范小平 李細兵 趙啟光 宋 浩 戴 波 張帥帥

1） 中國南京210014江蘇省地震局 2） 中國長春130061吉林大學儀器科學與電氣工程學院

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用微振動勘探方法探測隱伏斷裂構(gòu)造

1） 中國南京210014江蘇省地震局 2） 中國長春130061吉林大學儀器科學與電氣工程學院

介紹了運用微振動勘探方法探測隱伏斷裂構(gòu)造的方法和思路， 并對郯廬斷裂帶兩條分支斷裂進行了試驗性勘探． 通過與人工地震勘探結(jié)果對比分析， 發(fā)現(xiàn)微振動勘探方法對隱伏斷裂構(gòu)造具有較好的空間定位能力， 其對巖性差異面形成的斷裂定位誤差與人工地震勘探結(jié)果相當； 又因其具有較大的勘探深度， 因而可以有效揭示勘探區(qū)域下方地層及斷裂的空間分布特征及其接觸關(guān)系， 這對于識別和確定斷裂構(gòu)造的主破裂面具有重要意義. 但微振動勘探方法對地層或斷裂構(gòu)造細節(jié)特征的揭示能力較差． 因此， 在實際地層或斷裂勘探中， 宜采用人工地震勘探方法與微振動勘探方法相結(jié)合的方式確定斷裂的深淺構(gòu)造關(guān)系， 可以用微振動勘探方法進行普查， 在確定斷裂初步位置及空間展布特征后， 再選用人工地震勘探方法進行斷裂精確定位．

微振動方法 隱伏斷裂構(gòu)造 淺層人工地震

引言

探測地下地質(zhì)構(gòu)造的手段主要是地震勘探方法， 而對隱伏斷裂的定位則主要以地震反射波方法為主． 反射波方法不僅具有較高的勘探精度， 而且最終的疊加剖面有助于判定斷層的存在與發(fā)育形態(tài)， 該方法已廣泛應(yīng)用于城市活斷層探測工作中（劉保金等， 2002）． 對于斷點埋藏較深或者復(fù)雜環(huán)境下進行的斷裂定位， 反射波方法仍面臨不少困境， 如勘探深度有限、 有效波信噪比較低． 反射波方法勘探效果不僅與地震波的激發(fā)與接收條件等因素有關(guān)， 還與地下介質(zhì)物性成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)（劉保金等， 2002； 潘紀順等， 2002）． 在炸藥震源限制使用的情況下， 雖可通過增加可控震源的數(shù)量來獲取較強能量的激發(fā)， 但從經(jīng)濟效益和施工效率來講， 反射波方法仍不是優(yōu)選的方案． 而得以重新發(fā)展的微振動勘探方法（microtremor survey method， 簡稱為MSM）則可以彌補人工地震勘探方法的欠缺．

微振動方法是利用臺陣觀測技術(shù)采集地面微振動信號， 采用數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)提取面波（瑞雷波）頻散信息， 再通過瑞雷波反演技術(shù)獲取地下介質(zhì)S波速度結(jié)構(gòu)的地球物理勘探方法（Okada, Suto, 2003; Okada, 2006; 徐佩芬等, 2013）． 微振動信號是一種在時間域、 空間域都極為不規(guī)則的震動現(xiàn)象， 既包含了諸如海浪、 風速、 潮汐等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的震動， 也包含了人類活動產(chǎn)生的震動； 微振動信號中既包含體波， 也包含面波， 其中面波成分占絕對優(yōu)勢． 微振動勘探方法則利用面波（瑞雷波）信息來反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)（徐佩芬等, 2009， 2013）．

微振動勘探方法已廣泛應(yīng)用于盆地結(jié)構(gòu)調(diào)查（何正勤等， 2007）、 工程地質(zhì)勘察（徐佩芬等， 2012）、 場地穩(wěn)定性評價（陶夏新等, 2001）等多個領(lǐng)域， 并且在地熱資源調(diào)查（徐佩芬等， 2013）、 煤礦采區(qū)構(gòu)造及采空區(qū)探測（徐佩芬等， 2013）、 城市地質(zhì)調(diào)查（王振東, 1986； 許建聰, 孫紅月, 2004； 師黎靜等， 2006; 董連成等， 2008； 王偉君等, 2009； 于凱等, 2011）等多個領(lǐng)域取得了應(yīng)用性成果． 其探測深度能從近地表到地下2—3 km （徐佩芬等， 2013）．

