淺層地球物理方法在廣西欽州灣-北海海域斷層探測(cè)的應(yīng)用

馬勝中

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京100074;2.國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東廣州510760)

淺層地球物理方法在廣西欽州灣-北海海域斷層探測(cè)的應(yīng)用

馬勝中1,2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京100074;2.國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,廣東廣州510760)

采用淺地層剖面法、單道地震方法和高分辨率2D地震等地球物理方法對(duì)廣西北海-欽州灣近岸海域的活動(dòng)斷層進(jìn)行探測(cè)。結(jié)果證明，淺層地球物理方法在研究活動(dòng)斷層的位置、產(chǎn)狀與形態(tài)上均具有很好的作用。針對(duì)海域干擾因素多環(huán)境復(fù)雜等不利因素，通過采用新的數(shù)據(jù)處理方法技術(shù)，取得了理想的探測(cè)效果，為今后開展斷層的探測(cè)與研究提供了借鑒。

廣西欽州灣-北海；淺層地球物理方法；活動(dòng)斷層

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，上世紀(jì)死于地震的人數(shù)為160萬(wàn)以上，而后50 a地震造成的經(jīng)濟(jì)損失約2 000億美元，2005年12月26日，印尼蘇門答臘近海8.9級(jí)大地震引發(fā)的大海嘯波及13個(gè)國(guó)家，造成二十多萬(wàn)人喪生。2006年12月26日發(fā)生于臺(tái)灣恒春以南的海底強(qiáng)烈地震(7級(jí))導(dǎo)致多條越洋國(guó)際光纜的折斷，造成了當(dāng)時(shí)國(guó)際通訊的中斷及巨大的經(jīng)濟(jì)損失。頻頻發(fā)生的地震等地質(zhì)災(zāi)害[1-4]，向人類提出了如何防震抗災(zāi)的重要問題。事實(shí)證明，破壞性地震對(duì)城市的威脅和危害越來(lái)越大，活動(dòng)斷裂是深大斷裂的現(xiàn)代復(fù)活運(yùn)動(dòng)，它主要表現(xiàn)在晚更新世(Q3)、全新世(Q4)以來(lái)的第四系的反復(fù)活動(dòng)。

近年來(lái)，一些學(xué)者利用淺地層剖面資料在渤海開展了初步的研究工作，如胡政等在1969年渤海地震震中附近進(jìn)行了淺地層探測(cè)，解析了淺層斷裂構(gòu)造特征[5]；趙根模等在渤海灣西部進(jìn)行了聲學(xué)剖面探測(cè)，發(fā)現(xiàn)原來(lái)認(rèn)為第四紀(jì)早期已停止活動(dòng)的斷裂在晚更新世—全新世仍有活動(dòng)[6]；王志才等在山東半島北部近海海域進(jìn)行了聲波剖面探測(cè)，基本查清了蓬萊—威海斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)的基本特征平[7]；鄭彥鵬等對(duì)海河斷裂進(jìn)行了高分辨率人工地震探測(cè)，揭示了海河斷裂晚第四紀(jì)活動(dòng)的一些特征[8]。但是，總體上目前我國(guó)近海海底活動(dòng)斷裂的研究依然處于起步階段，在海底活動(dòng)斷裂的調(diào)查研究中使用的技術(shù)方法過于單一，目前主要以單/多道地震探測(cè)為主，缺少多種技術(shù)手段相結(jié)合。

第三紀(jì)(距今70 Ma以來(lái))仍在活動(dòng)著的地質(zhì)構(gòu)造稱為活動(dòng)性構(gòu)造或新構(gòu)造，仍在活動(dòng)或斷續(xù)活動(dòng)的斷裂，稱為活動(dòng)斷裂。它們的活動(dòng)可造成地殼的破裂帶，誘發(fā)地震發(fā)生，形成地殼不穩(wěn)定區(qū)。為此，本文根據(jù)大量地球物理、聲學(xué)探測(cè)及海底取樣等實(shí)測(cè)資料（圖1）,對(duì)廣西北海-欽州灣近岸的海底地形地貌、斷層以及災(zāi)害地質(zhì)因素進(jìn)行詳細(xì)的分析,為該區(qū)規(guī)劃和開發(fā)利用海洋資源提供了必需的科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域構(gòu)造體系及活動(dòng)斷層特征

