松花江北第四系浅层地震剖面反射波组特征

松花江北第四系浅层地震剖面反射波组特征

0浅层地震勘探效果及技术应用在城市大陆地区的探测中，有许多方法可以保护第四纪覆盖区域的断裂活动。这些探测方法可分为地质学方法和地球物理勘探方法（方盛明等，2002；中国地震局，2005）。目前，最广泛用于城市活动断层勘探的方法是地震平坦勘探和联合地质勘探。上海、北京、宁波、哈尔滨、银川、福州等城市活动断层探测中不约而同地选择了上述2种勘探方法。城市及周边地区人工环境复杂,为了尽可能地排除人为干扰,前人从浅层地震数据采集技术、震源效果对比和选择、处理方法等方面进行了改进(刘保金等,2002;潘纪顺等,2002;徐朝繁等,2002),使得城市地区浅层地震勘探得到的叠加时间剖面质量不断提高,比较清晰地反映出一定深度范围内不同物理性质的第四纪地层在二维空间上的分布。例如,浙江省工程地震研究所在研究萧山-球川断裂富阳—盐关段的活动性时,利用三维浅层人工地震勘探技术,较清晰地揭露出了断层在第四纪地层中的三维空间分布,以及沉积盆地基底面起伏变化和不同物理性质的第四纪地层的空间展布1。在利用钻探方法研究隐伏断层的活动性方面,一些科学家也进行了有益的探索。江娃利(2001)、徐锡伟等(2000,2002)利用钻孔资料分析了北京平原夏垫断裂晚更新世晚期以来的古地震事件期次。Yang等(2004)在完成郑州市郑东新区地震小区划工作时,在浅层地震勘探资料的引导下,利用钻探联合地质剖面方法得到了隐伏断层影响带的宽度、上断点位置和活动时代。2004—2005年间,中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所在哈尔滨市附近横跨滨州断层、阿什河断层完成了几条浅层地震勘探剖面,2005年我们沿其中的2条测线完成了8个钻孔的施工任务。在岩芯描述、测年、沉积分析的基础上,对比研究区第四纪标准钻孔建立了2条钻探联合地质剖面。本文根据物探资料解释的断层活动性和钻探联合地质剖面揭露出的地质现象提出问题并给出了解释。1新统qh分异哈尔滨市位于松嫩平原东部的松花江畔,第四纪地层厚度为32～60m。标准钻孔(X5)位于松花江北新村屯附近,钻孔中第四纪地层厚46.2m。根据标准钻孔(X5)中第四纪地层的划分方案,哈尔滨地区第四纪地层特征为:1)全新统(Qh)上段为灰色、黑灰色淤泥、细砂,下段为黄色、青灰色中粗砂砾石,为温和或温凉及较湿气候环境下的堆积;2)上更新统(Q3p)为青灰色、灰色中粗砂、细砂砾石层,为温凉或寒凉及轻湿气候环境下的堆积;3)中更新统(Q2p)上段为灰黑色淤泥质黏土夹砂层,中段为青灰色、黄色中粗砂夹淤泥质黏土,下段为青灰色中粗砂夹灰黑色淤泥质黏土,为寒凉或温凉较湿的气候环境下的堆积;4)下更新统(Q1p)上段为灰黑色淤泥质黏土,坚硬,下段为灰白色粗砂砾石层,为温和较湿的古气候环境下的堆积。哈尔滨地区分布有3条隐伏断层,它们分别为阿什河断层、滨州断层和松北断层。阿什河断层和滨州断层走向NW,总体倾向SW,松北断层走向NEE,倾向SSE(图1)。2平均地震资料及地质解释12.1地震剖面地质特征吕刚屯浅层地震剖面是HEB07测线的一部分,为NE向地震测线,位于哈尔滨市区北侧的吕刚屯村附近,测区内西段地势平缓,表层土密实,远离公路和村庄,外界干扰很小,有较好的地震激发和接收环境,保证了原始数据的采集质量,WACKER夯源激发的能量较强。地震剖面上共解释了4个地震波组T0-1、T0、T1和T2,根据测线上的L2钻孔资料,认为T0反射波为第四系和白垩系分界面形成的反射,该波组振幅相对较强,连续性较好,地震波组的相位特征明显(图2a)。T0-1为第四纪地层内砂砾石和黏土之间的界面产生的反射波,该反射波组的振幅相对较强,相位特征比较明显。T1,T2为白垩纪地层内的岩性界面,其中T1反射波振幅相对较强,T2反射波振幅相对较弱。图2所示地震时间剖面上305m处有1条断层,在断层通过处,T2,T1,T0反射波都发生了错断,特别是T1,T0反射波错断明显,断层未使第四纪地层内部的T0-1反射波发生错断。断层F7-1倾向SW,为正断层,第四纪地层底界面(T0波组)错距为12m,上断点埋深36m。2.2地震反射波t0-1及3-2层析模型巨宝屯浅层地震剖面是HEB03-1测线的一部分,测线从张家店南向NE方向延伸,终点位于罗家屯村东的绕城高速路边。