基于淺層地震勘探技術的近海海底斷裂探測研究

朱再寧，晏琮良

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇 南京 210008)

0 引言

我國“十二五”規劃首次將海洋經濟提升到國家戰略高度(張莉，2006;李文增等，2011;潘新春等，2012)。海洋開發利用首先必須依賴于近海或海上工程設施(邱大洪，2000，金翔龍，2006)，而建設這些工程首先必須進行相應的海洋地質災害調查和評估。

相比于陸地，海洋地質災害研究起步較晚，難度也更大。海底被海水覆蓋，以往地質資料較少。在當前形勢下，應依據國情和各地區實際狀況，將海洋地質災害研究重點集中在對本地區海上活動有較大影響的災害類型，如海底滑坡、地震、工程軟弱層等(趙廣濤等，2011)。

活動斷裂是引發海域地震的主要原因之一。受客觀條件限制，位于海底之下的斷裂因被水體覆蓋而較少或不為人們所認知。然而，事實證明海底斷裂活動所帶來的危害和損失有時是十分巨大的。因海底斷裂運動發生的地震往往會引起海嘯，所造成的人員傷亡和財產損失常常很慘重。自1900年以來，印度尼西亞附近海域共發生了11次8級以上地震(李西雙等，2008;王新洋等，2014)。

我國是一個海洋大國，擁有1.8萬余km的大陸海岸線(劉保華等，2005)，1.4萬余km的島嶼海岸線，且沿海地區人口稠密，城鎮集中，經濟較為發達。因此，研究和防范海洋地質災害意義極大。

目前，海洋地質災害調查多采用單波束測深、多波束測深、側掃聲納、淺地層剖面和海洋人工地震勘探等海洋地球物理探測技術以及海底鉆探取樣等方法。其中地震勘探是目前海底探查應用最廣、成效最高的地球物理勘探技術(金翔龍，2007)。

海洋地震勘探主要利用人工地震波在海底地層巖石中的傳播規律來研究海底以下地質構造，推斷地層結構，勘查海底資源。該技術以高精度和高效率較好地解決了海底以下一定深度內的工程地質問題，它能準確可靠地確定工程地質中重要的基巖埋深、起伏、斷裂位置及其展布等(朱嘉等，2008)。

某近海項目位于遼東附近北黃海海區。發育于我國東北東部的某斷裂帶可能穿越該海區，為查明其分布情況，以評價該區域地震安全性，采用水域淺層地震勘探技術進行探測及研究。

1 研究區地貌地質概況及地震勘探前提條件分析

1.1 海域地形地貌概況

研究區海域屬近岸淺海，海底地貌類型主要為淺海堆積平原。10 m水深以淺范圍寬約6～15 km，海底地勢平坦，形態單調，平均坡度為2'52″，大部分區域水深超過8 m。

1.2 地質概況

該區大地構造隸屬中朝準地臺遼東臺隆，斷裂以北東向為主。推測北側斷裂往南延伸可到區內海域，這是本次海域地球物理勘查的重點目標。

近岸區域地層簡單，缺失很多，僅發育下元古界遼河群蓋縣組變質砂巖及片巖類，上元古界青白口系南芬組粉砂質絹云板巖、橋頭組粉砂質絹云板巖和變質石英砂巖。第四系沉積主要由砂礫石、含粉質黏土、黃土狀土及含礫砂土、細砂和淤泥構成。

收集到的附近海域多處鉆孔資料反映該范圍海底淺部地層結構簡單，覆蓋層由第四系全新統淤泥、淤泥質粉細砂構成，基巖由上至下為全—強—中—微風化變質砂巖，各處孔位巖性基本相同，僅存在厚度差異。

1.3 地震勘探前提條件分析

根據區域地質特征及鉆孔資料推斷測線涉及到的海底基巖以變質砂巖、板巖及石英砂巖為主，縱波速度達3 000～4 000 m/s;第四系松散沉積主要以全新統淤泥為主，其縱波速度僅為1 500 m/s左右。第四系與基巖間存在明顯的速度差異，其間可構成良好的反射界面。斷裂引起基巖錯動或明顯破碎時，將出現基巖反射波組的錯動或缺失。

