地球物理方法在城市活断层探测中的应用综述

地球物理方法在城市活断层探测中的应用综述1引言据统计, 上世纪死于地震的人数为160 万人以上, 而后50 年地震造成的经济损失约2000 亿美元.本世纪以来, 发生在我国的两次强地震对我国的国民经济造成了极大的损失.频频发生的地震等自然灾害, 向人类提出了如何防震抗灾的重要问题.世界范围内大量的震例考察表明,历史上或现今地表破裂型地震主要沿先存活动断层发生.可见,为了评价一个城市及其周边地区的地震危险性,查明活动断层的位置、性质、深浅构造关系、深部构造环境是非常重要的基础性工作.近几年来,在我国开展的城市活断层探测与地震危险性评价过程中,由于所探测的城市,一般均被第四系地层覆盖,探测的目标断层绝大多数为隐伏断层,因此地球物理探测成为活断层探测中必不可少的重要手段.由于我国进行城市活断层探测的二十个重点城市遍及全国,第四系覆盖层的厚度相差悬殊,地表地质条件复杂多变,加之城市建筑物密集,城市交通等干扰因素,决定了应用物探手段的高难度和复杂性,正是在这种复杂条件下,探测工作取得了好的结果.实践证明,它在进行断层空间定位及活动性评价和深部构造环境探测与研究中发挥了极其重要的作用.并且随着探测的进展,也积累了其在城市活断层探测中的经验与教训,促进了地球物理探测学科的发展.近十年来, 地球物理工作者对城市活断层的研究做了许多实验工作. 如在日本Suzuki K 等学者( 2000) 利用高密度电阻率法和可控源音频电磁法研究了北岛活断层的形态和产状; Chow J 等( 2001) 利用地质雷达研究活断层的上断点; Unsworth M 等( 1999) 利用井间层析成像技术( 因不受城市中强电磁干扰) , 目标体的分辨率垂直深度为0. 5m, 水平方向为1~ 2m, 探测深度可达800 m 对活断层进行高精度定位; Abbott R E 等( 2000) 利用长期的重力场测量资料, 通过重力反演对孕震体密度场变化、断层对地震与迁移的作用和流体对活断层的作用等进行深入研究; 吴子泉等( 2005) 在潍坊市利用地震和电法对活断层的空间位置精确定位; 马翔等( 1996) 认为: 不再活动的老构造断裂带天然放射性没有增强的反映, 而近期有活动的新构造断裂带天然放射性有明显的增强反映. 这些实验工作的不断深入进行, 有效地推动了活断层研究的开展.2 地震活断层探测的地球物理方法类型及主要特点目前在城市活断层空间定位及活动性评价中,采用的地球物理探测手段主要有：高精度重力测量（试验性）、多道直流电法勘探、探地雷达探测和浅层人工地震勘探等,其中浅层人工地震勘探包括反射波法勘探和折射波法勘探,反射波法勘探中包括纵波反射勘探和横波反射勘探.上述不同的勘探手段,据其原理有各自不同的物理条件,不同的探测设备、不同的探测方法、不同的特点与应用条件.开展城市活断层探测的主要特点是：第四系地层是探测的主要目的层,不仅要求查明有无断层存在,还要查明是否断至第四系内部及其层位即断层上端点的确切位置.一般来说, 城市开展活断层探测大体经历了区域探测与初步鉴定阶段、深部孕震构造探测、断层的详细探测与精确定位等3 个阶段, 每类地球物理方法按其工作特点和所要解决的问题的不同, 在活断层探测的不同阶段有不同的应用.2.1活断层区域探测与初步鉴定地震活断层区域地球物理探测, 一般采用浅层地震、浅层电磁、微重力测量等方法.美国NZ24 型仪器, 市区内各种强干扰以及地表介质的不均匀, 给地震波的激发、检波器安置和观测系统等环节均带来许多不利. 由于浅层地震要求较高的主频和较宽的频带, 试验对比了大锤、落锤和可控震源的效果和特性; 在对不同频率检波器对比观测中, 选出不同地面条件下适合的最佳检波器; 对不同道间距、不同偏移距和不同覆盖次数的试验中, 选出最为时宜的观测系统. 