2015, Vol. 58
2. 河北省地震局, 石家庄 050021;
3. 西藏自治区地震局, 拉萨 850000
, PENG Yuan-Qian2, NI Ma3, GAO Jin-Rui3, WEN Sheng-Liang3, ZHANG Rui-Qin1, WU Qing-Ju1, LYU Guo-Jun2, WANG Yan2
2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China;
3. Earthquake Administration of Tibet Autonomous Region, Lhasa 850000, China
This paper describes the application of a method that utilizes an artificial source of shallow seismic reflections. This method aims to detect active faults and survey low-velocity layers, in addition to shallow seismic refraction. The key technical problems are addressed, including details about the selection of seismic instruments, deployment design, parameters, data processing, and interpretation methods used to identify faults. The Geometrics Strata Visor NZXP seismograph was used to collect data and a 70 kg hammer was used as a seismic source, in addition to 60 and 100 Hz geophones. Seismic wave energy was maintained at constant high and low frequencies. The wave reflection range was between 10 and 120 Hz, and the high frequency energy attenuation gradually diminished. The seismic reflection observation system is comprised of a receiver arrangement in the front, the shotpoint in the rear, shooting in the downdip direction, reception in the updip direction, and continuous forward tracing. The spread geometry is determined by the receiver interval of 1 to 3 m, with a 2 to 9 m offset, 72 channels, and 6 to 9 folds. The acquisition parameters were set as 0.25 ms sampling intervals and 600 to 800 ms record lengths.
This region is located in the Yarlung Zangbo River drainage catchment, which is influenced by a low velocity layer. The study area was chosen to determine the degree of influence of the low velocity layer and to isolate its effects during data processing to improve the quality of the profile data. Data processing was completed using the Vista seismic reflection wave software system. For high-frequency random noise, one-dimensional filtering of 10 to 90 Hz frequency band widths was adopted, which applied a two-dimensional filtering to address the apparent velocity difference of interference wave (e.g. F-K). The main parameters such as the trend, orientation, and upper offset point were evaluated to ascertain the effects on the Ladoi-Nêdong, Biding-Jiashala, Zhuogeluo and Jaggang-Xaitongmoin fractures. By analyzing the seismic reflection profile, additional groups of apparent interface reflection characteristics were identified. Based on the characteristics of seismic reflection groups in each fault line, we determined eight breakpoints of fault interpretation.
The results show that the top of the bedrock reflective interface (i.e., the quaternary bottom), TN, is common in the surveyed area. Furthermore, TN has strong reflective energy in most of the profiles, significantly apparent seismic phase characteristics, and reflective interface that records changes in fluctuation. The two-way time of TN is 0 to 220 ms, and the buried depth is 0 to 170 m. There are two main internal reflection interfaces in the Quaternary bottom layer. Unique identifiers were assigned, namely TQ1 and TQ2, from the top to bottom, respectively.
雅鲁藏布江缝合带是西藏南部一条规模巨大、活动性强的活动断裂带，存在发生中强以上地震的构造背景(国家地震局地质研究所，1992; 赵文津等，1997；许志琴等，2006;宋键，2010).日喀则地区位于雅鲁藏布江缝合带上，特殊的地质构造环境使日喀则具备发生地震的构造条件.日喀则地区活动断裂主要包括雅鲁藏布江断裂带、谢通门—南木林断裂带及甲冈—谢通门断裂带(朱菲菲，2008).科学家们在青藏高原开展了大量的地球物理和区域地质构造等方面的研究(陈俊勇等，1996;胡家富等，2008;张进江和丁林，2003；吴庆举和曾融生，1998；王椿镛等，2014)，获得了深部构造和区域构造的研究成果.然而日喀则处于我国边远省份，地质资料匮乏，地球物理勘探资料更加稀缺，该地区目前没有开展过地震勘探方法的工作.断裂的空间展布位置、几何结构、相互交切关系、活动性、深浅构造关系不清，断层分段、地震活动性、地震危险程度等均有待于进一步查明.
