綜合物探方法在張家口某工程場地地震安全性評價中的應(yīng)用研究

綜合物探方法在張家口某工程場地地震安全性評價中的應(yīng)用研究

溫超1， 郝海強2， 汪慎文2， 溫來福2， 劉國輝2

(1.河北省地震局，河北 石家莊050031； 2.石家莊經(jīng)濟學院，河北 石家莊 050031)

摘要：結(jié)合地質(zhì)和遙感圖像解譯資料，以物探方法查找活斷層是行之有效的方法。針對單一的物探方法在反演解釋中具有多解性的弊端，本文提出以高密度電阻率法為主，淺層地震反射波法為輔的綜合物探勘察組合模式。經(jīng)實際鉆探證明，這種綜合物探模式對隱伏活斷層的勘察是完全可行的，并具有較強的實用推廣性。

關(guān)鍵詞：綜合物探； 地震安評； 高密度電阻率法； 淺層地震反射波法

收稿日期：*2014-04-20

基金項目：河北省科技計劃項目(13210331)；河北省地震科技星火重點項目(201307)

作者簡介：溫超(1981-)，男，工程師，主要從事地震安全性評價及相關(guān)工作.E-mail：13833469830@126.com

通訊作者：郝海強(1988-)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事水工環(huán)探測技術(shù)方向的研究.E-mail：493815446@qq.com

中圖分類號:TU435文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0271

ApplicationofaComprehensiveMethodforGeophysicalProspectingtoSeismic

SafetyEvaluationonanEngineeringSiteinZhangjiakouCity,China

WENChao1， HAO Hai-qiang2， WANG Shen-wen2， WEN Lai-fu2， LIU Guo-hui2

(1.Earthquake Administration of Hebei Province，Shijiazhuang，Hebei050031，China；

2.Shijiazhuang University of Economics，Shijiazhuang，Hebei050031，China)

Abstract：The survey of a buried active fault is the primary task of a seismic safety evaluation in Zhangjiakou City，China.Geophysical exploration using geological data and the remote sensing interpretation of data is one of many effective methods for locating the active fault.This study used a comprehensive geophysical exploration model that combined the high-density resistivity method and the shallow seismic method.The faults，which were approximately 100 m deep，were found using the high-density resistivity method.This method provided the electrical properties and electrical structures of the active fault.Shallow seismic exploration is one of the most effective geophysical exploration methods and offers the highest resolution in the detection of active shallow urban faults.It also provides the accurate location and size of a fault and can determine the fault’s strata deformation age and related parameters.The high-density resistivity method can also improve the reliability of the shallow seismic method and the combination of these two methods can determine the fault’s formation properties more accurately.Actual drilling data proved that this comprehensive model is one of the best methods for active fault investigation.It has strong promotional and practical value.

Keywords：comprehensivegeophysicalprospecting；seismicsafetyevaluation；high-densityresistivitymethod；shallowseismicmethod

0引言

工程場地地震安全性評價工作(簡稱“安評”)的任務(wù)是評價未來一定時段內(nèi)(工程)場地(或區(qū)域)遭受地震威脅的可能性及相應(yīng)的程度，包括地震動及地面破壞兩方面的內(nèi)容，為工程建設(shè)抗震設(shè)防及已有工程的抗震可靠性分析、建設(shè)規(guī)劃和其他有關(guān)問題(如投資決策、地震保險)提供依據(jù)[1]。

活動斷層是誘發(fā)地震的主要原因，也是破壞城市建筑設(shè)施的主要因素[2-4]。20世紀以來世界發(fā)生了多起強烈地震，對城市造成嚴重的破壞，地震和地質(zhì)體活動的直接原因是活動斷層的作用。因此，城市安評工作的主要任務(wù)是查明活動斷層空間位置，評估活動斷層地震危險性和危害程度，使城市重要建筑設(shè)施有效地避開活動斷層，最大限度減輕可能遭遇的地震損失[5-6]。

