進(jìn)入邯鄲市后確切位置不清,推測(cè)在市區(qū)的東側(cè)通過(guò),活動(dòng)時(shí)代為早第四紀(jì)。
聯(lián)紡路斷裂(F3):該斷裂為NW向展布的隱伏斷裂,推測(cè)沿聯(lián)紡路以北延伸,長(zhǎng)約17km,根據(jù)地面地質(zhì)調(diào)查,在市區(qū)電廠路與新興大街之間地貌上略有顯示,據(jù)地震勘探資料,斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為更新世中期。
馬頭鎮(zhèn)斷裂(F4):該斷裂為過(guò)馬頭鎮(zhèn)的NW向斷裂,在馬頭鎮(zhèn)一帶呈隱伏狀態(tài),向NW方向延入太行山區(qū),長(zhǎng)約20km,斷裂在新近紀(jì)有所活動(dòng),最新活動(dòng)時(shí)代為更新世中期。
磁縣-大名斷裂(F5):該斷裂自魯西隆起穿越華北沉降平原至太行山隆起中部,橫亙?nèi)髽?gòu)造單元,走向NWW,傾向N,傾角較陡,其長(zhǎng)度大于180km,具有明顯的左旋走滑活動(dòng)性質(zhì)。該斷裂帶是一條活動(dòng)強(qiáng)的地震帶,為1830年磁縣7級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造(江娃利等,1994b)。
永年斷裂(F6):斷裂發(fā)育在洺河南岸,走向310°,傾向N,全長(zhǎng)約30km,斷裂在更新世早期曾活動(dòng)過(guò)。
邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)布設(shè)完成1m道間距淺層測(cè)線6條,2m道間距淺層測(cè)線9條,其中探測(cè)太行山山前斷裂(F1)布設(shè)2m道間距淺層地震測(cè)線4條,即測(cè)線MT04、MTXK2-2、HDXK2-4、YNXK2-2;探測(cè)聯(lián)紡路斷裂(F3)布設(shè)1條2m道間距淺層地震測(cè)線HD02;探測(cè)馬頭斷裂(F4)布設(shè)1條2m道間距淺層地震測(cè)線MT01;探測(cè)磁縣-大名斷裂(F5)淺層地震測(cè)線共8條,即2m道間距測(cè)線CX01、CX04、CXXK2-6,以及1m道間距測(cè)線CXXK2-1、CXXK2-2、CXXK2-3、CXXK04、CXXK2-5;探測(cè)永年斷裂(F6)布設(shè)1條1m道間距淺層地震測(cè)線YNXK2-1,各測(cè)線位置見(jiàn)圖1。
圖1 研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖
淺層地震勘探采用單邊激發(fā)多次覆蓋的觀測(cè)系統(tǒng),采用道間距1~2m,疊加次數(shù)10次,60道接收,采樣間隔0.25ms,記錄長(zhǎng)度500ms,采用WACKER夯源,單點(diǎn)激發(fā),每個(gè)點(diǎn)激發(fā)1500~2000次,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為美國(guó)STRATAVISOR NX60地震儀。
本文應(yīng)用Vista地震反射處理系統(tǒng),在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,運(yùn)用多途徑、分步驟的去噪技術(shù)和方法,提高信噪比,其數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖2,處理步驟主要包括:預(yù)處理、靜校正、疊前噪聲壓制、高精度速度分析、疊前偏移技術(shù)、疊后修飾處理。
圖2 淺層地震勘探數(shù)據(jù)處理流程
(1)預(yù)處理
預(yù)處理包括道編輯、初至切除、振幅恢復(fù)、增益、道內(nèi)振幅均衡。由于近地表橫向變化較大,不同部位炮與炮和道與道之間能量和頻率差異大,一致性差,采用地表一致性振幅處理,一方面可以消除上述差異,另一方面還可對(duì)野值有明顯壓制作用。應(yīng)用地表一致性振幅補(bǔ)償、地表一致性反褶積等技術(shù),消除地表因素對(duì)振幅、子波的影響,改善剖面質(zhì)量。
(2)靜校正
由于近地表?xiàng)l件較復(fù)雜,導(dǎo)致表層低降速帶縱、橫向變化較大,以及第四系內(nèi)部近地表活動(dòng)斷層斷距較小,應(yīng)利用折射波靜校正消除地表的中、低頻校正量。由于測(cè)線場(chǎng)地地形起伏變化較小,未進(jìn)行高程靜校正。
