多次覆蓋地震反射波法在瓊州海峽跨海工程中的應(yīng)用

郭建波，夏支埃，馮建銘，王 僑，任士房

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050)

瓊州海峽跨海通道是國家高速公路網(wǎng)的重要組成部分，范圍包括跨越瓊州海峽橋梁或隧道主體工程以及與海峽兩岸既有高速公路和鐵路的連接線工程。采用物探方法探測地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造，特別是探測海域第四系地層中的活動(dòng)斷裂并且劃分地層中的破碎、軟弱及富水巖體，為線路方案比選以及大橋和隧道的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料，具有重要的意義。

至目前為止，在大型工程勘察，尤其是水域工程方面，多次覆蓋地震反射波法作為一種科學(xué)而經(jīng)濟(jì)的物探手段，具有不可替代的勘探效果［1］，取得了廣泛應(yīng)用。然而，在水域工程勘察中，地震勘探主要為淺層地震反射法，對(duì)于300 m以下地層，難于取得有效的反射波組且對(duì)于中深地層勘探有待進(jìn)一步豐富完善和積累經(jīng)驗(yàn)。考慮到瓊州海峽早期的地質(zhì)工作程度較低，加之地形地貌復(fù)雜［2］，海水深度最大可達(dá)120 m，覆蓋層厚度大，區(qū)域內(nèi)斷裂帶眾多且地表特征不明顯，埋藏深度大等特點(diǎn)，試驗(yàn)采用多次覆蓋地震反射波法(包括淺層多次覆蓋地震反射波法和中深層多次覆蓋地震反射波法)，對(duì)西線公鐵合建橋梁方案里程AK128+800～AK169+150范圍內(nèi)進(jìn)行了勘察。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及地球物理特征

瓊州海峽及兩岸分布地層均為第四系、第三系海陸交互相沉積物及火山噴出玄武巖夾層，地表均出露第四系地層。新生界在區(qū)內(nèi)的沉積厚度為1 000～3 500 m。基底為下古生代的加里東變質(zhì)巖系、上古生代輕變質(zhì)巖系和中生代的河湖相碎屑巖。

據(jù)鉆孔資料、《地球物理調(diào)查報(bào)告》(廣州二海海洋勘察公司1997)、《工程地質(zhì)鉆探報(bào)告》(廣州二海海洋勘察公司1998)，在本次西線勘察范圍內(nèi)，在深度1 500 m以上存在四層反射層組，對(duì)應(yīng)為第四系-上新統(tǒng)(Q-N2)濱淺海相海退沉積、上-中新統(tǒng)(N2-N1)海陸過渡相-濱淺海相碎屑巖沉積、上-中漸新統(tǒng)(E32-E33)濱海陸過渡相-濱淺海相碎屑巖沉積、漸新世-始新世(E31-E2)陸相沉積［3］。深度300 m以上，有6個(gè)反射層組，局部地段8個(gè)反射層組。具備進(jìn)行多道地震反射波法勘探的地球物理?xiàng)l件。

2 試驗(yàn)方法

2.1 測線布置

在西線公鐵合建橋梁方案物探工區(qū)的海域范圍，即AK128+800～AK169+150位置，布置一條長約40 km的縱測線，必須同時(shí)采集淺層和中深層多次覆蓋地震反射波法的資料。在縱測線存在物探異常的地段，適當(dāng)加布一定數(shù)量的短縱測線(旁測線)和橫測線，追蹤其異常走向，每條短縱測線(旁測線)及橫測線長度為500～2 000 m，線間距約500 m。如圖1所示。

圖1 測線布置

2.2 施工方式及采集參數(shù)選擇

淺層多道地震反射法采用拖拉式連續(xù)航行和定時(shí)激發(fā)方式施工，即將震源船掛于工作船旁，接收電纜牽掛在震源船尾部向后延伸(圖2)，實(shí)行連續(xù)航行、定時(shí)記錄。地震原始記錄與測量記錄時(shí)間相關(guān)。在正式開工前進(jìn)行了方法試驗(yàn)，根據(jù)不同水深、不同軟土層厚度等條件下的激發(fā)能量、記錄長度、采樣率、頻帶寬度、電纜入水深度及最佳炮檢距選擇等試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各項(xiàng)參數(shù)選定如表1所示。

圖2 淺層多道地震反射法施工示意

表1 淺層多道地震反射法采集參數(shù)