根據(jù)《工程場地地震安全性評價》(GB17741-2005)的要求，工程場地地震安全性評價近場工作包括場區(qū)及其外延25km范圍內(nèi)主要斷層的位置、斷層活動性等內(nèi)容。在基巖出露條件好的場區(qū)，通過地質(zhì)調(diào)查手段便可以得到很好解決[7]。而在第四系覆蓋地區(qū)，則需要結(jié)合遙感圖像解譯資料，主要應(yīng)用物探方法進行追索、定位，提供地下隱伏活動斷層分布信息，然后利用少量的鉆探工作給予驗證的勘察方式。

目前高密度電阻率法和淺層地震反射波法成為勘察隱伏活斷層的兩種常用方法。其中高密度電阻率法具有工作效率高，能夠很好地確定隱伏活斷層的存在性；淺層地震法則探測分辨率高，可以準確地確定活斷層的位置、規(guī)模及空間分布情況。實踐表明，由于單一物探方法在反演解釋中存在不可避免的多解性[8]，上述任何一種物探方法都難以完成對城市隱伏斷層的精細勘察，因此，通過采用綜合物探技術(shù)和綜合解釋的思路，可使各物探方法間實現(xiàn)優(yōu)勢互補，取長補短，相互佐證，避免或減少其多解性，以提高物探資料解釋的精度和可靠性[9]。

研究適合城市探測地下隱伏活動構(gòu)造的綜合物探組合方式是近年來人們所探索的重要課題。本文以張家口某工程場地為例開展了相關(guān)內(nèi)容的試驗研究，提出了結(jié)合地質(zhì)和遙感圖像解譯資料，采取以高密度電阻率法為主，淺層地震反射波法為輔的綜合物探組合模式，取得了較好的探測效果。

1場區(qū)地震地質(zhì)特征

1.1場區(qū)地貌、地質(zhì)特征

張家口某工區(qū)位于其市區(qū)的東北部，屬張家口壩下中低山間盆地的斷陷邊緣，其緊鄰東北側(cè)邊坡陡峭的太平山，場區(qū)內(nèi)為第三紀晚更新世(O3)以來的坡沖洪積砂卵礫石層所覆蓋，數(shù)十米埋深的基巖為下白堊紀張家口組(K1z)凝灰?guī)r分布。

新構(gòu)造時期以來，在大范圍內(nèi)不同斷塊之間表現(xiàn)出很大的構(gòu)造差異運動。垂直升降運動具有間歇性抬升，并遭受河流切割，形成現(xiàn)代河谷和各級沖積階地和洪積階地。

1.2近場區(qū)活動斷裂

場區(qū)位于張家口—渤海活動構(gòu)造帶和山西活動構(gòu)造帶的交匯部位，受到兩條構(gòu)造帶的復(fù)合作用，表現(xiàn)出NWW向和NE向兩組斷裂的發(fā)育和改造，形成復(fù)雜的盆斷結(jié)構(gòu)，NWW向構(gòu)造占據(jù)更為主導(dǎo)的地位，而NE向構(gòu)造在衛(wèi)片上線性構(gòu)造清晰。為查明近場區(qū)活動斷裂的分布，我們對該近場區(qū)的衛(wèi)星遙感圖片進行了構(gòu)造解譯，由其解譯成果圖可見(圖1)，近場區(qū)內(nèi)發(fā)育有4條斷裂，其走向分別為：NE-NNE向和NWW-NW向兩組，分布于不同的構(gòu)造部位。

圖1　張家口—宣化盆地衛(wèi)星影像與斷層解譯圖 Fig.1　Map of satellite image and fault interpretation of Zhangjiakou—Xuanhua Basin

其中，F(xiàn)1為NWW向的張家口斷裂，從本工區(qū)及鄰域通過；西部F2為NE-NNE向的萬全斷裂，南部發(fā)育NW向的洋河隱伏斷裂(F3)和洗馬林—水泉斷裂(F4)。

