地震学报  2013, Vol. 32 Issue (6): 718-724
引用本文
酆少英, 龙长兴, 高锐, 石金虎, 杨卓欣, 谭雅丽, 寇昆朋. 2010. 高分辨折射和浅层反射地震方法在活断层探测中的联合应用. 地震学报, 32 (6): 718-724.doi:10.3969/j.issn.0253-3782.2010.06.009
Feng S Y, Long C X, Gao R, Shi H J, Yang Z X, Tan Y L, Kou K P. 2010. Joint application of high-resolution refraction and shallow reflection seismic exploration approach to active fault survey. Acta Seismologica Sinica , 32 (6): 718-724.doi:10.3969/j.issn.0253-3782.2010.06.009
高分辨折射和浅层反射地震方法在活断层探测中的联合应用
酆少英1,2 , 龙长兴1, 高锐1, 石金虎2, 杨卓欣2, 谭雅丽2, 寇昆朋2    
1. 中国地质科学院, 100037;
2. 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州, 450002
收稿日期 2009-10-13收到初稿，2010-04-08 决定采用修改稿.
基金项目： 地震行业科研专项（200808040）和国家发展与改革委员会项目《城市活断层试验探测》（2004-1138）资 助．中国地震局地球物理勘探中心论著编号：RCEG1003．
通讯联系人,E-mail:fsy.ny@163.com
摘要：浅层反射地震方法是城市活断层探测常用的技术,但在基岩埋深比较浅的地区,往往只能识别出基岩顶面的反射波,而仅根据反射地震剖面上单个同相轴的变化很难准确判定断层是否存在.浅层地层的错断往往会引起速度的横向变化,利用高分辨折射地震方法采集的数据,应用层析成像方法获得的速度剖面,能够反映地下速度结构的变化,可以从另一方面揭示浅层断层存在的可能性.在四川某地,将这两种方法同时应用于活断层浅层地震勘探中.结果表明,两种方法联合应用可在一定程度上弥补浅层反射地震勘探方法在基岩埋深较浅地区的不足
关键词： 活断层探测     浅层反射地震     高分辨折射地震     层析成像     联合应用    
Joint application of high-resolution refraction and shallow reflection seismic exploration approach to active fault survey
Feng Shaoying1,2 , Long Changxing1, Gao Rui1, Shi Jinhu2, Yang Zhuoxin2, Tan Yali2, Kou Kunpeng2    
1. Chinese Academy of Geological Sciences, 100037;
2. Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou, 450002
Abstract: Shallow reflection seismic exploration is a commonly used technique in urban active fault survey. Usually, however, we can not identify the presence of faults solely based on the offset of co-phase axis on seismic reflection profiles, because the effective reflection layers are few and only the reflection from the shallow top bedrock can be recognized. The stagger in shallow strata may cause lateral velocity variation. On the other hand, the tomographically imaged velocity profiles deduced from the high-resolution seismic refraction profile data can reflect the change of crustal velocity structure and indicate the existence of a fault. In a region in Sichuan, the two approaches were applied to shallow seismic exploration for active fault survey along the same profile. The experimental results indicate that the joint application of the two methods can, to some extent, remedy the defect of the shallow reflection seismic exploration performed in the region with shallowly buried bedrock
Key words: active fault survey     high resolution seismic refraction     shallow seismic reflection     tomography     joint application    
引言

活动断裂是一种现代正在活动的构造，它与地震和地质灾害紧密相关，从而对城市和工程安全造成直接的威胁(邓起东等，2003). 活断层一般是指第四纪晚更新世(约10万年—12万年)以来曾经活动，未来仍可能活动的断层. 大量地震灾害调查结果表明，活断层不仅是产生地震的根源，而且沿断层线地震破坏也最为严重. 确定一个地区断层是否存在以及断层是否错断晚更新世以来地层，是判断该地区是否存在活断层的关键. 浅层人工地震勘探方法(包括反射波法勘探和折射波法勘探)由于其勘探深度范围大，分辨率和精度最高，在城市活断层探测中，无论在初勘阶段或详勘阶段，都是最主要的地球物理探测手段(邓起东等，2007).

浅层反射地震方法是利用地层之间由于波阻抗差异所产生的反射相位特征来推测、 解释地下构造(徐明才等，2005)，确定上断点埋深. 它能够有效地对地下反射界面成像，通过分析反射波组特征的变化而做出是否存在断层的判断.

高分辨折射方法是采用密集炮距和密集接收点距组成的折射观测系统，利用弹性波的初至时间绘制成时距曲线，在数据处理时引入走时层析成像技术，通过对时距曲线的解释反演来推断地下构造(徐朝繁等，2006a). 与传统的折射方法相比，高分辨折射方法可以提供更加精细的地壳结构模型，因而在一些地区的活断层探测中得到了有效的应用(吴怡等，2006； 杨卓欣等，2009).

