徐吉祥　張曉亮　李瀟　王繼明　薛愛民　舒律

關(guān)鍵詞：地震勘探;主動(dòng)源面波;混合源面波;三分量地震頻率諧振;隱伏活動(dòng)斷裂

面波是一種彈性波，它的能量主要集中于距離自由地表約一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其基本原理是體波通過與自由界面或分層介質(zhì)的彈性分界面相互作用，并滿足物理上的自由邊界條件或界面的連續(xù)條件而產(chǎn)生。按照能量源不同，面波勘探可分為主動(dòng)源面波和被動(dòng)源面波勘探（黃真萍等，2015），其中，主動(dòng)源面波法又稱穩(wěn)態(tài)面波或瞬態(tài)面波法，并逐漸發(fā)展為多道瞬態(tài)面波技術(shù)等;但被動(dòng)源面波法在世界范圍內(nèi)名稱尚未統(tǒng)一，如在美洲稱為被動(dòng)源面波，在日本稱為微動(dòng)技術(shù)，在歐洲則稱為環(huán)境噪聲成像等（趙東，2010）。采用人工激發(fā)的彈性波作為震源的主動(dòng)源勘探方法，探測(cè)精度較高，但易受震源能量和排列長(zhǎng)度的限制，勘探深度有限;而利用長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)環(huán)境噪聲記錄的被動(dòng)源探測(cè)方法，其探測(cè)深度大，但易受信號(hào)能量弱和頻率低的影響，其探測(cè)精度較差（夏學(xué)禮等，2008;劉康和等，2001）。在地表淺層勘探中，聯(lián)合主動(dòng)源和被動(dòng)源面波勘探優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既提高探測(cè)深度，又保證探測(cè)的分辨率。探測(cè)過程中充分利用不同頻段信息的分辨力，通過對(duì)頻譜地震信息拼接提取頻散曲線進(jìn)行聯(lián)合勘探（劉慶華等，2015;徐元璋等，2013）。三分量地震頻率諧振勘探采用地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)P和S波諧振頻率，識(shí)別地下界面波阻抗差大小和界面傾斜度。波阻抗大，其效應(yīng)大;界面傾斜度高，則其效應(yīng)較小;通過地下某巖層分界面對(duì)應(yīng)某一特定的地震諧振頻率，分析諧振頻率可以獲得地下巖層位置和波阻抗信息（王振東，2006;李華等，2020）。

本文以黃莊-高麗營(yíng)斷裂為例，采用主動(dòng)源面波、混合面波勘探和三分量頻率諧振勘探方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了各種方法在活動(dòng)斷裂淺部地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查中的應(yīng)用效果，總結(jié)了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，研究成果可為淺表地震勘探方法應(yīng)用于城市地質(zhì)調(diào)查工作提供參考。

1概況

黃莊-高麗營(yíng)斷裂是橫穿北京市平原區(qū)的一條隱伏活動(dòng)斷裂，整體呈正斷傾滑性質(zhì)，控制著北京凹陷和西山隆起的邊界（圖1）。該活動(dòng)斷裂南起河北省涿州，在北京境內(nèi)由西南向東北一直延展到密云以西，走向NNE，總長(zhǎng)132 km。斷裂形成于燕山運(yùn)動(dòng)末期，切割了侏羅系及以前的地層，控制了白堊系、古近系和新近系，第四紀(jì)以來仍有活動(dòng)（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，2007;張曉亮等，2016）。

1966年石油部探測(cè)北京平原區(qū)地質(zhì)構(gòu)造格局時(shí)發(fā)現(xiàn)黃莊一高麗營(yíng)斷裂，之后諸多學(xué)者從各個(gè)角度對(duì)其構(gòu)造特征和活動(dòng)性進(jìn)行了研究。徐杰等（1992）對(duì)大灰廠段的斷裂活動(dòng)性研究表明此斷裂中更新世仍顯著活動(dòng);高文學(xué)等（1993）認(rèn)為黃莊一高麗營(yíng)斷裂是整體呈正斷傾滑性質(zhì)的晚更新世活動(dòng)斷裂，并將該斷裂劃分為3個(gè)基本段落;馬文濤等（2004）利用高精度淺層地震探測(cè)獲取了黃莊-高麗營(yíng)斷裂北京市立水橋附近的地下淺表結(jié)構(gòu)，主要由2條相距1300 m近平行的東西走向的次級(jí)斷裂組成，2條次級(jí)斷裂在634 m處相交，斷裂斷距8m;劉保金等（2009）采用深地震反射剖面精細(xì)揭示黃莊-高麗營(yíng)斷裂的深淺構(gòu)造特征，其向下可延伸到8～9 km的深度;高戰(zhàn)武等（2010）研究認(rèn)為斷裂蘆井—曉幼營(yíng)段下方未發(fā)現(xiàn)地殼速度結(jié)構(gòu)的橫向變化及小地震定向排列現(xiàn)象，推斷其下方可能不存在殼內(nèi)深斷裂。

