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浅层地震勘探在城市活断层探测中的应用

发布时间:2019-10-23所属分类:工程师职称论文浏览:1

摘要: 城市地震严重威胁着人们的生命财产安全,进入 21 世纪以来,世界各国开始重视对城市活断层危险性的评价工作,相继开展了一系列的地球物理勘探工作。其中,浅层人工地震勘探工作的探测效果最好,在城市地震危险性评价中发挥着重要的作用。鉴于城市背景

  摘要: 城市地震严重威胁着人们的生命财产安全,进入 21 世纪以来,世界各国开始重视对城市活断层危险性的评价工作,相继开展了一系列的地球物理勘探工作。其中,浅层人工地震勘探工作的探测效果最好,在城市地震危险性评价中发挥着重要的作用。鉴于城市背景环境干扰大的特点,为了准确识别活断层,就需要通过提高分辨率、提高信噪比、改进资料采集和处理手段等方法来解决。根据多个地区的实践经验可以得出,缩短道间距、选用合理的采集和处理方法都能提高地震反射的分辨率,从而识别出浅层活动断层。

浅层地震勘探在城市活断层探测中的应用

  关键词: 活断层; 地震勘探; 危险性评价; 防震减灾

  0 引言

  大地震对城市的危害和破坏特别严重,属于我国乃至世界上对城市破坏性最大的自然灾害。例如: 1976 年的唐山大地震死亡人数 24 万多人,1994 年美国洛杉矶发生的北岭地震造成了高达 350 亿美元的损失,1999 年土耳其伊兹米特地震死亡 18 000 多人,直接的警示损失高达 200 亿美元。2017 年 1 月 5 日,国务院副总理、国家抗震救灾指挥部指挥长汪洋同志主持召开国务院防震减灾工作联席会议,指出要清醒地认识我国目前地震多发的基本国情,加强震情监视跟踪和分析研判,做好应急预案和各项应急准备工作,最大限度地减轻地震灾害损失。

  地震活断层是指距今 12 万年以来曾经活动过、现在仍然在活动,而且在未来依然可能活动,并且有发生中强以上地震活动能力的地质断层,包括出露地表、被松散沉积物所覆盖或被水体覆盖的各种断层[1-6]。城市活断层是指位于市区的地下或城市周边郊区等地下,当地震发生时对城市构成威胁并且造成破坏的活断层。

  1 我国面临的形势

  由于过去对活断层的危害认识不足,以及各种原因的限制,尚不能对城市活断层的展布位置及其地震危险性评价做到充分的了解。进入 21 世纪,随着我国经济的腾飞以及国家战略规划的实施,人口和财富大量向城市聚集,很多新区建设被提到了日程,活动断层探测和地震危险性评价在此时就显得特别重要。目前地震专家在全球范围内进行了地震现场调查,发现一个重要的现象: 在地震发生时,沿着地质断层带分布的建筑物几乎都会遭受毁灭性的破坏,但是在偏离断层几十米以外的建筑物却几乎不受影响。因此,通过开展城市活断层探测和地震危险性评价,可以帮助城市建设和重大工程选址,避开活动断层带,减少人们的生命和财产损失,更好地服务于城市防震减灾[2,7-11]。

  习近平指出,人类对自然规律的认知没有止境,防灾减灾、抗灾救灾是人类生存发展的永恒课题。科学认识致灾规律,有效减轻灾害风险,实现人与自然和谐共处,需要国际社会共同努力。中国将坚持以人民为中心的发展理念,坚持以防为主、防灾抗灾救灾相结合,全面提升综合防灾能力,为人民生命财产安全提供坚实保障。

  2 应用技术方法

  近年来,我国进行了较多城市的活断层地震探测工作,特别是“十五”以来,我国已有 20 多个省会城市全面启动相关探测工作,深入系统地开展了活断层探测与研究,取得了一定的工作经验和实践方法,掌握了不同地震勘探方法的适用范围、成果解释等方法与技术。由于探测的城市一般均被第四系地层覆盖,且探测的目标断层绝大多数为隐伏断层,因此地球物理勘探在城市活断层探测工作中起到决定性作用。城市活断层探测工作的主要特点: 活动断层探测的主要目的层是第四系地层,不仅要求查明断层是否存在,还要查明断层有无断至第四系内部及其层位,即断层上断点的确切位置[3]。这就决定了其主要的探测方法有地震勘探、电磁勘探、探地雷达勘探和重力勘探。其中地震勘探效果最好,相对于其他方法使用地震勘探的方法较普遍,探测深度范围更大,分辨率和精度都比较高,在城市活断层探测中,无论在初勘阶段还是在详勘阶段,都是最主要的地球物理勘探手段。