研究第四系覆盖层内物性差异和落差较小的活断层, 需提高地震资料的信噪比和分辨率. 采用的数据处理有: 复杂表层的速度估算、静校正问题、随机噪声衰减和去噪滤波等. 利用初至波有限差分走时层析成像, 进行初至走时反演, 在表层速度不均时, 实现复杂浅地表结构的高精度、高效率计算区域控制性.探测就其目的而言, 一是对已知断层的探测定位, 二是寻找未知的隐伏断层.对于前者, 首先应根据航卫片判译和区域地质调查结果, 在城区及外围地区布设若干条跨已知断层的控制性浅层地震和电磁探测剖面或微重力测量剖面.剖面长度以能控制住断层的规模而定, 探测深度不小于第四纪覆盖层厚度, 由于是控制性探测, 剖面间距一般控制在5~ 10km.对于寻找未知的隐伏断层, 应在不同方向, 布设相对长一些的控制性探测剖面, 以不至于漏掉断层为宜.对于浅层地震而言, 测点距可略大一些, 应依第四纪覆盖层厚度进行试验, 以能分辨出地层层位和断层位置来确定; 微重力测量剖面测量法多适用于探测已知活断层的大体部位, 布设剖面应通过主要构造单元和活断层带, 且应垂直于断层布设; 测网测量适用于确定断层在平面上的走向.重力测量点距应视待确定的断层规模而定.通过上述工作初步查明第四系中隐伏断层的位置、走向和平面分布, 获得断层在平面上分布的大体部位.2.2断层的详细探测与精确定位近地表地球物理探测有多种方法, 但在 1 个大城市采用哪种或哪些方法应根据主观条件( 如经费、技术装备、人员素质与工作经验等) 和客观条件( 如活断层埋藏深度、环境干扰因素、地下介质与地下水状况等) 合理选择, 应以达到探测目的为原则.地震活断层详细地球物理探测用到的几种主要方法有:(a) 近地表浅层人工地震探测方法: 城市活断层探测的主要方法, 城市由于干扰大、施工难度大, 一般采用抗干扰纵、横波反射探测, 抗干扰反射、折射联合勘探等;(b)地震层析成像探测: 利用在地表或井中记录到的地震波对地下介质的投影数据, 用计算机反演和重现地下介质结构的几何形态与物理参数( 如速度、吸收系数等) ,分为井间地震层析成像和非纵剖面地震层析成像;(c)高密度电法探测: 深度范围为几米至几百米, 有效范围一般几十米.该方法抗干扰能力强, 分辨率高, 适合于探测浅部几十米深度内地震断层的形态、关系和组合形式.实验表明, 在地下电流( 如地下电缆等) 干扰小的地方利用该方法往往具有一定的效果;(d)井间电磁层析成像探测: 适合于局部范围的详查, 需要结合钻孔来实现;(e)瞬变电磁( TEM) 方法:利用不接地或接地回线源向地下发送一次脉冲磁场, 在一次脉冲磁场的间歇期间, 利用线圈或接地电极观测二次涡流场进行流动观测, 具有一定的抗干扰能力, 分辨率和信噪比较高, 它在探测浅层细结构, 圈定1km 范围内的隐伏断层方面比较有效;(f)地质雷达探测: 适合0~ 30m深度范围内活断层的精确定位, 以及探测山前断层向沉积层内的延伸状况等.美国SIR22 型仪器, 采用分离式低频48 MHz 天线, 采样长度为1000 ns, 32 次叠加, 收发天线距1 m, 点距2 m, 天线长度4.8 m.城区中随机干扰多, 需采用多次叠加以获得高信噪比数据. 数据处理中采用增益恢复使经大地滤波的信号得到复原, 以增强深部信息; 带通滤波以滤掉信号中的低频震荡和高频噪声等成分; 频率- 波数滤波消除背景噪声干扰、地表点状反射体和装置引起的斜反射; 绕射偏移处理消除数据采集中引起的畸变; 反褶积滤波消除天线的多次发射, 提高垂向分辨能力. 一般情况, 反射波形均匀无杂乱反射, 而在断层处波形的同相轴被错断, 有明显位移. 对于不是断层的低阻含水体, 由于低速层使高频电磁波衰减较快形成低幅反射波, 其同相轴晚于围岩, 波形连续性差且杂乱.上述各种探测方法由于工作原理不同, 工作方式、对工作环境的要求和所解决的问题也不尽相同.