测区的地形略有起伏,测线布设在田地内,视野开阔,地表土质密实,激发和接收条件较好,采集的地震数据质量较高。处理得到HEB03-1测线的地震反射时间剖面,该反射剖面的信噪比较高,波组特征明显。对该地震剖面共解释了5个地震波组T0-1、T0、T1、T2和T3,根据测线上的钻孔地质资料推断,认为T0反射波为第四系底界面形成的反射,该波组振幅相对较强,相位特征明显,白垩系泥岩埋深47m左右(图3)。T0-1为晚更新世地层内中粗砂砾石层和细砂层之间界面产生的反射波,该反射波组的振幅较强,相位特征明显。T1,T2,T3为白垩纪地层内的岩性界面产生的反射波,反射波振幅相对较强。图3所示剖面上距离990m,1‚110m处分布有2条断层(F3-1和F3-2),这2条断层构成了一条“Y”字形断层(F3)。在断层分布处,反射波零乱,可能是断层破碎带的反映,断层F3-2使第四纪地层内部的界面反射波T0-1发生了错断。“Y”字形主断层(F3)倾向SW,分支断层F3-2倾向NE,皆为正断层。错断的地层为白垩系和部分第四纪地层。F3-1断层在第四纪地层底面垂直位错5m,没有错断上覆的T0-1界面,上断点埋深40m左右。F3-2断层使第四纪地层底面(T0)垂直位错6m,晚更新世粗砂砾石和细砂层之间的界面(T0-1)垂直位错6m,上断点埋深21m。3体制和系统划分钻孔地质剖面上的第四纪地层划分,参考了哈尔滨第四纪标准钻孔的探测结果2。在46.8m深的第四纪标准钻孔中,完成了16件绝对年龄测试与41件样品的孢粉分析,另外进行了波速、电阻率和密度测试。根据岩性、气候变化和地层测年,对第四纪地层进行了系统划分。判断剖面中断层存在的依据为等时沉积地层的系统落差。3.1中更新世地层吕刚屯4个钻孔(L1、L2、L3和L4)孔口相对高度分别为100m、100.15m、100.10m和100.10m,高度基本一致。对比L1、L2、L3和L4钻孔,可以发现钻孔中的地层存在3～4个沉积旋回,每个沉积旋回都是由粗粒堆积开始,向上逐步变细,以细砂或黏土结束(图4)。1)剖面上晚更新世早期地层为青灰色粗砂砾石,砾石直径一般2～5mm,个别砾石直径达10mm,埋深分别为22.3～23.3m。该层以上为晚更新世以来的地层,没有受到断层活动的影响。2)L1、L2、L3钻孔中,中更新世地层以一层灰色、青灰色粗砂砾石层开始堆积为标志,向上逐渐转变为中砂、细砂,大致以一套细砂和黑灰色黏土结束,地层厚度7.2～7.9m。L4孔中底部细砂样品的ESR测年结果分别为距今(467±47)ka和(694±70)ka,该孔中不存在早更新世地层。3)L1、L2和L3孔中早更新世地层下部为密实、坚硬的灰黑色淤泥质黏土,厚约2m,向SW方向尖灭,沉积年龄>850ka。4)在L1、L2、L3和L4钻孔中,白垩纪灰绿色泥岩的顶面埋深分别为35.6m、35.9m、36.2m和35.9m,位于大致相同的深度。吕刚屯钻探联合地质剖面中,第四系底部灰黑色密实、坚硬的淤泥质黏土层向SW方向尖灭,没有延伸到L4孔的位置。白垩纪灰绿色泥岩顶面处于相同的埋深,即盆地基岩顶面水平,不存在垂直落差。因此,该钻探剖面中不存在错断第四纪地层的断层。3.2中更新世地层结构巨宝屯钻探联合地质剖面横跨滨州断层,浅层地震勘探资料显示出断层错断白垩纪基岩顶面,而且向上延伸到上更新统的底部。为此,沿浅层地震测线在断点两侧各完成了2个穿透第四纪地层的钻孔,以揭露断层的存在和活动性(图5)。(1)中—晚更新世以来的断层活动性分析:1)钻探联合地质剖面中全新世地层的底面埋深为8.5～9.6m,以一层青灰色、灰黄色细砂和灰黑色含粉砂的淤泥开始,向上转变为含粉砂的淤泥和灰黄色粉砂,最上部靠地表部分为灰色、棕红色、黑色的含粉砂淤泥或砂质黏土,底面高程大致相同。2)晚更新世地层由灰黄色、青灰色、灰白色粗砂、细砂和中砂组成,上部有少量的淤泥质黏土。J1、J2、J3和J4孔中地层底界的埋深分别为24.9m、25.3m、25.4m和25.2m,处于大致相同的高程。3)中更新世地层以粗砂、细砂开始沉积为标志,在J1、J2、J3和J4孔中的埋深分别为42.3m、42.0m、41.3m和41.4m,处于大致相同的高程,断层活动没有影响中更新世底部的地层。(2)早更新世地层下部以灰白色粗砂砾石层为特征,J1孔埋深43.2m的ESR样品(J1-ESR-16)测年结果为距今(895±90)ka。