孟立朋，彭遠黔，冉志杰，溫 超，王 燕

(河北省地震局，石家莊 050021)

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淺層地震勘探在工程選址中的應(yīng)用及斷層活動性鑒定

孟立朋，彭遠黔*，冉志杰，溫 超，王 燕

(河北省地震局，石家莊 050021)

石油地質(zhì)資料顯示，滄州某擬建工程廠址地下深部展布有3條斷層，通過淺層地震勘探確認，其中2條斷層埋深較深，另1條斷裂埋藏較淺，延伸至近地表。通過跨斷層鉆探、地層年代測試等詳實工作，鑒定了該斷層的活動性，依據(jù)有關(guān)研究成果評價了斷層對工程的影響，為斷層確認及其活動性鑒定在工程中的實際應(yīng)用提供借鑒。

淺層地震勘探；跨斷層鉆探；斷層活動性

0 引言

工程廠址位于孔店凸起區(qū)，斷裂構(gòu)造環(huán)境較為復(fù)雜[1]，斷層探測及其活動性鑒定是該項目選址工作中的一項重要內(nèi)容。石油地質(zhì)資料顯示，在廠址深部展布3條斷層。為確定斷層在近地表的展布及其活動特征，需開展淺層地震勘探，并在此基礎(chǔ)上，開展跨斷層鉆探、第四紀地層年代測試等工作，對斷層的活動性進行鑒定，并評價地層對工程的影響。

1 斷層構(gòu)造及第四系地層

據(jù)大港油田孔店凸起構(gòu)造帶地震反射T2層(相當于館陶組底界)構(gòu)造資料，該廠址及周邊5 km范圍內(nèi)斷層以NE向為主，存在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級斷層(圖1)。

Ⅱ級斷層(孔東斷層F12、孔西斷層F7)：為盆地或坳陷內(nèi)部次一級凹陷和凸起之間的邊界斷層。通常控制箕狀凹陷的形成和演化，其斷層深度一般可達中生界甚至更深，為基底斷層。

Ⅲ級斷層：為控制凹陷內(nèi)部凸起的構(gòu)造帶。這些斷層多數(shù)為前第四系斷層。

Ⅳ級斷層：為規(guī)模較小，長度一般小于4 km的斷層，通常發(fā)育于第三系沉積蓋層中，有時可切入前第三系基底。這種斷層數(shù)量較多，形成眾多的斷塊或鼻狀圈閉。

其中，Ⅲ級斷層F9和Ⅳ級斷層F10、F11展布于廠址附近。為確定這3條斷層近地表的展布以及活動特征，在廠址及附近開展了淺層地震勘探。

廠址位于河北平原區(qū)的滄州地區(qū)，自上而下第四系覆蓋層劃為全新統(tǒng)(Qh)、上更新統(tǒng)(Qp3)、中更新統(tǒng)(Qp2)和下更新統(tǒng)(Qp1)，第四系各組地層的巖性特征簡述如下：

①全新統(tǒng)(Qh)：底部常有一層黃褐色殘留古土壤層或風化淋溶層，向上是淺灰色、灰黃色砂質(zhì)粘土及薄層粉砂、細砂組成的河流相沉積，再向上為淺灰色、黃灰色砂質(zhì)粘土夾透鏡狀粉砂層及黑色淤泥質(zhì)砂質(zhì)粘土夾薄層泥炭層，這是全新統(tǒng)的主要部分；頂部為黃褐色、灰褐色砂質(zhì)粘土夾透鏡狀粉砂層，局部夾薄層淤泥質(zhì)層，濱海地帶有海退形成的貝殼堤，全新統(tǒng)底界面深度26～40 m。

②上更新統(tǒng)(Qp3)：一般是2個沉積旋回，分上、下2段。上段為灰黃、灰和灰綠色、少量淺棕色砂質(zhì)粘土及粉、細砂組成的沖積——淺湖沉積，出現(xiàn)多層淋溶沉積層，是本段地層中標志性特征。本段頂部常有一層黃褐色殘留古土壤層和風化淋溶層，與上覆全新統(tǒng)接觸，可視為一沉積間斷面。下段是灰黃色、黃灰色粘質(zhì)砂土和砂質(zhì)粘土，下部有粉、細砂層，以沖積層、沖積-湖積層為主，其中夾海相層。上更新統(tǒng)與下伏地層有沉積間斷面，上更新統(tǒng)底界面深度150～175 m。