張家口斷裂F1是華北地區(qū)著名的張家口—渤海地震構(gòu)造帶西部的一條主要斷裂，控制了張家口—宣化盆地的北部邊界，總體走向310°，傾向SW，傾角60°，甚至更大，呈正斷或逆斷走滑性質(zhì)。前人在翠屏庵村北沖溝中發(fā)現(xiàn)上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土和70 m厚的磨圓度中等的沙礫石層被錯段，斷面上可見摩擦鏡面和3 cm厚的紫紅色斷層泥，斷層上覆蓋1 m厚的粉質(zhì)黏土和20 cm厚的殘坡物。斷層泥和上覆粉質(zhì)黏土的熱釋光年齡分別為距今(117.53±9.99) ka和(24.63±2.09) ka，表明斷層在晚更新世初有過活動[10]。張家口斷裂或其伴生的次生斷裂屬通過本工區(qū)的隱伏活動斷層。

2綜合物探方法的選取

為查明工區(qū)場地及其近區(qū)地下隱伏斷層，特別是活動斷層的分布，在上述已知地質(zhì)、遙感解譯資料的基礎(chǔ)上，開展了以查明地下隱伏活動斷層為主要目的的綜合物探方法有效性試驗研究。

2.1隱伏活動斷層地球物理特征及綜合物探方法選擇

不論是何種類型斷層，無論是基巖還是第四紀松散覆蓋層中的斷層錯動，都會形成松散破碎或韌性剪切帶，而此帶與兩側(cè)巖土體或兩盤巖土體間存在著一定程度的物性(彈性、密度、磁性、電性)差異，從而為開展物探方法提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)和地球物理前提條件。活動斷層是指晚更新世以來形成的斷層，即O3以來的松散土層中的斷層。基于上述隱伏活動斷層及其地球物理特征可知，位于城區(qū)的活動斷層兩側(cè)一般具備彈性(波速、波阻抗)和電性(導(dǎo)電性、介電性)明顯的物性差異，因此淺層地震勘探[11]和電法勘探是應(yīng)用于探測地下隱伏斷層的基本方法。鑒于單一方法存在多解性，同時還考慮到每一種物探方法具有不同的探測優(yōu)勢、工作效率和成本，在分析研究兩種方法的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，達到最佳組合方式，使其取得良好的勘探效果。

淺層地震勘探應(yīng)用于隱伏斷層探測，最常用的是反射波法。反射波法的前提條件為不同地層間應(yīng)存在明顯的彈性波阻抗差異，在其探測深度范圍內(nèi)具有標志層存在，使用多次疊加技術(shù)還可使其具有較強的抗干擾能力，并對觀測場地條件要求不高，勘探深度較大，探測精度也高。隱伏活斷層覆蓋層和斷層破碎帶充填物與基巖的波阻抗不同，從而為淺層地震勘探反演解釋提供了前提，但其成本較高，工作效率低，又往往存在對所劃分地層的屬性難以準確判斷等不足。

高密度電阻率法具有野外工作便利、效率高、成本較低、受地形影響小等優(yōu)點，近年來成為隱伏活斷層勘察中最常用的電法方法之一。斷層形成過程中兩盤發(fā)生錯動，無論是正斷層、逆斷層還是走滑斷層都會形成破碎充填帶，必然與兩盤物質(zhì)有所差異，電性差異便由此產(chǎn)生，如果破碎帶中充水必然會呈現(xiàn)低阻現(xiàn)象，從而為高密度電阻率法提供了前提條件，異常反映直觀，但因存在體積響應(yīng)，有反演精度不夠的不足。