中元古代以來(lái)，廣西地區(qū)共發(fā)生20余次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[9]，其中四堡、廣西、東吳、印支及燕山運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，是具有造山性質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)頻繁，構(gòu)造形變以斷裂構(gòu)造為主。

廣西欽州-北海地處中國(guó)東南部大陸邊緣活動(dòng)帶的西南端，位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度洋板塊交匯處。由于經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，且每次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相應(yīng)形成了一系列深度、規(guī)模和性質(zhì)都有差異的斷裂帶，同時(shí)斷裂帶之間互相切割和控制，造成斷裂構(gòu)造的復(fù)雜性。

沿海斷裂有NE向、NW向、近EW向和SN向四組，主要有：NE向的防城—靈山斷裂帶（F2）、合浦—博白斷裂帶（F3）；NW向的欽州灣斷裂（F4）、百色—鐵山港斷裂帶（F5）、犀牛腳—北海斷裂帶（F16）、靖西—崇左斷裂帶（F17）；近EW向的斷裂有那丁斷裂（F10），和SN向斷裂一般為小斷裂。其中，NE向斷裂帶規(guī)模和范圍最大，多被NW向斷裂切割并錯(cuò)動(dòng)，表明NW向斷裂生成較晚。

活動(dòng)性構(gòu)造總是通過現(xiàn)代地形地貌、活動(dòng)斷裂、活動(dòng)盆地、地震活動(dòng)、地殼形變、溫?zé)崛⒐诺販亍⒈浪隆⒑Ｆ矫嫔档缺憩F(xiàn)出來(lái),認(rèn)真分析它們的活動(dòng)情況和規(guī)律,對(duì)查明地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性具有重要意義。

根據(jù)各種資料，廣西欽州灣-北海海域主要活動(dòng)斷裂有5條。

NE向的防城—靈山斷裂帶（F2）、合浦—博白斷裂帶（F3）；NW向的欽州灣斷裂（F4）、犀牛腳—北海斷裂帶（F16）、靖西—崇左斷裂帶（F17）構(gòu)成廣西欽州灣“X”型活動(dòng)斷裂主體格架，對(duì)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性影響最大。

2 淺層地球物理探測(cè)

活動(dòng)斷裂判別標(biāo)志有很多，如遙感影像標(biāo)志有新構(gòu)造時(shí)期活動(dòng)斷裂常具清晰醒目的線狀標(biāo)志；地質(zhì)等其它標(biāo)志有切割第三系或第四系的斷層，控制水系走向的斷層和已獲得第四紀(jì)同位素年齡值的斷層。實(shí)踐證明，淺地層剖面法、單道地震等方法在研究活動(dòng)斷層的位置、產(chǎn)狀與形態(tài)上均具有很好的作用。本文采用淺層地球物理方法對(duì)廣西欽州-北海近岸海域的活動(dòng)斷層進(jìn)行探測(cè)。

2.1 淺地層剖面測(cè)量

淺地層剖面測(cè)量是一種基于水聲學(xué)原理的連續(xù)走航式探測(cè)水下淺部地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的地球物理方法。可以獲得海底沉積結(jié)構(gòu)和地層變化的界面信息，應(yīng)用于水下工程勘察和海洋地質(zhì)研究的諸多領(lǐng)域。

淺地層探測(cè)儀器的工作原理，主要是通過換能器將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同頻率(一般在100 Hz～10 kHz之間)的聲波脈沖向海底發(fā)射，該聲波在海水和沉積層傳播過程中遇到聲阻抗界面，經(jīng)反射返回?fù)Q能器轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字信號(hào)后記錄下來(lái)，并輸出為能夠反映地層聲學(xué)特征的記錄剖面。

