淺層地震勘探在城市活斷層探測中的應用

發布時間：2019-10-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要: 城市地震嚴重威脅著人們的生命財產安全，進入 21 世紀以來，世界各國開始重視對城市活斷層危險性的評價工作，相繼開展了一系列的地球物理勘探工作。其中，淺層人工地震勘探工作的探測效果最好，在城市地震危險性評價中發揮著重要的作用。鑒于城市背景

　　摘要: 城市地震嚴重威脅著人們的生命財產安全，進入 21 世紀以來，世界各國開始重視對城市活斷層危險性的評價工作，相繼開展了一系列的地球物理勘探工作。其中，淺層人工地震勘探工作的探測效果最好，在城市地震危險性評價中發揮著重要的作用。鑒于城市背景環境干擾大的特點，為了準確識別活斷層，就需要通過提高分辨率、提高信噪比、改進資料采集和處理手段等方法來解決。根據多個地區的實踐經驗可以得出，縮短道間距、選用合理的采集和處理方法都能提高地震反射的分辨率，從而識別出淺層活動斷層。

　　關鍵詞: 活斷層; 地震勘探; 危險性評價; 防震減災

　　0 引言

　　大地震對城市的危害和破壞特別嚴重，屬于我國乃至世界上對城市破壞性最大的自然災害。例如: 1976 年的唐山大地震死亡人數 24 萬多人，1994 年美國洛杉磯發生的北嶺地震造成了高達 350 億美元的損失，1999 年土耳其伊茲米特地震死亡 18 000 多人，直接的警示損失高達 200 億美元。2017 年 1 月 5 日，國務院副總理、國家抗震救災指揮部指揮長汪洋同志主持召開國務院防震減災工作聯席會議，指出要清醒地認識我國目前地震多發的基本國情，加強震情監視跟蹤和分析研判，做好應急預案和各項應急準備工作，最大限度地減輕地震災害損失。

　　地震活斷層是指距今 12 萬年以來曾經活動過、現在仍然在活動，而且在未來依然可能活動，并且有發生中強以上地震活動能力的地質斷層，包括出露地表、被松散沉積物所覆蓋或被水體覆蓋的各種斷層[1-6]。城市活斷層是指位于市區的地下或城市周邊郊區等地下，當地震發生時對城市構成威脅并且造成破壞的活斷層。

　　1 我國面臨的形勢

　　由于過去對活斷層的危害認識不足，以及各種原因的限制，尚不能對城市活斷層的展布位置及其地震危險性評價做到充分的了解。進入 21 世紀，隨著我國經濟的騰飛以及國家戰略規劃的實施，人口和財富大量向城市聚集，很多新區建設被提到了日程，活動斷層探測和地震危險性評價在此時就顯得特別重要。目前地震專家在全球范圍內進行了地震現場調查，發現一個重要的現象: 在地震發生時，沿著地質斷層帶分布的建筑物幾乎都會遭受毀滅性的破壞，但是在偏離斷層幾十米以外的建筑物卻幾乎不受影響。因此，通過開展城市活斷層探測和地震危險性評價，可以幫助城市建設和重大工程選址，避開活動斷層帶，減少人們的生命和財產損失，更好地服務于城市防震減災[2，7-11]。

　　習近平指出，人類對自然規律的認知沒有止境，防災減災、抗災救災是人類生存發展的永恒課題。科學認識致災規律，有效減輕災害風險，實現人與自然和諧共處，需要國際社會共同努力。中國將堅持以人民為中心的發展理念，堅持以防為主、防災抗災救災相結合，全面提升綜合防災能力，為人民生命財產安全提供堅實保障。

　　2 應用技術方法

　　近年來，我國進行了較多城市的活斷層地震探測工作，特別是“十五”以來，我國已有 20 多個省會城市全面啟動相關探測工作，深入系統地開展了活斷層探測與研究，取得了一定的工作經驗和實踐方法，掌握了不同地震勘探方法的適用范圍、成果解釋等方法與技術。由于探測的城市一般均被第四系地層覆蓋，且探測的目標斷層絕大多數為隱伏斷層，因此地球物理勘探在城市活斷層探測工作中起到決定性作用。城市活斷層探測工作的主要特點: 活動斷層探測的主要目的層是第四系地層，不僅要求查明斷層是否存在，還要查明斷層有無斷至第四系內部及其層位，即斷層上斷點的確切位置[3]。這就決定了其主要的探測方法有地震勘探、電磁勘探、探地雷達勘探和重力勘探。其中地震勘探效果最好，相對于其他方法使用地震勘探的方法較普遍，探測深度范圍更大，分辨率和精度都比較高，在城市活斷層探測中，無論在初勘階段還是在詳勘階段，都是最主要的地球物理勘探手段。