本文根据该地区以往地质、钻探等资料，结合典型的勘探实例，阐述了依据场地条件、物性差异和干扰情况等，运用高分辨率浅层地震勘探技术，详细地介绍了方法实施过程中的野外数据采集、资料处理和解释等工作，针对本区特点提出解决几项关键技术问题的方法，查明拉堆—乃东断裂、抓各落断裂、 毕定—甲舍拉断裂、甲冈—谢通门断裂的走向、产状、上断点埋深及其在地表的垂直投影位置.开展日喀则市活动断层勘探与地震危险性评价，鉴别出对日喀则市有重大影响的活动断裂，科学、系统、客观地评价其地震危险性和危害性，为日喀则市的城市规划、国土资源开发利用和防震减灾提供基础资料和科学依据.
2 概况
日喀则市地处西藏西南部、雅鲁藏布江及其主要支流年楚河的汇流处，市区平均海拔3836 m.地区地形条件复杂，地质构造发育，河谷深切，地形地貌陡峻，南、北地势较高，基本上由高山、宽谷和湖盆组成，平均海拔在4000 m以上(刘天仇，1993).第四系主要分布于雅江流域及其干流河谷一带.成因类型比较复杂：冲积、冲洪积、风积、湖积，沼泽堆积、坡积，现代冰川堆积、冰川堆积等.钻孔揭示地层以松散的砂砾和卵砾为主，顶部有一层厚0.5～1.0 m厚的含砂粉质粘土，第四系地层厚度大于36 m.测区上覆第四系盖层，下伏基岩具有较好的波阻抗界面，由此可推测，该区基岩界面产生的反射信号将比较丰富.目标区浅层地震勘探勘探的有四条断裂：拉堆—乃东断裂(F3)、抓各罗断裂(F4)、毕定—甲舍拉断裂(F5)及甲冈—谢通门断裂带(F7)(图 1)，其中拉堆—乃东断裂、抓各罗断裂、毕定—甲舍拉断裂同属雅鲁藏布江缝合带.
3 浅层地震勘探数据采集
浅层地震勘探反射技术是根据地下介质在物性 差异界面上地震波的运动学和动力学特征，勘探地层或岩体的埋深及其速度结构，目前在城市活动断层勘探中，主要采用的是浅层反射地震勘探方法(何正勤等，2007；2010).利用反射剖面上丰富的反射波组特征判定断层的存在并确定其产状等基本参数，其在断层定位及其特征的判定上具有较高的精度(方盛明等，2002；邓起东等，2003；刘保金等，2008；李大虎等，2010).
 | 图 1 浅层地震勘勘探线布置图 其中断层(红色实线)为晚更新以来断裂，断层(粉红色实线)为早中更新世断裂，断层(黑色实线)为韧性剪切带，不同色块表示不同岩性. F1 同波—唐巴—热木杠—冬古拉断裂; F2 谢通门—南木林断裂; F3 拉堆—乃东断裂; F4 抓各罗断裂; F5 毕定—甲舍拉断裂; F6 昂仁—仁布断裂; F7 甲岗—谢通门断裂.Fig. 1 Layout map of shallow seimic prospecting measuring lines |
高分辨率浅层地震勘探是指能分辨地壳浅部地层界面和较薄地层的一种浅层地球物理勘探方法，以便有效地确定地下构造的位置、形态(俞寿朋，1993).因此，要求地震勘探数据采集所用的仪器设备应具有高保真度、高采样率、宽频带、大动态范围等性能，另外，为了适应城市地震勘探的工作环境，所采用的地震仪器还应具有抗干扰能力强和能实时对环境干扰进行监控.