淺地層剖面的工作原理與多波束測(cè)深和旁側(cè)聲納相類似，區(qū)別在于淺地層剖面系統(tǒng)的發(fā)射頻率較低，產(chǎn)生聲波的電脈沖能量較大，發(fā)射聲波具有較強(qiáng)的穿透力，能夠有效穿透海底數(shù)十米的地層[10-11]，地層分辨率在8 cm以上。它可以提供調(diào)查船正下方地層的垂直剖面信息，它可以準(zhǔn)確地反映出地層界面及可能存在的淺層氣、淺斷層和古河道等海底地質(zhì)災(zāi)害因素或其它物體（如管線）。淺地層剖面儀的穿透深度則因工作頻率和海底沉積物類型的不同而異。

本次調(diào)查淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)采用德國(guó)INNOMAR公司SES-96參量淺層剖面系統(tǒng)，外接涌浪補(bǔ)償系統(tǒng)，可輸出水深數(shù)據(jù)。采用發(fā)射功率18 kW，主頻100 kHz，差頻4～12 kHz，在調(diào)查中一般使用差頻8 kHz，探測(cè)到的地層分辨率較高（圖2）。

2.2 單道地震剖面測(cè)量

單道地震記錄系統(tǒng)由單道數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、震源系統(tǒng)、信號(hào)接收電纜、記錄儀組成。主要用于了解中、淺地層結(jié)構(gòu)，淺層氣、淺地層斷裂等災(zāi)害的發(fā)育情況。

單道地震與油氣地震勘探技術(shù)具有相同的工作原理，不同的是，單道地震探測(cè)技術(shù)中震源能量小、頻帶寬(幾十赫茲到幾千赫茲)、主頻高(幾百赫茲到上千赫茲)，一般選用電火花和氣槍作為震源，能量從幾十焦耳到幾千焦耳，地層的穿透深度從幾十米到數(shù)百米。在工程調(diào)查中一般使用電火花震源，選擇250～540 J的激發(fā)能量，每秒激發(fā)二次的速率，同時(shí)在水中激發(fā)時(shí)產(chǎn)生的能量主頻較高，提高了記錄的分辨率[12]。單道地震能夠有效穿透海底數(shù)百米的地層，地層分辨率在0.5 m以上。它可以提供調(diào)查船正下方地層的垂直剖面信息，它可以準(zhǔn)確地反映出地層界面及可能存在的淺層氣、淺斷層和古河道等海底地質(zhì)災(zāi)害因素（圖2、圖3）。

2.3 高分辨率2D多道地震剖面測(cè)量

高分辨率2D地震資料的采集一般使用48道或96道多道地震電纜，近岸常常使用24道電纜，縮小偏移距，為了避免虛反射對(duì)高頻成分的壓制作用，震源和檢波器電纜的沉放深度比較淺，一般震源的沉放深度3 m，電纜的沉放深度4 m。地震震源一般是小容量GI氣槍震源或套筒槍組合震源，以保證產(chǎn)生高頻率的地震子波。這種方法采集到的地震資料頻帶可達(dá)20～350 Hz，比常規(guī)的地震采集資料的頻帶(20～50 Hz)要高得多，可以滿足識(shí)別薄層及地層結(jié)構(gòu)的需要，提高了精度。

圖1 調(diào)查范圍、測(cè)線和取樣站位

圖3 單道地震剖面顯示的近似直立的斷層

3 海域探測(cè)結(jié)果

采用淺層地球物理方法探測(cè)得到的資料，根據(jù)其聲學(xué)特征所反應(yīng)的地震相，利用反射波組的振幅、頻率、連續(xù)性、波形和反射形態(tài)的相對(duì)變化，反射波組錯(cuò)斷、出現(xiàn)斷層繞射波或反射波組明顯的下拉來(lái)識(shí)別斷層，并得到如下結(jié)果：

按其方向，廣西欽州灣-北海海域活動(dòng)斷裂可歸納為NW向、NE向2組為主（圖4），構(gòu)成“X”型活動(dòng)斷裂主體格架。

3.1 NE向斷裂組

圖4 欽州灣斷裂構(gòu)造(據(jù)廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局資料編)