砾石层之上为灰黑色淤泥质黏土,在J1和J2孔中该黏土层很薄,仅有10～20cm,J3和J4孔中灰黑色淤泥质黏土厚达3.0m。推测在距今750ka的早更新世,滨州断层的活动使得J1和J2孔所在的位置抬升,J3和J4孔所在的位置下降,流水的侵蚀在断层的上盘刻蚀出深约3m的洼地。此后在洼地内堆积了灰黑色淤泥质黏土。同时,在断层上盘J1和J2孔的位置,也堆积了厚10～20cm的灰黑色淤泥质黏土。J1、J2、J3和J4孔中基岩面的埋深分别为45.8m、46.7m、48.0m和47.8m,其中J2和J3孔之间为滨州断裂通过的位置,基岩面高差为1.3m。(3)J1、J3和J4孔中均揭露出完整的灰绿色泥岩,在J2孔中的泥岩岩芯有2段(厚度40cm)为棱角状的泥岩角砾,角砾表面光滑。钻进过程中此段出现泥浆泄露的现象。依据以上证据,可以确定J2钻孔遇到了断层破碎带或断层影响带。根据以上分析,滨州断裂断错了早更新世砾石层。J1孔中的J1-ESR-16样品以上地层的厚度为43m,为距今(895±90)ka以来的堆积,平均沉积速率为0.048mm/a。J1-ESR-16样品距离J1孔第四纪地层底面2.8m,堆积2.8m厚的地层需要58ka,推断巨宝屯钻探联合地质剖面中第四纪最老地层的年龄约为960ka。因此,滨州断层错断距今960ka的早更新世砾石层,但被距今750ka的早更新世地层覆盖,距今750～960ka间,断层的垂直活动速率为0.01mm/a,上断点的埋深为距地表约42m。4在讨论平地震数据的地质解释和联合剖面的地质解释差异时4.12早更新世活动断层从吕刚屯和巨宝屯浅层地震资料地质解释和钻探联合地质剖面揭露出的地质构造可以看出,2种方法对阿什河断层、滨州断层的解释有相同,也有不同之处。下面从隐伏断层断错的地层、垂直位移、上断点的位置等方面说明二者的不同(表1)。对吕刚屯剖面,浅层地震方法揭露出阿什河断层错断了第四系与白垩系的接触界面,叠加剖面中的断层使T0界面产生12m的垂直位错,断层上断点的埋深约36m,为一条早更新世活动断层。钻探联合地质剖面上,第四纪砂砾石层与白垩纪泥岩之间的不整合面大致位于相同的相对高度,埋深约为36m,没有发现断层延伸到第四纪地层内部的痕迹。对于巨宝屯剖面,由浅层地震方法得知滨州断层错断了T0和T0-1界面,垂直位移均为6m,上断点的埋深为21m。参考J2孔的岩芯资料,可知滨州断层错断了早更新世和中更新世砂砾石层和黏土层,上断点已经延伸到晚更新世地层的底面以上约4m的位置,为一条晚更新世早期活动断层;钻探联合地质剖面上,J2和J3孔之间第四系和白垩系不整合面的垂直落差为1.3m,中更新统和上更新统之间的界面没有垂直位错,断层上断点位于埋深约42m的早更新世地层中,为早更新世活动断层。上述物探资料和钻探联合地质剖面得到的断层参数存在较大的差异,不仅表现在位错值、上断点位置的不同上,而且也表现出T0-1界面并非中更新统和上更新统之间的地层界面,而是晚更新世地层中的岩性界面。4.2关于问题的讨论4.2.1地震反射波的发生图6是根据图4和图5钻探联合地质剖面概括出的吕刚屯剖面和巨宝屯剖面地层模型。图6a中,当在S点激发产生人工地震,地震波穿透第四纪地层到达P点右侧第四系和白垩系的接触面时,由于第四系饱水砂砾石和白垩系泥岩的物理性质之间有巨大的差异,剪切波速由250～300m/s突跳到>500m/s以上3,能够沿Q/K界面产生强反射波。在P点左侧,白垩纪泥岩上是一层密实、坚硬的黏土,剪切波速为320～360m/s1,黏土层与上覆的饱水砂砾石层之间存在较大的剪切波速差,而与下伏的白垩纪风化泥岩之间的波速差异不明显。再者,在靠近地表面的S点激发产生的地震波,首先到达砂砾石层与硬黏土层的接触面,在叠加剖面上产生强反射波。黏土层和泥岩之间也存在波速差,也能产生地震反射。在吕刚屯剖面上,在断层的右侧不发育黏土层,而在左侧发育硬黏土层,这样在叠加地震反射剖面上会产生波组的不连续或中断,它会误导地震解释人员,使其在第四系底部解释出伪“断层”。4.2.2地层面的反射波组和厚度变化巨宝屯钻探联合地质剖面中,硬黏土层顶面不在相同的高度,R点右侧黏土层顶面比左侧低2m。黏土层的底面L也不是一个平面,N点左侧底面较右侧低2.5m。黏土层中还存在1个砂砾石透镜体,自左向右尖灭。黏土层与上覆砂砾石层之间的界面为地震反射剖面中的T0-1,界面以上砂砾石层的剪切