到目前為止， 利用微振動勘探方法探測城市區(qū)隱伏斷裂構(gòu)造的研究和應(yīng)用并不多見. 為進一步探討微振動勘探方法探測城市區(qū)隱伏斷裂構(gòu)造的可能性及可靠性， 進一步認識該方法在隱伏斷裂構(gòu)造探測中的優(yōu)勢及不足， 本文利用微振動勘探方法， 針對郯廬斷裂帶兩條分支斷裂即王莊—蘇圩斷裂（F1）和大官莊—雙莊斷裂（F2）進行試驗性勘探， 并將微振動勘探結(jié)果與人工地震勘探結(jié)果進行對比研究．

1 微振動方法的基本原理

1.1 頻散曲線計算

微振動是一種由體波（P波和S波）和面波（瑞雷波和勒夫波）組成的復(fù)雜振動， 并且面波的能量占總能量的70%以上（Toks?z, Lacoss, 1968）． 盡管微振動信號的振幅和形態(tài)隨時間變化， 但在一定時空范圍內(nèi)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性， 可用時間與空間上的平穩(wěn)隨機過程描述（Aki, 1957）． 微振動勘探方法就是以平穩(wěn)隨機過程為理論依據(jù)， 從微振動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線， 通過對頻散曲線反演獲取地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)． 頻散曲線的穩(wěn)定性對探測結(jié)果具有決定性的影響， 且微振動信號中既包含了長周期信號， 也包含了短周期信號， 為了最大限度提取微振動信號中的有用信息， 同時保證頻散曲線的穩(wěn)定性， 本文綜合空間自相關(guān)（spatial autocorrelation, 簡稱為SPAC）法和頻率-波數(shù)法來提取微振動觀測頻散曲線．

Aki（1957）提出的空間自相關(guān)法， 把復(fù)雜的地震波場作為時間與空間的穩(wěn)態(tài)隨機過程， 確定地震波的時間與空間頻譜關(guān)系， 把空間自相關(guān)系數(shù)ρ（r,ω）作為相速度c（ω）和頻率ω的函數(shù)， 即

（1）

式中， J0（x）是x的第一類零階貝塞爾函數(shù)，r為觀測半徑. 對不同r處的地震記錄進行窄帶濾波， 獲取頻率ω對應(yīng)的空間自相關(guān)系數(shù)ρ（r,ω）， 再帶入式（1）便可求取不同ω相對應(yīng)的c（ω）． 經(jīng)多次對修正空間自相關(guān)（modified spatial autocorrelation, 簡稱為MSPAC） （Bettigetal, 2001）、 擴展空間自相關(guān)（extended spatial autocorrelation, 簡稱為ESPAC） （Ling, Okada, 1993）及無中心點觀測排列（centerless circular array, 簡稱為CAA） （Choetal, 2006）等方法的改進， SPAC方法已不再局限于圓形臺陣幾何排列方式， 而是使用更為靈活的臺陣布設(shè)來適應(yīng)觀測環(huán)境． 本文采用修正空間自相關(guān)方法來提取頻散曲線．

頻率-波數(shù)法（f-k）（Capon, 1969）即將微振動信號從時間-空間域轉(zhuǎn)換到頻率-波數(shù)域進行分析， 利用波數(shù)矢量的方向性， 從頻率-波數(shù)譜圖中推算出入射波的方向和瑞雷波相速度的大?。?Capon（1969）提出了高分辨率集束（high resolution beamform, 簡稱為HSBF）方法， 該方法用傳感器臺陣的互功率譜密度來估計f-k譜， 用相干來完善之．f-k譜可寫為

（2）

1.2 微振動剖面形成

傳統(tǒng)的單點微振動測試， 即利用實測瑞雷波頻散曲線反演得到臺陣中心點下方介質(zhì)的一維S波速度結(jié)構(gòu)． 但對于構(gòu)造探測而言， 我們往往需要了解剖面上巖性的相對變化而無需反演S波速度的絕對值． 所以， 在獲得單點實測相速度頻散曲線后， 利用式（3）將其轉(zhuǎn)換為S波視速度（Vx）隨深度d的變化（Vx-d）曲線， 再對各測點的Vx-d曲線進行橫向插值、 平滑計算， 最終獲得二維視速度剖面（徐佩芬等, 2009， 2013）.