（1）合浦—博白斷裂帶（F3），自合浦經(jīng)博白、玉林至北流延伸，南西端進(jìn)入北部灣海域。總體走向呈NE50～60°，傾向南東，傾角10～80°。斷裂所經(jīng)之處為南流江河谷低地，水系受斷裂控制。其北西側(cè)有高達(dá)千米的六萬(wàn)大山和大容山，南東側(cè)有云開大山，地貌反差十分明顯，斷層山、斷層崖以及洪積扇極為發(fā)育。斷裂主要由合浦—博白斷裂、北海—東平斷裂、福成—東平斷裂等三條平行的主干斷裂以及幾條次級(jí)斷裂組成。

它的南西端進(jìn)入北部灣海域后，在第四紀(jì)地層及前侏羅系基底內(nèi)部表層斷裂極為發(fā)育。合浦—博白斷裂帶分為三支（以下稱為北部斷裂帶F3-1、中部斷裂帶F3-2、南部斷裂帶F3-3）以北東向、北東東向穿過研究區(qū)，且每一段又都是斷裂帶，是由一系列向西南呈喇叭狀分布的NE向斷層組成。

合浦—博白斷裂帶在欽州灣海域的北部斷裂帶、中部斷裂帶、南部斷裂帶之間為斷陷型盆地。斷層大多朝凹陷的主體部位呈階梯狀斷落，并被一系列北西向張剪性斷層所錯(cuò)斷和復(fù)雜化。合浦--博白斷裂帶為一組地塹和地壘構(gòu)造組合，控制該地塹北側(cè)邊界的斷裂帶由多條密集排列的階梯狀正斷層組成，該地塹構(gòu)造形成NE向的狹長(zhǎng)形斷陷型盆地，斷層的走向大多與局部凹陷構(gòu)造展布的方向一致。斷裂延入前新四系基底，并控制基底的起伏變化。

燕山運(yùn)動(dòng)晚期以來(lái)，該斷裂帶一直在強(qiáng)弱不等地持續(xù)活動(dòng)，直接控制著合浦盆地的形成和發(fā)展，該斷裂帶在全新世有活動(dòng)。

根據(jù)合浦—博白斷裂帶的走向和性質(zhì)，從圖2中看出反射波組發(fā)生錯(cuò)斷，斷層斷至全新世底界R1，認(rèn)為它是活動(dòng)斷裂，可能在研究區(qū)西南外接潿西南大斷層，潿西南大斷層是潿西南凹陷北部邊界斷層[13]。茹克等人認(rèn)為晚白堊世產(chǎn)生了潿西南凹陷及其北部邊界斷層。

（2）欽防—靈山斷裂帶(F2)，規(guī)模較大，沿十萬(wàn)大山和六萬(wàn)大山北側(cè)延伸，經(jīng)靈山、欽州、防城至東興，進(jìn)入北部灣。欽州灣一帶的海岸、海灣和島嶼形態(tài)受此斷裂控制，均顯示十分平直和受到擠壓破碎，北東向線性和帶狀形跡明顯。史料記載，歷史上發(fā)生過有感地震61次，其中，6級(jí)以上地震1次，5級(jí)以上地震1次，4.75級(jí)以上地震5次。防城－靈山斷裂帶在中更新世以來(lái)（約100萬(wàn)a）一直在活動(dòng)，最新活動(dòng)年齡為1 500 a，說明在第四紀(jì)以來(lái)一直在活動(dòng)[14]。

3.2 NE向斷裂組

（1）欽州灣斷裂帶（F4），是一條沿欽州灣深水港線320°走向的隱伏斷裂，在欽州港見有擠壓陡立帶。向SE延伸至潿洲島、斜陽(yáng)島。在該斷裂與欽防--靈山斷裂帶交匯處，茅嶺江由NE向拐折為NW向，拐折角近90°。潿洲島第四系火山活動(dòng)發(fā)育于該斷裂帶上。欽州灣斷裂帶進(jìn)入北部灣海域，北西向穿過研究區(qū)西南部，走向320～350°，由一系列相互平行的斷層組成（主要為F4-1，F(xiàn)4-2，F(xiàn)4-3，F(xiàn)4-4，F(xiàn)4-5斷層），是左行平移斷層，傾角較陡，甚至直立（圖3）。