前人经验告诉我们, 在地震活断层详细探测的初始阶段, 可开展浅层人工地震探测、电磁探测和高精度重力测量来确定地震活断层的具体部位.一般情况下, 非纵剖面地震层析成像常结合浅层人工地震探测同时进行.对于小范围的局部不清晰的地震活断层, 也可结合已有钻孔开展井间地震层析成像探测与电磁层析成像探测, 在重点隐伏地震活断层地段, 也可专门钻孔开展上述工作.在需要精确地确定0~ 30m 深度范围内的地震活断层的确切位置、断层走向及断层的尖灭部位时, 可应用地质雷达进行探测.2.3 深部构造探测地表活断层调查与浅层地震活断层探测只能获得地壳表层活断层的几何学参数, 是评价活断层地震危险性的重要基础.但是, 由于地震毕竟大多发生在地壳5~ 20km深度范围内, 已有的研究结果表明, 地壳浅层构造多受深部构造的控制, 它们之间存在着复杂的关系.因此, 要对 1 个大城市及其邻近地区未来的地震危险性做出科学的评价, 就必须对深部孕震构造及震源深部介质的物理力学性质、动力学环境有所了解, 以便综合深、浅构造总体特征做出科学的评价( 王椿镛等, 1993; 徐锡伟等, 2002) .为此, 在城市及其邻近地区具有发生强震危险性的大城市, 有必要开展深部孕震构造探测.一般采用方法有:(a) 深地震反射探测: 为城市及其附近地区提供1 种高分辨率的由浅层到地壳深部的探测地震活断层分布的方法.若大城市已存在规模较大、埋藏较深的地震活断层, 则在城区外围横跨断层走向, 布设1- 2 条, 每条长度至少在40km 以上的探测剖面, 开展深地震反射探测.通过深地震反射探测, 测出地表下3km 到莫霍界面范围内地壳的精细结构、地震活动断层向深部的延伸状况, 揭示出深、浅构造间的复杂关系;(b) 地震宽角反射/ 折射探测: 通过地震波传播过程中的运动学和动力学特性, 获得城市下方及其邻近地区从地壳上部至地壳底界面深度范围内孕震断层的深部构造背景, 地壳结构特性、不同深度断裂构造的几何特征( 断距、规模及空间展布) 等.同时它还能够揭示深、浅活动断层间的关系, 为浅部活动断层的响应提供依据.通常采用剖面探测法和三维地震层析成像探测方法;(c)宽频带地震台阵观测( 刘启元, 1994) : 在于记录城市地震危险区内的地方震、邻近区域的地震和远震, 获得大城市及邻近地区地壳、上地幔的地震构造和速度结构, 提供活断层所在地区的地质构造背景;(d)大地电磁探测(MT 法) : 通过地壳-上地幔范围内的电导率在纵、横向上的分布规律, 圈定构造块体边界, 断层的展布、延伸以及壳幔高导层的分布状况, 从而揭示活断层的展布、性质、深浅构造关系以及活断层所处的深部构造背景等.现在MT 方法已经很少使用单点观测, 而是使用远参考阵列方式, 以提高抗干扰能力;(e)高密度电法测量: 高密度电法装置具有一次布极、多种装置按程序化模式自动测量、数据采集与资料处理自动化和综合信息丰富的特点. 软件绘制的断面图、用角域点源纯地形电位相对异常进行地改, 数据平滑处理和畸变点剔除等, 使电阻率反演断面图更接近/ 真0断面. 实践证明, 温纳( A) 装置观测的异常与目的体有较好的对应关系,且抗干扰强探测深度较大; 偶极( B) 装置分辨能力较强, 但抗干扰差些勘探深度相对较小; 微分( C) 装置异常幅值较小, 受地表影响大; 梯度装置对异常的细节反映较丰富; 三极装置异常会出现位移; 二极装置勘探深度大, 但异常对应不够稳定.3 城市活断层的空间定位3.1 合理的测线布置在城市活断层探测中,目标断层都是依据前人物探和地质资料的成果确定的,由于各个城市以往研究程度的差异,其可靠程度有高有低,有的城市在工作前收集和整理了大量的石油人工地震资料,确定了待查明的目标断层,如郑州、天津等城市,但大多城市不具备这种条件,因此在初勘阶段,首先在目标区内应至少布置1－2条较长的穿过所有目标断层的控制性地球物理探测剖面,最好是浅层人工地震勘探剖面,探测深度至少应达到第四系底界,其主要目的是证实和检查所确定的目标断层的可靠性,为初勘布线提供依据.