高分辨折射方法和浅层反射地震方法所依据的物理前提是不完全一样的，前者依据的是相邻地层的速度差异，而后者依据的是相邻地层的波阻抗差异. 浅层反射地震勘探由于其分辨率高、 断层定位精确、 所显现的地质现象直观而成为活断层探测中的首选物探方法. 但是在基岩埋深比较浅、 地下介质破碎、 地层倾角大、 干扰严重等特殊的地质环境下，采用反射地震方法很难得到有效信息. 相对于反射波而言，地震记录中的初至波同样携带了地壳速度结构和界面构造特征的丰富信息，且具有震相明确、 识别可靠的显著优点(侯贺晟等，2009). 对初至波走时进行层析成像，可在一定程度上弥补或替代反射资料的缺失. 在四川某地的活断层浅层地震勘探中，作者将两种方法同时应用，互相印证，克服了一种方法的不足，取得了较好的应用效果.

1 探测区地质概况

探测区位于龙门山前，为山间河谷地貌类型. 浅层地震探测工作的主要目的是查明北东向的平武—青川断裂隐伏段在探测区内的展布情况，为断层活动性鉴定和城镇发展规划提供基础资料.

探测区地层上部覆盖的第四系松散层主要为人工填土层和第四系晚更新统—全新统冲洪积成因的粉质粘土和砂卵石层. 其中全新统人工填土层主要由粘性土、 砾砂，砖、 瓦、 混凝土碎块和少量卵石组成，新近堆积，广泛分布，层厚0.30—2.80 m. 第四系晚更新统—全新统冲洪积层层厚0.30—2.60 m，下伏基岩为古生界志留茂县群系绢云母千枚岩.

从地层垂向分布来看，基岩埋深浅，第四系地层厚度小，因此除基岩顶面外，在浅层反射地震剖面上难以存在比较明显的反射层位. 2 浅层反射地震勘探方法 2.1 数据采集

数据采集使用德国DMT公司生产的SUMMIT数字地震仪，接收检波器主频为60 Hz. 因探测区位于城镇，地震波激发源采用了抗干扰能力强、 适合城镇施工的可控震源.

为满足浅层高分辨勘探的要求，本次施工采用小接收点距、小炮距的观测方式. 主要 工作参数为： 记录道数120，记录长度1 024 ms，采样间隔0.5 ms; 道间距2 m，炮间距8 m，覆盖次数15; 观测系统： 中间激发，双边不对称接收，小桩号40道，大桩号80道; 最小偏移距0 m，最大偏移距160 m.

2.2 数据处理

在城市以及城市附近进行浅层反射地震勘探，地震资料处理的重点是尽可能保护和恢复地震记录中的有效高频成分，提高资料的分辨率，以便精确确定断点位置. 另外，有效压制各种干扰波，提高资料的信噪比，使各种构造现象能够在剖面上清晰显现，也是浅层高分辨反射地震数据处理的关键. 针对所获得的浅层反射地震资料的情况，在数据处理过程中，采用叠前一维滤波和二维滤波相结合的方法压制干扰，提高有效反射波的信噪比； 采用折射静校正和剩余静校正相结合的方法增强有效反射的同相性，提高剖面的信噪比和分辨率； 采用速度分析和速度谱相结合提高求取叠加速度的准确性. 通过以上综合、 配套的处理技术，经过反复试验，选择出最佳处理参数，建立了图 1所示的浅层反射地震数据处理流程.

图 1 浅层反射地震数据处理流程图 Fig. 1 Flow chart of shallow seismic reflection data processing
2.3 成果解释

原始地震记录经室内资料处理后，得到可反映地下地质构造特征的反射地震时间剖面. 时间剖面上的地层反射波组反映了地下界面形态和地下地层介质的物性差异，资料解释的主要内容就是根据剖面反射波组特征，结合地质或钻孔资料判断地质结构和构造的特征. 经处理后的反射时间剖面见图 2所示.

根据时间剖面的波组特征，在该测线上仅解释了一组特征明显的反射震相TQ，该震相以下没有连续性较好的同相轴存在. TQ震相在整条测线清晰可辨，反射能量也较均衡. 这种现象与该区第四纪覆盖层以下为基岩，基岩内部没有较好的波阻抗界面相一致. 因此，反射震相TQ可能是来自基岩顶面的反射.

反射地震剖面上对断层的判断主要依据某一断层可能同时错断多个反射同相轴，因此可以根据多个同相轴在相关位置上的突然中断与位错来判断断层的存在. 造成剖面上单个同相轴中断与位错的原因很多，往往不能仅根据单个同相轴的错断与位错判断断层是否存在. 从图 2时间剖面上的反射信息所显现的基本形态来看，TQ反射同相轴在测线中间的1 450 m附近存在明显的不连续现象. 由于浅部同相轴受近地表影响较大，而该区基岩埋深较浅，在TQ之下也没有明显的反射层位可供利用，单凭该浅层反射剖面难以判断是否有断层存在.

