劉 影 沈月霞 牛小軍

1）中國北京100080北京市地震局

2）中國河北邢臺054000河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊

三維地震勘探在城市活斷層精確定位中的意義＊

劉 影1），沈月霞2）牛小軍2）

1）中國北京100080北京市地震局

2）中國河北邢臺054000河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊

回顧了城市活斷層探測現(xiàn)狀，指出了采用二維地震探測在活斷層精確定位中存在中淺層小構(gòu)造控制程度較差，在地層傾角較大地區(qū)斷層歸位不夠準(zhǔn)確，受建筑物和其它障礙物限制致使測線布設(shè)與斷層走向斜交造成斷層定位不準(zhǔn)，以及由于測網(wǎng)密度限制造成的斷層交匯處、斷層分段點、端點位置控制程度較差等主要問題.從理論上分析了三維地震勘探的優(yōu)勢，認(rèn)為三維地震勘探可以較好地解決由于二維地震勘探本身的技術(shù)缺陷和地表環(huán)境、地質(zhì)條件影響所造成的斷層定位不準(zhǔn)的問題.通過實例剖析，從野外采集難點，儀器選擇，觀測系統(tǒng)定義，優(yōu)化施工設(shè)計，野外質(zhì)量監(jiān)控，特殊數(shù)據(jù)處理手段，以及取得的良好地質(zhì)效果等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，論證了利用三維地震探測在城市進(jìn)行活斷層精確定位中的可行性及其意義.

城市活斷層精確定位 建筑物密集區(qū) 二維地震探測 三維地震勘探 數(shù)據(jù)采集

引言

城市通常位于第四系地層覆蓋區(qū)，城市活斷層探測的目標(biāo)斷層絕大多數(shù)為隱伏斷層，因此，地球物理探測成為活斷層探測中的重要手段.由于我國進(jìn)行活斷層探測的20個重點城市遍及全國，各地的第四系覆蓋層厚度相差懸殊，地表環(huán)境、地質(zhì)條件復(fù)雜多變，加上城市建筑密集，交通干擾嚴(yán)重等因素，給活斷層探測帶來極大的困難.城市活斷層探測在這種復(fù)雜條件下摸索前行，在斷層空間定位、活動性評價和深部構(gòu)造環(huán)境探測（劉保金等，2009）中取得了可喜的成果.但是目前開展的活斷層探測基本采用的是二維地震反射波勘探，傾斜地層、復(fù)雜構(gòu)造偏移歸位誤差較大，而且二維測線對地形、障礙物適應(yīng)較差，造成某些斷層的特殊構(gòu)造部位定位不夠精準(zhǔn).

目前三維地震勘探技術(shù)在石油和煤田勘探中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，勘探精度逐漸提高，對精細(xì)斷層解釋技術(shù)已經(jīng)比較成熟，解釋手段也在日新月異的發(fā)展.沈月霞①沈月霞.2009.河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊資料.等在某建筑物密集區(qū)針對目的層較淺（135—315m），地層傾角小，地表條件極復(fù)雜區(qū)進(jìn)行三維地震勘探，獲得了良好的地質(zhì)效果.郭彥民（2004）通過開灤荊各莊礦建筑物密集區(qū)三維地震勘探實例分析，論證了在高傾角（地層傾角40°—70°）、地表條件極復(fù)雜區(qū)（建筑物密集區(qū)占工區(qū)的95%）、目的層較深（220—530m）的地區(qū)進(jìn)行三維地震勘探，也能獲得較好的地質(zhì)效果.夏訓(xùn)銀（2010）在順義新城規(guī)劃區(qū)用三維地震勘探進(jìn)行了城市活斷層探測，對工作區(qū)內(nèi)順義—良鄉(xiāng)斷層中深部空間形態(tài)和展布進(jìn)行了高精度控制.可見在城市活斷層的探測中，采用三維地震勘探技術(shù)必然會使探測精度大大提高.