（3）

式中:vr為瑞雷波速度;ti為周期， 下標i為頻點序數(shù)．Vx雖具有速度量綱， 但與具有明確物理含義的相速度Vr與S波速度VS具有質(zhì)的差異.Vx避免了反演過程中的初始模型設(shè)置、 反演結(jié)果選擇判斷等人為因素的影響. 微振動剖面能客觀地、 有效地反映地層巖性變化， 是地質(zhì)解釋的主要依據(jù)． 該方法已成功應(yīng)用于實際工程勘察中（徐佩芬等， 2013）．

2 數(shù)據(jù)觀測及處理

2.1 數(shù)據(jù)觀測

微振動觀測臺陣的半徑稱為觀測半徑r, 其決定探測深度H． 通常情況下， 探測深度H=（3—5）r（Okada, Suto, 2003； 徐佩芬等， 2013）． 為了滿足勘探深度要求以及數(shù)據(jù)處理的需求， 實際觀測中采用多個觀測臺陣組成的多重觀測系統(tǒng)進行組合觀測． 其中三重圓形臺陣觀測系統(tǒng)由10個觀測點組成， 1個置于圓心， 其余9個分別置于內(nèi)接三角形的頂點（圖1）．

圖1 三重圓形微振動觀測系統(tǒng)示意圖

圖2為微振動觀測點、 斷裂構(gòu)造及地震勘探測線分布圖． 圖中斷裂構(gòu)造引用了“宿遷市城市活斷層探測與地震危險性評價”項目對隱伏斷裂構(gòu)造的勘探成果， 其斷裂構(gòu)造的空間位置精度較高． 圖2中黑色三角形代表微振觀測臺陣中心觀測點的位置． 觀測點近東西向分布， 橫跨郯廬斷裂帶， 采用GPS-Corss進行定位， 水平定位誤差控制在5 cm以內(nèi)． 儀器采用GEIWSR-II型無纜自定位地震儀和CDJ-S2C型2 Hz三分量地震檢波器， 采樣率500 Hz， 每個觀測點連續(xù)記錄20分鐘．

圖2 微震動觀測點、 斷裂構(gòu)造及地震勘探測線分布圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

對于時長20分鐘的微振動觀測數(shù)據(jù)， 剔除被場地噪聲明顯干擾的數(shù)據(jù)段或者選擇信號質(zhì)量較高的時段進行MSPAC和f-k計算， 并提取頻散曲線． 圖3a為典型微振動原始記錄． 可以看出， 各觀測臺記錄信號形態(tài)相似， 具有較強的一致性， 信號能量在0.1—10 Hz之間分布， 但主要集中在1.4—2.2 Hz （圖3b）． 圖4給出了分別采用f-k法和MSPAC法計算的頻散曲線. 可以看出，f-k法和MSPAC法提取的頻散曲線趨勢、 形態(tài)相似， 但細節(jié)略有差異. 這種差異與頻散曲線提取的算法有關(guān)， 也與人為因素有關(guān); 頻散能量基本上呈帶狀分布. 本文首先確定頻散能量團的上、 下限， 再取上、 下限值的均值作為該方法所獲取的頻散曲線． 為保證計算結(jié)果的穩(wěn)定性， 本文采用了f-k法和MSPAC法提取的頻散曲線均值作為最終觀測頻散曲線． 在獲取各觀測點頻散曲線后， 利用式（3）將Vr-d曲線轉(zhuǎn)換成Vx-d曲線， 再對各測點的Vx-d曲線進行橫向插值、 平滑計算， 最終獲得二維視速度剖面（徐佩芬等, 2009， 2013） ．