2 方法成果及地質解釋

2.1 應用方法及其技術參數

本次海域地球物理勘查以多道淺層地震方法為主，設計A—A'、B—B'2條測線進行海域隱伏斷裂勘查，測線沿垂直于該斷裂即北西往南東方向布置，在推測的斷裂部位還增補了單道淺層地震測線，以配合多道淺層地震資料進行綜合解釋(圖1)。

圖1 測線位置及推測的某斷裂示意圖Fig.1 Sketch showing seismic line location and an inferred fault

多道淺層地震采用拖拉式(單端激發、單邊接收)連續航行方式施工，定時激發并接收記錄，采用的技術參數為：激發能量80 kg/cm3，激發間隔4s，空氣槍、電纜入水深度1.2 m左右，道距2 m，24道接收，偏移距2 m，記錄長度512 ms，采樣率0.5 ms，采用共反射點覆蓋技術，覆蓋次數4～6次。

單道淺層地震采用拖曳式連續觀測方式，即將接收電纜與電火花源以4～5 m間距并列拖于船尾，連續航行，定時激發并接收記錄，發射能量350 J，工作頻率0.1 ～3 000 Hz，記錄長度 250 ms，發射間隔1s。

經對外業實測數據進行相關處理，得到各測線地震時間剖面圖以用于斷點及斷裂的推斷解釋研究。

2.2 斷點異常及斷裂平面分布判別依據

斷點異常是根據地震時間剖面中有效反射相位特點，結合地質資料加以判別：(1)有效反射相位出現局部缺失或信號減弱;(2)有效反射相位存在明顯落差、突變、扭折或發育繞射波;(3)有效反射相位特征出現明顯不同或增減、分叉、合并等異常情況;(4)若覆蓋層內界面與基巖有效反射相位異常特征相對應，表明其斷點已斷至該界面。

斷裂的平面分布是在分析各斷點特征的基礎上，連接某些相鄰測線上特征、性質相似的斷點而成，其主要依據是：(1)各斷點的產狀、性質一致或相近;(2)各斷點的上斷點深度和所斷層位大約一致;(3)各斷點位置基本上處于同一直線上。

2.3 斷點、斷裂異常特征及分析

根據成果資料，A—A'測線上首先發現fp1、fp22處斷點異常，具體特性如下。2.3.1fp1斷點異常 該斷點異常位于A—A'測線的4 770 m附近，此處地震時間剖面(圖2)顯示(Tg及Tg')反射波組出現同步中斷、錯動，北西側反射波組平整，南東側反射波組起伏，推測為斷裂引起。經分析該斷裂為北西高、南東低的正斷裂，傾向東南，傾角較陡，斷裂兩側基巖面落差3～4 m。該斷裂不僅顯示錯斷了基巖面，關鍵是它還清晰地揭示了該斷點已錯斷了整個基巖風化層，其上斷點深度約為水下24 m。由該斷點上覆第四系全新統內部反射波組未見明顯擾動跡象判斷，該斷裂最新活動時代為晚更新世或晚更新世以前。

圖2 fp1、fp2斷點異常地震時間剖面圖(多道)Fig.2 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp1and fp2

2.3.2fp2斷點異常 該斷點異常位于A—A'測線的4 960 m附近，地震時間剖面圖(圖2)顯示該處同樣出現反射波組(Tg、)中斷和錯動，與fp1不同的只是其為北西側低、反射信號起伏，而南東側高、反射波組平整。分析認為該斷裂為南東高、北西低的正斷裂，傾向北西，傾角較陡，斷裂兩側基巖面落差4 m，與fp1一樣，該斷裂不僅錯動了基巖面，也使整個基巖風化層發生了錯動，其上斷點深度為水下25 m。而上覆第四系全新統內部反射波組未見明顯擾動，同理判斷該斷裂的活動時代也應為晚更新世或晚更新世以前。

fp1斷點與fp2斷點構成一典型的地塹構造，其寬度約190～200 m，構成地塹的兩側斷裂產狀較陡。

為查實上述2個斷點異常的存在，在異常段的北東側約400 m處布置了1條與其平行的短測線，其地震時間剖面圖(圖3)獲得了幾乎一致的結果，證實fp1斷點異常與fp2斷點異常的可靠性，只是在地塹的寬度和一些細節上略有差別。

