宋春華施 剛巫 虹張 浩郁 飛

1.上海市地礦工程勘察院,上海 200072;

2.同濟大學海洋地質(zhì)國家重點實驗室,上海 200092

0 引言

上海市地勢平坦,第四系松散層覆蓋厚,隱伏活動斷裂等構(gòu)造較為發(fā)育(火恩杰等,2004)。上海市雖不屬于中強地震頻發(fā)地區(qū),但卻存在著發(fā)生中強地震的地質(zhì)構(gòu)造條件。歷史記載表明,上海市長江口以東海域和以北南黃海海域也是地震多發(fā)區(qū)之一,近500年來上海市共發(fā)生了150多次地震,其中上海市區(qū)發(fā)生地震89次,外地地震波及上海市有61次,其中影響比較大并造成損壞的有4次(劉昌森等,1980)。地震活動的空間分布與斷裂帶分布相對一致(王浩南等,2016),上海市高樓林立、人口稠密、經(jīng)濟發(fā)達,若發(fā)生一定規(guī)模的地震,其危害程度要比其他地區(qū)大很多,因此對上海市斷裂的活動性探測研究至關(guān)重要?；顒訑嗔咽堑厍虮砻孀钚聵?gòu)造運動過程的一種重要表現(xiàn)形式,查明活動構(gòu)造的基本特征,不僅對研究區(qū)域動力學有重要意義,同時也可為當下社會經(jīng)濟發(fā)展和城市戰(zhàn)略規(guī)劃提供科學依據(jù)和指導(鄭文俊等,2019),有助于指導區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價和城市規(guī)劃工程建設等(王浩南等,2016;周春景等,2016)。目前,第四系厚覆蓋地區(qū)城市隱伏活動斷層的調(diào)查方法比較有限,人工地震勘探是目前公認最為有效的精確探測隱伏活動斷層的地球物理手段之一(鄧起東等,2003;顧勤平等,2015)。

上海市高度城市化,地上、地下建(構(gòu))筑物密集,道路交通繁忙,地下管線縱橫交錯(楊主恩,2008),城市區(qū)域隱伏斷裂地震探測面臨強烈的電磁、噪聲、振動等環(huán)境因素的干擾,限制了常規(guī)激發(fā)震源地震勘探的應用,給開展城市隱伏活動斷裂地震勘探帶來了諸多限制(聶碧波等,2015)。其中,可控震源激發(fā)方式對城市道路及城市地下管線有一定的破壞作用 (鄧起東等,2007),且在高干擾條件的城市道路區(qū)域采集的地震數(shù)據(jù)的有效性、可靠性誤差較大;氣槍震源激發(fā)方式對水深要求較高(一般大于4 m),上海市能保證其激發(fā)水深要求的內(nèi)河數(shù)量有限(僅黃浦江、大治河、金匯港等),氣槍震源船改裝投入成本巨大且工藝繁瑣,并需攜帶各種裝有氣體的專門容器,在一定程度上具有危險性(董明榮等,2018)。近些年,隨著大功率電火花震源研制日趨成熟,相較于其他地震激發(fā)震源,其操作安全、無污染、成本較低、對城市環(huán)境危害小,采集的數(shù)據(jù)具有重復性好、時間一致性高、頻帶寬、分辨率高的優(yōu)勢。上海市地處長江流域和太湖流域下游河口平原三角洲河網(wǎng)地區(qū),水系發(fā)達,水網(wǎng)縱橫密布。綜合考慮上海市城市高干擾環(huán)境和水網(wǎng)發(fā)育的特點,為驗證水網(wǎng)發(fā)育地區(qū)采用大功率電火花震源地震勘探方法對克服城市高干擾環(huán)境、獲取高品質(zhì)地震勘探資料的效果,通過在上海市首次開展大功率電火花震源地震勘探試驗,對激發(fā)能量、激發(fā)水深、不同震源激發(fā)方式(電火花震源、可控震源與氣槍震源)的單炮記錄和疊加地震時間剖面等進行對比,分析此種激發(fā)方式在城市隱伏斷裂探測中的效果,并為具有相似地質(zhì)條件及水網(wǎng)優(yōu)勢的城市區(qū)域開展隱伏活動斷裂地震勘探工作提供借鑒。

