0 引言

依据20世纪70年代湖北省地质图的1:20万蒲圻幅区域地质报告和江汉油田人工地震勘探资料^①，嘉鱼断裂为已证实的隐伏断层。该断裂生成于印支—燕山期，沿断裂有喜马拉雅期隐伏玄武岩分布，上白垩统—古近系厚度在断裂南北两侧差异明显，为300~500 m，断裂南侧发育四级阶地和两级剥夷面，第四系厚度普遍小于50 m，且新近系一般缺失，北侧仅有河湖漫滩一级阶地，Q₁-Q₂地层埋藏较深。1974年，在嘉鱼西凉湖畔发生3.9、3.8级震群(根据中国地震台网中心《中国地震详目》(1970年至2015年底))，1992年，嘉鱼新街发生2.5级地震，表明该断裂深部现代活动仍是明显的。嘉鱼断裂东端已有明显出露，而断裂尾部与沙湖—湘阴断裂交错，地处江汉平原，断裂既没有明显出露，也无相关小尺度物探资料及钻探数据；因此，查明断裂尾部具体位置、走向及活动性等特征显得尤为重要。

① 中国地质调查局武汉地质调查中心.湖北省区域地质调查报告.武汉：中国地质调查局武汉地质调查中心，1973.

近年来，活动断层探测越来越被重视，然而在城市开展活断层探测存在许多科学技术难题，如城市内干扰因素多、干扰强度大，且地表地质条件复杂多变等许多预想不到的困难；因而地震活断层探测是一个科学技术含量高、具有挑战性的综合性探测工程^[1]。地球物理勘探是城市地震活断层探测最主要的技术手段，主要有地震勘探、电磁探测和重力勘探等方法^[2]。根据国内外特别是近几年的探测实践，在这些探测方法中尤以地震方法最为有效^[3]；但若在覆盖层较浅以及干扰较为严重的区域只进行地震反射勘探，将会使结果产生虚假异常，导致对重要地质信息进行误判。近年来地震折射也逐渐发展，葛利华等^[4]利用地震小折射对辽西葫芦岛东部表层进行调查，取得了较好效果。

根据航空磁测资料^[5]，嘉鱼断裂所在区域有100 nT以上的航空磁测异常，在江南幕阜山地区平缓正磁场(50 nT)背景上，嘉鱼—阳新正异常带(50~200 nT)磁异常等值线长轴走向东西，并无具体位置信息和走向特征信息，其尾部是否向西延伸也无定论。因此，只根据区内已有的大尺度航磁资料，无法查明嘉鱼断裂的具体位置和走向，其活动特征更无法评价。而区域内针对嘉鱼断裂的地震资料，尤其是小尺度地震资料极度匮乏。

本文利用小尺度浅层地震反射与高分辨率折射地震相结合的方法对目标断裂进行勘探，并结合钻探资料进行地质解译，以期找到嘉鱼断裂西向延伸方向和第四系活动的证据，证明浅层地震反射和高分辨率折射在隐伏断裂探测中联合应用的必要性。

1 区域构造背景及新近纪以来的地层 1.1 区域构造背景

根据文献[6-8]，嘉鱼断裂所在构造单元横跨扬子陆块区的二级构造单元上扬子陆块和下扬子陆块(图 1)，细化区间为两湖断坳，断裂东端在侏罗系王沙溪组(J₁w)已有出露，出露点位置见图 1。图 2为出露点地质剖面图，剖面上见两组断裂：断层F₁、F₂、F₃发育于砂岩层内，与层理平行，破碎处有片理状未胶结的断层泥，厚5~15 cm不等；断层F₄、F₅斜切层理，向南陡倾，破碎带主要由冲断砂岩透镜体组成，宽约1.5 m。上扬子陆块是自白垩纪始叠置在扬子台褶带之上的构造盆地，盆地底垫层被北西、近东西和北东(北北东)向先存断裂切割成复杂的断块构造。从晚白垩世至中更新世早期(白沙井组、善溪窑组下段)，盆地以断陷作用为主，并在古近纪时具多期基性岩浆侵位；中更新世晚期以来表现为坳陷性质。沉积厚度＞1 100 m，其中新近系厚约800 m，第四系最厚约320 m。该单元构造运动相对强烈，曾发生十数次中强地震，最大为1631年的常德6.75级地震。