(3)疊前去噪
如何最大限度地提高資料的信噪比,是淺層地震數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵。針對(duì)近地表干擾波復(fù)雜、低信噪比的特點(diǎn),采用多域、多維的去噪手段,可較大地提高地震資料的信噪比。采用陷波和頻率域?yàn)V波消除規(guī)則干擾(工業(yè)電流干擾、聲波干擾);采用F-x濾波、F-K二維濾波壓制面波干擾;采用F-x域預(yù)測(cè)濾波、混波處理技術(shù)衰減隨機(jī)噪聲;采用預(yù)測(cè)反褶積、拉冬(Radon)變換消除多次波;并應(yīng)用兩步法進(jìn)行反褶積:第一步在炮集中進(jìn)行,第二步在共檢集中進(jìn)行。
(4)速度分析
速度的準(zhǔn)確求取是地震勘探的重要一環(huán),由于復(fù)雜近地表地震資料速度縱、橫向變化較大,采用常規(guī)的速度譜資料提取疊加速度,不僅精度低,且容易錯(cuò)選。針對(duì)野外實(shí)際觀測(cè)的情況,可選擇合適的大道集進(jìn)行精細(xì)的速度分析,此外,在對(duì)速度進(jìn)行分析前,應(yīng)盡可能提高記錄的信噪比,采用速度譜分析前宜先做常速度掃描分析,分析速度譜時(shí)要采用較小的速度和CDP間隔。速度掃描的速度增量應(yīng)小于40m/s為宜,速度分析間隔小于20m/s。
(5)偏移處理
由于探測(cè)的對(duì)象為隱伏斷層,在斷層發(fā)育的地方,地下地質(zhì)構(gòu)造往往較復(fù)雜,宜采用疊前偏移技術(shù),使地下構(gòu)造正確成像。應(yīng)用疊前基爾霍夫時(shí)間偏移技術(shù),輸出時(shí)間遷移數(shù)據(jù)集疊加軌跡,為偏移孔徑函數(shù)的設(shè)計(jì)提供信息;以初始速度不同的百分比增量創(chuàng)建偏移速度分析數(shù)據(jù)集,進(jìn)行偏移速度分析,選擇最佳偏移速度;以15°~50°的偏移孔徑角度創(chuàng)建偏移孔徑角度數(shù)據(jù)集,選擇最佳的孔徑角度。
(6)疊后處理
為使得最終剖面更加清晰、層次分明,地震波組清楚,目的層清晰可見(jiàn),剖面信噪比提高,還需對(duì)剖面作進(jìn)一步的修飾性處理,其目的是修飾剖面面貌,而并非對(duì)資料進(jìn)行實(shí)質(zhì)性處理。疊后處理主要包括提高信噪比和分辨率均衡處理。應(yīng)用4D噪聲衰減、T-x 域預(yù)測(cè)去噪、徑向?yàn)V波、中值濾波、時(shí)變?yōu)V波等方法提高信噪比;應(yīng)用反Q濾波、F-x反褶積和時(shí)變譜白化等技術(shù)提高疊后剖面分辨率,通過(guò)以上處理,達(dá)到信噪比、分辨率和波組的有機(jī)統(tǒng)一。
上述數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)是提高資料的分辨率和信噪比,有效識(shí)別斷層構(gòu)造。淺層地震勘探的分辨率分為2個(gè)方面,即橫向分辨率和垂向分辨率。
橫向分辨率是指2個(gè)繞射點(diǎn)得以分辨的最小水平向距離,橫向分辨率反映淺層斷層位置準(zhǔn)確性的參數(shù)。在偏移前,一般都將菲涅耳帶半徑作為橫向分辨率的極限,反射波在經(jīng)過(guò)偏移處理后,橫向分辨率會(huì)大大提高,不再受限于菲涅爾半徑的大小。理論上,橫向分辨率最高為道間距的一半,本文淺層地震反射波勘探道間距為1~2m,則橫向分辨率最高可達(dá)0.5~1.0m。
垂向分辨率對(duì)于確定斷層上斷點(diǎn)的埋深、判斷斷層最新活動(dòng)時(shí)代至關(guān)重要。地震剖面解釋的斷層取決于地震記錄的分辨率,其與地震波的波長(zhǎng)λ有關(guān),根據(jù)瑞利準(zhǔn)則,一個(gè)反射波的分辨率的極限為 1/4 波長(zhǎng),反射波的分辨厚度為
(1)
式中,λ為反射波的波長(zhǎng)(m);v為層速度(m/s);f為地震波的主頻(Hz)。
當(dāng)斷距小于ΔH時(shí),如果沒(méi)有特別明顯的破碎帶或者反射波相位的明顯變化,僅憑地震勘探資料很難分辨出斷層的存在,如果剖面上有斷層顯示,則可分辨的斷層上斷點(diǎn)的埋深要大于實(shí)際埋深。