圖3 微振動原始記錄（a）及其頻譜（b）

圖4 采用MSPAC法（a）和f-k法（b）計算得到的頻散能量分布圖； （c） 所提取的觀測頻散曲線

3 微振動勘探結(jié)果

圖5為A3553測線（圖2）微振動勘探視S波速度剖面， 全長3.173 km． 根據(jù)視S波速度差異性， 在勘探深度范圍內(nèi)， 可識別出4套地層， 即第四系、 新近系、 白堊系和太古界-元古界地層．A3553剖面的介質(zhì)結(jié)構(gòu)除在縱向上表現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)外， 在橫向上呈現(xiàn)出強烈的非均勻性． 第四系（黏土為主）底界面除局部有起伏變化外, 整體較為平坦. 新近系（中粗砂為主）底界面起伏明顯， 該地層在A37、A38、A39、A46、A49、A50號測點下方界面起伏明顯， 新近系底界面總體由西向東逐漸變淺；A46號測點下方存在連續(xù)的視S波速度梯度帶， 推測該處存在斷點f1-1． 以A46號測點為界， 其西側(cè)下伏基巖為上白堊統(tǒng)王氏組砂巖（K2w）， 東側(cè)為太古界—下元古界片麻巖．

圖5 A3553微振動勘探視S波速度Vx剖面虛線為視速度等值線， 實線為主要地層的分界面

圖6為與微振動勘探A3553剖面相鄰的人工地震勘探剖面（QL35）（許漢剛等, 2013）, 其位置見圖2所示. 通過微振動勘探剖面（圖5）與人工地震勘探剖面（圖6）對比可以看出， 微振動勘探剖面對主要地層的解譯與人工地震勘探結(jié)果具有較強的一致性， 例如新近系地層頂面、 基巖頂面起伏均由東向西逐漸加深， 且局部變化明顯； 微振動勘探剖面A46觀測點下解譯的斷點f1-1與QL35人工地震勘探剖面上解譯的斷點形態(tài)具有較強的一致性， 斷點位置也較為接近．A3553剖面上斷點f1-1約在2410#樁號， 而QL35剖面解譯的斷點在2765#樁號, 造成斷點位置不一致的原因， 除兩條勘探測線位置不重合外， 也與解釋人員對資料的判讀和識別有關(guān)． 在A37—A39測點范圍內(nèi)， 也存在較為明顯的視S波速度變化， 且該處視S波速度異常與QL35人工地震勘探剖面上f5-1斷點（1035#樁號）位置一致性較好． 但考慮到A37—A39觀測點分布偏向斷裂一側(cè)， 且未能有效橫跨擬探測斷裂構(gòu)造（圖2）， 同時這些觀測點觀測時受到外界干擾（臨S249省道及S49新?lián)P高速）較為明顯， 因此在對斷裂解譯時并未對該處視S波速度異常進行解釋．

圖6 QL35測線人工地震勘探剖面（引自許漢剛等， 2013）

圖7為A0121測線（圖2）微振動勘探視S波速度剖面． 圖中細虛線表示視S波速度等值線， 剖面全長2.778 km． 根據(jù)視S波速度的差異性及視速度梯度變化， 在勘探深度范圍內(nèi)， 可識別出4套地層， 即第四系、 新近系、 上白堊統(tǒng)和下白堊統(tǒng)地層． 第四系（黏土為主）底界面除局部有起伏變化外， 整體較為平坦； 新近系（中粗砂為主）底界面起伏明顯， 埋深總體由西向東逐漸加深， 受斷裂作用明顯； 上白堊統(tǒng)王氏組砂巖（K2w）和下白堊統(tǒng)青山組凝灰?guī)r（K1q）頂界面埋深起伏明顯， 可能與斷裂構(gòu)造發(fā)育有關(guān)． 在A8、A9、A10、A14、A15測點下面， 均存在顯著的視S波速度梯度帶， 特別是A14和A15測點下， 有連續(xù)多個地層（K--Q）均為視S波速度梯度帶， 推測該處可能存在斷點f2； 在A9測點下面， 從下白堊統(tǒng)（K2w）到第四系（Q）也為視S波速度梯度帶， 但下白堊統(tǒng)（K1q）地層連續(xù)， 推測該處存在斷點f2-1． 從視S波速度梯度帶可以看出， 斷點f2-1切割深度及規(guī)模均小于斷點f2．

