2016, Vol. 31
2. 河北省地震局, 石家庄 050021
3. 四川省地震局, 成都 610041
2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China
3. Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041, China
张家口市位于首都圈地震重点监视防御区内,为张家口—渤海地震构造带与山西地震构造带的交汇区(赵博等,2011),市区遭受的最大影响烈度达Ⅶ度,属6.5级潜在震源区,基本烈度为Ⅶ度,但未专门开展过活断层探测,断层结构和准确位置不很清楚,活动性有待进一步鉴定.张家口断裂是华北地区著名的张家口-渤海地震构造带西部的一条断裂,是山西断陷带与燕山断块的构造分界之一(河北省地质矿产局,1993；高占武等,2001),控制了张家口-宣化盆地的北部边界,所在盆地构造复杂,受到北西西向张家口-渤海构造带和北北东向山西断陷带的复合作用(赖晓玲等,2004).张家口断裂由是北西西向和近东西向两组、多段断层组成,北西西向断层为断裂主体,单条长度较大；近东西向断层构成重要的连接段,具有更明显的倾滑活动.野外调查表明其是基本上出露于地表的裸露断层(尤惠川等,2008).尽管张家口断裂所处的构造位置很重要,但却长期被忽视,对断层最新活动性的研究非常薄弱,很多细节不清楚(尤惠川等,2008).特别是张家口断裂所处山间盆地,对于此类构造断陷盆地而言,一般地势低洼并常堆积有厚度不等的松散覆盖层,且地表地形陡峭,地下地质条件非常复杂,地层倾角陡,新老地层倒置,使得地球物理探测作业条件更为困难(张凤琴等,2002),低降速带厚度变化大,激发岩性在横向上、纵向上变化也较大.传统的单一的活动断层地球物理勘探方法在山间盆地等复杂的区地往往会受到种种限制,选择何种探测方法以及如何实施才能取得较好的探测效果,满足探测的要求成为迫切解决的问题.综合浅层地震勘探、电成像和钻孔等方法,能通过互相验证达到综合探测的目的.
近年来,针对不同的场地条件而采用不同的地球物理探测方法,通过在一些区域的探测成果对研究断层的定位、展布范围以及上断点埋深等方面均取得了令人满意的效果(方盛明等,2002；邓起东等,2003；刘保金等,2008；李大虎等, 2010,杨歧焱等,2015),本文根据作者等人在城市活断层探测与地震危险性评价中,以探测张家口清水河西测线为例,应用电成像、小折射和浅层地震反射波法等地球物理方法结合钻孔资料,查明张家口断裂的不连续段的准确位置和断层结构,为进一步研究山间盆地断裂活动性,以及细化对该区域地震构造环境、强震发生的构造条件及地震危险性评价提供地球物理字资料和依据.
1 区域概况张家口市及附近地区大地构造上属于华北地台,张家口市城区及附近新构造上属于张家口-宣化盆地,构造走向北西-北西西,第四纪早期开始形成,第四纪中、晚期持续断陷,堆积厚达240 m的第四系,其中,晚更新世以来的堆积厚度最大可达86 m.区域内发育一系列北东-北北东向、北西向和近东西向断裂(周江林,2011)；测区(如图 1)位于河北省第四系地层分区的冀西北低山盆地区,本区多为中、新代形成的断陷盆地,第四系地层厚度在200~500 m 以上,为冲积-湖积及洪积-冲积作用为主而形成,其下更新统地层厚度较大,可达数百米.根据张家口山间盆地第四系地层厚度分布资料,测区第四系地层厚度小于100 m.测区第四系地层为冲积-湖积及洪积-冲积作用的堆积物,与下伏上新统棕红色砂砾层,具有较好的波阻抗界面.在对区域地球物理特征研究之后,开展了电阻率成像,小折射调查低速层,浅层地震勘探及钻孔、地质剖面验证工作.
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图 1 地球物理勘探测线、钻孔位置示意图 Figure 1 The locations of geophysical prospecting,drilling hole |
电阻率成像(Resistivity Imaging)简称电成像,也称电阻率层析成像技术(Resistivity Tomography),国内俗称高密度电法或多道直流电法,是国际上近十余年发展起来的一种新型电法勘探技术(Shima,1995；傅锡天和冯启宁,1998；陈峰等,2003).利用地下介质电性结构差异,探测地层或岩体的埋深.真电阻率值与地层的岩性、裂隙密集、孔隙液体的性质与分布有着密切关系,电成像技术在识别断层、破碎带、油气层及其污染等方面非常有效(廖椿庭等,2003；周启友等,2009).
电成像可以得到地下二维电阻率分布图像,与电(阻率)剖面法、电(阻率)测深法一起,成为目前最常用的三种基本电测手段之一.本次工作电阻率成像法使用WGMD-3(60道)高密度电阻率测量系统,对装置的类型、极距大小、采集参数等进行了试验,根据试验结果选择α(温纳四极)工作方式,电极距5 m,控制深度数据16层(探测深度约45 m),一次布设60个电极,一个排列完成后,向前滚动12个电极,再重复以上测量,直到整个剖面测量完毕,对资料进行处理和二维反演计算,最后,根据ρs值绘制等值线拟断面图(色阶图如图 2).
