核电厂址隐伏断裂探测中的地震勘探方法研究

书书书第５３卷第２期２０１０年２月地　球　物　理　学　报ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．５３，Ｎｏ．２Ｆｅｂ．，２０１０何正勤，潘　华，胡　刚等．核电厂址隐伏断裂探测中的地震勘探方法研究．地球物理学报，２０１０，５３（２）：３２６～３３４，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０００１５７３３．２０１０．０２．０１０ＨｅＺＱ，ＰａｎＨ，ＨｕＧ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅｔｅｃｔｂｕｒｉｅｄｆａｕｌｔｉｎｔｈｅｓｉｔｅｏｆＮｕｃｌｅａｒＰｏｗｅｒＰｌａｎｔ．犆犺犻狀犲狊犲犑．犌犲狅狆犺狔狊．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ），２０１０，５３（２）：３２６～３３４，ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０００１５７３３．２０１０．０２．０１０核电厂址隐伏断裂探测中的地震勘探方法研究何正勤，潘　华，胡　刚，叶太兰，段宝平中国地震局地球物理研究所，北京　１０００８１摘　要　总结了近年来在多个核电厂址地震安全性评价中陆域覆盖区和海域浅层地震勘探的工作经验，通过对不同的典型工程实例分析，讨论了在不同地质和地球物理条件下，用浅层地震反射法探测隐伏断裂时应注意的关键性技术问题．提出了在不同地质条件下实施隐伏断裂探测时的地震仪器设备选择、方案设计、参数选取、断层识别的基本方法．本文的研究成果可为类似地区开展核电厂址能动断层探查工作提供实用性的技术资料．关键词　核电厂址，能动断层，隐伏断裂，地震勘探ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０００１５７３３．２０１０．０２．０１０中图分类号　Ｐ３１５收稿日期２００９１１２６，２０１００１０９收修定稿基金项目　地震行业科研专项“核电厂地震安全问题研究”（２００７０８００３）、“井地联测ＶＳＰ技术在隐伏活断层上断点确定中的应用”（２００８０８００７）共同资助，中国地震局地球物理研究所论著：１０ＡＣ１００２．作者简介　何正勤，男，１９５４年生，四川大学物理系毕业，研究员．主要从事面波层析成像和浅层地震勘探方面的研究．Ｅｍａｉｌ：ｈｅｚｑ＠ｃｅａｊｇｐ．ａｃ．ｃｎ犛狋狌犱狔狅狀狋犺犲狊犲犻狊犿犻犮犲狓狆犾狅狉犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱狋狅犱犲狋犲犮狋犫狌狉犻犲犱犳犪狌犾狋犻狀狋犺犲狊犻狋犲狅犳犖狌犮犾犲犪狉犘狅狑犲狉犘犾犪狀狋ＨＥＺｈｅｎｇＱｉｎ，ＰＡＮＨｕａ，ＨＵＧａｎｇ，ＹＥＴａｉＬａｎ，ＤＵＡＮＢａｏＰｉｎｇ犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犌犲狅狆犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犪犈犪狉狋犺狇狌犪犽犲犃犱犿犻狀犻狊狋狉犪狋犻狅狀，犅犲犻犼犻狀犵１０００８１，犆犺犻狀犪犃犫狊狋狉犪犮狋　Ｔｈｅｗｏｒｋｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｏｆｓｈａｌｌｏｗｓｅｉｓｍｉｃｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｉｎｌａｎｄａｎｄｗａｔｅｒａｒｅａｓｆｏｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓａｆｅｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｓｉｔｅｓｉｓｒｅｖｉｅｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃａｓｅｓ，ｓｏｍｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｓｓｕｅｓ，ｔｏｗｈｉｃｈｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｐａｉｄｉｎｔｈｅｂｕｒｉｅｄｆａｕｌｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｓｏｍｅｃｒｉｔｉｃａｌｓｃｈｅｍｅｓｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅｓｅｉｓｍｉｃｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｓｕｃｈａｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｌａｙｏｕｔｄｅｓｉｇｎ，ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｆａｕｌｔ．