地表浅部地震勘探方法在城市隐伏活动断裂调查中的应用
徐吉祥1，张晓亮2，李潇3，王继明1，薛爱民4，舒律4
1北京市地质矿产勘查院，北京100195
2北京市地质调查研究所，北京 100195
3北京市地质矿产勘查院信息中心，北京 100195
4北京派特森科技股份有限公司，北京 100085
第一作者简介：徐吉祥，男，学士，高级工程师，主要从事城市地质调查研究工作。
导读：混合源面波与三分量频率谐振勘探方法是近年来兴起的一套新型城市地球物理探测技术。以黄庄-高丽营断裂为例，采用主动源多道瞬态面波、混合源多道瞬态面波勘探和三分量地震频率谐振勘探方法进行实验研究。研究结果表明，主动源面波勘探可清晰展示地表以下15m的地质构造；混合源多道瞬态面波，综合主动源信号和被动源（噪声）优势，增加其探测深度；三分量地震频谱谐振H/V谱比结果可清晰反映地质构造，并与主动源面波勘探方法探测的10~15m深度的低速异常带特征相似；三种方法相互结合应用，既提供了多种数据源，也提高了数据解译的精度与可信度。
关键词：地震勘探；主动源面波；混合源面波；三分量地震频率谐振；隐伏活动断裂
内容提纲
0引言
1概况
2数据采集与处理
3结果与讨论
4结论
0 引言
面波是一种弹性波，它的能量主要集中于距离自由地表约一个波长范围内，其基本原理是体波通过与自由界面或分层介质的弹性分界面相互作用，并满足物理上的自由边界条件或界面的连续条件而产生。按照能量源不同，面波勘探可分为主动源面波和被动源面波勘探，其中，主动源面波法又称稳态面波或瞬态面波法，并逐渐发展为多道瞬态面波技术等；但被动源面波法在世界范围内名称尚未统一，如在美洲称为被动源面波，在日本称为微动技术，在欧洲则称为环境噪声成像等。采用人工激发的弹性波作为震源的主动源勘探方法，探测精度较高，但易受震源能量和排列长度的限制，勘探深度有限；而利用长时间观测环境噪声记录的被动源探测方法，其探测深度大，但易受信号能量弱和频率低的影响，其探测精度较差。在地表浅层勘探中，联合主动源和被动源面波勘探优势互补，既提高探测深度，又保证探测的分辨率。探测过程中充分利用不同频段信息的分辨力，通过对频谱地震信息拼接提取频散曲线进行联合勘探。三分量地震频率谐振勘探采用地层地质结构P和S波谐振频率，识别地下界面波阻抗差大小和界面倾斜度。波阻抗大，其效应大；界面倾斜度高，则其效应较小；通过地下某岩层分界面对应某一特定的地震谐振频率，分析谐振频率可以获得地下岩层位置和波阻抗信息。本文以黄庄-高丽营断裂为例，采用主动源面波、混合面波勘探和三分量频率谐振勘探方法进行实验研究，分析了各种方法在活动断裂浅部地质结构调查中的应用效果，总结了3种方法的优缺点及数据采集特点，研究成果可为浅表地震勘探方法应用于城市地质调查工作提供参考。
1概况
黄庄-高丽营断裂是横穿北京市平原区的一条隐伏活动断裂，整体呈正断倾滑性质，控制着北京凹陷和西山隆起的边界（图1）。
图1 工作区位置示意图
Fig.1 Location diagram ofwork area
该活动断裂南起河北省涿州，在北京境内由西南向东北一直延展到密云以西，走向NNE，总长132 km。断裂形成于燕山运动末期，切割了侏罗系及以前的地层，控制了白垩系、古近系和新近系，第四纪以来仍有活动。
1966年石油部探测北京平原区地质构造格局时发现黄庄-高丽营断裂，之后诸多学者从各个角度对其构造特征和活动性进行了研究。徐杰等对大灰厂段的断裂活动性研究表明此断裂中更新世仍显著活动；高文学等认为黄庄-高丽营断裂是整体呈正断倾滑性质的晚更新世活动断裂，并将该断裂划分为3个基本段落；马文涛等利用高精度浅层地震探测获取了黄庄-高丽营断裂北京市立水桥附近的地下浅表结构，主要由2条相距1300 m近平行的东西走向的次级断裂组成，2条次级断裂在634 m处相交，断裂断距8 m；刘保金等采用深地震反射剖面精细揭示黄庄-高丽营断裂的深浅构造特征，其向下可延伸到8~9 km的深度；高战武等研究认为断裂芦井—晓幼营段下方未发现地壳速度结构的横向变化及小地震定向排列现象，推断其下方可能不存在壳内深断裂。
近年来在高丽营镇等区域发现多处地裂缝造成的建筑和公路破坏。例如，高丽营镇村民住房的墙体曾遭破坏，周边公路也曾因路面塌陷一度中断；位于地裂缝带上的多处民房出现贯通性裂缝；北京华都肉鸡厂南墙东南下降30 cm导致墙体破坏；西王路中路一民房房屋墙体开裂，并有加大趋势。诸多证据显示上述破坏均与黄庄-高丽营断裂密切相关。2009年，北京市地质矿产勘查院野外调查发现断裂穿越某规划建设区，建设方根据调查结果对断裂采取了避让措施，目前已开展对断裂的监测工作，结果显示断裂活动仍在持续。
实践证明，通过对受损建筑的加固和修补并不能有效阻止地裂缝的破坏和继续发展，针对活动断裂引发的地裂缝等地质灾害现象，应在重大工程建设前期提前开展调查研究工作，对断裂进行精确定位和活动性分析，及时采取科学的避让措施或工程手段。因此，对隐伏活动断裂的探测工作就显得尤为重要。
2数据采集与处理
试验地点为顺义区高丽营镇顺沙路绿化带，区内地势平坦，干扰较少，便于开展工作。