中深層多道地震系統(tǒng)采用拖曳式測量。系統(tǒng)采用SEAL24位數(shù)字電纜和GI槍震源，首先采用48道24次覆蓋單邊觀測系統(tǒng)(ZF-XZ1、ZF-XZ5、ZFXZ7)，電纜排列長度600 m，最小偏移距100 m，由于局部海域漁標(biāo)漁網(wǎng)密集，拖魚連續(xù)掛到漁標(biāo)，采用24道12次覆蓋單邊觀測系統(tǒng)(ZF-XZ7、ZF-XZ4、ZFXZ8、AK6R200、ZF-XZ3)，電纜排列長度 300 m，最小偏移距100 m，其他參數(shù)見表2。檢波器型號(hào) GEOPOINT，檢波器組靈敏度20μV/uBAR，低截濾波4 Hz/-3 dB，高截濾波200 Hz/370 dB。

表2 中深層多道地震反射法采集參數(shù)

3 資料處理

淺層多道地震資料的處理采用PMRflpro水域走航式高密度地震反射軟件，其處理流程如下所述。

預(yù)處理:記錄激發(fā)時(shí)間校正、記錄數(shù)據(jù)清理、頻譜分析與濾波、等偏剖面平移疊加，抽取共偏移道集。

剖面處理:共偏移道集動(dòng)校正，速度分析、震源顫尾清理、反射波形壓縮、水底多次波清理、小波道間相關(guān)去噪、自動(dòng)拾取或手工標(biāo)記反射波組同相軸、時(shí)深轉(zhuǎn)換成圖。

解釋處理:不同記錄數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比，分析反射異常;縱、橫剖面交點(diǎn)道對(duì)比，進(jìn)行解釋校正、檢測閉合差;結(jié)合鉆探資料進(jìn)行剖面地質(zhì)解釋［4-5］。

另外，采用CSP6.0軟件進(jìn)行了資料的處理，兩者相互印證。其處理流程為:記錄編輯-濾波-增益-求速度-抽CDP道集-動(dòng)校正-迭加成CDP時(shí)間剖面-時(shí)深轉(zhuǎn)換。

中深層多道地震資料的處理采用西方奇科公司的OMEGA2.7地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由于受野外作業(yè)條件的影響，數(shù)據(jù)存在較強(qiáng)噪聲。經(jīng)過仔細(xì)分析原始資料的特點(diǎn)并反復(fù)試驗(yàn)，確定以人工編輯、單道濾波、分頻大值干擾剔除的辦法來消除噪聲，這樣可以盡量保持振幅的相對(duì)關(guān)系;以預(yù)測反褶積來消除多次波，適當(dāng)提高分辨率。整個(gè)處理過程都注意數(shù)據(jù)的振幅保持，沒有使用影響振幅保真的模塊和參數(shù)。處理流程:地震數(shù)據(jù)解編、導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)入、觀測系統(tǒng)定義;參數(shù)拾取(包括初始速度函數(shù)、炮道集切除函數(shù)、海底反射時(shí)間、動(dòng)校拉伸函數(shù));疊前去噪(炮域和偏移距域分頻異常振幅消除，迭代3次);線性噪聲衰減;疊前反褶積多次波壓制;速度分析;疊加和偏移;地震剖面顯示。

4 資料解釋

4.1 中深層多道地震剖面解釋

據(jù)多道地震剖面其聲學(xué)特征所反應(yīng)的地震相，利用反射波組的振幅、頻率、相位、連續(xù)性、波形、反射形態(tài)的相對(duì)變化和波組的組合關(guān)系，以及反射波終止所形成的削截、頂超、上超、下超所反映的地層接觸關(guān)系來確定地震反射界面和劃分地震層序，利用連續(xù)性好的反射波組發(fā)生系統(tǒng)地錯(cuò)斷，或兩盤地層厚度不等，或一側(cè)反射層終止或減薄，兩側(cè)反射特征不一致，或斷點(diǎn)繞射波來識(shí)別斷層。并參考以前和相鄰地區(qū)資料，應(yīng)用地震地層學(xué)的方法進(jìn)行綜合分析，劃分了海底T0、T1、T2、T3四個(gè)特征明顯的地震反射界面。其中T3反射界面為不整合界面。以T0、T1、T2、T3為界，自上而下劃分了層序Ⅰ(T0-T1)、層序Ⅱ(T1-T2)、層序Ⅲ(T2-T3)、層序Ⅳ(T3以下，未見底)四套地震反射層序(圖3、圖4、圖 5)。