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｇｕｉｄｅｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃａｐａｂｌｅｆａｕｌｔｉｎｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｓｉｔｅｓｗｉｔｈｓｉｍｉｌａｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．犓犲狔狑狅狉犱狊　Ｎｕｃｌｅａｒｐｏｗｅｒｓｉｔｅ，Ｃａｐａｂｌｅｆａｕｌｔ，Ｂｕｒｉｅｄｆａｕｌｔ，Ｓｅｉｓｍｉｃｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ１　引　言在能源日趋紧张的今天，发展核电已成为我国解决能源短缺的重要途径［１］．在国内外的核电厂安全法规中，都将能动断层的影响放在重要的地位．我国现行核安全导则ＨＡＤ１０１／０１《核电厂厂址选择中的地震问题》［２］将能动断层定义为：“在晚更新世Ｑ３（约１０万年）以来有过运动证据，以致可合理地推论在地表或接近地表处能够再次发生运动的断层”．在核电厂地震安全性评价工作中，非常重要的一项工作就是发震构造和能动断层的鉴定［３］，要求　２期何正勤等：核电厂址隐伏断裂探测中的地震勘探方法研究对于隐伏断层地区开展地球物理勘探，探查隐伏断裂的展布和活动性．因此，隐伏断裂的探测是核电厂地震安全性评价工作的一项重要内容．反射地震勘探技术是根据地下介质在物性差异界面上地震波的运动学和动力学特征，探测地层或岩体的埋深及其速度结构，该方法已在油气、矿产资源及深部结构探测中得到了广泛而有效的应用．目前在城市活动断层探测中，主要采用的是浅层反射地震勘探方法．通过一系列的实践和探索，在观测系统的设计、数据采集参数的选取、资料处理和解释等技术方面已得到了较大的提升，并取得了很好的勘探效果［４，５］．近年在我国开展的多个核电厂址的地震安全性评价工作中，浅层反射地震勘探技术已广泛应用于第四系覆盖区的隐伏断裂探测，在核电厂的选址中发挥了重要的作用．大量的工程实践表明，由于不同地区第四系地层发育不同、基底岩性不同、构造形式不同、赋水条件不同、人为干扰环境不同等因素的影响，对浅层地震勘探观测系统的设计、数据处理与资料解释、构造形迹的鉴别等方面，提出了许多亟待解决和需要研究的技术问题．由于我国核电厂址大都拟选于沿海地区，尤其是东南沿海一带预选的厂址更为密集．而这些地区的第四系厚度变化较大，下覆的基岩主要为岩浆岩，由于风化强烈，基岩顶面起伏较大，基岩陡坎、风化坳槽、断层均有发育，这些需要探测的地质异常体在时间剖面上具有相似的特征，常规的浅层反射地震剖面解释原则和标准对断点位置和活动性的鉴别都存在着一定的困难．为此，本文在总结多个核电厂址地震勘探工程实例经验的基础上，对核电厂址浅层反射地震勘探的关键性技术进行针对性的研究，提出在不同地质条件下探测设备的选择、实施方案的设计和实用性强的定量化参数选择范围．２　浅层反射地震勘探时间剖面中断层的识别首先依据时间剖面上的反射波组特征，结合地质和钻孔资料进行对比分析，确定反射波组与地质层位对应关系和目标层的变化情况．依据中华人民共和国行业标准《活动断层探测方法》（ＤＢ／Ｔ１５２００５）［６］中对浅层反射地震资料解释提出的五条识别标志来判别断层．其判别依据如下：①反射波同相轴或波组的错断；②反射波同相轴数目突然增加或减少；③反射波同相轴形态和特征发生突变，反射波零乱或出现空白异常带；④反射波同相轴的强相位反转．⑤剖面反射波组的上、下依赖关系．如果发现有断层存在，将确定其倾角、错距和上断点埋深等参数，并根据测线上的钻探资料推断被测断层的最新活动时代．在核电厂址隐伏断裂的探测中，断裂在第四系中的错断一般都较小，被探测的目标地质体具有埋深浅、尺度小的特点，这就对浅层地震勘探的分辨率提出了更高的要求．