本文應(yīng)用不同的濾波和處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)提高數(shù)據(jù)處理的分辨率和信噪比,圖3 為疊前記錄數(shù)據(jù)在進(jìn)行F-K濾波、預(yù)測(cè)反褶積處理時(shí)獲得的對(duì)比分析結(jié)果,可以看出對(duì)原始數(shù)據(jù)應(yīng)用F-K濾波、預(yù)測(cè)反褶積后,數(shù)據(jù)中面波得到有效減弱,子波壓縮明顯,多次波能量得到了較大的壓制,有效提高了地震資料的主頻,信噪比也得到提高。
圖3 F-K濾波、預(yù)測(cè)反褶積處理前后對(duì)比
圖4為疊后進(jìn)行4D隨機(jī)噪音衰減、反Q濾波處理獲得的對(duì)比分析結(jié)果,經(jīng)過(guò)4D去噪、反Q濾波后,剖面信噪比有了較大的提高,剖面質(zhì)量得到了顯著改善。
圖4 4D去噪、反Q濾波處理的效果對(duì)比圖
通過(guò)上述淺層地震勘探數(shù)據(jù),獲得高分辨率的地震剖面,有效解釋出斷層構(gòu)造,確定了隱伏活動(dòng)斷層位置及其活動(dòng)特征,并通過(guò)野外斷層追蹤、鉆孔地質(zhì)剖面對(duì)所解釋斷層的準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。
在磁縣石橋村東南布設(shè)1m道間距超淺震勘探測(cè)線CXXK04探測(cè)磁縣-大名斷裂(F5),邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目應(yīng)用常規(guī)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,在測(cè)線CXXK04的南段未見(jiàn)斷層存在跡象。
圖5 測(cè)線CXXK04淺層地震剖面斷層解釋、斷層出露位置
圖6 測(cè)線CXXK04西北890m處斷層出露剖面
在位于永年界河店北布設(shè)1條淺層地震勘探測(cè)線YNXK2-2探測(cè)太行山山前斷裂(F1),圖7 為測(cè)線YNXK2-2經(jīng)高分辨數(shù)據(jù)處理后的地震反射及斷層解釋剖面。在地震反射剖面中,豐富的地層界面反射波組出現(xiàn)在剖面200ms以上的時(shí)間范圍內(nèi),存在2組反射波組,由多個(gè)強(qiáng)相位組成。根據(jù)剖面上反射波同相軸的橫向變化特征和上、下反射波組關(guān)系,在剖面樁號(hào)1125m(CDP1125)附近解釋了1個(gè)斷點(diǎn),100ms以下的反射波組同相軸殲滅,具有斷層存在的顯著特征,斷裂構(gòu)造清晰,斷層為傾向E,斷層上斷點(diǎn)位于75ms(埋深60m)左右。
圖7 測(cè)線YNXK2-2淺層地震剖面斷層解釋及其鉆孔分布
沿測(cè)線YNXK2-2斷點(diǎn)附近布置了4個(gè)鉆孔:HZX5-1,HZX5-2,HZX5-3,HZX5-4。其中,HZX5-1和HZX5-3位于斷點(diǎn)西側(cè),兩孔間距15m;HZX5-2和HZX5-4位于斷點(diǎn)東側(cè),兩孔間距13m(圖5)。根據(jù)鉆孔地層,結(jié)合該場(chǎng)地獲得的熱釋光(TL)測(cè)年數(shù)據(jù)(中國(guó)地震局地質(zhì)研究所等,2010),鉆孔地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)上部歐莊組和更新統(tǒng)中部楊柳青組(未見(jiàn)底)。綜合巖芯、測(cè)年數(shù)據(jù),在鉆孔HZX5-2和HZX5-4之間存在一正斷層(圖8),斷層斷錯(cuò)了更新統(tǒng)中部楊柳青組地層,斷面視傾向東,上斷點(diǎn)距地表約52m,與地震剖面所解釋斷層位置、傾向、上斷點(diǎn)埋深60m基本一致。
圖8 界河店場(chǎng)地鉆孔地層對(duì)比與構(gòu)造綜合解釋①
在磁縣東田村東布設(shè)1條淺層地震勘探測(cè)線CXXK2-6探測(cè)磁縣-大名斷裂(F5),圖9 為測(cè)線CXXK2-6經(jīng)高分辨數(shù)據(jù)處理后的地震反射及斷層解釋剖面,豐富的地層界面反射波組出現(xiàn)在剖面200ms以上的時(shí)間范圍內(nèi),存在多組反射波組。根據(jù)剖面上反射波同相軸的橫向變化特征和上、下反射波組關(guān)系,在剖面1880m附近解釋了1個(gè)斷點(diǎn),雙程反射時(shí)間50ms及其以內(nèi)的反射波同相軸錯(cuò)動(dòng),斷裂構(gòu)造清晰,斷層為傾向N,斷層上斷點(diǎn)位于50ms(埋深45m)左右。