圖1 廠址附近范圍內(nèi)T2層斷層展布示意圖

③中更新統(tǒng)(Qp2)：有2個明顯的沉積旋回，可分上、下2段。下段為黃棕色、灰綠色，局部是棕紅色、灰綠色粘土、砂質(zhì)粘土和中、細砂層，以河、湖相沉積為主；上段是棕黃色、灰綠色砂質(zhì)粘土與細、中砂組成的河湖相沉積。本組地層與下伏地層之間有沉積間斷面，中更新統(tǒng)底界面深度320～360 m。

④下更新統(tǒng)(Qp1)：底界面深度(即第四系下限)一般為350～550 m。其沉積為一套沖積、沖洪積與冰川—冰水堆積及沖積、湖積的粘土、亞粘土夾砂礫石層堆積，普遍含鐵錳結(jié)核，局部粘土含風化長石砂粒，具不明顯的混粒結(jié)構(gòu)。

2 淺層地震勘探

2.1 測線布設(shè)

在廠址南側(cè)布設(shè)地震勘探測線pm1，在廠址中部布設(shè)地震勘探測線pm4、pm6以便有效控制整個廠址。累計完成淺層地震勘探測線6條，其中測線pm3為2 m道間距，其余5條為4 m道間距(圖2)。

圖2 淺層地震勘探測線布置圖

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理

采用美國Geometrics公司StratVisornzxp地震儀進行數(shù)據(jù)采集，采用70 kg沖擊夯源激發(fā)地震波。

為合理選取數(shù)據(jù)采集參數(shù)，進行了擴展排列試驗。圖3為擴展排列地震試驗記錄(96道)，試驗采用道間距4 m，偏移距0 m，全通頻帶記錄。由試驗記錄可知，干擾波表現(xiàn)為強面波、直達波、淺層折射波。面波的頻率和視速度較低，反射波的頻率和視速度較高。在近炮點記錄道上，淺層反射信息豐富；在遠炮點記錄道上，地震記錄的信噪比較高，有效反射波不受干擾波干擾。為獲得淺層反射波，采用小偏移距。

通過試驗和綜合分析，最終選用的工作參數(shù)為：道間距2～4 m，72道接收，0.25 ms采樣率、記錄長度0.8 s，9～12次覆蓋，單點疊加25次，低截頻15 Hz，高截頻為250 Hz，每道采用6個60 Hz組合檢波器串接收。為提高勘探精度，使解釋工作更準確，野外施工時采用接收排列在前、激發(fā)炮點在后、下傾方向激發(fā)、上傾方向接收，單邊放炮，連續(xù)追蹤的反射波法觀測系統(tǒng)。

資料處理采用PlotRefa折射處理軟件、Vista11.0地震反射處理軟件。為了獲得高分辨率的淺層地震資料，在資料處理中通過預(yù)處理，確定合適的處理方法、處理參數(shù)，確保高頻有效反射波在處理中不受損失，盡可能提高資料的信噪比，主要處理方法有真振幅恢復(fù)、地表一致性振幅補償、數(shù)字濾波、初至靜校正、反褶積、速度分析、動校正、剩余靜校正、疊加、偏移、時深轉(zhuǎn)換等。

圖3 擴展排列試驗

2.3 地震勘探資料分析

淺層地震勘探資料分析與解釋主要包括：地震反射剖面的分析、確定主要地層層位與反射層的關(guān)系、斷層的判定[2]。

原始地震記錄經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到反映地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的地震反射時間剖面，經(jīng)時深轉(zhuǎn)換獲得深度剖面。剖面的橫坐標為地下共反射點序號(CDP號)，反射點間距離為道間距的1/2，剖面上共反射點之間的距離為2 m、1 m。