在实际工作中，对于同一场地和同样仪器设备因素等条件下，用不同探测方法，得到的资料和解释成果可能会存在较大的差异，有时甚至会导致误判或漏判断层．因此，需要对探测资料的分辨率作出客观评价，才能判定得到的结果是否可靠，因为超出分辨能力的解释结果是不可靠的．地震波勘探的分辨率通常包括水平分辨率和垂向分辨率．水平分辨率是指在水平方向上确定特殊地质体（如断层、破碎带或尖灭点）大小的精确程度，水平分辨率决定于菲涅尔带半径犚１：犚１＝犺狏２槡犳，（１）其中，犺为界面埋深，狏是该界面以上的地层速度，犳是地震子波的主频．通常以菲涅耳带的直径（２犚１）作为水平分辨率［７］，而把在垂直方向上能分辨岩性单元的最小厚度称为垂向分辨率．在地震勘探中，经常讨论的是垂向分辨率．垂向分辨率又可以用时间分辨率或厚度分辨率两种方式来表示．在时间域内，把能确定出两个独立界面所需要的最小反射时间称为时间分辨率．而在地震勘探的地质解释中，通常将时间分辨率转换为“地层厚度”来描述，故称之为厚度分辨率或地层分辨率．理想情况下，当子波为零相位子波时，地震剖面的时间分辨率狋Ｒ和厚度分辨率犣Ｒ分别为：狋Ｒ＝１２犳，（２）犣Ｒ＝狏狋Ｒ２＝狏４犳，（３）　　由于地震勘探的水平分辨率、垂向分辨率都与地震波速度、频率和频带宽度有关，因此要提高地震勘探成果的分辨率，必须在野外采集、室内处理过程中通过提高反射波的主频和拓宽其频带宽度来实现．在野外采集中，首先要确保震源能激发出高频、７２３地球物理学报（ＣｈｉｎｅｓｅＪ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．）５３卷　高能量和宽频带的地震波．此外，由于反射波的频率与偏移距的大小有关，所以选择合适的观测系统也是一个十分重要的环节．地震勘探实践的成熟经验表明，采用小能量激发，小道距、小偏距、短排列、高频检波器、宽频带接收等方法可以使反射波的主频有明显提高．正式采集时的最佳参数要根据探测目标、场地地质条件，通过现场的激发、接收效果试验来确定．３　不同地质条件下隐伏断层的浅层反射地震勘探由于核电厂对地震安全、水源、地理、环境和地质等诸多条件都有较苛刻要求，核电厂址大都拟选于沿海一带或邻江靠湖地方，这些地区的地质条件一般都很复杂，第四系松散且厚度变化较大，对地震波的激发和接收都带来了不利的影响．因此必须针对不同场区的地质与地球物理条件合理选择探测设备、观测系统和数据采集参数，采用必要的数据处理和恰当的解释方法，才能可靠无误地确定断层的产状和空间展布，并结合钻探和测年等手段，判别其最新活动时代，为核电厂址的地震安全性评价中的能动断层鉴别提供科学依据．下面就核电厂隐伏断层探测中常遇到的具有代表性的探测难点问题，通过实例讨论在不同地质条件下如何开展隐伏断层的地震勘探工作．３．１　基岩埋深浅、起伏大情况下的断层探测在浅层反射地震勘探中，当探测目标较浅时，通常需要接收排列尽可能地靠近激发震源，但震源附近的波场复杂，直达波、面波、声波等干扰波十分强烈，在震源附近一定的范围内，有效的反射波信号会完全被干扰波淹没，这就是常说的反射地震勘探在浅部存在的盲区．本节给出的是我们在广东饶平地区探测黄岗水断裂的一个实例．黄岗水断裂是潮汕盆地东北边缘的一条断裂，大致沿黄岗河展布，控制着饶平盆地的发育．该区第四系直接覆盖在侏罗纪、白垩纪花岗岩之上．现有资料表明，测区附近的基岩顶面起伏较大，第四系厚度较薄，在０～５０ｍ之间变化，主要由粘土、淤泥和粉砂组成．这种地质条件下开展浅层反射地震勘探的难点是：基岩顶面的起伏不平会引起反射波的杂乱反射，影响叠加效果；来自浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波覆盖．针对这种情况，采用人工锤击小能量中间激发、６０道零偏移距双边接收、１０次水平覆盖的观测系统，获得了高频、高信噪比的优质浅层反射资料．根据野外采集的数据，通过一系列数据处理得到了反射波组清晰的时间剖面图，图１ｂ是穿越黄岗水断裂反射地震剖面的局部，图１ａ是紧邻测线在仙春附近跨黄岗水断裂的地质剖面图［８］．在图１的（ａ）和（ｂ）中，水平距离的比例尺是相同的，可以看出，反射地震剖面揭示出的断层Ｆ１和Ｆ２的规模、倾向和产状都与地质剖面上看到的Ｆ１和Ｆ２的特征十分相似．说明纵波反射法在基岩埋深浅、起伏大的情况下，采用小能量激发、小点距、短排列用高频检波器接收等技术手段对隐伏的探测是有效和可靠的．３．２　强干扰环境下第四系较厚地区的断层探测本实例的测区位于潮汕平原西南盆地内，基底为侏罗纪和白垩纪的花岗岩，第四纪沉积厚度在部分地段达到１５０ｍ以上［９］，主要为冲积