1 試驗區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

試驗區(qū)位于上海市南部大治河東段(圖1a),該區(qū)域內(nèi)基巖埋藏較深,基巖地層自下而上為前震旦系惠南板巖、下白堊統(tǒng)火山巖、零星分布的中新統(tǒng)白龍港玄武巖和上新統(tǒng)砂泥巖,缺失上古生界至三疊系地層(顧澎濤和王堯舜,1988;上海地質(zhì)礦產(chǎn)局,1988;張宏良,1999;圖1b);第四系厚度超過300 m,為粘性土與砂性土交互堆積的松散沉積物,自下而上包括下更新統(tǒng)安亭組、中更新統(tǒng)嘉定組、上更新統(tǒng)南匯組和全新統(tǒng)如東組、上海組、婁塘組等(邱金波和李曉,2007)?；鶐r與上覆新近系或第四系地層的密度、速度、波阻抗等物性差異明顯,新近系與第四系覆蓋層之間也存在著一定的波阻抗差異,具備開展地震勘探的地質(zhì)條件。

試驗區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育(圖1),其中燈塔-趙家宅斷裂(F21)為北西向活動斷裂,白龍港玄武巖體發(fā)育與其晚期活動有關(guān);張堰-南匯斷裂(F4)為北東向區(qū)域性活動斷裂,與浙江省內(nèi)的蕭山-球川斷裂相接(張鵬等,2018),是多條斷層共同組合的寬度不定的構(gòu)造斷裂帶,在上海張堰地區(qū),燕山期侵入巖沿該斷裂與金山群巖體接觸,形成了張堰中型銅礦,直至今日,其東段仍有地震活動(顧澎濤,1987)。已有研究表明,北東向斷裂是主要控震構(gòu)造,北西向斷裂是重要發(fā)震構(gòu)造(謝建磊,2018)。且北西向斷裂形成時期晚,切割了其他北東方向的斷裂,具有較強新生的特點,其活動性要強于其他方向的斷裂(章振銓等,2004;火恩杰等,2004)。

a—大治河位置示意圖;b—試驗區(qū)基巖地質(zhì)及測線布置圖圖1 試驗區(qū)位置、基巖地質(zhì)及測線布置示意圖Fig.1 Map showing the location of the test area, bedrock geology and layout of the surveylines(a) Location map of the test area;(b) Bedrock geology and layout of surveylines in the test area

1.2 測線布置

大治河是上海市有史以來規(guī)模最大的人工運河(圖1a),寬約100～120 m,水流平緩,水深約在3～6 m,滿足大功率電火花震源的激發(fā)條件。大治河河道交通繁忙,是全市垃圾轉(zhuǎn)運主要航道;沿河兩岸分布有村鎮(zhèn)、沙場、廠房等;測線布置(圖1b)河段內(nèi)有數(shù)條高速公路和軌道交通干線穿越河道,振動、噪音等干擾強烈,具有典型的城市高干擾復雜環(huán)境特征。在圖1b中可見出地震勘探測線近東西走向,長度約18 km。

2 電火花震源激發(fā)試驗

近些年,國內(nèi)電火花震源研制日趨成熟,硬件方面已處于國際領先水平,成功研制出大功率電火花震源,打破了國際上對此項技術(shù)的壟斷(戚賓等,2020)。電火花震源工作原理是通過電容組高壓脈沖放電,在極短的瞬間(微秒級)釋放高壓電(即放電),形成上萬攝氏度的電弧,將水汽化,產(chǎn)生沖擊壓力脈沖波,能量絕大部分以彈性波的形式釋放,對周圍環(huán)境破壞小,具有較高的地震波轉(zhuǎn)換率 (付東等,2014;蔣輝等,2018;于富文等,2018),且頻率特性與爆炸震源相似。同時,它能夠控制電容器的電壓實現(xiàn)對震源輸出能量的調(diào)控(任立剛和楊德寬,2018)。