反射剖面上的地層反射波組用T1、T2、T3和T4標示，依據(jù)地震勘探時深轉(zhuǎn)換獲得的反射界面深度結(jié)果與測區(qū)地層資料對比確認，T1、T2、T3代表第四系內(nèi)部的地層界面反射，T4代表第四系的底界，反射波組表現(xiàn)為震相突出，反射波能量相對較強。資料解釋中認為在縱向上地層的沉積是連續(xù)的，在橫向上同一地層的厚度變化不大。有斷層的存在，地層表現(xiàn)為不連續(xù)。

由淺層地震勘探結(jié)果看出，斷層F9、F11在地震測線pm1、pm6中沒有顯示，說明這2條斷層埋藏較深，斷層未延伸于近地表；斷層F10在測線pm1、pm4中均有明顯的顯示。為確定該斷裂在廠址近地表的展布及其活動特征，在距測線pm1南100 m處分別布設(shè)了4 m道間距、9次水平覆蓋淺層地震測線pm2，以及2 m道間距、12次水平覆蓋超淺層地震測線pm3；在廠址東北布設(shè)一條地震測線pm5。限于篇幅，以下只對測線pm1、pm2、pm5勘探結(jié)果進行分析介紹。

1)測線pm1

測線pm1位于廠址南部邊界，測線總長2 800 m，走向近WE。由圖4可見，該剖面具有較高的分辨率和信噪比，反射波組在橫向上能被清晰識別和追蹤。

在600 ms以上出現(xiàn)了多個有效反射波組，對比反射剖面圖中反射波相互關(guān)系，解釋了4組反射界面，自淺到深分別用T1、T2、T3、T4標示。以CDP1301為界以西，4個波組總體呈現(xiàn)水平的特征，在CDP1301附近東西兩段的T2、T3、T4反射波，同相軸不能連續(xù)追蹤。CDP1301以西T2反射界面埋深200 m，以東埋深約250 m，垂直落差較大。根據(jù)剖面中反射波同相軸的橫向變化和上下波組關(guān)系，在CDP1301附近解釋了一個正斷層，斷層傾向東，傾角75°，錯斷T2約50 m，上斷點埋深130 m左右。

圖4 測線pm1淺層地震勘探結(jié)果(彩色圖形顯示)

2)測線pm2

為了查明斷層的走向以及向淺部的延伸情況、追蹤上斷點埋深，在距測線pm1南100 m處分別布設(shè)了道間距4 m、9次水平覆蓋，長度為750 m淺層地震測線pm2(圖5)。由圖可見，剖面圖上顯示了T1、T2、T3、T4共4組穩(wěn)定的反射界面，在CDP121～136之間，反射波同相軸錯斷，解釋為傾向東的正斷層，上斷點埋深125 m左右。道間距2 m、12次水平覆蓋的淺層地震同樣顯示，斷層上斷點埋深125 m。

圖5 測線pm2淺層地震勘探結(jié)果(變面積顯示)

3)測線pm5

為進一步查明斷層的走向、規(guī)模，在距測線pm1東北約3 km處布設(shè)了一條近EW向、道間距4 m、9次水平覆蓋，長度3 000 m淺層地震測線pm5(圖6)。由圖可見，在600 ms以上同樣出現(xiàn)了多個有效反射波組，剖面圖上顯示出T1、T2、T3、T4共4組穩(wěn)定的反射界面。在CDP701以東4套波組中，T2、T3、T4之間的厚度自西往東逐漸增大，在CDP701附近東西2段的T2、T3、T4反射波同相軸明顯被錯動。根據(jù)剖面中反射波同相軸的橫向變化和上下波組關(guān)系，在CDP701附近解釋了一個正斷層，斷層傾向東，傾角約75°，錯斷T2、T3、T4約50 m、90 m、100 m，上斷點埋深135 m左右。

圖6 測線pm5淺層地震勘探結(jié)果(彩色圖形顯示)

廠址及附近6條淺層地震勘探結(jié)果均揭示，廠址第四紀以來的沉積層內(nèi)部存在多組反射能量強，橫向連續(xù)性較好的地層反射波組。上述測線所揭示的斷層特征非常明顯，在斷層附近反射波同相軸明顯錯斷。