（2）靖西--崇左斷裂帶（F17），在研究區(qū)的西南部通過，走向300～330°，由一系列相互平行的斷層組成（主要為F17-1，F(xiàn)17-2斷層），是左行平移斷層，傾角較陡。

（3）犀牛角—北海斷裂帶（F16），在研究區(qū)的東北角北西向經(jīng)過，向SE延伸至北海，在該斷裂與合浦?jǐn)嗔褞У闹胁繑嗔褞Ы粎R處，走向有變化，是平移斷層，傾角較陡。

NE向的斷裂被NW向斷裂切割并錯(cuò)動(dòng)，表明NW向斷裂生成較晚。這些斷裂第四紀(jì)以來(lái)一直在活動(dòng)，這些斷裂在陸區(qū)的最新活動(dòng)年齡為0.15萬(wàn)a，斷裂深度為±20 km，屬于淺源地震，地震活動(dòng)度為Ⅱ-Ⅲ度。研究區(qū)目前地震活動(dòng)處于第二活動(dòng)期的相對(duì)活躍期，地震活動(dòng)較強(qiáng)的有NE向的合浦--博白斷裂帶和欽防--靈山斷裂帶[14]。

地震活動(dòng)與斷裂關(guān)系很密切，地震是斷裂活動(dòng)的表現(xiàn)形式之一。斷裂錯(cuò)動(dòng)達(dá)及地表或發(fā)生新的構(gòu)造變動(dòng)時(shí)，如在強(qiáng)烈地震作用下產(chǎn)生地震斷層或地裂縫，則直接危及人身安全和破壞工程建筑。活動(dòng)斷裂的交匯地帶是發(fā)生強(qiáng)烈差異運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)所，經(jīng)常伴生地震，引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)《廣西地震資料》，自公元288～1966年本區(qū)發(fā)生100余次地震，其中90%以上地震多發(fā)生在北東向斷裂或北東與北西向斷裂交匯處。

4 結(jié)論

廣西欽州灣-北海海域具有優(yōu)越自然條件、西部大開發(fā)的機(jī)遇以及復(fù)雜的海洋工程地質(zhì)特征。海底地形地貌較為復(fù)雜，存在斷層等災(zāi)害地質(zhì)因素,對(duì)海上構(gòu)筑物存在直接或潛在的危險(xiǎn)性。尤其斷層很發(fā)育，而且是活動(dòng)斷層，是海底工程建設(shè)的危險(xiǎn)區(qū),應(yīng)引起高度重視。

最近由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局開展的一些項(xiàng)目中，在廣東大亞灣近岸水域中對(duì)延伸至海域中活動(dòng)斷裂進(jìn)行了調(diào)查，采用的方法主要有單/多道淺層地震探測(cè)和海上鉆孔，取得了良好的效果（圖5）。

圖5 多道地震剖面顯示的斷層

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Abstract：The comprehensive geophysics methods to detect active faults of the sea area in Qinzhou Bay-Beihai,Guangxi Province is used.The experiment proves that using the geophysics methods such as sub-bottom profiling,single-channel seismic,high-resolution 2D seismic prospecting to study the position and form of active fault is feasible.The good effect has been gotten on active fault.In view of the disadvantages such as many interfering factors and complex marine environments,some new data processing methods and technology are used.The obtained idea survey effect can be used for reference in active fault detection.

Key words:Qinzhou Bay-Beihai;shallow geophysics method;active fault

Application of Shallow Geophysical Method to Detect Active Fault in Nearshore of Qingzhou Bay-Beihai

MA Sheng-zhong1,2

（1.China University of Geosciences,Beijing 100074,China;2.Guangzhou Marine Geological Survey,the Ministry of Land and Resources,Guangzhou Guangdong 510760,China）

P736

A

1003-2029（2010）02-0020-05

2010-01-18

我國(guó)重點(diǎn)海岸帶濱海環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)-北部灣廣西近岸海洋地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資助項(xiàng)目（12120106 11403）

馬勝中（1968-），男，廣東興寧人，高級(jí)工程師，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程碩士研究生，從事海洋環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)和綜合地質(zhì)地球物理研究工作。（E-mail：sz-ma@163.com）