為了實現(xiàn)城市環(huán)境下大功率電火花地震勘探激發(fā)的有效性,在大治河水域采用船載電火花電機與電容組,沿岸布設Sercel 428XL地震勘探采集系統(tǒng),進行電火花震源激發(fā)與接收作業(yè)試驗,并依此對大功率的電火花震源的激發(fā)效果、不同激發(fā)能量、不同電極沉入深度、不同激發(fā)震源等條件下的地震響應等進行分析與研究。

2.1 模型建立

試驗勘探目的層段埋深0～1500 m,用相鄰區(qū)域的測線地震深度剖面進行建模(圖2),合理設計觀測系統(tǒng),模型長3000 m。進行分辨率、炮檢距以及模擬剖面分析。

圖2 地質(zhì)-物理剖面速度模型圖Fig.2 Model of geological-physical profile velocity

(1)縱向分辨率是指地震勘探中能分辨的最小地層厚度,它決定了地震勘探野外采集中應保護的最高信號頻率或最短的信號波長?？v向分辨率應滿足公式:

式中:d為縱向能分辨的最小地層厚度即垂直分辨率,m;V為層速度,m/s;fmax為應保護的最高頻率,Hz。

要達到縱向分辨率,最高頻率應達到75 Hz。

(2)橫向分辨率即水平分辨率,表示區(qū)分地質(zhì)體橫向細節(jié)的能力。偏移之前它等于第一菲涅爾帶的寬度,橫向分辨率與地層速度、深度及反射頻率有關(guān),兩個繞射點的距離若小于最高頻率的一個空間波長,它們就不能分開,橫向分辨率應滿足公式:

式中:hr為橫向分辨率,m;Vint為目的層的層速度,m/s;fmax為目的層的最高頻率,Hz。

考慮干擾波的存在、反射的吸收及衰減等因素,采集時應保護75 Hz以內(nèi)的信息。

(3)最大炮檢距的選擇主要包括這樣一些因素:入射角和反射系數(shù)的關(guān)系(AVO)、隨入射角的變化引起波場特征的變化情況、動校拉伸對信號頻率的影響、速度分析精度要求等。試驗主要目的層0～1500 m。

最大炮檢距接近目標層深度偏移效果較好,可以使各反射點上縱波反射系數(shù)變化小,振幅比較均勻。對于反射波而言,目的層埋藏深度要求為:一般排列長度要大于最深目的層深度以及大于兩倍最淺目的層深度,考慮其它一些因素,排列長度可以適當大些。

各層動校拉伸系數(shù)和排列長度的關(guān)系為:當主要目的層動校拉伸率小于12.5%時,兼顧各勘探目的層動校拉伸畸變的最大偏移距范圍為1650 m。

為了保證速度分析精度的要求,要求最大炮檢距有足夠的長度,這樣可以減小分析誤差,當最大炮檢距為1600 m左右時,可以滿足主要目的層動校拉抻和速度分析精度的要求?？紤]試驗區(qū)構(gòu)造相對平穩(wěn),無較大構(gòu)造傾角,因此排列長度保持在1600 m左右即可。

通過優(yōu)選,最終大治河水域激發(fā)地震試驗采用1597.5-2.5-5-2.5-1597.5m的觀測系統(tǒng)。

2.2 激發(fā)能量對比試驗

2.2.1 點試驗分析

試驗進行了100 kJ、 200 kJ、 400 kJ、 600 kJ和800 kJ的電火花激發(fā)能量單炮對比,其中600 kJ和800 kJ采用雙槍頭組合激發(fā)。從8～60 Hz分頻掃描記錄對比顯示來看(圖3),記錄面貌總體差異不大。其中200 kJ和400 kJ激發(fā)單炮信噪比較高,能獲取1.0～1.7 s、2.2～2.5 s范圍內(nèi)多組地震反射波;100 kJ激發(fā)顯示振幅能量不夠、單炮信噪比低;600～800 k J由于采用雙槍頭組合激發(fā),因此能量散失較快,信噪比略低。