  3 基本原理

  地震勘探方法是利用人工激发的可以在地球介质中传播的运动学和动力学特点的地震波探测地下具有物性差异目标物的物探方法。根据探测过程中所利用的地震波的性质和传播方式,可分为反射波法、折射波法和表面波法[4,12-16],其中最常用的是反射波法。反射波地震探测研究地壳精细结构、活动断裂的地下空间展布状态以及深浅构造间的关系,在横向上具有较好的分辨能力,是目前一种有效的地球物理探测方法,在城市活断层探测中应用广泛[5,17-21]。地震勘探反射波法中主要有纵波勘探和横波勘探,由于横波勘探的分辨率比纵波勘探要高,它可以对近地表地层进行详细的地层划分,确定上断点埋深,对于近地表的断层常采用横波勘探。在勘探结果上,横波剖面与纵波剖面在断层的外在形式上具有很强的相对一致性以及波形相似性,而只是在深度和水平位置上有一定的差异性。

  在具体施工过程中,一般根据探测深度的不同目的,合理选择不同的勘探方法和最佳组合方式,可以采用横波与纵波结合的方法,通过综合技术解释的断层和单纯采用横波或纵波探测更加可靠[6],能达到最好的勘探效果。以某区纵波勘探为例,在不同道间距浅层地震勘探记录上( 图 1) ,地下不同深度的地层界面反射比较清楚,不同道间距所表现出的分辨率也有不同。在 200 ms 以浅的部分,道间距 10 m 几乎看不到很好的界面反射波; 道间距 5 m 可以看到 T3-T4 较清晰; 道间距 1 m 时可以分辨出 T2- T4 的反射界面。

  4 提高分辨率的技术手段

  城市活断层探测由于城区施工条件较差,各种工业和生活干扰噪声较多( 图 2) ,对震源的要求也较高。因此城市活断层勘探对震源的要求有: ①需要对城市环境无破坏、无污染,例如在城区爆炸震源将不能使用; ②城市活断层探测需要探测的断距很小,因此震源要有比常规的地震震源更宽的频带范围; ③在以上较宽频带范围的基础上,振幅谱应该向高频的方向增强; ④城市活断层探测过程中有较强干扰背景,因此要求震源性能保持稳定且可重复性好[1]。

  因此,目前用于城市活断层勘探的震源主要是可控震源、真空加速落锤、夯机震源、锤击震源、震源枪、电火花震源和炸药震源( 适用于郊区) 。

  目前城市活断层勘探主要以浅层地震勘探为主,在数据采集阶段主要采用具有线性或非线性具有变频扫描功能的可控震源以及与其相匹配的地震接收仪器。为提高勘探精度,一般采用小道距、小偏移距、多接收道、短排列和高频检波器接收的工作方法。在数据处理解释阶段,要加强折射静校正技术、子波压缩技术、子波零相位化技术、噪声压制技术、叠前偏移技术和高精度速度分析技术等的应用。

  人工地震勘探中的分辨率与探测深度和工区的地震地质条件相关,探测深度越浅或地震地质条件适合获取高主频、频带宽的反射波,则分辨率高,相反,则分辨率低; 其次还与数据采集的方法和资料处理的程序有关,选用合理的采集和处理方法能提高地震反射的分辨率( 图 3) 。目前最本质的问题是提高地震记录的分辨率,因为理论上地震勘探的分辨率可以高达地震波波长的 1 /4 甚至是 1 /8,在浅层地震勘探中断层落差在 1 /4 以上时都可以识别。总之,为提高地震勘探的分辨率,要从采集使用的仪器、激发条件、采集质量、接收方法、资料处理和地震方法的选择等方面加以改进。

  研究第四系覆盖区内物性差异和落差较小的活断层时,为了提高地震资料的信噪比和地层分辨率,还需要采用的数据处理技术: 复杂表层的速度计算,静校正计算,随机噪声减弱和去噪滤波处理等。利用初至波有限差分走时层析成像技术,进行初至走时反演,当表层速度不均时,实现复杂浅地表结构的高精度、高效率的计算[7-8]。

  在取得上述结果的基础上,充分收集和分析钻孔资料后,赋予地震勘探成果其地质含义。因为地震探测的异常具有多解性,地震剖面识别的断层异常具体位置需要进一步通过钻孔探测的结果来验证。在人工地震勘探中所需要的解释参数———速度资料,也可以通过钻孔中的速度测井获得。在这个识别断层与钻孔检验的过程中不断总结经验,提高断层识别的精确度。

  期刊推荐:《地震工程与工程振动》(双月刊)1981年创刊,是学术性刊物,主要反映我国在地震工程与工程振动方面的科研成果,促进学术交流,为我国防震减灾事业服务。有投稿需求的作者,可以直接与在线编辑联系。

  5 结语

  城市活断层勘探是一项利国利民的民生基础工程,是保证人民生命财产安全、促进社会和谐稳定、保持国民经济健康快速发展的重要工程。要从各个环节高质量、严要求地完成这项工作任务。在城区开展活断层探测服务,如何处理地震资料的信噪比和分辨率的问题,第四纪沉积物结构松散、胶结性较差的活断层受力后变形较小如何进行准确识别等,仍是下一步需要继续解决的问题。

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