三維地震勘探觀測系統(tǒng)靈活，在復(fù)雜的城市地表環(huán)境中進(jìn)行活斷層探測有一定優(yōu)勢.三維地震采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到的是一個三維數(shù)據(jù)體，可對斷層進(jìn)行立體追蹤，而且三維偏移能實現(xiàn)反射界面準(zhǔn)確歸位，在地層傾角較大、構(gòu)造較復(fù)雜地區(qū)較二維地震勘探有明顯優(yōu)勢.同時三維特有的等時切片和相干切片對小斷層有放大作用，能幫助確定小構(gòu)造的位置和延展長度，從而實現(xiàn)對斷層的精確定位，對城市活斷層探測有明顯的意義.

1 城市活斷層探測現(xiàn)狀和存在的主要問題

目前，在城市活斷層探測中采用的地球物理方法（方盛明等，2002）有：微重力測量、大地電磁測深、瞬變電磁法、電磁波層析成像、高密度直流電法、地質(zhì)雷達(dá)、反射地震法、地震寬角反射／折射方法、層析成像探測、寬頻帶流動地震臺陣觀測方法等.相對于其它探測手段而言，淺層人工地震探測深度大、分辨率高，在城市活斷層探測中，成為最主要的地球物理探測手段.

城市活斷層探測中采用的基本都是二維地震反射波勘探.二維地震觀測只能獲取反映（x，t）平面內(nèi)的地質(zhì)信息.即使在二維勘探中，有時也在地表按面積布置測線，但每一條測線都是按二維采集數(shù)據(jù).并按二維進(jìn)行偏移處理.由于二維偏移（陸基孟，2006）是沿著測線的視傾角方向進(jìn)行的，偏移結(jié)果不完全，也不準(zhǔn)確，尤其對于地下復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行二維地震勘探，二維歸位處理就不能準(zhǔn)確反映地下界面的真實形態(tài)；而且二維數(shù)據(jù)采集時會產(chǎn)生來自非射線平面內(nèi)的側(cè)面反射波，從而造成一些假象，誤導(dǎo)解釋結(jié)果.同時，二維采集對地形、地物的障礙、地表條件適應(yīng)性比較差.

二維地震勘探自身的局限性和城市建筑物密集、障礙物多等問題造成的城市活斷層探測結(jié)果存在以下主要問題：

1）中淺層小構(gòu)造控制程度較差.

2）地層傾角較大地區(qū)斷層歸位不夠準(zhǔn)確.

3）斷層交匯處、斷層分段點、端點位置控制程度較差.

4）受建筑物和其它障礙物限制，有時測線布設(shè)與斷層走向斜交，造成斷層定位不準(zhǔn).

5）城區(qū)由于建筑物密集，控制測線較少.加上干擾多，獲得的剖面質(zhì)量較差，斷層定位精度受到影響.

斷層交匯處、斷層尖滅點、斷層分段點在確定潛在震源區(qū)邊界時處于特別重要的地位，這就決定了必須采取措施對斷層的特殊部位進(jìn)行精定位.

2 三維地震勘探在斷層精確定位中的優(yōu)勢

由于三維地震采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過三維常規(guī)處理后得到的是一個三維數(shù)據(jù)體，三維偏移（陸基孟，2006）是在三維空間進(jìn)行歸位的，各點都是按照它們真傾角方向偏移，因此可以回到它們各自的真實位置上.三維偏移的結(jié)果與真深度是一致的.相對于二維地震勘探，三維地震勘探有如下優(yōu)越性：

1）三維采集的數(shù)據(jù)按三維空間成像處理，可以真實地確定反射界面的空間位置.

2）三維觀測可以在一定范圍內(nèi)避開地形、地物的障礙，對地表條件適應(yīng)性較強.

3）三維觀測可對振幅有更大的保真度，相位數(shù)據(jù)更齊全，有利于研究地層的巖性.

4）三維地震勘探資料的完整統(tǒng)一性及顯示技術(shù)的可視化，更便于人工聯(lián)作解釋.解釋系統(tǒng)可以進(jìn)行層位自動追蹤、任意方向時間剖面閉合、等時切片斷點分析、斷層立體追蹤、圖形縮放、旋轉(zhuǎn)、不同方式顯示等手段多參數(shù)解釋，提高了資料解釋的精度和可靠性.