　　3 基本原理

　　地震勘探方法是利用人工激發的可以在地球介質中傳播的運動學和動力學特點的地震波探測地下具有物性差異目標物的物探方法。根據探測過程中所利用的地震波的性質和傳播方式，可分為反射波法、折射波法和表面波法[4，12-16]，其中最常用的是反射波法。反射波地震探測研究地殼精細結構、活動斷裂的地下空間展布狀態以及深淺構造間的關系，在橫向上具有較好的分辨能力，是目前一種有效的地球物理探測方法，在城市活斷層探測中應用廣泛[5，17-21]。地震勘探反射波法中主要有縱波勘探和橫波勘探，由于橫波勘探的分辨率比縱波勘探要高，它可以對近地表地層進行詳細的地層劃分，確定上斷點埋深，對于近地表的斷層常采用橫波勘探。在勘探結果上，橫波剖面與縱波剖面在斷層的外在形式上具有很強的相對一致性以及波形相似性，而只是在深度和水平位置上有一定的差異性。

　　在具體施工過程中，一般根據探測深度的不同目的，合理選擇不同的勘探方法和最佳組合方式，可以采用橫波與縱波結合的方法，通過綜合技術解釋的斷層和單純采用橫波或縱波探測更加可靠[6]，能達到最好的勘探效果。以某區縱波勘探為例，在不同道間距淺層地震勘探記錄上( 圖 1) ，地下不同深度的地層界面反射比較清楚，不同道間距所表現出的分辨率也有不同。在 200 ms 以淺的部分，道間距 10 m 幾乎看不到很好的界面反射波; 道間距 5 m 可以看到 T3-T4 較清晰; 道間距 1 m 時可以分辨出 T2- T4 的反射界面。

　　4 提高分辨率的技術手段

　　城市活斷層探測由于城區施工條件較差，各種工業和生活干擾噪聲較多( 圖 2) ，對震源的要求也較高。因此城市活斷層勘探對震源的要求有: ①需要對城市環境無破壞、無污染，例如在城區爆炸震源將不能使用; ②城市活斷層探測需要探測的斷距很小，因此震源要有比常規的地震震源更寬的頻帶范圍; ③在以上較寬頻帶范圍的基礎上，振幅譜應該向高頻的方向增強; ④城市活斷層探測過程中有較強干擾背景，因此要求震源性能保持穩定且可重復性好[1]。

　　因此，目前用于城市活斷層勘探的震源主要是可控震源、真空加速落錘、夯機震源、錘擊震源、震源槍、電火花震源和炸藥震源( 適用于郊區) 。

　　目前城市活斷層勘探主要以淺層地震勘探為主，在數據采集階段主要采用具有線性或非線性具有變頻掃描功能的可控震源以及與其相匹配的地震接收儀器。為提高勘探精度，一般采用小道距、小偏移距、多接收道、短排列和高頻檢波器接收的工作方法。在數據處理解釋階段，要加強折射靜校正技術、子波壓縮技術、子波零相位化技術、噪聲壓制技術、疊前偏移技術和高精度速度分析技術等的應用。

　　人工地震勘探中的分辨率與探測深度和工區的地震地質條件相關，探測深度越淺或地震地質條件適合獲取高主頻、頻帶寬的反射波，則分辨率高，相反，則分辨率低; 其次還與數據采集的方法和資料處理的程序有關，選用合理的采集和處理方法能提高地震反射的分辨率( 圖 3) 。目前最本質的問題是提高地震記錄的分辨率，因為理論上地震勘探的分辨率可以高達地震波波長的 1 /4 甚至是 1 /8，在淺層地震勘探中斷層落差在 1 /4 以上時都可以識別。總之，為提高地震勘探的分辨率，要從采集使用的儀器、激發條件、采集質量、接收方法、資料處理和地震方法的選擇等方面加以改進。

　　研究第四系覆蓋區內物性差異和落差較小的活斷層時，為了提高地震資料的信噪比和地層分辨率，還需要采用的數據處理技術: 復雜表層的速度計算，靜校正計算，隨機噪聲減弱和去噪濾波處理等。利用初至波有限差分走時層析成像技術，進行初至走時反演，當表層速度不均時，實現復雜淺地表結構的高精度、高效率的計算[7-8]。

　　在取得上述結果的基礎上，充分收集和分析鉆孔資料后，賦予地震勘探成果其地質含義。因為地震探測的異常具有多解性，地震剖面識別的斷層異常具體位置需要進一步通過鉆孔探測的結果來驗證。在人工地震勘探中所需要的解釋參數———速度資料，也可以通過鉆孔中的速度測井獲得。在這個識別斷層與鉆孔檢驗的過程中不斷總結經驗，提高斷層識別的精確度。

　　期刊推薦：《地震工程與工程振動》(雙月刊)1981年創刊，是學術性刊物，主要反映我國在地震工程與工程振動方面的科研成果，促進學術交流，為我國防震減災事業服務。有投稿需求的作者，可以直接與在線編輯聯系。

　　5 結語

　　城市活斷層勘探是一項利國利民的民生基礎工程，是保證人民生命財產安全、促進社會和諧穩定、保持國民經濟健康快速發展的重要工程。要從各個環節高質量、嚴要求地完成這項工作任務。在城區開展活斷層探測服務，如何處理地震資料的信噪比和分辨率的問題，第四紀沉積物結構松散、膠結性較差的活斷層受力后變形較小如何進行準確識別等，仍是下一步需要繼續解決的問題。