圖3 ZF-XZ1測線多道地震剖面

圖4 ZF-XZ6測線多道地震剖面顯示的斷層①

圖5 ZF-XZ4測線多道地震剖面顯示的斷層①

T0:海底，為強(qiáng)振幅、高連續(xù)反射波。

T1:為一起伏小、中振幅、中連續(xù)的反射波，由1～2個(gè)相位組成。其上為一套弱振幅、低連續(xù)的反射層組，其下為一套中振幅、中-高連續(xù)的反射層組，推斷其為上新統(tǒng)與中新統(tǒng)的分界。

T2:為一平直、強(qiáng)振幅、高連續(xù)的反射波，由2個(gè)相位組成。其上為一套中振幅、中-高連續(xù)的反射層組，其下為一套低頻、中-低連續(xù)的反射層組，推斷為中新統(tǒng)與漸新統(tǒng)的分界。

T3:為一低頻、中振幅、中連續(xù)的反射波，推斷T3為下漸新統(tǒng)與中漸新統(tǒng)的分界。

調(diào)查區(qū)內(nèi)沉積了中漸新世-第四紀(jì)碎屑巖，沉積物以海相沉積為主，下部發(fā)育三角洲相沉積。

層序Ⅰ:為一套弱振幅、低連續(xù)、亞平行結(jié)構(gòu)的反射層組。根據(jù)資料，該層序?yàn)橐惶紫录?xì)上粗的第四系-上新統(tǒng)(Q-N2)濱淺海相海退沉積。

層序Ⅱ:為一套中頻、中振幅、中連續(xù)-高連續(xù)、平行-亞平行結(jié)構(gòu)的反射層組。推測，該層序?yàn)橐惶咨?中新統(tǒng)(N2-N1)海陸過渡相-濱淺海相碎屑巖沉積。

層序Ⅲ:為一套振幅變化較大、中-低連續(xù)、低頻、平行-亞平行結(jié)構(gòu)的反射層組。根據(jù)資料，該層序?yàn)橐惶紫录?xì)上粗的上-中漸新統(tǒng)(E32-E33)濱海陸過渡相-濱淺海相碎屑巖沉積。

層序Ⅳ:反射波能量較弱、連續(xù)性差、反射特征不明顯，未見底。推測該層序?yàn)樵鐫u新世-始新世(E31-E2)陸相沉積。

工區(qū)范圍內(nèi)存在1條斷層和3個(gè)斷點(diǎn)(圖1、圖3、圖4、圖5)，斷層①在ZF-XZ1、ZF-XZ6和 ZF-XZ4 3條測線上都有反映且性質(zhì)相似，應(yīng)是同一斷層，在AK147+860附近經(jīng)過，呈近東西走向，斷距80～120 m，傾向北，傾角約65°;斷點(diǎn)②在 AK147+860附近，斷距約20 m，傾向南，傾角約60°;斷點(diǎn)③在AK145+585附近，斷距約30 m，傾向北，傾角約55°;斷點(diǎn)④在AK144+560附近，斷距約20 m，傾向北，傾角約55°.斷層僅斷至T3反射界面，斷層頂部距離海底上千米，第四系地層未見錯(cuò)動(dòng)和擾動(dòng)現(xiàn)象，不是活動(dòng)斷層。

通過對(duì)上述剖面的所有的斷點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比和組合，針對(duì)東西向瓊州海峽斷裂帶包括南支(瓊州海峽中部)與北支(瓊州海峽北緣)及北東向臨高斷裂與南豐—望樓斷裂延伸方向，推測斷層①可能為瓊州海峽斷裂帶。

4.2 淺層多道地震剖面解釋

本次淺層地震勘探深度約大于300 m，結(jié)合淺層時(shí)間剖面和中深層時(shí)間剖面圖來看，從淺層地震剖面上分析識(shí)別出10個(gè)地震反射界面，并劃分出9個(gè)地震層序。其中淺層T0、T1與中深層時(shí)間剖面的T0、T1反射界面一致，即將T1細(xì)分為T1-1～T1-8。

根據(jù)海域第四紀(jì)沉積環(huán)境和地層特征，并結(jié)合鉆孔資料，對(duì)地震層位分析認(rèn)為:T0為海底反射面;T1-1為淤泥底界面;T1-2至T1-8和T1以粉質(zhì)黏土和砂類土分界面為主。