由于三維地震得到的是一個數(shù)據(jù)體，可以垂直斷層走向方向，任意切割剖面，這樣就可以避免二維地震探測中因障礙物限制造成的測線與斷層斜交的問題.

層拉平技術(shù)是三維地震勘探的常用解釋技術(shù)，形成的目的層層拉平顯示圖（圖1），可以比較清楚地顯示斷層的展布方向和相互切割關(guān)系.

等時切片（孫家振，李蘭斌，2006）是三維地震特有的顯示方法.利用縱、橫剖面和等時切片綜合對比解釋，可以了解構(gòu)造形態(tài)和斷裂分布特征；進(jìn)一步切垂直構(gòu)造走向的剖面，又可對斷層進(jìn)行更準(zhǔn)確的解釋.等時切片上可以看到斷層的走向、斷層的切割和交叉.通過切割與斷層走向垂直的任意剖面和不同時刻連續(xù)的等時切片，可以準(zhǔn)確地確定斷層的空間位置和相互切割關(guān)系.利用密集的、連續(xù)的系列垂直剖面和等時切片綜合解釋，可以可靠地追蹤斷層，確定斷層的延伸范圍與規(guī)模大小，以及在平面和空間的變化，這樣就可以確定斷層的端點、交匯點、分段點的位置.

圖1 某探測區(qū)第9煤層層拉平顯示圖①沈月霞.2009.河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊資料.Fig.1 9th coal seam flattening display in a certain detected zone

等時切片資料對小斷層的反映是敏感的，有些小斷層在鉛垂剖面上反映不清楚，而在等時切片上能明顯地反映出來，利用等時切片可以幫助確定小構(gòu)造.圖2中垂直剖面上F6小斷點沒有錯斷，也沒有明顯扭曲，而水平剖面上F6表現(xiàn)為同向軸異常扭曲.加密等時切片顯示可以有效地確定小構(gòu)造的邊界，圈定小構(gòu)造的分布范圍.

圖2 F6小斷層在等時切片（a）和時間剖面（b）上的椅形顯示（等時切片235ms）②牛小軍.2009.河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊資料.Fig.2 Small－scale fault F6in horizontal slice（a）and time section（b）（horizontal slice 235ms）

綜上所述，三維地震勘探可以解決由于二維地震本身的技術(shù)缺陷和地表環(huán)境、地質(zhì)條件影響所造成的二維探測斷層定位不準(zhǔn)的問題.

由于三維地震勘探成本較高，需要用二維地震勘探進(jìn)行大范圍探測，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用三維地震勘探的方法對斷層重點部位進(jìn)行精確探測.結(jié)合“十五”活斷層探測結(jié)果，有針對性地在構(gòu)造的特殊部位進(jìn)行三維地震探測，以實現(xiàn)斷層特殊部位的精確定位.

3 建筑物密集區(qū)三維地震勘探實例剖析

采用三維地震勘探進(jìn)行城市活斷層探測需要解決的難題是：城市建、構(gòu)筑物密集，野外數(shù)據(jù)采集極其困難.

三維地震探測技術(shù)已經(jīng)臻于成熟，通過在石油、煤田多年應(yīng)用，從野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)資料處理到解釋手段都已比較成熟，積累了很多可以借鑒的經(jīng)驗.

現(xiàn)以某建筑物密集區(qū)的三維地震勘探實踐為例（沈月霞等①沈月霞.2009.河北煤田地質(zhì)局物測地質(zhì)隊資料.），從野外采集難點，儀器選擇，觀測系統(tǒng)定義，優(yōu)化施工設(shè)計，野外質(zhì)量監(jiān)控，特殊數(shù)據(jù)處理方法，以及取得的地質(zhì)效果進(jìn)行詳細(xì)闡述，論證在城市進(jìn)行三維地震探測的可行性.