混合源面波勘探法采用线性阵列技术，联合主动源与被动源对地下浅层结构进行勘探。地震采集仪采用德国DMT公司生产的Summit，检波器为威海双丰物探股份有限公司生产的4.5Hz低频检波器，采用单边激发，主动震源为50kg落锤，36道接收，检波点距1.5m，炮间距1.5m，最小偏移距15m，采样率1ms，记录长度10s。
数据后期处理采用北京派特森科技股份有限公司自主研发的数据处理软件，数据处理流程见图2。
图2 混合震源面波勘探工作流程图
Fig.2 Flow chart of mixedsourcesurfacewaveexploration
三分量地震频率谐振H/V谱比技术勘探，使用的是Summit地震采集仪和威海双丰物探股份有限公司生产的2Hz三分量检波器，震源为50kg落锤。采用单边激发装置，36道接收（12个三分量检波器），检波点距2m。炮间距2m，最小偏移距奇数炮14m，偶数炮12m，采样率4ms，记录长度30s。
数据后期处理同样采用北京派特森科技股份有限公司自主研发的数据处理软件，数据处理流程见图3。
图3 三分量地震频率谐振法勘探工作流程图
Fig.3 Flowchartof three component seismic spectrumexploration
3 结果与讨论
主动源多道瞬态面波主要用于地下浅层结构的精细化探测，而混合源多道瞬态面波能够对深部和浅部的地质结构进行探测。在此基础上，利用三分量地震频率谐振勘探方法勘探成果与上述2种方法探测结果进行对比分析，比较3种方法优缺点。
3.1 主动源多道瞬态面波
主动源多道瞬态面波法获取数据处理后的剖面如图4。根据横波波速不同，剖面上低层分界面明显，其中10m以上地层横波速度相对较大，主要在200m·s-1以上，推测为黏质粉砂为主的细颗粒沉积物；10~15m深度的地层，横波速度明显降低，速度约100~130m·s-1，推测为含水率较高的砂质黏土层。在水平距离71m，约10m深处，横波速度出现阶梯式变化，根据横波速度变化及层位形态分布可推断此处为由断裂错断地层所致，通过与地表活动断层引起的路面破裂位置对比，波速突变位置与路面破裂的位置相吻合。由波速与时间的关系可计算出此处断距约2m，表明断裂在地表以下10m深处上下两盘出现1~2m的层位错动。
图4 主动源多道瞬态面波S波速度剖面图
Fig.4 S-wave velocity profileofmulti-channeltransient surfacewaveofactivesource
3.2 混合源多道瞬态面波
混合源多道瞬态面波，综合主动源信号和被动源噪声信号（本次探测主要来自通过顺沙路车辆产生的噪声），优势互补，既增加了探测深度，又保证了探测的分辨率。与主动源探测结果相比，混合源探测剖面（图5）在地下15 m内的成像效果不如主动源探测结果。但在15~40 m深度范围内，横向上出现一个明显低速异常通道，该异常位置与断裂位置吻合，初步判断可能与断裂带引起的地层破碎有关。但断裂带两侧并未显示出地层的垂直错动，推测深部覆土层，除破碎带以外，断裂上下盘并未出现明显的速度差。
图5 混合源多道瞬态面波S波速度剖面图
Fig.5 S-wave velocity profileofmulti-channeltransient surfacewaveofmixedsource
3.3 三分量地震频率谐振
三分量地震频谱谐振H/V谱比的探测剖面如图6，在测线水平距离75 m处，断裂位置较为清晰，在8~12 m深度的低H/V谱比带（蓝到浅蓝色），与主动源探测剖面上（图4）10~15 m深度的低速异常带特征相似，断裂两侧出现明显错动，但在探测深度上存在2~3 m误差。其产生原因可能是缺少对地层对比资料和横波速度信息标定，无法提供准确的地层对比资料和横波速度信息。
图6 三分量频谱谐振H/V谱比剖面图
Fig.6 H/Vprofile ofthree component seismic spectrum
4 结论
通过实验对比分析了主动源多道瞬态面波、被动源多道瞬态面波和三分量地震频率谐振H/V谱比3种地球物理方法在探测活动断裂浅部精细结构调查应用效果，取得的几点认识如下：
1）主动源多道瞬态面波勘探方法，能够对地表以下15m以浅地质信息，包括地质结构及地层进行相对精细刻画；混合源多道瞬态面波勘探方法，结合了主动源信号和被动源（噪声），能够有效补充低频频段信号，增加探测深度；三分量地震频谱谐振H/V谱比勘探方法，能够对地表以下15m深度范围内的地质信息进行较为详细的刻画。
2）3种不同方法对断裂探测的特征基本一致，相互印证，大大提高了解释的可信度。同时，该方法组合有效地解决了地表超浅部地震勘探难的技术难题，为今后开展地表超浅部地质探测提供了重要手段。
3）三分量地震频谱谐振H/V谱比探测结果与瞬态面波探测结果存在水平位置和深度差异，推测误差产生的原因主要是对地层的横波速度判断出现偏差，若获取横波速度资料对地震速度进行校正，可以减少或避免相应误差，相关工作有待进一步研究。
原文来源：城市地质.2022年3月.第17卷 第1期
DOI：10.3969/j.issn.1007-1903.2022.01.012