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图 2 正演视电阻率拟断面(a)和反演模型电阻率断面(b) Figure 2 Resistivity forward(a)and Inversion(b)isoline sectional drawing |
在二维电阻率正演剖面上(图 2a)上,在560 m至960 m一带(红色方框内),电阻率明显变低.在二维电阻率反演剖面(图 2b)上,电阻率结构比较复杂,横向变化明显,但仍然可以看出：表层部分为中阻层(黄色、浅黄色),原因是由地面引起的；往下为中低阻层,是第四纪松散堆积或断裂破碎带的反映；下部为电阻率高阻层(红色),推测是基岩.基于上述分析,在剖面910 m处,两侧电性结构有本质的区别,北侧可见高阻的基岩及低阻的破碎带(480 m至910 m,充填第四系或富含水),南侧电阻率中等,可能为第四纪粗颗粒堆积物,未见高阻的基岩.480 m处是另一个电阻率变化界线,推测为断裂破碎带的北边界,高角度北倾.
由于探测条件的复杂性和地球物理反演的多解性,采用单一的地球物理勘探方法并不能准确地判断断裂的位置、产状等信息,电成像方法由于其自身的局限性,未能准确探测断裂的产状,在其基础上,进行了小折射调查低速层、浅层地震反射探测等工作来进一步确定断层的位置、产状等信息.
3 浅层地震勘探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,探测地层或岩体的埋深及其速度结构,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,与其他方法相比,它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；杨歧焱等,2015).研究还发现,地震记录中的初至折射走时资料同样携带了界面构造特征,且具有震相明确、识别可靠等显著优点,可以在一定程度上弥补反射波资料的缺失(李大虎等,2010).因此,在此次活动断层探测中采用反射波法联合小折射波法地震勘探.
3.1 小折射调查低速层在表层风化带速度横向变化较大的地区,做好静校正是取得高质量叠加剖面的重要一步,而确定表层低降速带速度是做好层析静校正的关键(晋志刚等,2005；玄长虹等,2009；蓝益军,2009).结合小折射等野外调查资料,通过射线追踪方法反演表层低速带速度模型并求得静校正量,可明显改善复杂近地表地区叠加剖面的质量.
低速带测定,目的是为了在地震勘探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.根据测区地表层低、降速带分布特点,低速带测定采用小折射相遇时距曲线观测系统.为了较好地求准低速层的速度和厚度,选择了0.5 m偏移距,两端各激发地震波.图 3为测线处的小折射组合原始记录,数据处理后,得到的测线低速带速度及厚度情况见图 4.由图可知,在表层折射波速小于800 m/s,在埋深2~5 m处折射波波速小于1400 m/s.小折射方法反演结果可为浅层或超浅层地震勘探数据处理中低速层以及静校正提供参考.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(杨歧焱等,2015).
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图 3 小折射组合原始记录 Figure 3 Shallow refraction data |
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图 4 测线低速带速度及厚度 Figure 4 LVZ velocity and thickness |
地震勘探的水平分辨率、垂向分辨率都与地震波速度、频率和频带宽度有关,因此要提高地震勘探成果的分辨率,必须在野外采集、室内处理过程中通过提高反射波的主频和拓宽其频带宽度来实现(何正勤等,2010).在野外采集中,首先要确保震源能激发出高频、高能量和宽频带的地震波.同时选择合适的观测系统也是一个十分重要的环节.
通过获得的电成像资料可以看出,在此次调查的山间盆地等复杂地区,地表结构复杂,物性横向变化大；针对这些特点,在低速层资料的基础上,野外施工采用接收排列在前、激发炮点在后、下倾方向激发、上倾方向接收,单边放炮,60道接收,向前连续追踪的反射波法地震观测系统.其采集参数参见表 1.
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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 |
通过图 5a可以发现由于断层发育,残丘分布广,产生的绕射和散射等次生干扰严重,同时面波发育.地震记录Chan20之前部分信号频率范围与有效波接近,不易滤波,造成剖面的信噪比较低；整个剖面深层反射能量弱.在该地区采用较小道间距和较小偏移距以及较弱震源,可以获取浅层有效反射波,且垂向分层行好.由于采用小排列接收,道间距越小反射波能量衰减也越慢,因此,受震源干扰波影响也变的越小.
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图 5 浅层地震勘探共炮点地震记录(a)和速度分析(b) Figure 5 Shallow seismic common-shot data(a)and Velocity analysis(b) |
此次数据资料处理采用Vista地震反射波软件系统.在数据处理过程中,根据获得的原始记录作者选取记录信噪比高的反射波,最大限度的提高地震资料的分辨率.其数据处理流程和方法主要包括：道编辑、静校正、真振幅回复、地表一致性振幅处理、地表一致性反褶积、二维随机噪声衰减、FK滤波、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加、叠后频率带通滤波和叠后剖面去噪等.经过数据处理,获得的速度分析结果显示,扫描速度在1500~2000 m/s之间(图 5b).