綜合淺層地震勘探結(jié)果，圖1中編號F9和F11斷層在淺層地震探測控制的深度范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)斷裂存在的跡象，斷層未延伸至近地表；編號F10的斷層埋藏較淺，展布于廠址的東南部，為走向NEE，傾向ES，傾角75°的正斷層，斷層上斷點埋深125 m左右。

3 斷層活動性鑒定

斷層F10的活動時代確定對工程選址至關(guān)重要。為此，在淺層地震勘探的基礎(chǔ)上，開展跨斷層鉆探、地層年代測試。

3.1 跨斷層鉆孔

在廠址南側(cè)pm2的樁號200～280 m之間布置3個鉆孔(圖7)，鉆孔自西向東分布，孔間距分別為60 m和20 m?？紤]到淺層地震勘探的誤差和沉積地層相變的復(fù)雜性，鉆孔剖面長設(shè)計為80 m，以淺層地震解釋的斷層傾向和上延至地表的位置為基準點，上盤一側(cè)的鉆孔距離基準點10～20 m，下盤剖面端點距基準點60～70 m，為確保鉆探揭穿晚更新世地層，鉆孔設(shè)計深度180 m。

鉆孔探測采用由外向里逐漸逼近的施工方法，鉆探施工中回次進尺1～2 m，單次進尺巖心采取率：粘性土、粉土≥90%，砂≥80%，對于厚度≥0.1 m的地層須編錄，取光釋光年代測試樣品7個。

圖7 跨斷層鉆孔分布地震剖面圖(pm2)

3.2 鉆孔地層對比

對比鉆孔地層巖性，鉆孔地質(zhì)剖面地層自上而下可劃分為28層(圖8)，第1～13層(0～80 m)地層較為穩(wěn)定，略向東傾，厚度變化不大，鉆孔ZK1與ZK2第14～20層(80～120 m)的地層厚度變化較大，地層難以對比，但是其下部第21～23層(120～141 m)地層穩(wěn)定，具有較好的對比性，表明鉆孔ZK1與ZK2在80～120 m之間地層差異是由沉積環(huán)境所致，與斷層無關(guān)。

第24層粉質(zhì)粘土層鉆孔ZK2(141～145.7 m)與ZK3(141～151.7 m)難以對比，地層特征明顯不同，ZK2(141～145.7 m)為黃褐色可塑—硬塑粉質(zhì)粘土夾粉土，ZK3(141～151.7 m)為褐黃色較為堅硬的粉質(zhì)粘土、粘土。

第25層粉砂層鉆孔ZK3與ZK2對比，粉砂層頂界落差為4.0 m，底界落差為5.8 m。第26層粉質(zhì)粘土層的底界鉆孔ZK3與ZK2對比落差為3.5 m，第27層砂層底界鉆孔ZK2比ZK3深2.5 m。

3.3 斷層活動時代鑒定

《滄州市活斷層探測與地震危險性評價項目》(2014)在滄州市實施了標準鉆孔CZ01[3]，其晚更新世底界埋深159.5 m，巖性為中、細砂，其對應(yīng)的光釋光年齡為128 ka。廠址跨斷層鉆孔ZK2 深159.8～173.0 m為厚13.2 m的砂層，其底界對應(yīng)的釋光年齡為123 ka。對比標準鉆孔CZ01與廠址跨斷層鉆孔地層巖性特征及釋光年齡，廠址區(qū)晚更新統(tǒng)地層底界埋深172.0 m左右。

地震勘探、鉆孔探測及測年結(jié)果表明，斷層位于鉆孔ZK2與ZK3之間，斷層的上斷點在141 m，上斷點斷錯的地層年代在101.5±3.5 ka～107.4±2.8 ka之間。根據(jù)第25層粉砂層的斷錯情況判斷，斷距為5.8 m，斷層的最新活動時代為晚更新世。