圖3 能量試驗8～60 Hz單炮分頻對比圖Fig.3 Comparison diagram showing the frequency division of 8～60 Hz single gun in energy tests

能量試驗頻譜分析對比顯示(圖4),在5～15 Hz低頻段,功率譜絕對振幅能量強。

圖4 不同能量試驗頻譜分析對比圖Fig.4 Comparison diagram showing the spectrum in different energy tests

不同激發(fā)能量單炮試驗子波分析顯示(圖5),隨著功率的增加,由于氣泡震蕩,造成子波旁瓣的交混回響不利效應增強,其中800 k J子波的交混回響不利效應最為明顯(圖5紅色箭頭所示)。

圖5 不同能量試驗子波對比圖Fig.5 Comparison diagram of the wavelet in different energy tests

2.2.2 能量段試驗分析

為進一步驗證電火花震源200 k J(圖6a)、400 kJ(圖6b)激發(fā)能量優(yōu)劣性,進行電火花震源能量段對比試驗,對比圖(圖6)顯示400 k J激發(fā)能量的地震疊加時間剖面在1 s以上反射波組振幅能量強、同相軸連續(xù)、信噪比更高(圖7),層間信息更加豐富,整體上要優(yōu)于200 kJ激發(fā)能量的地震疊加時間剖面。

圖7 200 kJ、400 kJ激發(fā)信噪比估算對比圖Fig.7 Comparison of the estimated SNR by 200 kJ and 400 kJ excitation

2.3 激發(fā)水深對比試驗

根據(jù)現(xiàn)場聲吶調(diào)查結(jié)果顯示,大冶河測線段水深基本在3～5.5 m。試驗布設檢波器320道,對比分析在2 m、3 m、4 m三種水深下400 kJ能量激發(fā)效果。分頻掃描記錄對比顯示(圖8),采用相同激發(fā)能量的條件下,大治河地震測線接收檢波器道數(shù)為320道采用水下3 m的激發(fā)方式效果最好,水下4 m次之,水下2 m最差,但均能獲取1.4 s、2.3 s左右多套反射波組。

圖8 水深試驗單炮掃描記錄對比圖Fig.8 Comparison of the scanning record of single gun in water depth tests

a—200 kJ激發(fā)能量地震時間剖面對比圖;b—400 kJ激發(fā)能量地震時間剖面對比圖;圖6 不同激發(fā)能量地震時間剖面對比圖Fig.6 Comparison of the seismic time profile with different excitation energies(a) Comparison of seismic time profile with 200 kJ excitation energy;(b) Comparison of seismic time profile with 400 kJ excitation energy

3 不同震源激發(fā)對比分析

電火花震源、可控震源與氣槍震源激發(fā)的三條地震勘探測線位置詳見圖1中藍色標記測線位置,三種震源激發(fā)的地震時間剖面對比見圖9,基巖面反射波同相軸(雙程走時近400 ms)均清晰連續(xù),能較好地識別基巖地層在測段區(qū)域內(nèi)的延續(xù)情況。

(1)氣槍震源由于受河道激發(fā)水深限制和淺層氣發(fā)育等因素限制,致使時間剖面顯示40～120 ms間的第四系地層內(nèi)部基本無反射波,第四系地層內(nèi)界面的識別困難;由于內(nèi)河水深的限制,氣槍震源激發(fā)能量明顯不足,僅采集到500 ms有效地震波反射信息(圖9c)。