高分辨率地震勘探必须建立在高信噪比的基础上，影响地震记录信噪比的因素主要有：地震波激发源噪声、现场环境干扰以及仪器本身的噪声等，众多噪声(如环境干扰、激发噪声)可以通过人为因素和数据处理得到改善，然而，仪器本身的噪声必须通过采用先进的技术装备来克服.采用地震数据在地震仪的采集站数字化，数字信号在传输过程中是不会引进噪声的.根据活动断层勘探的目标深度和工区环境特点，本文采用美国GEOMETRICS公司STRATAVISORNZXP地震仪进行地震勘探数据采集.该仪器瞬时动态范围达144 dB以上；采样率最高为1/50 ms，最低为16 ms，共有11种可选，道 记录长度为16384样点/道，频宽1.75 Hz~20 kHz.
爆破震源越来越受到限制，可控源成本高昂并且在雅鲁藏布江等地形条件复杂的地区，使用往往受到限制.因此简便、低廉、有效的震源-人工夯源是浅层地震勘探的最佳选择.此次震源采用70 kg冲击夯源，采用多次叠加.通过对地震记录信噪比及其频谱分布对比分析，选择20次叠加冲击夯源激发地震波.
图 2(a，b)是分别采用60、100 Hz检波器接收，70 kg冲击夯源激发的地震波振幅谱，由此可见地震波频率成分非常丰富，地震波能量在高频和低频 均保持有较好的均一性，反射波频范围在10～120 Hz，高频能量衰减缓慢，高频成分丰富，有利于开展高分辨率浅层地震勘探.工作中采用冲击夯源冲击置于地面的金属垫板，以便提高震动能的耦合转换效率.
 | 图 2 利用不同频率检波器获得的谱(70 kg冲击夯源)
(a)夯击震源60 Hz检波器获得的地震波振幅谱；(b)夯击震源100 Hz检波器获得的地震波振幅谱.Fig. 2 The Spectrum of the different geophones(hammer of 70 kg) |
合理选择地震勘探的观测系统是获得良好的勘探结果的关键，在综合考虑目的层埋深和能对近地表地层进行详细分层的情况下，通过试验工作，对野外工作条件以及干扰波的情况有了清晰的了解，确定了道间距、最小和最大偏移距、覆盖次数以及仪器采集参数.为提高测量精度，使解释工作更准确，野外施工时采用接收排列在前、激发炮点在后、下倾方向激发、上倾方向接收，向前连续追踪的反射波法地震观测系统.根据勘探深度的不同要求还应用小道距，小偏移距的观测系统，具体参数见表 1.
 | 表 1 观测系统和地震数据采集参数Table 1 Parameters of spread geometry and seismic data acquisition |
该地区地形条件复杂，位于雅鲁藏布江水系，低速带的影响不可忽视，选择有代表性的地段进行低速带测定，目的是为了在数据处理中消除低速带厚度变化对测量结果的影响，提高剖面资料质量(晋志刚，2005；徐朝繁等，2005；玄长虹，2009；蓝益军，2009).低速带测定采用小折射相遇时距曲线观测系统.根据测区地表层低、降速带分布特点，选择的小折射观测系统如图 3所示，排列总长为76m.为了较好地求准低速层的速度和厚度，选择了0.5m偏移距，每端各放激发地震波，每个小折射有两个记录.通过反演计算，测线低速带速度及厚度情况见图 4.
 | 图 3 浅层小折射排列示意图Fig. 3 Shallow refraction schematic arrangement |
 | 图 4 测线小折射反演结果Fig. 4 Inversionof small refraction |
本区低速带的波速v1一般在400～700 m·s-1之 间； 低速带底面速度v2为1200～1500 m·s-1；低速层厚度1.8～4.0 m.需要指出的是本文选用小折射方法对表层低速带进行研究，以期对反射数据进行静校处理.但是在地质与地形复杂的山区，小折射的精度与可信度较低，对静校正未产生明显的效果.要消除表层的影响，还是需要在反射处理技术上进行改进.