1.2 新近纪以来的地层

嘉鱼断裂所属构造单元为扬子准地台(扬子陆块区)，新近纪以来该单元主要呈现强度不大的振荡性升降运动。江汉平原第四系岩相资料^[7]表明：区内大致以长江为界，基本上又分成两个第四系沉积区域。西北部为沉积堆积区，地表以近代湖积-冲积物(Q₄^al)为主，沉积范围大、岩性单一，厚度大而稳定，并且更新统被埋藏，第四系厚达150~200 m；南部为剥蚀堆积区，除下更新统零星出露外，中、上更新统和全新统都有发育，其岩性复杂，厚度变化大，以河流冲积物及冲积坡积物居多，其中以中更新统分布最为广泛，且出露齐全。各地层单元岩相情况如下：

全新统(Qh)河湖相冲积、洪积层主要分布在长江北侧，江南沿河谷及湖泊边缘也呈带状发育。据钻孔^[8]揭露，在嘉鱼马鞍镇新街附近的长江冲积、洪积层，上部为粉质黏土及黏土，中、下部为粉细砂层和卵石。

上更新统(Qp³)分布于江南剥蚀堆积区，集中分布于黄盖湖以北和以西，主要为一套河漫滩相或滨河床浅滩相棕褐色黏土、亚黏土和砂质堆积富含铁锰结核，坡麓地带常有不稳定的堆积含砾黏土，一般厚3~10 m。

中更新统(Qp²)主要在江南出露，尤其集中分布在黄盖湖以东、车埠—官塘驿以北至长江南(右)侧的低丘及河湖平原区，江南邻近湖泊均为此类地层，在地貌上呈缓起伏的低岗，通常相当于长江第三级阶地，亦即网纹化红土台地。

下更新统(Qp¹)在区域内零星出露于50~80 m高程的岗地上，主要为冲洪积相黏土、砾石层，强烈网纹化，铁锰淋漓强烈，砾石风化强烈，呈深棕红色，厚5~10 m。

此外，在洪湖沉降区第四系底垫层为新近系河湖相灰绿、灰黄色黏土、砂砾层，厚度100~300 m。

2 地球物理勘探

本次针对嘉鱼断裂布置了多条测线进行浅层小尺度地震反射和高分辨率折射勘探，文章选取了控制性较好的两条测线Dz1和Dz2作为实例，详细位置见图 3。

2.1 浅层地震反射

该方法是利用不同地层间波阻抗的物理差异进行探测的一种地球物理方法。当地面激发的入射波向下传播至地层分界面时，由于界面存在波阻抗差异，将在界面处产生反射波，然后通过分析地面接收到的反射波信号可以推断出地下地层的分层情况、构造发育状态等^[9]。

本次数据采集选择了美国GEODE多道地震勘探系统，外业工作采用等偏移距、可控震源激发地震波，并进行10~15次叠加，120道检波器接收，道间距为2 m，12次覆盖观测系统(图 4)。

浅层地震反射数据处理方法的重点是尽可能提高资料的分辨率^[10]，因此，地表一致性处理和剩余静校正处理的精度应高于石油地震反射剖面^[11-12]。另外，在地震资料的去噪处理和近地表速度求取方法上，应重视近偏移距记录道上的近地表反射信息提取和速度拾取^[13]。资料处理过程中尽可能保护和恢复地震记录中的有效高频成分，便于精确确定断点位置^[14]。本次资料处理工作，正是基于上述理论和经验，经过反复试验和论证，建立了合理的资料处理流程(图 5)，最终得到了高分辨率地震反射剖面。