然后布置垂直目标断层,其长度能有效控制目标断层的控制性探测剖面,相邻测线最大间距不大于六公里,若初步发现目标断层具有活动性,则在初勘基础上,加密布线,最大测线距不大于二公里,以满足查明目标断层准确空间位置和活动性的要求.3.2地球物理探测手段的综合应用目前在城市活断层空间定位及活动性评价中,采用的地球物理探测手段主要有：高精度重力测量（试验性）、多道直流电法勘探、探地雷达探测和浅层人工地震勘探等,其中浅层人工地震勘探包括反射波法勘探和折射波法勘探,反射波法勘探中包括纵波反射勘探和横波反射勘探.上述不同的勘探手段,据其原理有各自不同的物理条件,不同的探测设备、不同的探测方法、不同的特点与应用条件.重力测量,多道直流电法勘探,人工地震反射勘探和人工地震折射勘探的应用物理条件分别是地层间的密度、视电阻率、波阻抗和速度的差异,但人工地震折射勘探不能探测速度逆转层,即探测界面的下层速度必须大于上层速度,该方法比反射波法的分辨能力差.就探测的效率、成本、施工方法和探测精度相对而言,高精度重力测量效率最高,成本最低,受外界条件影响较小,施工灵活,适于在初勘阶段探查主要断裂的大致位置；浅层人工地震勘探效率较低,成本最高,施工方法较复杂、受外界条件影响较大,但其本身探测方法多,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；探地雷达探测,勘探深度有限,通过试验,在某些城市如长春市在几米至十余米深度范围内,取得了较好的效果,它可以在覆盖层薄的地区,配合浅层人工地震勘探或多道直流电法勘探开展探测；在地震地质条件较复杂,浅层人工地震勘探受某些限制的地区,可用多道直流电法勘探作为辅助手段,配合人工地震勘探开展探测,因为该手段受地下水因素影响较大,所发现的异常或异常带,有时可能为地层中含水因素所造成,如古河道分布等.开展城市活断层探测的主要特点是：第四系地层是探测的主要目的层,不仅要求查明有无断层存在,还要查明是否断至第四系内部及其层位即断层上端点的确切位置.当前我国城市活断层探测所涉及的二十个主要城市,第四系复盖层厚度从几米变化至几百米,探测深度包括超浅层（几米至几十米）勘探地区,如南京、广州、长春、乌鲁木齐、西宁等城市；浅层（几十米直几百米）甚至中深层（几百米至几公里）勘探地区,如北京、天津、上海、西安、银川、呼和浩特等城市.在深入了解和仔细分析探测地区地质条件的基础上,根据不同地球物理探测手段特点和不同阶段的目标任务,合理选取不同的探测手段,实现不同地球物理探测手段的最佳组合,提高城市活断层探测的效果.3.2.1 纵波反射与横波反射联合勘探前已述及,地震勘探的分辨率（这里指的是纵向分辨）主要取决于地震波的波长,波长越大,分辨率越低,波长越小,则分辨率越高.速度与频率是决定波长的两个参数,而纵波的速度远大于横波的速度,其具体比值视不同地区的地质条件而不同,尽管横波的频率比纵波低,但与波速差异小的多,因此纵波波长远大于横波波长,所以横波的分辨率远高于纵波的分辨率.如某探测地区,根据钻井测速资料,在深度13－41m范围内,地层纵波波速为1500m／s,横波波速为470m／s,根据一般情况,设纵波主频为80HZ,横波主频为40HZ,则纵波波长为12m,横波波长为1．88m.通常认为人工地震勘探的分辨率为地震波长的1／4,则在这里,纵波的分辨能力为3．0m,而横波的分辨率能力则为0．47m,横波比纵波分辨率提高六倍以上.在南京、长春、杭州等城市的实践探测表明,在超浅层探测条件下,对于探测第四系内部的反射层和确定断层上端点的位置,判定是否为活动断层取得了好的效果（图1）.