(2)電火花和可控震源激發(fā)地震測段位置基本重合(圖1),電火花和可控震源激發(fā)方式的時間剖面顯示(圖9a、9b),在中淺層(雙程走時0～400 ms)信噪比較高,多次波壓制效果較好,成像清晰連續(xù),第四系內(nèi)呈現(xiàn)多套地震反射波組,并且電火花震源激發(fā)對斷層上斷點的刻畫更為清楚;雙程走時400 ms以深,振幅能量強,剖面信噪比較高,根據(jù)反射波組發(fā)生錯斷、同相軸數(shù)目突然增加或消失、波組間隔發(fā)生突變、同相軸形狀和產(chǎn)狀發(fā)生突變等特征劃分斷層,兩種激發(fā)方法獲得的地震剖面都能很好地刻畫斷裂分布,揭示斷層切割形成的地塹形態(tài),且地層產(chǎn)狀和主要構(gòu)造形態(tài)基本一致,主要斷裂構(gòu)造的位置等信息也能良好對應,同時證實了大功率電火花震源激發(fā)的地震勘探方法有效性。

(3)通過與可控震源和氣槍震源的激發(fā)效果對比,電火花震源激發(fā)地震時間剖面能更好地反映出斷層兩側(cè)地層錯動、局部破碎及上斷點定位等地質(zhì)特征。

由此可見,大功率電火花震源激發(fā)方式的地震勘探適用于上海市城市水網(wǎng)地區(qū)隱伏斷層等構(gòu)造探測,對于刻畫隱伏斷裂具有良好的探測效果。

4 探測效果分析

依據(jù)兼顧淺—中—深層地震勘探的思路,針對上海市以往地震反射資料信號能量弱、信噪比低等特點,通過保護寬、高頻反射信息提高淺部斷層的分辨率,同時兼顧獲取深層地震地質(zhì)信息,采用水域電火花震源激發(fā)的地震勘探方式來了解斷裂等構(gòu)造的深部發(fā)育情況。

4.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理時,首先采用疊前隨機噪聲衰減、區(qū)域異常振幅壓制及去線性干擾等方法(蘇貴仕和丁成震,2014),分頻去噪壓制該區(qū)資料中含有的噪聲干擾;其次采用時間函數(shù)增益、地表一致性振幅補償和地表一致性反褶積的方法使得時間和空間上振幅以及頻率都得到補償(蔣立等,2015),消除地表條件的變化對地震波的振幅特性和相位特性的影響,其中反褶積和寬頻技術(shù)是電火花震源采集數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)(公亭等,2016);然后采用速度分析與動校切除及地表一致性剩余靜校正處理技術(shù),建立較為準確的速度模型;最后偏移處理采用有STOLT有限差分方法,以達到時間剖面上斷點顯示清晰、層位明確。

a—大功率電火花震源激發(fā)地震時間剖面;b—可控震源激發(fā)地震時間剖面;c—氣槍震源激發(fā)地震時間剖面圖9 不同震源激發(fā)地震時間剖面對比圖Fig.9 Comparison of the seismic time profile excited by different sources(a) Seismic time profile excited by high-power spark source; (b) Seismic time profile excited by vibroseis; (c) Seismic time profile excited by air gun source