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 野外數(shù)據(jù)采集難點

1）區(qū)內(nèi)地表條件復(fù)雜，激發(fā)和接收條件極差：地表建筑物密集，村莊面積約占勘探區(qū)面積的1／2，來往車輛繁多，河底硬化，兼有矸石山和硬土堆，給野外施工造成極大困難；而且區(qū)內(nèi)淺層大范圍廣布卵礫石、流沙，在卵礫石、流沙中激發(fā)，能量產(chǎn)生較強散射，能量較大衰減的同時也降低了有效波的主頻，一定程度上降低了資料的信噪比.

2）目的層埋藏淺.區(qū)內(nèi)目的層埋藏很淺，在135—315m之間，要求采用炮檢距和共深度點（CDP）網(wǎng)格較小的觀測系統(tǒng).由于目的層埋深淺，最大炮檢距不能過大，導(dǎo)致較嚴(yán)重的直達(dá)波、折射波、聲波、面波等規(guī)則和隨機干擾與目的層反射波（有效波）發(fā)生相互干涉，使得地震記錄信噪比偏低，客觀上造成了波形識別困難.

3.1.2 野外采集主要技術(shù)措施

1）儀器的選擇.針對勘探區(qū)地表條件較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)村莊范圍大且密集的特點，選用美國產(chǎn)BOX無線遙測數(shù)字地震儀進(jìn)行施工.該儀器不必與大線連接，不受線束約束，儀器車可以機動靈活地移動、?？?；同時儀器自帶OMNI三維觀測系統(tǒng)設(shè)計軟件，能根據(jù)野外地表實際情況隨時進(jìn)行特殊觀測系統(tǒng)設(shè)計，可確保疊加次數(shù)達(dá)到設(shè)計要求，獲得連續(xù)的地下資料.

2）觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇.針對地質(zhì)任務(wù)，目的層埋深淺，求取速度的精度，動校正拉伸畸變對高頻信號的影響，以及反射系數(shù)的變化因素，觀測系統(tǒng)定為：束狀12線10炮制中點激發(fā)；道間距10m，炮間距40m，偏移距15m；接收道數(shù)12×32道＝384道；炮點網(wǎng)格20m×40m；檢波點網(wǎng)格10m×40m；道數(shù)網(wǎng)格5m×10m；疊加次數(shù)4×5＝20次；縱向最大炮檢距165m；橫向最大炮檢距310m；最大非縱炮檢距351.18m.

3）激發(fā)接收參數(shù)選擇.選用可控震源激發(fā)，振動臺次為2臺×8次，掃描頻率25—109Hz，掃描長度14s，驅(qū)動電平60%，檢波器采用三串兩并“十”字型組合，儀器前放增益48dB，1s采樣錄制.

4）優(yōu)化施工設(shè)計.針對村莊面積大且密集的難題，采用常規(guī)觀測系統(tǒng)與塊狀特殊觀測系統(tǒng)結(jié)合來獲取村莊下資料.

a.在原來設(shè)計不變的情況下，垂直于原線束方向，在3個面積較大的村莊處布置3塊非常規(guī)特殊觀測系統(tǒng)，用20m接收線距、23條接收線接收，接收線長據(jù)村莊的跨度而定，充分利用震源車可以到位的街道、空地進(jìn)行激發(fā)，保證村莊下疊加次數(shù)不低于20次，盡可能多的獲取村莊覆蓋區(qū)的原始資料.面積最大的村莊DZ－LC（面積1.29km2）觀測系統(tǒng)見圖3所示.

圖3 DZ－LC村莊觀測系統(tǒng)示意圖Fig.3 Sketch map for geometry of observation system at DZ－LC village

b.邊施工邊進(jìn)行資料處理，把村外線束資料、特觀資料疊加到一起，根據(jù)村莊下欠缺資料，有針對性地在村內(nèi)布置有效激發(fā)點，用來完善全區(qū)數(shù)據(jù)資料.

5）每束線施工完即進(jìn)行現(xiàn)場處理，及時指導(dǎo)野外生產(chǎn)，在野外施工的每個環(huán)節(jié)都嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)程操作，并進(jìn)行現(xiàn)場質(zhì)量監(jiān)控.