近年來在高麗營(yíng)鎮(zhèn)等區(qū)域發(fā)現(xiàn)多處地裂縫造成的建筑和公路破壞（劉元章等，2019）。例如，高麗營(yíng)鎮(zhèn)村民住房的墻體曾遭破壞，周邊公路也曾因路面塌陷一度中斷;位于地裂縫帶上的多處民房出現(xiàn)貫通性裂縫;北京華都肉雞廠南墻東南下降30 cm導(dǎo)致墻體破壞;西王路中路一民房房屋墻體開裂，并有加大趨勢(shì)。諸多證據(jù)顯示上述破壞均與黃莊—高麗營(yíng)斷裂密切相關(guān)（賈三滿等，2007）。2009年，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷裂穿越某規(guī)劃建設(shè)區(qū)，建設(shè)方根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)斷裂采取了避讓措施，目前已開展對(duì)斷裂的監(jiān)測(cè)工作，結(jié)果顯示斷裂活動(dòng)仍在持續(xù)。

實(shí)踐證明，通過對(duì)受損建筑的加固和修補(bǔ)并不能有效阻止地裂縫的破壞和繼續(xù)發(fā)展，針對(duì)活動(dòng)斷裂引發(fā)的地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，應(yīng)在重大工程建設(shè)前期提前開展調(diào)查研究工作，對(duì)斷裂進(jìn)行精確定位和活動(dòng)性分析，及時(shí)采取科學(xué)的避讓措施或工程手段。因此，對(duì)隱伏活動(dòng)斷裂的探測(cè)工作就顯得尤為重要。

2數(shù)據(jù)采集與處理

試驗(yàn)地點(diǎn)為順義區(qū)高麗營(yíng)鎮(zhèn)順沙路綠化帶，區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，干擾較少，便于開展工作。

混合源面波勘探法采用線性陣列技術(shù)，聯(lián)合主動(dòng)源與被動(dòng)源對(duì)地下淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行勘探。地震采集儀采用德國(guó)DMT公司生產(chǎn)的Summit，檢波器為威海雙豐物探股份有限公司生產(chǎn)的4.5 Hz低頻檢波器，采用單邊激發(fā)，主動(dòng)震源為50 kg落錘，36道接收，檢波點(diǎn)距1.5 m，炮間距1.5 m，最小偏移距15 m，采樣率1ms，記錄長(zhǎng)度10 s。

數(shù)據(jù)后期處理采用北京派特森科技股份有限公司自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理流程見圖2。

三分量地震頻率諧振H/V譜比技術(shù)勘探，使用的是Summit地震采集儀和威海雙豐物探股份有限公司生產(chǎn)的2 Hz三分量檢波器，震源為50 kg落錘。采用單邊激發(fā)裝置，36道接收（12個(gè)三分量檢波器），檢波點(diǎn)距2m。炮間距2m，最小偏移距奇數(shù)炮14 m，偶數(shù)炮12 m，采樣率4 ms，記錄長(zhǎng)度30 s。

數(shù)據(jù)后期處理同樣采用北京派特森科技股份有限公司自主研發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件，數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

3結(jié)果與討論

主動(dòng)源多道瞬態(tài)面波主要用于地下淺層結(jié)構(gòu)的精細(xì)化探測(cè)，而混合源多道瞬態(tài)面波能夠?qū)ι畈亢蜏\部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。在此基礎(chǔ)上，利用三分量地震頻率諧振勘探方法勘探成果與上述2種方法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，比較3種方法優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1主動(dòng)源多道瞬態(tài)面波