2.2 浅层地震折射层析成像

折射层析成像方法是通过地震折射波勘探对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进行解释反演来推断地下构造。近年来，基于程函方程的有限差分层析成像技术日益成熟并得到了广泛的应用^[15]，尤其是小尺度复杂结构的精细研究；当有速度异常和界面起伏存在时，折射波走时常表现为显著超前或滞后，折射波视速度则有突变显示。因此，当地震反射方法失效时，可考虑采用高分辨率折射波勘探^[16-20]。

本次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 6)。该观测系统适用于需要同时观测浅部和深部两个折射界面，或者对某一折射界面进行重复观测，它实际上是由追逐系统和两个小排列、一个大排列相遇观测系统组成的一个复杂观测系统^[21]。具体观测系统方式为：每个地震观测排列采用120道接收，道间距为2 m；单个地震排列长度为238 m，炮间距为60 m；每次地震排列设计了9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120 m的重复观测段和7个重复炮点。

本次高分辨率折射层析成像采用初至波走时有限差分反演，最终得到速度分布结构图。数据处理流程如图 7所示。通过数据处理，构造异常的速度结构表现为速度分布特征的横向差异或突变^[22]；因此，根据速度分布的横向变化，结合其他地球物理资料对断裂构造进行分析判断。

3 地震成果剖面分析 3.1 浅层地震反射剖面

图 8为Dz1测线浅层地震叠后偏移后的深度剖面，剖面长度为1.14 km。剖面揭示多组较为连续的同相轴，界面断裂构造特征和起伏变化形态都较为清楚：50 m深度上部的两组反射波组可连续追踪，50 m深度以下的反射波组出现明显错断；在距离300、700 m左右和深度约70 m处，出现F₆、F₇两处明显错断，断距约15 m，F₆断层表现为北盘下降，南盘上升，F₇断层表现为北盘上升，南盘下降，均为正断层性质。往NNW方向追踪发现：T₀反射界面从50 m逐渐下降至70 m、T₁反射界面从70 m逐渐下降至95 m；T₂反射界面从100 m逐渐下降至130 m。

图 9为Dz2测线浅层地震叠后偏移后的深度剖面，剖面长度为1.28 km。该剖面同样揭示同相轴较多，在距离500 m左右、深度约45 m处，同相轴明显增多，且出现明显错断(F₈)，断距约10 m，F₈断层表现为北盘下降，南盘上升，为正断层性质。往NNW方向追踪发现：T₀反射界面从40 m逐渐下降至80 m、T₁反射界面从70 m逐渐下降至135 m；T₂反射界面从100 m逐渐下降至165 m。此外，测线的浅层地震反射剖面在990 m处存在多组同相轴不连续特征，仅根据反射剖面特征，可判定该处存在异常；但外业地质调查显示Dz2测线970~1 000 m处为后期填湖所致，且其附近存在机械厂房，对浅层地震反射数据采集干扰较大，确认为虚假异常。

3.2 浅层地震折射层析成像剖面

图 10为Dz1测线高分辨率折射层析成像速度剖面，在距离300、650 m处分别出现A、B两处速度突变，具体表现为：A、B两侧横向速度变化不大，A、B之间低速界面深度下降，速度结构发生明显变化；虽然速度结构的变化不完全能够代表地层变化，但可以间接说明A、B两处存在地质构造上的异常和地层的不均匀性。通过与浅层地震反射深度剖面对比发现，速度变化区域基本与同相轴错断位置相耦合，也间接印证了F₆、F₇断裂的存在。

图 11为Dz2测线高分辨率折射层析成像速度剖面，在距离500 m处(C)出现速度突变，异常点C处左右两侧速度结构明显不同，右侧低速界面深度突然下降。速度横向上的突变表明C处存在地质构造上的异常。通过浅层地震反射深度剖面对比发现，速度变化位置基本与同相轴错断、同相轴明显增多的位置相耦合，从而使F₈断裂的存在得到了更为充分的证据。此外，根据Dz2测线的浅层地震反射剖面，在990 m处存在多组同相轴不连续特征，而Dz2测线高分辨率折射层析成像速度剖面在同一位置显示的深部速度结构并不存在突变。因此，结合速度结构剖面和外业地质调查，更进一步证实该处为虚假异常。