通過多方努力，在障礙區(qū)均進(jìn)行了有效施工，并獲得良好的原始數(shù)據(jù).經(jīng)過精細(xì)的數(shù)據(jù)處理，資料基本沒受影響.DZ－LC村莊下初疊剖面見圖4.

3.2 特殊處理手段

采用面元均化處理手段.在建筑物密集區(qū)或其它障礙物面積大的區(qū)域進(jìn)行三維地震勘探，常常會因地表條件限制造成采集數(shù)據(jù)中缺道多，偏道、遠(yuǎn)道多，疊加次數(shù)變化很大的情況，這樣就會導(dǎo)致三維面元的覆蓋次數(shù)出現(xiàn)極度不均勻的情況，而這種不均勻情況在能量上的差異會導(dǎo)致后續(xù)的傾角時差校正（DMO）、偏移效果受到影響.采用面元均化處理技術(shù)，對面元內(nèi)的覆蓋次數(shù)進(jìn)行調(diào)整，同時做面元能量均化，使三維面元內(nèi)的能量均化.

3.3 地質(zhì)效果

經(jīng)過精細(xì)資料處理和綜合地質(zhì)解釋，所獲地震地質(zhì)成果與6個新增孔驗證，符合良好.典型地質(zhì)效果見圖1和圖5.

較大斷點在時間剖面上的反映主要是同相軸的錯斷或缺失等，同時可能伴有斷面波存在.小斷點在時間剖面上的主要標(biāo)志是同軸的扭曲、分叉及振幅的明顯變化等.如圖5所示，F(xiàn)17斷點、F18斷點在剖面上清晰可見.

4 討論與結(jié)論

三維地震勘探得到的是一個數(shù)據(jù)體，可以垂直斷層走向，任意切割剖面，避免了二維地震探測中障礙物限制造成的測線與斷層斜交的問題.三維地震勘探層拉平解釋技術(shù)，可以較清楚地顯示斷層的展布方向和相互切割關(guān)系（圖1），在此基礎(chǔ)上有針對性地密集切割縱、橫向時間剖面和不同時刻連續(xù)的等時切片.綜合對比解釋，準(zhǔn)確地確定斷層的空間位置和相互切割關(guān)系，這樣就能確定斷層端點、分段點、交匯點的位置.三維地震勘探所特有的等時切片對小斷層有放大作用（圖2），可以幫助識別垂直地震剖面上反應(yīng)不明顯的小斷層，提高中、小斷層的勘探精度.

在建筑物密集、地表條件極復(fù)雜、覆蓋層較淺、地表傾角較小工作區(qū)，通過選用先進(jìn)的無線遙測地震儀，應(yīng)用科學(xué)合理、靈活的三維地震勘探觀測系統(tǒng)，選用合適的觀測系統(tǒng)參數(shù)，優(yōu)化施工設(shè)計；采用常規(guī)觀測系統(tǒng)與塊狀特殊觀測系統(tǒng)相結(jié)合，同時進(jìn)行現(xiàn)場處理，有針對性地布置有效激發(fā)點，來完善工區(qū)資料，可獲取可靠的原始記錄.采用特殊處理手段，經(jīng)過精細(xì)處理和綜合地質(zhì)解釋，可以獲得良好的地質(zhì)效果（圖5）.全國各大城市建、構(gòu)筑物密集，地表條件復(fù)雜，第四系覆蓋層厚度相差懸殊，在覆蓋層較淺地區(qū)采用炮檢距和共深度點（CDP）網(wǎng)格較小，接收線較短的三維觀測系統(tǒng)，以獲得小斷層弱信號的反射信息.由于橫波地震勘探比縱波分辨率高，對于近地表的斷層宜采用三維橫波勘探，有條件地區(qū)可采用三分量檢波器接收，以便于對近地表地層進(jìn)行更詳細(xì)的分層，更準(zhǔn)確地判定上斷點的位置，為斷層活動年代鑒定提供依據(jù).在覆蓋層較深、傾角較大地區(qū)要采用較大的接收方位角有效壓制多次波，控制好最大非縱炮檢距與最深目的層埋深關(guān)系.炮檢距從小到大均勻分布，保證同時勘探淺、中、深目的層，采用激動靈活的動態(tài)設(shè)計三維觀測系統(tǒng)來保證激發(fā)、接收效果，以獲取可靠的原始資料.