4.2 數(shù)據(jù)解譯

大治河水域電火花震源激發(fā)的地震勘探測線位置詳見圖1中洋紅標記測線位置,圖10為大治河水域電火花震源地震時間剖面。利用反射波的連續(xù)性、頻率和波形相位特征以及各地層反射波在縱橫向上的展布形態(tài),對剖面上一些強能量的反射波組進行了對比追蹤,共識別出八組地層界面波阻抗特征,同相軸追蹤顯示地層沉積平穩(wěn)、產(chǎn)狀近乎水平。通過疊加速度譜求取層速度進行時深轉(zhuǎn)換,并結(jié)合區(qū)域地層和鄰近基巖鉆孔ZK1資料解釋,鉆孔新近系上新統(tǒng)底界面埋深在320.9 m,通過速度譜擬合時深關(guān)系曲線,對應的雙程時間值是大約在390 ms,從剖面中也可以看出(圖10)390 ms處有一明顯的強反射同相軸,對比驗證確定該反射層位Tg是新近系上新統(tǒng)底界與基巖面間的反射,表現(xiàn)為中頻強振幅連續(xù)反射的同相軸,反射波特征清楚,推測為基巖頂界面的反射,其上覆的砂質(zhì)黏土在密度和反射波速度上存在很大差異,形成一個強波阻抗界面,在測線的疊加時間剖面上振幅強、波形穩(wěn)定且有較好的橫向連續(xù)性,在剖面上能被連續(xù)可靠追蹤,作為時間剖面的標準反射層,為測線的最大不整合界面。T1—T5為來自第四系地層內(nèi)部的界面反射,T5為下更新統(tǒng)底界反射;Tg-1反射波對應的深度約為850 m左右,時間剖面上雙程走時0.7 s左右的波組對應該反射波,推測其為中生界底界;Tg-2反射波組對應的深度為1.6 km左右,時間剖面上雙程走時1.4 s左右的弱波組對應該反射波,推測其為下古生界底界。測線鄰近鉆孔僅鉆至基巖附近,由于測線缺乏深鉆資料,基巖面反射波以下波組Tg-1和Tg-2對應的地層界面和Pz地層信息依據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料推斷解釋。地震勘探揭示的活動斷層構(gòu)造變形,歸因于中生代時期中國東部大規(guī)模的巖漿活動和新生代時期太平洋板塊與菲律賓海板塊的向西運動等(李錦軼等,2019)。

圖10 電火花震源激發(fā)地震時間剖面反射波層位解釋圖Fig.10 Horizon interpretation of the reflected wave in seismic time profile excited by spark source

電火花激發(fā)試驗地震時間剖面顯示(圖10),基巖面反射波(Tg)近400 ms以淺,能較為準確地刻畫第四系內(nèi)地層的賦存和產(chǎn)狀特征,同時對斷層上斷點特征刻畫清晰,上斷點延伸至下更新統(tǒng)(Qp1a)安亭組中段,推測斷層在早更新世中期有明顯活動跡象;地震時間剖面雙程走時400～800 ms區(qū)間(對應深度為320～1000 m)呈現(xiàn)多層低頻、中—強振幅、連續(xù)性相對較差的反射波組,說明存在多組物性界面;深部雙程走時大于800 ms的區(qū)間,地震時間剖面上亦能解釋出一套弱反射波組(雙程走時1400 ms,對應深度約1.6 km),表明激發(fā)能量(400 kJ)能夠滿足追蹤深部地層特征的需求。

5 結(jié)論

通過大治河水域大功率電火花震源地震勘探激發(fā)試驗,以及不同震源激發(fā)方式下獲取的地震時間剖面對比分析,可以獲得如下結(jié)論:

(1)大功率電火花震源激發(fā)的地震勘探方式適用于城市水網(wǎng)地區(qū)隱伏斷裂探測,能較有效壓制城市高頻振動和強噪音等干擾,激發(fā)能量強,地震時間剖面在1.6 s以淺可見多組振幅較強的地震反射波,深部地球物理信息豐富,能獲取第四系內(nèi)部斷層上斷點定位和深達數(shù)千米的有效地震波反射信息,為城市隱伏斷層探測提供了新的地震震源激發(fā)思路。

(2)不同區(qū)域、不同地質(zhì)條件下需要采用不同的電火花激發(fā)參數(shù)。大治河水域測段,最佳激發(fā)參數(shù)組合為放電水深3 m、能量400 kJ,能夠滿足淺—中—深層追蹤斷裂展布特征的需求。采用大功率電火花震源地震勘探時,率先進行激發(fā)參數(shù)試驗,對獲取高品質(zhì)地震勘探成果十分關(guān)鍵。

(3)電火花震源相較于其他的傳統(tǒng)震源激發(fā)方式,具有操作安全便捷,對城市水網(wǎng)及周邊環(huán)境危害小,激發(fā)能量強、頻帶寬、重復性好、時間一致性高的特點,能有效地克服城市環(huán)境對傳統(tǒng)激發(fā)震源的限制。適合應用于具有密布水網(wǎng)的城市區(qū)域,對城市范圍開展隱伏活動斷層、第四系地質(zhì)、河湖隧道等探測工作具有十分重要的意義。