圖7 A0121微振動勘探視S波速度剖面

圖8 測線人工地震勘探剖面QL15（引自許漢剛等， 2013）

圖8為與微振動勘探A0121剖面位置相鄰的人工地震勘探剖面QL15． 通過微振動勘探剖面（圖7）與人工地震勘探剖面（圖8）對比可以看出，A0121剖面對主要地層及斷裂構(gòu)造的解譯與QL15剖面解譯結(jié)果具有較好的一致性， 例如上白堊統(tǒng)地層頂面埋深由西向東逐漸加深、 新近系地層頂面起伏不明顯的特征等．A0121剖面A9觀測點下面解譯的斷點f2-1與QL15剖面1784#樁號下方解譯的斷點f2-1位置一致性也較好；A0121剖面A14和A15測點下面的解譯斷點f2與QL15剖面2488#樁號下方基巖頂面反射波組不連續(xù)的位置也具有較強的一致性．

4 討論與結(jié)論

微振動勘探A0121剖面、A3553剖面與人工地震勘探QL15剖面、QL35剖面位置相鄰或相近， 兩種不同的勘探方法雖對主要地層及斷裂的解譯具有較好的一致性， 但對地層或斷裂細節(jié)特征的反映則有所差異．

人工地震勘探剖面對斷裂空間位置具有精確的定位能力， 如對斷點的定位可以精確到樁號， 空間誤差控制在幾個共深度點（CDP）范圍內(nèi)， 也能較好地揭示各地層之間的接觸關(guān)系和斷裂的發(fā)育形態(tài)等， 如QL35剖面在斷裂F1發(fā)育處顯示上白堊統(tǒng)王氏組砂巖與太古界─下元古界片麻巖呈不整合接觸關(guān)系， 并表現(xiàn)出擠壓逆沖的特征. 同時人工地震勘探對地層埋藏深度的確定也有較高的精度， 可以獲取各層位的絕對埋深． 受激發(fā)條件所限， 人工地震勘探對基巖內(nèi)部層位的確定能力明顯較弱， 因而對斷裂構(gòu)造較深層位發(fā)育特征的確定受到一定的限制．

微振動勘探方法最顯著的特征是勘探深度大， 可以有效揭示基巖內(nèi)部層位的發(fā)育． 例如A0121剖面、A3553剖面的有效勘探深度可達900 m左右， 且給出勘探區(qū)域4套地層的發(fā)育特征、 接觸關(guān)系、 埋深及相對厚度等信息．A0121剖面顯示下白堊統(tǒng)青山組（K1q） 地層頂面埋深約600 m左右， 上白堊統(tǒng)王氏組（K2w）地層厚度約400 m左右；A3553剖面顯示上白堊統(tǒng)王氏組（K2w）地層厚度約400 m左右， 其頂面埋深由西向東逐漸變淺， 并在F1斷裂附近呈尖滅形態(tài)， 超覆于太古界─下元古界片麻巖之上． 上述結(jié)果與前人在該區(qū)所獲取的勘探結(jié)果相一致（謝瑞征等， 1994）．