主動(dòng)源多道瞬態(tài)面波法獲取數(shù)據(jù)處理后的剖面如圖4。根據(jù)橫波波速不同，剖面上低層分界面明顯，其中10 m以上地層橫波速度相對(duì)較大，主要在200 m·s^-1以上，推測(cè)為黏質(zhì)粉砂為主的細(xì)顆粒沉積物;10～15 m深度的地層，橫波速度明顯降低，速度約100～130 m.s^-1，推測(cè)為含水率較高的砂質(zhì)黏土層。在水平距離71 m，約10 m深處，橫波速度出現(xiàn)階梯式變化，根據(jù)橫波速度變化及層位形態(tài)分布可推斷此處為由斷裂錯(cuò)斷地層所致，通過與地表活動(dòng)斷層引起的路面破裂位置對(duì)比，波速突變位置與路面破裂的位置相吻合。由波速與時(shí)間的關(guān)系可計(jì)算出此處斷距約2m，表明斷裂在地表以下10 m深處上下兩盤出現(xiàn)1～2 m的層位錯(cuò)動(dòng)。

3.2混合源多道瞬態(tài)面波

混合源多道瞬態(tài)面波，綜合主動(dòng)源信號(hào)和被動(dòng)源噪聲信號(hào)（本次探測(cè)主要來自通過順沙路車輛產(chǎn)生的噪聲），優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既增加了探測(cè)深度，又保證了探測(cè)的分辨率。

與主動(dòng)源探測(cè)結(jié)果相比，混合源探測(cè)剖面（圖5）在地下15 m內(nèi)的成像效果不如主動(dòng)源探測(cè)結(jié)果。但在15～40 m深度范圍內(nèi)，橫向上出現(xiàn)一個(gè)明顯低速異常通道，該異常位置與斷裂位置吻合，初步判斷可能與斷裂帶引起的地層破碎有關(guān)。但斷裂帶兩側(cè)并未顯示出地層的垂直錯(cuò)動(dòng)，推測(cè)深部覆土層，除破碎帶以外，斷裂上下盤并未出現(xiàn)明顯的速度差。

3.3三分量地震頻率諧振

三分量地震頻譜諧振H/V譜比的探測(cè)剖面如圖6，在測(cè)線水平距離75 m處，斷裂位置較為清晰，在8～12 m深度的低H/V譜比帶（藍(lán)到淺藍(lán)色），與主動(dòng)源探測(cè)剖面上（圖4）10～15 m深度的低速異常帶特征相似，斷裂兩側(cè)出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，但在探測(cè)深度上存在2—3 m誤差。其產(chǎn)生原因可能是缺少對(duì)地層對(duì)比資料和橫波速度信息標(biāo)定，無法提供準(zhǔn)確的地層對(duì)比資料和橫波速度信息。

4結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了主動(dòng)源多道瞬態(tài)面波、被動(dòng)源多道瞬態(tài)面波和三分量地震頻率諧振H/V譜比3種地球物理方法在探測(cè)活動(dòng)斷裂淺部精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)查應(yīng)用效果，取得的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)如下：

1）主動(dòng)源多道瞬態(tài)面波勘探方法，能夠?qū)Φ乇硪韵?5 m以淺地質(zhì)信息，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)及地層進(jìn)行相對(duì)精細(xì)刻畫;混合源多道瞬態(tài)面波勘探方法，結(jié)合了主動(dòng)源信號(hào)和被動(dòng)源（噪聲），能夠有效補(bǔ)充低頻頻段信號(hào)，增加探測(cè)深度;三分量地震頻譜諧振H/V譜比勘探方法，能夠?qū)Φ乇硪韵?5 m深度范圍內(nèi)的地質(zhì)信息進(jìn)行較為詳細(xì)的刻畫。

2）3種不同方法對(duì)斷裂探測(cè)的特征基本一致，相互印證，大大提高了解釋的可信度。同時(shí)，該方法組合有效地解決了地表超淺部地震勘探難的技術(shù)難題，為今后開展地表超淺部地質(zhì)探測(cè)提供了重要手段。

3）三分量地震頻譜諧振H/V譜比探測(cè)結(jié)果與瞬態(tài)面波探測(cè)結(jié)果存在水平位置和深度差異，推測(cè)誤差產(chǎn)生的原因主要是對(duì)地層的橫波速度判斷出現(xiàn)偏差，若獲取橫波速度資料對(duì)地震速度進(jìn)行校正，可以減少或避免相應(yīng)誤差，相關(guān)工作有待進(jìn)一步研究。