城市隱伏活斷層主要工作方法初探

楊 旭，白志強

北京大學地球與空間科學學院，北京100871

城市隱伏活斷層主要工作方法初探

楊 旭，白志強

北京大學地球與空間科學學院，北京100871

隨著地球進入新的活動周期，地震發生的頻率越來越大.據目前研究可知，城市地震災害主要是由于位于城市之下的活斷層突然快速活動而產生的.活斷層為晚第四紀有活動的斷層.自從20世紀90年代以來，我國一直在探索活斷層探測的新方法.通過前人經驗及作者的工作經歷，分析了活斷層的特性，對活斷層的探測方法加以總結.活斷層探測方法分為3個大類：地球物理方法、地球化學方法和鉆孔聯合鉆探法.3種方法各有優勢和劣勢，若在某地活斷層探測工作中能將3種方法較好地結合起來，便能將活斷層探測的精度大大提高，提高工作效率.

活斷層；地球物理方法；地球化學方法；傳統地質方法；地震災害

0 前言

隨著全球城市化進程的加速，城市地震災害所造成的生命財產損失及對社會公共安全的沖擊日益嚴重.大量的地震實例告訴我們，巨大的城市地震災害，主要是由位于城市之下的活斷層，突然快速錯動所導致的直下型地震引起的；而城市附近地震也可誘發城區活斷層的活動，加重活斷層沿線建筑物的破壞和地面災害.現今一般認為活斷層是晚第四紀以來有活動的斷層［1］，最早是在1908年由A.C.Lawson作為一個構造地質學的術語提出來的.早在20世紀二三十年代，我國科學家翁文灝（1922，1929）、謝家榮（1922）和陳國達（1938）便注意到地震與斷裂的關系［1］.20世紀80年代以來，隨著國際活動斷裂的研究，我國城市活斷層的研究工作逐漸從定性轉向定量.在近幾十年的探索中發現地震都發生在活動斷裂帶上，而活動斷層不一定都發震［2］.因此，總結出一系列的探測方法，可以提高對于活斷層探測的精確程度，為減小地震等活斷層活動引起的損失做出貢獻.

在城市的建設和發展過程中，城市一般被不同厚度的第四紀松散沉積物所覆蓋.因此探測的目標斷層大多數為隱伏斷層，僅僅依靠傳統的地表地質地貌工作已不可能對斷層定位和活動性進行全面研究［3］.對于活斷層的研究方法，現今應用比較廣泛的主要有地球物理方法、地球化學方法和傳統地質探測等方法［3］，通過地球物理、地球化學等方法提出的定量佐證結合傳統地質方法可以對隱伏斷層進行定位和活動性的研究.綜合目標區深部探測，地貌和遙感資料等與幾種方法結合起來可以使得對地下活斷層的定位和定量研究達到比較高的精度.

下文將分別闡述地球物理、地球化學以及傳統地質探測在城市活斷層探測中的應用流程與優劣.

1 地球物理方法

地球物理方法顧名思義，就是指應用物理方法對地球的內部進行一些探測工作.對活動斷層的地球物理探測，目的是準確查明地表附近活動斷層的空間分布，確定其深部延伸情況，探測可能存在的隱伏活動斷層，揭示地下介質的特性和深部構造環境［2，4］.對于活斷層的探測中常用的地球物理方法有：重力測量、高精度磁測、電法勘探、淺層地震波探測和深層地震波探測等，近年來又出現了精度更高的三維地震波探測的方法.由于篇幅所限，本文著重介紹目前應用較多的淺層地震波探測和深層地震波探測法.

1.1 淺層地震波探測法

淺層高分辨地震勘探是城市活斷層淺部探測中最為有效的探測方法之一.淺層地震波探測法通常指埋深50 m之內主要為第四系地層的探測［5］，主要是利用地震波來確定斷層的位置和縱向延伸情況.利用其在地震波剖面上豐富的波組特征，判定斷層的存在并確定其產狀等基本參數.與其他方法相比，該方法在斷層定位及其特征的判定上具有較高的精度，在地震系統的活斷層探測項目中得到廣泛應用.在現今的工作過程中，一般采用反射波法和折射波法［6］.其中反射波法地震勘探以反射界面為物理前提，能夠同時反映多個地層界面的形態，精確的成像能夠較直觀地顯示斷層在各個地層中的形態.反射波多次覆蓋有利于壓制干擾，提高反射波的信噪比，進一步提高反射波法的勘探效果，使得探測結果更加準確.折射波法適用于下伏介質的速度高于蓋層的速度的條件,此時在盲區外就能接收到該界面上產生的折射波，利用折射波的走時可以確定界面的埋深和沿界面的地震波傳播速度.折射波適合于界面埋深和起伏不大的情況［6］.