但是横波反射勘探,由于激发能量的影响,探测深度有限,一般在深度大于50米以上,其效果明显降低,特别是在第四系底界面以下（它往往是一个强反射界面）,很少能获取可靠的反射.而纵波反射勘探虽然在超浅层条件下,由于分辨率低的原因,很难获取十米以内的可靠反射层,但其对十几米埋深的基岩面及大于基岩面埋深的地层却有很好的效果,它对断层的空间定位、产状的确定和确定断点异常可靠性有重要价值.因此实现纵波反射和横波反射勘探的联合应用,在第四系复盖层较浅地区可作为城市活断层探测中的主要手段.图1纵波反射与横波反射时间剖面对比图(引自长春市活断层探测资料)3.2.2 地球物理探测与钻孔探测紧密结合前已述及,在地球物理资料解释中必须结合地质特别是钻孔资料,而最直接的是与钻孔探测紧密结合,一方面由于地球物理探测发现的异常有它的多解性,并不一定都是断层,尽管人工地震勘探手段在地球物理探测中精度最高,多解性较少,但解释为断层异常除了前述的从专业本身的特点判断外,最主要的是靠钻孔探测加以证实.另一方面,地球物理方法包括高分辨的浅层地震勘探和探地雷达探测,但都难以可靠解决从地表至几米乃至十米左右深度的地质构造问题,而研究活动构造,这一深度却是不可忽视的.第三是赋予地球物理探测成果如地震反射或折射层位以地质含义,进行地质解释,与地震探测剖面相重合的钻孔探测成果是最直接最佳的依据.第四,人工地震勘探中所需的最重要的解释参数—速度资料,可通过钻孔中的速度测井获得,用以校正和检验人工地震勘探资料直接求取的迭加速度值和作为时—深转换的速度,可提高解释精度.4 总结与讨论在不同的工作阶段, 采用的地球物理方法并不完全相同, 既使是在同一阶段用同一方法, 由于工作区的地质条件不同, 观测系统的布置也不相同( 方盛明、张先康等, 2002) .大城市活断层探测和危险性评价是一项复杂的系统工程, 仅从技术角度来讲, 各种地球物理方法的探测工作是其中的一部分, 是非常重要的基础性工作.但要想探测出大城市活断层并对其危险性做出科学评价, 则应综合地质、地球化学、地壳形变等其它学科方法的探测结果, 进一步做大量综合性的工作, 在此基础上, 对大城市发震活动断裂的地表和近地表未来一定时限内的累积错动量、同震位移量、断裂错动对地面设施毁坏的影响带宽度, 以及发震断裂产生的地震地表破裂带的特性等进行评估, 并针对它们提出在大城市经济建设活动中的灾害防治和工程对策方案, 达到最大限度减轻地震灾害的目的.近年来在全国开展的大城市活断层探测实践经验表明, 根据地球物理方法确定断层, 特别是埋深30m 以上的隐伏断层, 需要具备两个条件.一是在一定范围内横向结构的支持.隐伏断层必须在横向上较大的范围内存在.二三十米以上范围与人类活动最密切, 也最容易受到人类活动的影响, 容易造成局部的横向不连续界面.所以, 浅层勘探一般宜采用一定面积的密集探测, 很少依据少数几条测线来确定地下隐伏结构.二是在一定范围纵向结构的支持.隐伏断层在纵向上要有一定的延伸, 或具有发生浅部断层的深部环境; 探测深度必须大于目标深度的1. 5 倍.地球物理方法可研究断层形态, 帮助确定断层的上端点埋深等. 通过选用不同的物探方法综合探测是十分有效的. 与此同时, 城市环境的复杂性, 也给我们提出了一些需要继续研究的问题.( 1) 复杂的城市环境、各种强干扰对活断层异常的影响、如何进一步提高抗干扰能力和探测效果, 还需总结经验加深认识.( 2) 对发生在第四系地层中堆积物结构松散和弱胶结的某些活断层, 受力后变形轻微、构造形迹不明显和断层影响范围小, 如何较准确的判别断层还需研究.( 3) 城市活断层是一个相对动态变化过程, 在应用地球物理进行探测时, 要考虑不同方法的有效配合. 综合解释时, 需结合区域地震地质、水文地质和放射性等方面的资料进行深入研究.。