4 斷層對工程影響評價

斷層活動可以引起地面變形，當變形或變形梯度達到一定的數(shù)值時，在變形帶內(nèi)可以發(fā)生地表位錯。因此，鑒定斷層是否在地表或接近地表處存在顯著的形變、位移對工程至關(guān)重要。韓竹軍[4]依據(jù)國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2001)換算出隱伏活斷層突然錯動產(chǎn)生地表破裂帶的臨界值，即當隱伏活斷層突然錯動引起地表變形梯度達到或者超過0.02時，地表出現(xiàn)破裂帶，依據(jù)位移與應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系(Hook定律)，從隱伏活斷層地表破裂帶隨上斷點埋深、傾角、運動性質(zhì)等變化的模擬計算可知，上斷點埋深≥60 m的隱伏活斷層在未來突發(fā)性錯動發(fā)生地震時，其破裂很難擴展到地表。依據(jù)上述研究，展布于廠址東南部NEE向的斷層F10雖然是一條晚更新世活動斷層，但是其上斷點埋深141 m，若在未來發(fā)生突發(fā)性錯動時，該斷層破裂難以擴展到地表。因此，可忽略斷層錯動對地面建筑的影響。

圖8 跨斷層鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面圖

5 結(jié)論與認識

1)地震勘探與鉆孔探測結(jié)果表明，展布于廠址東南部NEE向的斷層F10是一條晚更新世活動斷層，其上斷點埋深141 m。

2)依據(jù)有關(guān)研究成果，該斷層若在未來發(fā)生突發(fā)性錯動時，其破裂難以擴展到地表，可忽略斷層錯動對地面建筑的影響。

3)淺層地震勘探具有多解性和間接性，鉆探直接揭示地層，可準確判斷斷層的位置以及活動特征。鉆探對斷層成功探測必須以地球物理勘探，尤其是地震勘探結(jié)果為基礎(chǔ)；保證鉆探對斷層定位有效性的另一前提是鉆探施工質(zhì)量。為此，需采取有效措施控制鉆孔施工，確保施工質(zhì)量，如派駐技術(shù)人員全程監(jiān)督鉆探施工。

[1] 李明剛，漆家福，楊橋，等．渤海灣盆地黃驊坳陷新生代結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)造動力學(xué)模式[J]．地球?qū)W報，2009，30(2)：201-209．

[2] 蔡玲玲，楊岐焱，郭秋娜，等．綜合地球物理方法在地震安全性評價中的應(yīng)用和成果[J] ．華北地震科學(xué)，2016,34(1)：21-29．

[3] 中國地震局地球物理研究所．河北省城市活斷層探測與地震危險性評價項目滄州市活斷層探測與地震危險性評價分項目技術(shù)報告[R]．2014．

[4] 韓竹軍,冉勇康,徐錫偉.隱伏活斷層未來地表破裂帶寬度與位錯量初步研究[J].地震地質(zhì),2002,24(4): 484-494.

Shallow Seismic Exploration and Fault Activity Identification in Engineering Site

MENG Li-peng,PENG Yuan-qian,RAN Zhi-jie,WEN Chao,WANG Yan

(Earthquake Administration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China)

Petroleum geological data show that,there are three deep faults in the engineering site of Cangzhou.The detailed work contained the shallow seismic exploration,drilling and formation age test of fault overlying Quaternary strata.The activity of the fault is identified and the influence of the fault to the engineering is evaluated.It provides a typical example for the practical application of fault activity identification in the important engineering location.

shallow seismic exploration; cross fault drilling; fault activity

孟立朋，彭遠黔，冉志杰，等．淺層地震勘探在工程選址中的應(yīng)用及斷層活動性鑒定[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(4):20-27.

2016-04-06

河北省地震科技星火計劃項目“河北省1：25萬地震構(gòu)造圖編制”(DZ20150504104)

孟立朋(1983—)，男，河北石家莊人，工程師，主要從事地震地質(zhì)研究．E-mail：782679390@qq.com

*通訊作者：彭遠黔(1965—)，男，河北石家莊人，高級工程師，主要從事工程地震研究．E-mail：pengyq84531@126.com

P315.9

A

1003-1375(2016)04-0020-08

10.3969/j.issn.1003-1375.2016.04.004