綜上所述，高密度電阻率法可對地下百米深度范圍內(nèi)的斷層進行調(diào)查，提供活動斷層的淺部電性特性和電性結(jié)構(gòu)。淺層地震勘探是城市活動斷層淺部探測中分辨率最高、最為有效的物探方法之一，可以提供斷層或隱伏斷層的準確位置、幾何形態(tài)及斷層帶寬度、斷層活動，在資料完整的條件下研究地層形變時代等有關(guān)參數(shù)，對了解構(gòu)造活動歷史，研究強震發(fā)生的可能性等具有重要作用。高密度電阻率法與淺層地震勘探法相互配合，可提高淺層地震勘探法某些特殊位置解釋的可靠性和綜合判斷地層屬性[12]。鑒于上述地震反射波法和高密度電阻率法在隱伏活斷層勘察中的優(yōu)缺點，提出在工程場地安評中選擇以高密度電阻率法為主，淺層地震反射波法輔助佐證的綜合物探組合模式。即：先以高密度電阻率法初步確定隱伏活斷層的位置所在，再利用淺層地震反射波法對斷層的典型或重點部位進行佐證核實、精確判定其具體類型、延展情況及規(guī)模大小，最后進行鉆孔驗證。

2.2物探方法原理及參數(shù)設(shè)置

2.2.1高密度電阻率法

本次工作中使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-6A多功能直流電法(激電)儀和DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)，采用溫納觀測裝置，電極距5m，可達最小分辨為2.5m，單次測量的最大展布為150m。反演軟件使用加拿大RTomo電法數(shù)據(jù)處理與解釋軟件。

2.2.2地震反射波法

本次淺層地震勘探工作中，采用美國GEOMETRICS公司的STRATAVISORNZXP地震儀、采用100Hz檢波器接收，80kg夯擊震源。野外數(shù)據(jù)采集過程中，采用單邊放炮多次覆蓋反射波法觀測系統(tǒng)，即：接收排列在前、激發(fā)炮點在后、下傾方向激發(fā)、上傾方向接收，72道接收，24道備用，9次覆蓋，向前連續(xù)追蹤的觀測方式。其中，道間距3m、最小偏移距6m，炮間距12m，記錄長度0.6s，采樣率0.25ms，低截頻率15Hz，高截頻率為250Hz，每炮垂向疊加15次以上。資料處理應(yīng)用加拿大Vista地震處理軟件。

3綜合物探資料解釋

3.1物探測線布置

根據(jù)地質(zhì)和衛(wèi)星遙感圖片解譯成果資料，為確定張家口斷裂或其次生斷裂在該區(qū)的準確位置，利用上述提出的綜合物探模式和技術(shù)措施對其開展了相應(yīng)的勘察工作。在現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上，為有效的控制隱伏斷層在工程場地范圍內(nèi)的分布，在場地東西兩側(cè)垂直該斷層可能走向的方向上分別布設(shè)了3條高密度電阻率法測線和1條淺層地震反射波法測線(圖2)，測線布置的具體位置見表1。

圖2　物探工作布置圖 Fig.2　Layout of the geophysical exploration

測線編號測線端點坐標剖面長度/m電法Ⅰ-Ⅰ'起點114°52'47.76″40°50'05.24″終點114°52'48.54″40°50'09.86″150電法Ⅱ-Ⅱ'起點114°52'55.61″40°50'03.61″終點114°52'59.45″40°50'08.16″150電法Ⅲ-Ⅲ'起點114°52'56.34″40°50'05.80″終點114°52'56.97″40°50'10.25″150地震起點114°52'55.61″40°50'03.61″終點114°53'04.31″40°50'22.45″510

3.2綜合物探資料解釋

為進一步佐證斷裂的存在及其產(chǎn)狀，在其Ⅱ-Ⅱ’和Ⅲ-Ⅲ’旁邊平行布設(shè)了淺層地震反射波法勘探剖面(圖2)，基本覆蓋兩剖面的分布，其反演結(jié)果見圖3。由地震反射波時間剖面可見(圖4)，在剖面樁號130m(CDP90)左右，反射波同相軸出現(xiàn)明顯錯動，按其同向軸相互錯動位置，解釋為傾向南的正斷層，斷距為50m左右。這與Ⅲ-Ⅲ’電阻率斷面低阻異常推斷的斷層位置完全吻合，從而也佐證了高密度電阻率法推斷結(jié)果。

圖3　高密度電阻率法各測線反演結(jié)果圖 Fig.3　Inversion results of each line by using high density resistivity method