圖3 A—A'補測測線地震時間剖面圖(多道)Fig.3 Seismic time section(multichannel)of the supplement survey line A—A'

由于在A—A'測線西南側約10 km處的B—B'測線上未發現類似于上述2個斷點的異常，即在fp1與fp2兩斷點往南西延伸到B—B'測線部位，全風化及中風化片巖反射相位都連續完整，未見上述錯斷異常特征，表明fp1與fp2兩斷點未延伸到B—B'測線。

為進一步追索引起上述2個斷點的斷裂分布方向及延伸長度，在A—A'測線與B—B'測線之間增加布置了F—F'測線，結果在F—F'測線上發現fp3、fp42處斷點異常(圖4)，該2個斷點異常各方面參數均符合整個斷裂帶的延伸特征，判斷斷裂延伸至F—F'與B—B'測線之間(圖1)。

圖4 fp3、fp4斷點異常地震時間剖面圖(多道)Fig.4 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp3and fp4

為了解斷點上覆第四紀地層分布特征，進一步判斷斷裂活動年代，在F—F'測線上又增做了高頻單道地震勘查，結果顯示，斷點上方的全風化基巖面(Pg)出現了與淺層多道地震勘查結果類似的明顯落差(圖5)，其寬度也與多道地震資料基本一致，表現為寬約200 m的地塹。

但單道地震比多道地震更清晰地反映了Pg波組在2個斷點附近的特征，即Pg波組未出現截然錯斷特征，而呈近似連續的凹陷形態。據此分析認為，該地塹部位全風化層明顯增厚，可能是該地塹兩側斷裂形成后風化作用沿斷層加劇造成的，說明該斷裂最新活動應在全風化層形成以前，因此認為它在早—中更新世更為確切。

綜上可見，某種條件下，僅借助多道地震確定斷層的最新活動時代是有局限性的，而采用多種方法互相補充和印證比較有效。

圖5 F—F'測線單道地震時間剖面圖Fig.5 Single-channel seismic time section of the survey line F—F'

3 結論

(1)某斷裂是本次項目研究區域最重要的斷裂，它在研究區以北陸域沿江兩岸分布，總體上呈地塹式發育特征。

(2)根據本次研究成果，并結合收集到的地質資料，可以推斷該斷裂在始入北黃海海域段仍然延續原有走向并保持地塹式發育特征。

(3)該斷裂研究區海底部分最新活動時代應為晚更新世或晚更新世以前，早—中更新世更為確切。以往有資料推測該斷裂可能穿過海底與山東境內的即墨—阜平斷裂相連，但本次勘查結果顯示該斷裂并未連續地沿其總體走向往西南方向延伸。

金翔龍.2006.海洋、海洋經濟與人類未來［J］.海洋學研究，24(2)：1－7.

金翔龍.2007.海洋地球物理研究與海底探測聲學技術的發展［J］.地球物理學進展，22(4)：1243－1249.

劉保華，丁繼勝，裴彥良，等.2005.海洋地球物理探測技術及其在近海工程中的應用［J］.海洋科學進展，23(3)：374－384.

李西雙，劉保華，趙月霞，等.2008.海底活動斷裂研究方法及我國近海活動斷裂研究［J］.海洋地質動態，24(3)：8－13.

李文增，鹿英姿，王剛，等.2011.“十二五”時期加快我國戰略性海洋新興產業發展的對策研究［J］.海洋經濟，1(4)：13－17.

潘新春，張繼承.2012.我國海洋開發和管理理念的變遷與思考［J］.太平洋學報，20(2)：55－60.

邱大洪.2000.海岸和近海工程學科中的科學技術問題［J］.大連理工大學學報，40(6)：631－637.

王新洋，阮愛國，吳振利，等.2014.蘇門答臘海域海嘯地震及地殼深部結構［J］.災害學，29(1)：207－213.

張莉.2006.國外海洋開發態勢及對中國的啟示［J］.國際技術經濟研究，9(4)：7－12.

朱嘉，蔡鋒，許江，等.2008.閩東濱海斷裂帶活動特征研究［J］.臺灣海峽，27(3)：393 －402.

趙廣濤，譚肖杰，李德平.2011.海洋地質災害研究進展［J］.海洋湖沼通報，(1)：159－164.