4 钻探

本文选取了(洪湖市)江北高速公路地震安全性评价场地工作中距离测线较近的4个钻孔^[23](钻孔位置见图 3)进行参考，并将4个钻孔的资料联成了如图 12所示的联合剖面图。钻孔1与钻孔2相距约4 km，钻孔2与钻孔3相距约5 km，钻孔3与钻孔4相距约2 km。钻孔资料揭示目标断层所在位置上部地层岩性较为简单，主要分为4层：①粉质黏土，灰褐色，可塑，含铁锰氧化物、少量氧化物结核及少量灰褐色高岭土条纹；②粉砂，中密，主要矿物成分以石英、长石、云母片等为主，局部地段夹细砂薄层；③卵石，灰色，中密，主要以粗砂为主，含长石、石英、云母片、砾卵石，体积分数约10%，粒径一般10~40 mm，个别大于80 mm，成分主要为石英砂岩，局部地段卵石直径较大；④灰岩，灰褐色，隐晶质结构，厚层状构造，节理裂隙较发育，方解石脉填充，岩心较完整，多呈短柱状，少量碎块状，岩石属于硬岩。钻孔组成的联合剖面图可以推测目标断裂区第四系有明显错断，错断位置位于钻孔1和钻孔2之间，其理由是：钻孔1在深度为44.5 m处见基岩，而钻孔2、钻孔3及钻孔4深度为100 m时仍未见基岩，由此可推断在钻孔1与钻孔2之间的地层厚度发生巨变，具体表现在钻孔1粉砂层下界面深度为27.9 m，钻孔2粉砂层下界面深度却达到44.6 m，相差约16.7 m；此外，钻孔1揭示的卵石层下界面深度为44.5 m，而其余钻孔深度为100 m依然为卵石层，卵石层下界面深度相差大于55.5 m。综合地球物理反射资料和高分辨率折射层析成像结果，可推断嘉鱼断裂错断了第四系沉积层，错断具体位置可由地震反射剖面确定，错断特征为北盘下降、南盘上升，错断深度位置为50~70 m。

5 结论

1) 根据大尺度航磁资料，嘉鱼断裂尾部只局限于一个大致范围，具体位置和走向并不详实；本文研究结果查明嘉鱼断裂尾部具体位置所在，嘉鱼断裂和沙湖—湘阴断裂交错，但并未止于该处，而是向西继续延伸，方向为近东西向。

2) Dz2测线的浅层地震反射剖面在990 m处存在多组同相轴连续特征，而Dz2测线高分辨率折射层析成像速度剖面在同一位置显示的深部速度结构并不存在突变，外业地质调查显示Dz2测线970~1 000 m处为后期填湖所致，且其附近存在机械厂房，对浅层地震反射数据采集干扰较大，造成了虚假异常。

3) 综合地球物理反射剖面、高分辨率折射层析成像结果及钻探资料，推断嘉鱼断裂西延线在第四系覆盖层中有错断，并有活动的可能性。第四系错断位置深度约50 m，主断裂F₆表现为北盘下降、南盘上升的正断层性质。

4) 在干扰较为严重的区域开展浅层地震反射工作，其效果受到影响，得到的反射剖面同相轴不一定连续，会产生虚假异常，其异常对断层的几何结构可能会有误判；若能与高分辨率折射层析成像进行结合，将使结果更加清晰可靠。

5) 本文对于嘉鱼断裂所在构造单元采取了小尺度地震反射勘探和地震折射层析成相，查明了断裂具体位置和延伸的大致方向，并对断裂特征进行了判断和分析，其结果是可靠的；综合钻探资料与地球物理结果判断，嘉鱼断裂尾部错断了第四系覆盖层，推测有活动的可能，后期若能进行取样定年，将是对结果很好的补充。