4 地震数据处理和解释 4.1 数据处理数据资料处理采用Vista地震反射波软件系统，根据浅层地震勘探数据处理的经验，结合此次勘探的具体环境、测区地质构造特征和现场地震记录特点及室内对各种处理流程的试验，设计了以下处理流程：(1)数据解编及格式转换→(2)增益恢复→(3)叠前去噪→(4)带通滤波→(5)二维滤波→(6)静校正→(7)剩余静校正→(8)抽CMP道集→(9)建立速度模型及速度分析→(10)NMO校正及拉伸切除→(11)共反射点叠加→(12)叠后反滤波→(13)叠后偏移→(14)时深转换.
对于高频随机干扰噪声，采用10～90 Hz频带宽度的一维滤波，如图 5.
 | 图 5 频率滤波前后单炮记录Fig. 5 The comprison of shot records with b and pass |
与有效波频率重叠范围较宽的数据，并具有视速度差异的干扰波(如声波、面波或其它的低速线性干扰波)，可采用二维滤波方法来压制.图 6为F-K域滤波前后单炮记录的效果对比.可见低频、中-低速、强振幅面波得到了很好压制，对于高频、低速声波也起到了很好的压制效果.
 | 图 6 F-K域滤波前后单炮记录Fig. 6 The comprision of f F-K filtting |
本次在叠加前静校正时，对区内各测线分别进行了低速带和初至折射等各项校正.数据经过静校正处理后，不一定能完全消除表层因素的影响，另外，当动校正速度不准时，也会产生剩余静校正量.因此，在动校正处理后对数据进行剩余静校正是必要的.为了提高叠加剖面质量，本次采用5次高斯-塞德尔迭代处理方法来求取剩余静校正量.高分辨率必须以高信噪比资料为前提，通过前面的各项去噪处理后，地震资料的信噪比得到了明显改善，这为提高地震资料的分辨率处理提供了条件.经试验，本次采用预测子波反褶积和时变谱白化处理后，明显地提高了地震资料的分辨率.
速度参数在地震数据处理和解释中是非常重要的参数，动校正准确与否关键在于动校正的速度.为了合理地拾取叠加速度，浅层拾取的速度间隔应以较小为宜，同时需避开因多次反射和折射波能量团的影响，如图 7.
 | 图 7 速度谱及速度拾取示意图Fig. 7 The velocity spectrum and pickingup velocity |
解释性处理主要包括地震资料的偏移处理、时间剖面的时-深转换处理等基本内容.当地下界面倾斜或地下界面起伏较大时，都需要进行偏移归位处理；反射时间剖面上的反射波组反映的是地下地层介质物性差异，为了得到能用于地质分析和解释的结果，还需要把时间剖面转换成深度剖面；为了增加资料解释的可靠性，需要尽可能地利用地震资料各种信息进行综合分析.为此，瞬时相位、瞬时振幅和瞬时频率的转换计算也是十分必要的.
由于本地区地形条件复杂，地质构造发育，成因类型比较复杂，垂向和横向物性差异都很明显，在地震波传播过程中，地层凹陷会产生回转波，背斜会产生发散波，断层棱角点会产生绕射波，这些波严重地影响了地震记录的横向分辨率，为了将各个地震元素归位到产生波形的反射层或绕射点相应位置，必需对叠加时间剖面进行偏移归位处理，将水平叠加时间剖面上的同相轴从最初不正确的共中心点位置校正到正确位置，分解干扰波，收敛绕射波，改善时间剖面的横向分辨率.本文使用有限差分偏移，有限差分偏移方法是求解波动方程的一种近似数值解法，其原理是差分近似微分.在计算时，首先确定空间和时间差分间隔，空间差分间隔选为道距的一半，时间差分间隔选为采样间隔(0.25 ms).偏移速度：200 ms时为97%的NMO速度.
地震波速度值是确定产生反射波的地层埋深度、倾角好地层的空间位置等的重要参数.进行时深转换最重要的是求取时深转换速度，地震波测井是求取时深转换速度的最佳方法.另外由于速度与正常时差存在一定的关系，因此，也可用地面反射地震资料求取速度.尽管该方法求得的速度精度不如地震波测井，在本区缺乏测井资料的情况下采用该方法求取地震波速度仍不失为一种有效手段.