图 2 浅层反射地震测线时间剖面 Fig. 2 Time profile of the shallow seismic reflection survey
3 高分辨折射勘探 3.1 数据采集

浅层高分辨折射地震勘探测线位置与反射地震测线重合，采用多重追逐相遇的观测系统(图 3). 具体观测系统方式为： 每个地震观测排列采用164道接收，道间距4 m，单个地震排列长度为652 m，每次地震排列设计了9个炮点，炮间距为160 m，总计54个炮点. 为使地震射线尽可能地均匀分布，每次地震观测排列之间都有320 m的重复观测段和7个重复炮点.

图 3 高分辨折射测线观测系统 Fig. 3 Observation system of high-resolution seismic refraction survey

由记录截面图(图 4)可以看出，地震记录上来自基岩面的折射波能量较强，震相非常清楚，能够可靠识别、 对比和追踪.

图 4 典型记录截面.(a)29号炮点；(b)35号炮点 Fig. 4 A typical seismic record section.(a)Shotpoint 29;(b)shotpoint 35
3.2 数据处理

高分辨折射地震数据处理采用加拿大骄佳技术公司的折射波层析成像软件. 该方法采用非线性的初至波走时层析成像方法(Zhang，Toksz，1998). 在射线追踪上联合使用最短路径法和弯曲射线法，首先用最短路径法寻找全局最短路径，然后再用弯曲射线法寻找局部最优. 反演采用非线性的初至波走时反演方法. 由于适用于小尺度复杂构造的精细研究，因而在高分辨折射地震勘探中得到广泛的应用. 其处理流程为(图 5).

图 5 高分辨折射地震数据处理流程图 Fig. 5 Flow chart of high-resolution seismic refraction data processing

不同于浅层反射勘探，高分辨折射输出的是沿测线从地表到折射深度层之间的速度图像(图 6).

图 6 高分辨折射勘探层析成像速度剖面 Fig. 6 Tomographic image of the velocity profile obtained from high-resolution refraction survey
3.3 成果解释

地层界面是客观存在的，只要有界面存在，界面两侧的速度对比就会增大(徐朝繁等， 2005，2006b). 高分辨折射地震勘探得到的是地层速度的变化情况，并不直接反映地层界面的变化，但通过速度剖面上速度的变化，可以间接判断地质构造的变化. 一般情况下，地层界面上下速度会有突变，表现在层析成像速度剖面上，就是速度等值线密度突然由稀变密； 在断层存在部位，由于地层横向存在变化或断层附近可能存在的破碎带，速度分布在横向上会有差异、 突变或低速区存在，表现在层析成像速度剖面上，就是速度等值线的突变. 因此在高分辨折射勘探的资料解释中，主要是根据速度的横向突变或纵向差异来解释地层界面或断层的存在.

图 6为高分辨折射地震勘探层析成像速度剖面. 在剖面中部1 430—1 470 m之间，浅层速度存在横向突变，从两边速度横向变化不大到该处存在一低速区，且该低速区一直向下延伸，说明该处存在地质构造的异常. 该异常位置与浅层反射地震剖面上确定的异常位置近似. 但是否预示该处断层存在，以及断层的准确位置，则有待于其它地球物理资料或钻探资料的进一步证实. 目前开挖的探槽已经证实了该断层的存在.

4 讨论与结论

在四川某地活断层浅层地震勘探中，对同一条测线，同时利用两种地震探测方法确定了断层的存在及位置. 根据作者提供的断层位置开挖探槽，证实了断层的存在，也证实了联合应用高分辨折射勘探方法和浅层反射地震勘探方法的有效性. 由此可以得到以下两点认识：

1)在基岩埋深比较浅，反射层位较少，以及像断裂带这样难以得到有效反射信息的地区进行浅层地震勘探，由于可能存在的近地表异常的影响，单凭浅层反射地震剖面中单个同相轴的错断难以判断断层存在. 同样，单凭高分辨折射勘探所得到剖面的速度异常也不能确定断层是否存在以及断层的准确位置. 将高分辨折射勘探方法和浅层反射地震勘探方法联合应用，可将二者的结果相互印证，弥补单一地震方法的不足，以检验解释结果的可靠性，为复杂条件下地震资料的解释提供较多的参数.

2)本文中同一条测线上，采用两种方法进行数据采集、 数据处理，结果相互印证. 在浅层反射地震勘探中，初至折射波常常作为干扰波切除掉. 与反射波一样，地震记录中的初至波也同样含有地质构造变化的信息，且具有信噪比高，易于识别的优点. 如果在浅层反射勘探施工中，同时利用反射地震记录中的初至折射波，采用折射波层析成像方法，建立浅部地层速度结构，可在一定程度上弥补或替代反射资料的缺失. 两种方法的联合应用，可以提供更多参数对解释结果进行约束，提高解释结果的准确性. 同时，由于折射波层析成像利用的是反射地震记录中的初至折射波，可以避免了野外采集的重复施工，节约大量的施工成本，实现对地震资料的充分利用，具有一定的应用价值.

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