圖9 測(cè)線CXXK2-6淺層地震剖面斷層解釋及其鉆孔分布
沿測(cè)線CXXK2-6斷點(diǎn)附近1857~1907m共布設(shè)4個(gè)鉆孔:HZX4-1、HZX4-3、HZX4-4、HZX4-2。內(nèi)側(cè)3、4號(hào)孔距離斷點(diǎn)10m,外側(cè)1號(hào)鉆孔距3號(hào)鉆孔、2號(hào)鉆孔距4號(hào)鉆孔均為15m(圖10)。根據(jù)鉆孔地層,結(jié)合該場(chǎng)地獲得的熱釋光(TL)測(cè)年數(shù)據(jù),鉆孔第四紀(jì)地層劃分為全新統(tǒng)、更新統(tǒng)上部歐莊組和更新統(tǒng)中部楊柳青組(未見(jiàn)底)。綜合巖芯、測(cè)年數(shù)據(jù),在鉆孔HZX4-3和HZX4-4之間存在一正斷層(圖10),斷層斷錯(cuò)了更新統(tǒng)中部楊柳青組,斷面視傾向北,上斷點(diǎn)距地表47m,鉆孔揭示的斷層與地震剖面所解釋斷層位置、傾向、上斷點(diǎn)埋深45m基本一致。
圖10 東田村場(chǎng)地鉆孔地層對(duì)比與構(gòu)造綜合解釋圖(1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所等,2010.河北省城市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目(邯鄲市項(xiàng)目)工程技術(shù)報(bào)告.內(nèi)部資料.
小道距淺層地震勘探方法是探測(cè)活動(dòng)斷層淺部構(gòu)造特征和對(duì)斷裂進(jìn)行準(zhǔn)確定位的有效技術(shù)手段,如何準(zhǔn)確獲得近地表活動(dòng)斷層位置和活動(dòng)特征,提高地震剖面資料的分辨率和信噪比是有效的途徑之一,地震數(shù)據(jù)處理是其重要的環(huán)節(jié)。本文通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理方法和技術(shù),運(yùn)用多途徑、分步驟進(jìn)行去噪處理,對(duì)邯鄲市活動(dòng)斷層淺層地震資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,獲得了較高信噪比和分辨率的淺層地震剖面,以磁縣-大名斷裂、太行山山前斷裂淺層地震剖面處理結(jié)果為例,結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查、鉆孔聯(lián)合剖面探測(cè)資料,檢驗(yàn)了淺層地震勘探處理結(jié)果的可靠性。
圖11為邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目應(yīng)用常規(guī)地震處理流程和處理方法獲得的CXXK2-6測(cè)線淺層地震剖面①, 圖12 為本文所處理的地震剖面,對(duì)比可見(jiàn),本文處理剖面的隨機(jī)噪音、多次波得到有效壓制,信噪比和分辨率得到了明顯提升,具有較高的信噪比和分辨率,剖面更加能夠清晰揭示斷層的細(xì)微變化,在位于剖面1880m附近兩側(cè)的反射波組存在明顯差異,北部反射波組呈現(xiàn)水平狀,南部反射波呈現(xiàn)傾斜變化,在雙程反射時(shí)間50ms以內(nèi)的反射波同相軸錯(cuò)動(dòng)明顯,更易判斷斷層傾向和斷層上斷點(diǎn)埋深(斷層上斷點(diǎn)位于50ms,深度45m)。由此可見(jiàn),通過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理,可獲得高信噪比、高分辨率的淺層地震剖面,更加清楚地揭示出斷層位置和斷層特征,對(duì)活動(dòng)斷層淺層地震勘探數(shù)據(jù)處理具有一定的借鑒作用。
圖11 CXXK2-6淺層地震勘探剖面①
圖12 CXXK2-6淺層地震勘探剖面(本文處理結(jié)果)
致謝:本研究工作應(yīng)用了邯鄲市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目淺層地震勘探數(shù)據(jù)以及成果資料,現(xiàn)場(chǎng)人員付出了辛勤的工作,在此表示感謝。