通过反射波资料处理时获得的叠加速度(也称NMO速度)资料和时间剖面上不同界面反射波的双程垂直到时，由迪克斯(DIX)公式求不同地层反射界面，通过速度转换公式，可以得到地下各层的平均速度参数.
4.2 改变观测系统对地震勘探结果的影响为获得中浅部反射波信息，采用道间距3 m、最小偏移距9 m，采用6次覆盖，向前连续追踪的反射波法地震观测系统，采集参数为：0.25 ms采样率、记录长度0.8 s，仪器低截频率15 Hz，高截频率为250 Hz，60 Hz拾振器接收.
为进一步获得浅部反射波信息，对典型测线所确定的断点地段进行了超浅层地震勘探，采用道间距1 m、最小偏移距2 m，9次覆盖，向前连续追踪的反射波法地震观测系统，采集参数为0.25 ms采样率、记录长度0.6 s，100 Hz拾振器接收.
从测线中浅部地震剖面可见(图 8a)，丰富的反射波组出现在100～150 ms之间，反射能量强，反射波振幅均衡，震相特征明显.剖面显示断层特征明显，反射波同相轴出现了错断，断层的上断点埋深为90 ms左右.
 | 图 8 改变观测系统前后剖面的对比
(a)3 m道间距获得的中浅部地震剖面;(b)1 m道间距获得的浅部地震剖面.Fig. 8 The comprision of different spread geometries |
由测线浅部地震剖面可见(图 8b)，在10～ 100 ms之间呈现丰富的反射波组，尤其是在20～60 ms之间反射波组最清晰，反射能量强，反射波振幅均衡，震相特征明显.剖面显示断层特征明显，反射波同相轴产状发生变化、不连续，出现空白，断层的上断点埋深为40 ms左右，断层的上断点埋深位置更加准确.
通过以上对比可见，采用3 m道距、6次覆盖的观测系统能够获得中部丰富的反射波信息，但其浅部反射波信息有所损失.缩小道间距，采用1 m道距、9次覆盖的观测系统，以及采用高频拾振器接收，能够获得浅部丰富的反射波信息，但其中部反射波信息损失严重.由此，为准确确定断层的位置、性质，尤其是断层的活动特征，应采用不同的道间距、排列长度、覆盖次数，以便获取中部和浅部的反射波信息，进行对比分析，确定断层的特征.
4.3 典型剖面的地质解释图 9是Rkz01测线经过数据处理后的地震反 射时间剖面，地质解释剖面，图中方向左为南，右为北.在图 9地震反射时间剖面中，丰富的地层界面反射波组出现在剖面300 ms以上的时间范围内，存在1组起伏变化的反射波组，由2～3个强相位组成，在剖面图上解释了3个地层反射界面，标识为TQ1、TQ2、TN.
 | 图 9 典型浅层地震勘探反射时间剖面(a)和地质解释(b)Fig. 9 Shallow seismic reflection time section and geological interpretation |
根据反射波界面TN的起伏变化判断，为基岩顶界反射波界面(即第四系底界)，双程反射时间在0～220 ms范围内，TN反射波同相轴在整个剖面中比较清楚，反射界面呈现起伏变化，时深转换后TN埋深在0～170 m之间.
从剖面中反射波同相轴的横向连续性来看，TN在剖面中的2250～2550 m(CDP1501～1701)之间呈现不连续，现场考察可见上述区段基岩已出露地表，根据剖面上反射波同相轴的横向变化特征和上下反射波组关系，在该测线剖面上解释了2个断点，标识为F1-1、F1-2(图 9a).
断层F1-1位于剖面桩号1680～1725 m(CDP1121～1151)之间，TQ2及其以下的界面反射波同相轴出现了分叉、间断，断层为倾向南西、倾角约75°的逆断层，断层错断TN反射界面的断距约为20 m，断裂破 碎带宽约27 m，断层上断点埋深为80 m左右，断层 未错动第四系覆盖层中的反射波界面TQ1(深度60 m).