可見三維地震勘探可以較好地解決由于二維地震勘探本身的技術(shù)缺陷和地表環(huán)境、地質(zhì)條件影響所造成的斷層定位不準(zhǔn)的問題.根據(jù)地表條件和地震地質(zhì)條件，選用先進(jìn)的儀器，選擇合適的觀測系統(tǒng)參數(shù)，采用科學(xué)合理的工作方法，應(yīng)用三維地震探測在城市進(jìn)行活斷層精確定位是可行的，有重要的理論和實踐的意義.

方盛明，張先康，劉保金，徐錫偉，白登海，姬繼法.2002.探測大城市活斷層的地球物理方法［J］.地震地質(zhì)，24（4）：606－613.

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劉保金，胡平，孟勇奇，酆少英，石金虎，姬繼法.2009.北京地區(qū)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的深地震反射剖面探測研究［J］.地球物理學(xué)報，52（9）：2264－2272.

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孫家振，李蘭斌.2006.地震地質(zhì)綜合解釋教程［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社：84－86.

夏訓(xùn)銀，左萬寶，張進(jìn)國，劉桂梅，程增慶，張麗.2010.三維地震在城市活斷層探測中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，（1）：58－61.

劉 影 北京市地震局助理研究員.2004年北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地質(zhì)系構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)畢業(yè)，獲碩士學(xué)位.曾參加"十五活斷層探測"淺層物探解釋工作.現(xiàn)研究方向為強震觀測.

注：孟令媛、李宇彤、鄭建常、蔣海昆、王秀英、宋美琴等的簡介分別見本刊：Vol.33，No.4；Vol.30，No.4；Vol.29，No.4；Vol.17，No.4；Vol.31，No.6；Vol.33，No.5.

Significance of 3Dseismic exploration in urban active fault fine locating

Liu Ying1），Shen Yuexia2）Niu Xiaojun2）
1）Earthquake Administration of Beijing Municipality，Beijing100080，China
2）Hebei Geophysical Prospecting and Surveying Team，Xingtai，Hebei054000，China

Present state of urban active fault survey is reviewed.Some problems of unban active fault fine locating by using 2Dseismic exploration are presented，such as poor controlling of small－scale structures in middle－shallow strata，insufficient precision of fault homing in steeply dipping strata，inaccurate fault location coming from oblique intersection between surveying lines and fault strike due to existing buildings and other obstacles，and inadequate constrain on fault breakpoint，intersection position and endpoint due to sparse surveying grids.Advantage of 3Dseismic exploration is analyzed theoretically.The problem of inaccurate fault location，induced by limitation of 2Dseismic exploration，surface environment and geological conditions，can be solved by using 3Dexploration.The feasibility and significance of using 3Dseismic exploration in urban region is demonstrated through example analysis in data acquisition，instrument selection，geometry design，optimizing design，field quality monitoring，special data processing and good geological effects.

urban active fault fine locating；region with crowded buildings；2D seismic exploration；3Dseismic exploration；data acquisition

10.3969／j.issn.0253－3782.2012.01.009

P315.2

A

劉影，沈月霞，牛小軍.2012.三維地震勘探在城市活斷層精確定位中的意義.地震學(xué)報，34（1）：97－104.

Liu Ying，Shen Yuexia，Niu Xiaojun.2012.Significance of 3Dseismic exploration in urban active fault fine locating.Acta Seismologica Sinica，34（1）：97－104.

北京市地震局科技專項資助.

2011－02－24收到初稿，2011－08－26決定采用修改稿.

e－mail：liuying1975＠gmail.com