上述綜合物探資料解釋表明，高密度電阻率法所確定的斷層與淺層地震勘探法所發(fā)現(xiàn)的斷層位置是一致的，說明高密度電阻率法探測地下隱伏活動斷層的有效性。結(jié)合Ⅰ-Ⅰ＇剖面的解釋推斷斷層位置可得出以下結(jié)論：由于張家口斷裂走向為NWW向，而推斷斷裂走向為NNW向，故推斷該斷裂屬張家口斷裂的次生斷裂，從該測區(qū)內(nèi)穿過(圖2)，根據(jù)近場區(qū)活動斷裂資料知該斷層為晚更新世活動斷層[10]。為驗證其綜合物探探測效果，在所推斷的斷層兩側(cè)各布驗證鉆孔ZK1和ZK2(圖2)。

圖4　淺層地震剖面地質(zhì)解釋圖 Fig.4　Map of geological interpretation of shallow seismic profile

圖5　驗證鉆孔柱狀圖 Fig.5　Histogram of verified drills

驗證鉆探結(jié)果表明(圖5)，北側(cè)ZK1鉆孔處第四紀覆蓋層厚度為11.5m，覆蓋層下基巖為凝灰?guī)r；而南側(cè)ZK2鉆孔處第四紀覆蓋層厚度為45m，其下為基巖凝灰?guī)r。證實了該地下隱伏斷層的存在，從而驗證了上述所綜合物探方法的有效性。

4結(jié)語

在張家口某工程場地進行地震安全性評價中，結(jié)合其地質(zhì)和遙感解譯資料，利用綜合物探方法查明了張家口斷裂在該測區(qū)內(nèi)的準確位置，通過高密度電阻率法和淺層地震反射波法推斷出該斷層為向南陡傾斜的活動正斷層，其斷距為50m左右。經(jīng)鉆探驗證表明上述推斷結(jié)論是正確的，可作為該場地地震安全性評價的依據(jù)。

理論與實踐表明，在城市地震安全性評價中，結(jié)合地質(zhì)和遙感解譯資料，以高密度電阻率法為主，淺層地震反射波法佐證為輔的綜合物探組合模式，對于有效勘察地下隱伏活斷層的精細結(jié)構(gòu)是完全可行的，它是現(xiàn)有的淺層物探方法兼顧探測效果、效率和成本的最佳組合，既可以避免單一方法的多解性，又能有效地提高城市條件下的探測精度，該模式具有較強的實用推廣性。

參考文獻(References)

[1]鄧起東，聞學澤.活動構(gòu)造研究——歷史、進展與建議[J].地震地質(zhì)，2008，30(1)：1-30.

DENGQi-dong，WENXue-ze.AReviewontheResearchofActiveTectonics——History，ProgressandSuggestions[J].SeismologyandGeology，2008，30(1)：1-30.(inChinese)

[2]王銀，杜克平，于貴華.城市活動斷層探測中的淺層地震勘探數(shù)據(jù)庫建設(shè)——以石嘴山市活動斷層探測為例[J].地震工程學報，2014，36(1)：186-194.

WANGYin，DUKe-ming，YUGui-hua.DatabaseConstructionofShallowSeismicExplorationforActiveFaultDetectioninUrbanAreas：aCaseStudyofShizuishan[J].ChinaEarthuakeEngineeringJournal，2014，36(1)：186-194.(inChinese)

[3]李碧雄，田明武，莫思特.水庫誘發(fā)地震研究進展與思考[J].地震工程學報，2014，36(2)：380-386，412.

LIBi-xiong，TIANMing-wu，MOSite-te.ResearchProgressandThoughtsonReservoir-inducedSeismicity[J].ChinaEarthuakeEngineeringJournal，2014，36(2)：380-386，412.(inChinese)

[4]張守潔，朱澤，哈輝.我國農(nóng)村震害及農(nóng)居地震安全工程典型案例分析[J].地震工程學報，2013，35(4)：936-944.