地震叠加剖面如图 6所示.在图 6a中可以看到2组明显的反射波组t1和tg,在CDP90左右,t1和tg反射波同相轴出现产状突然变化,出现明显错断,在图 6b中解释断层为F,断层上端点约为50 m,断距约为10~15 m.在CDP111附近tg下部也有明显错断,推断为断层F次级断层,解释为F1.同时在图 6a中时间剖面150 ms以下部分以看出,反射波组凌乱并成倾斜状,推测为基岩；在断层F和F1两侧反射波组产状也有明显变化,断层位置与电成像法推断的断层位置吻合,根据测区地质资料,推断该断层为张家口断裂.
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图 6 张家口断裂断点F、F1的时间剖面(a)和深度剖面(b) Figure 6 The stacked seismic time section(a)and the depth section(b)showing the interpretation of Fault F and F1 |
由于在山间盆地等复杂地区,表层结构复杂,地层破碎,激发和接受条件横向变化大,地震反射波同相轴在连续性表现较差；因此在剖面6a中50 ms左右超浅层部分反射信号弱,有效反射不清楚.对于反射波组t1和tg是否为同一反射界面,或者在50 ms内是否还存在反射界面等问题存在疑问,需要进一步求证.
事实上,为了揭示波场特征与地层关系,我们在断层附近布设了钻孔(ZK),钻孔深度61.0 m.钻探结果表明,上部(7 m)土层为粉土及素填土,以下地层以细砾和碎石土为主,粒径大者2~20 mm；深度57.4 m以下为磨圆的卵石层,粒径20~200 mm.结合区域地质资料分析,底部地层可能为中-下更新统.
4 综合地质-地球物理勘探结果在距离清水河西测线不远处,西太平山隧道口西侧,西太平山南缘张家口断裂地质剖面揭示出复杂和完整的张家口断裂结构(图 7)(周月玲和尤惠川,2010)：北侧是发育于侏罗纪地层内部较早活动的逆断层,被晚第四纪堆积物覆盖；南侧为近垂直断层,走向310°,北盘上升,南盘下降,构成张家口断裂的地貌变异带；中间还有一条被北西走向的高角度断层,明显错断了晚更新世—全新世松散堆积物,断面上发育10 cm厚的白色断层泥,并有片理化现象(图 8).
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图 7 西太平山南缘张家口断裂地质剖面(周月玲和尤惠川,2010) ①红色砂岩；②次生黄土；③黄色松散碎石土；④坡积物. Figure 7 Geological section at XiTaiping Mountain |
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图 8 西太平山南缘张家口断裂伴生断层(镜向东) Figure 8 Growth fault at XiTaiping Mountain(East) |
通过地面地质调查并结合电成像法和浅层地震勘探得到结论如下：张家口断裂呈北西西向展布,主要为逆断层,由西段、中段和东段等三段组成,各段多由北西向和近东西向两组多条次级断层组成；是张家口及附近一条重要的地质地貌分界线,控制着第四纪构造演化和地貌发育：北侧抬升为低山丘陵,南侧下降构成盆地平原或山间洼地；张家口断裂位于覆盖层发育的沟口不连续段上的、可分辨的上断点埋深在60 m 以上(事实上更多地段出露地表),断距约为10~15 m.
5 结论与讨论 5.1本文以电阻率成像法、小折射调查低速层方法和浅层地震反射法等综合地球物理方法,结合钻孔资料和地质剖面,探讨了在山间盆地等复杂地区的断裂的探测方法,并以探测张家口断裂为例,对张家口断裂的不连续段的准确位置和断层结构进行了研究,确定了断层的准确位置和产状等,研究结果表明张家口断裂呈北西西向展布,以逆断层为主,是张家口及附近一条重要的地质地貌分界线,控制着第四纪构造演化和地貌发育.
5.2小折射方法调查山间盆地低速层,建立测线的表层结构模型,为研究表层调查的方法和静校正方法提供依据,为地震勘探数据处理提供参考,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,要消除表层的影响,还是需要在反射处理技术上进行改进,这需要在实际工作中引起重视.
5.3实践表明,在山间盆地等复杂地区,覆盖层分布不均,采用综合地球物理勘探方法,结合钻孔和地质剖面等验证,可有效探测复杂情况下的断裂.
5.4在此次研究中还发现,在山间盆地等复杂地区,表层结构复杂,静校正问题较严重,地层破碎,激发和接受条件横向变化大,地震反射波同相轴在连续性表现较差；残丘广泛分布,断层发育,绕射波和散射波等次生干扰波发育,频率范围与有效地震反射波接近,滤波困难,剖面信噪比低.同时山间盆地条件下面波发育的问题还有待研究.
致谢 感谢中国地震局地球物理研究所尤惠川研究员与作者就一些问题所作的有益讨论和帮助！| [] | Chen F, An J Z, Liao C T .2003. Directional characteristic of resistivity changes in rock of original resistivity anisotropy[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 46 (2) : 271–280. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2003.02.023 |
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