断层F1-2位于剖面桩号2799 m(CDP1867)左右，TQ2及其以下的界面反射波同相轴出现了明显的间断、产状突然变化，断层F1-2两侧的反射波产状、数量明显存在差异，断层北侧反射波平缓，埋藏较深，显示出第四系覆盖层明显增厚.断层F1-2为倾向南西、高倾角的逆断层，断层错断TN反射界面的断距约为50 m，断层F1-2的上断点埋深为88 m左右，断层未错动第四系覆盖层中的反射波界面TQ1(深度80 m).根据测区地质资料，判断该断层为拉堆—乃东断裂.
5 地球物理勘探成果
综合对地震勘勘探线剖面的分析解释结果，此次浅层地震勘探的主要勘探成果有：
1)主要反射界面特征
从浅层地震勘探获得的反射剖面来看，基岩反射顶界面(即第四系底界)反射波组TN在测区内普遍存在，多数测线TN反射能量强，震相特征明显，反射界面呈现起伏变化，为测区可连续追踪标定的反射界面.TN双程反射时间0～220 ms，埋深0～170 m.第四系内部主要有两个反射界面，自上而下分别标识为TQ1、TQ2，反射能量较强，振幅均衡，震相特征明显.
2)主要断点特征
由地震反射剖面来看，都存在有多组反射特征明显的地层界面反射，为判定反射波同相轴的变化，确定断层的存在提供了基础.根据各条测线的反射剖面特征和断层解释依据，共解释了8个断点，断点参数见表 2，断点可靠程度分为：可靠、较可靠、一般，由表 2可见：
a)Rkz01测线、Rkz02测线、Rkz02X测线、Rkz03测线所确定的拉堆—乃东断裂(F3)各个断点倾向、断层性质相一致，断层的上断点有所差别，断层上断点埋深为33～88 m.
b)Rkz04测线、Rkz04X测线所确定的抓各落断裂(F4)的倾向、断层性质与地质资料一致，断层上断点埋深为60 m.
c)Rkz05测线、Rkz06测线、Rkz06X测线所确定的毕定—甲舍拉断裂(F5)各个断点倾向、断层性质相一致，断层的上断点有所差别，断层上断点埋深为27～90 m.
d)Rkz07测线、Rkz07X测线所确定的甲冈—谢通门断裂(F7)的倾向、断层性质与地质资料相一致，断层上断点埋深为28 m. 6 结论与讨论
通过此次探测发现，日喀则地区雅鲁藏布江缝合带地形条件复杂，地层起伏变化大，横向和垂向不均匀性均表现明显，同时存在低速层.研究发现，在本地区开展勘探工作人工夯源可满足活断层探测的需要，可采用震源单点多次叠加方法，能有效增加激发能量.在数据处理中，使用浅层增强处理技术和随机噪声衰减技术，提高浅层地震记录的信噪比，采用F-K滤波，消除地震记录中的低频、低速干扰波，提高地震记录的信噪比；使用反褶积和偏移技术提高地震记录的纵、横向分辨率，小折射调查可降低低速带的影响，但是在地质与地形复杂的山区，小折射的精度与可信度较低，对静校正未产生明显的效果.要消除表层的影响，还是需要在反射处理技术上进行改进.采用小道间距、小偏移距、短排列接收的观测 系统，同时在地形复杂的地区应根据不同探测深度 适当改变观测系统，获得更加准确的地震反射信息.此次探测的方法可为本地区开展类似工作提供借鉴和参考，探测成果可作为本地区后续研究的基础资料.
| 表 2 主要断点参数一览表Table 2 Parameters of the main breakpoints of faults |
致谢 感谢天津市地震局张文朋在制图方面的帮助！在论文的撰写过程中先后与李大虎博士进行了多次有益的交流和探讨，审稿专家对本文提出了宝贵的修改意见，作者在此一并表示衷心的感谢.
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