得益于較深的勘探深度， 微振動勘探剖面可以較清楚地揭示斷裂構(gòu)造在淺部地層的發(fā)育特征及其形態(tài)． 例如斷點f2-1在微振動勘探剖面和人工地震勘探剖面均有顯示， 但從人工地震勘探剖面上并不能識別出斷點f2-1下方下白堊統(tǒng)青山組（K1q）地層的連續(xù)性， 只顯示出上白堊統(tǒng)王氏組（K2w）地層頂面的不連續(xù)性. 由A0121剖面可以看出，f2斷點不僅錯斷了第四系、 新近系及上白堊統(tǒng)地層， 也錯斷了下白堊統(tǒng)地層． 就斷點規(guī)模而言，f2斷點的規(guī)模明顯大f2-1斷點， 推測f2斷點為主斷面的可能性較大．A3553剖面和對斷點f1-1的識別與QL35剖面解譯結(jié)果具有較強的一致性. 其原因之一就是斷點f1-1兩側(cè)巖性存在顯著差異， 微振動勘探方法對斷裂構(gòu)造解譯主要依據(jù)視S波速度梯度， 因而對巖性差異面的識別具有較好的分辨率． 微振動勘探方法的空間分辨率與觀測臺陣半徑有關(guān)， 而觀測半徑又與勘探深度相關(guān)， 因此在確定了勘探目的層和微振動勘探觀測系統(tǒng)后， 微振動勘探的空間分辨率就基本確定了． 就空間分辨率而言， 淺層人工地震勘探法適合對斷裂構(gòu)造的詳查， 而微振動勘探方法較適合對斷裂構(gòu)造普查．

綜上所述， 微振動勘探方法對城市區(qū)隱伏斷裂具有較好的空間定位能力， 特別是對斷裂作用下的巖性差異面定位與人工地震勘探定位精度相當． 得益于其較深的勘探深度， 微振動勘探可以有效揭示勘探區(qū)域下覆地層及斷裂的空間展布特征， 對識別和判斷主斷裂面有重要意義， 但其對地層或斷裂細節(jié)特征的揭示能力較差． 因此， 在實際地層或斷裂勘探中， 可選用人工地震勘探方法與微振動勘探方法相結(jié)合的方法， 二者取長補短， 以獲取斷裂構(gòu)造的深淺層發(fā)育特征．

微振動成像方法是以視S波速度來反映地層或斷裂特征， 視S波速度可以有效突出介質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性以及減少反演過程中的人為因素干擾， 但在對視S波速度剖面進行量化解釋時， 則需要參考其它資料．

審稿專家為本文的完善提出了合理化建議， 浙江省地震工程研究所和江蘇省地震工程研究院的同仁參與微振動野外觀測， 吉林大學儀器科學與電氣工程學院提供了觀測儀器， 作者在此一并表示衷心的感謝．

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Detecting buried fault structures by microtremor survey method

1）EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince,Nanjing210014,China2）CollegeofInstrumentation&ElectricalEngineering,JilinUniversity,Changchun130061,China

The methods and schemes of detecting buried fault structures using microtremor survey method are introduced, by which two branch faults of the Tanlu fault zone are explored. Comparison with the shallow seismic exploration results indicates that the spatial locating ability of microtremor survey method is better to detect the buried fault structure, the location error of fault caused by lithological differences is close to that from the results of the shallow seismic exploration. For its deep exploration ability, the microtremor survey method can reveal the spatial distribution characteristics as well as contact relationship between the strata and the faults beneath the microtremor survey arrays, which is important to identify and confirm the main rupture surface of faults. However, the microtremor survey method is difficult to reveal or describe the detail features of faults. To explore the strata or faults, it is the best to combine the shallow seismic exploration method with the microtremor survey method to study the relationship between deep and shallow faults. The microtremor survey method can be used to detect fault roughly, and then the shallow seismic method can be used to determine accurate position of faults after knowing the general location and spatial characteristic of faults.

mircrotremor survey method; buried fault structure; shallow seismic exploration

10.11939/jass.2015.01.012.

江蘇省社會發(fā)展項目（BE2010753）、 蘇州市“活斷層探測與地震危險性評價”項目（JSE-2010-SZ）和宿遷市“活斷層探測與地震危險性評價”項目（JSE-2012-SQ）共同資助.

2014-04-22收到初稿， 2014-08-04決定采用修改稿.

e-mail: nj_fxp@163.com

10.11939/jass.2015.01.012

P315.2

A

范小平, 李細兵, 趙啟光, 宋浩, 戴波, 張帥帥. 2015. 用微振動勘探方法探測隱伏斷裂構(gòu)造. 地震學報, 37（1）: 134--143.

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