ZHANGShou-jie，ZHUZe，HAHui.AnalysisofTypicalCasesofEarthquakeDamageinRuralAreasofChinaandEarthquakeSafetyProjectsforRuralHousesinRecentYears[J].ChinaEarthuakeEngineeringJournal，2013，35(4)：936-944.(inChinese)

[5]張合，扈本娜，劉國輝.綜合物探方法探測城市隱伏活動斷層的研究[J].工程地球物理學報，2012，9(6)：776-780.

ZHANGhe，HUBen-na，LIUguo-hui.ResearchofIntegratedGeophysicalExplorationMethodinDetectingUrbanBuriedActiveFaults[J].ChineseJournalofEngineeringGeophysics，2012，9(6)：776-780.(inChinese)

[6]尚浩，郭秀軍，楊建.綜合物探技術(shù)在濱海地區(qū)淺層斷層探測中的應(yīng)用[J].中國水運(下半月) ，2009，9(6)：174-175.

SHANGHao，GUOXiu-jun，YANGJian.ApplicationofIntegratedGeophysicalProspectinginShallowFaultDetectioninCoastalArea[J].ChinaWaterTransport(Seceodhalf)，2009，9(6)：174-175.(inChinese)

[7]陳蜀俊，羅登貴，甘家思.淺層地震勘探在工程場地地震安全性評價近場工作中的應(yīng)用[J].物探與化探，2004，28(5)：463-466.

CHENShu-jun，LUODeng-gui，GANJjia-si.TheApplicatonofShallowSeismicExplorationtotheNear-siteResearchesontheSeismicSafetyEvaluationoftheConsiructionSites[J].Geophysical&GeochemicalExploration，2004，28(5)：463-466.(inChinese)

[8]劉國輝，郝海強，溫來福.綜合物探在河北淶源明長城下采空塌陷區(qū)勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學報，2013，10(5)：714-718.

LIUGuo-hui，HAOHai-qiang，WENLai-fu.ApplicationofComprehensiveGeophysicalProspectingintheSurveyofCollapseofGoafbellowtheGreatWallofMingDynastyofHebeiLaiyuan[J].ChineseJournalofEngineeringGeophysics，2013，10(5)：714-718.(inChinese)

[9]杜良，葛寶，朱麗麗.綜合物探技術(shù)在隱伏斷層探測中的研究與應(yīng)用[J].工程勘察，2012(1)：81-85.

DULiang，GEBao，ZHULi-li.TheResearchandApplicationofComprehensiveGeophysicalExplorationTechniquetoBuriedFaultDetection[J].GeotehnialInvestigation&Surveying，2012(1)：81-85.(inChinese)

[10]尤惠川，邵翠茹，楊歧焱.張家口斷裂發(fā)現(xiàn)第四紀晚期活動證據(jù)[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2008，3(4)：474-477.

YOUHui-chuang，SHAOCui-ru，YANGQi-yan.SomeActiveEvidencesinLateQuaternaryofZhangjiakouFault[J].TechnologyforEarthquakeDisasterPrevention，2008，3(4)：474-477.(inChinese)

[11]趙富有，王世煜，王典.橫波地震勘查技術(shù)在長春市活斷層探測中的應(yīng)用[J].地球物理學進展，2008，23(1)：284-288.

ZHAOFu-you，WANGShi-yi，WANGDian.ApplicationofSesmicShearWaveProspectinginDetectionofActiveFaultsinChangchunCity[J].ProgressinGeophysics，2008，23(1)：284-288.(inChinese)

[12]李大虎，何強，石金虎.隱伏活斷層的綜合地球物理勘探方法——以青川縣城區(qū)活斷層為例[J].世界地震工程，2011，27(2)：164-169.

LIDa-hu，HEQiang，SHIJin-hu.ComprehensiveGeophysicalExplorationMethodsofHiddenActiveFaults——AnExampleofQigchuanCountryDistricthiddenActiveFaults[J].WorldEarthquakeEngineering，2011，27(2)：164-169.(inChinese)

災(zāi)害評估