本次調(diào)查區(qū)地震資料顯示T0至T1界面基本清晰連續(xù)(圖6)。

圖6 典型地震剖面地震層位劃分

根據(jù)縱向和橫向地震測線解釋成果，結(jié)合鉆探資料，TO為海底界面，T1大層可分為四小層，為T1-1、T1-2、T1-3、T1-4。其中在T1-1層中在局部可分為四小層，即 T1-1-X1、T1-1-X2、T1-1-X3、T1-1-X4。

T1-1-X1層:以淤泥為主。主要分布于AK133+650～AK141+930處，厚約1.0～7.7 m，層底高程-17.2～-33.6 m，起伏平緩。

T1-1-X2層:以硬塑粉質(zhì)黏土為主，局部夾薄層粉砂。主要分布在AK161+730～AK167+270處，厚度1.0～53.3 m，層底高程 -40.4～-94.1 m，起伏較大。

T1-1-X3層:以硬塑粉質(zhì)黏土為主間夾薄層粉砂。主要分布于 AK158+800～AK168+960處，厚1.0～70.5 m，層底高程 -52.2～-114.5 m，起伏平緩。

T1-1-X-4層:以硬塑粉質(zhì)黏土為主，夾有厚約1 m左右粉、細(xì)砂和粉土。測區(qū)均勻分布，自湛江至海口埋深逐漸變深，厚度24.0～87.0 m，層底高程-37.6～-149.7 m。

T1-1層:以粉、細(xì)砂為主，局部為粉質(zhì)黏土與粉砂互層。自里程AK130+500～AK162+200處逐漸變深，自AK162+200～AK168+960處逐漸變淺，層厚5.0～54.0 m，層底高程-47.0～-194 m。

T1-2層:主要以粉、細(xì)砂與粉質(zhì)黏土互層為主。自里程 AK130+550～AK164+900逐漸變深，至AK168+900逐漸變淺，層厚16.0～53.0 m，層底高程-75.5～-227.5 m。

T1-3層:以粉質(zhì)黏土為主，間夾薄層粉砂，分布于AK130+500～AK161+160，于 AK161+160處尖滅，厚5.0～51.0 m，層底高程-89.0～-216.0 m。

T1-4層:以硬塑粉質(zhì)黏土為主，夾薄層粉砂。自里程AK130+500～AK147+930逐漸變深，至AK168+900逐漸變淺，層厚 14.0～109.0 m，層底高程-163.0～-297.0 m。

T1層:以硬塑粉質(zhì)黏土為主，里程AK130+500～AK158+500逐漸變深，至AK168+900逐漸變淺，層厚9.0～61.0 m，層底高程-174.0～-334.0 m。

4.3 物探異常

在里程AK164+400以南，T1-6反射波組連續(xù)，而以北連續(xù)性較差，因此在此處加密了地震測線，結(jié)合上下波組和中深層地震資料分析，此處不是斷層的反應(yīng)。

在里程149+300處，T1反射波組不連續(xù)，結(jié)合中深層地震資料分析，此處不是斷層的反應(yīng)。

5 結(jié)語

(1)工區(qū)內(nèi)發(fā)育的沉積在地震剖面上劃分了海底T0、T1、T2、T3四個(gè)特征明顯的地震反射界面，其中T3反射界面為不整合界面。相應(yīng)劃分了層序Ⅰ(T0-T1)、層序Ⅱ(T1-T2)、層序Ⅲ(T2-T3)、層序Ⅳ(T3以下，未見底)四套地震反射層序。

推斷T1為上新統(tǒng)與中新統(tǒng)的分界，T2為中新統(tǒng)與漸新統(tǒng)的分界，T3為下漸新統(tǒng)與中漸新統(tǒng)的分界。

淺層地震反射和中深層地震反射勘探結(jié)果一致，將深層反射地震界面T1即層序Ⅰ(T0-T1)分成T1-1至T1-4。

(2)工區(qū)范圍內(nèi)存在1條斷層和3個(gè)斷點(diǎn)，斷層①在AK147+860附近經(jīng)過，呈近東西走向，斷距80～120 m，傾向北，傾角約65°;斷點(diǎn)②在AK147+860附近，斷距約20 m，傾向南，傾角約60°;斷點(diǎn)③在AK145+585附近，斷距約30 m，傾向北，傾角約55°;斷點(diǎn)④在AK144+560。

致謝 感謝廣州海洋勘探開發(fā)總公司對(duì)本論文中深層地震反射法的數(shù)據(jù)采集和整理，使得項(xiàng)目得以順利進(jìn)行和完成。

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