淺層地震波探測法的工作流程一般為野外資料的搜集以及后期資料處理.首先根據目標區場地條件確定合適的震源并確定實地測線布設位置，一般來講常用的震源有炸藥震源、錘擊震源、電火花震源、空氣槍、震源槍震源和可控震源等；采用地形圖結合地物、測繩量距的方法確定炮點、檢波點，每條測線端點、拐點及地面易辨認的標志物（如溝渠、橋頭、電線桿、里程碑等）的坐標用GPS測定；然后將搜集回來的地震波資料進行后期處理，即將地震數據轉化為地質數據.考慮到淺層地震波法易受到干擾并要求分辨率較高的問題，應消減干擾波，突出有效波，突出高頻信息，最終獲得較高的分辨率的時間剖面（圖1）.一般為經過去噪處理后結合地質資料的對比分析［7］，來進行隱伏斷層的識別和解釋，確定斷層位置、產狀、性質、錯動量、上斷點等特征［8-9］.

從圖1可以看出，斷層右側T5波向東不斷抬升，明顯傾斜且角度變大，其上的T1波、T2波產狀近水平；而斷層左側一定的范圍內，T1波、T2波則由水平突然變得傾斜、彎曲，同時找不到與右側相對應的T5波.斷層的存在明顯，向上錯斷了T12波.該斷層為傾向西的正斷層，視傾角超過45°，頂端埋深約為十幾米［10］.

圖1 湯東斷裂在一條測線上的時間剖面圖（據文獻［10］修改）Fig.1 Time section of the Tangdong fault along a survey line（Modified from Reference［10］）

城市活斷層的淺層地震波探測法與傳統的野外地質工作方法相比，具有工作量小、較易獲得可信度高的數據的優點；同時淺層地震勘探不僅可以用來確定斷層的位置和產狀，而且可以用來判定地層的變形特征和斷層的活動時代，在現今的城市活斷層探測工作中有著廣泛的應用.但是淺層地震波探測法也有著目前難以解決的工作難點.首先，淺層地震波探測法對于走滑斷層的探測難以取得較好的效果.走滑斷層的垂直斷距較小，因此在淺層地震反射剖面中很難直接依靠反射層的錯動判定斷層的存在.需根據斷層附近存在的斷層帶造成反射界面不連續的現象，來綜合判斷斷層的存在和其位置［4］.此外，淺層地震波探測容易受到一些外界因素的影響.城市地區的淺層地震勘探主要受到交通和機械振動的干擾，必須采取切實可行的針對性措施，通過選擇合適的震源、合理的技術方案和資料處理手段，最大限度地抑制干擾，提高信噪比［2］，才能獲得可信度較高的成果.

1.2 深層地震波探測法

深層地震波探測法要比淺層地震波探測法所探及的深度大，其探測目的是查明活動斷裂的切割深度以及其是否具有深度背景，一般可達莫霍面（42～45 km）的深度［11］，可以探測某地區地殼幾何結構特征，以及相關地震區的深部發震構造特征及淺部主要活斷層向深部的延伸情況、深淺構造藕合關系，特別是前人提出的“底腹斷層”的存在與否，及其與深部構造、淺表斷層的關系.由于必須采用爆炸源，該方法主要適合在城區外圍對主要活動斷層和深部隱伏斷層進行探測［4］.

深層地震波探測法的工作流程與淺層地震波法類似，都是野外資料的收集結合后期的數據處理過程.但是深層地震波探測法要注意以下幾個方面.

首先，對于層位的選擇至關重要，一般在實驗前會做井深試驗，其目的是選擇一個最佳的激發層位，使在該層位激發能夠獲得高頻率、單一穩定波形及高信噪比的目的層反射波［12］.選擇激發層位時要考慮3個方面：一要充分考慮避開聲波、面波、低頻不規則干擾波；二是要充分考慮激發層位巖性對反射波的影響，激發層位巖性不同，所形成的反射波的頻率、波形和振幅就不同；三是要考慮經濟上的合理性，以能獲得最佳地質效果而又經濟的孔深為原則［13］.

其次，在數據解釋的過程中，應參考工作區的構造運動特征，綜合疊加資料，開展剖面對比和地層標定，完成構造解釋.構造解釋主要是分析地震波場、識別構造單元（特別是斷裂構造）、分析深淺部構造特征.

在城市地區采用深層地球物理方法探測活斷層的深部特征，詳細了解淺部構造與深部構造之間的關系，對于判斷活動斷層的地震危險和預測可能的地震震級與震中位置等具有重要意義.

1.3 三維地震探測方法

在上述討論的地球物理方法中，以上兩種方法都是建立在二維平面的基礎上對活斷層進行淺部或深部探測.近年來，三維地震探測方法逐漸成熟，其數據量大，偏移歸位準確，橫向分辨率高，有利于復雜構造和小構造的研究［14］.三維深地震測深的觀測系統不是沿一條縱向測線，而是由多條邊（即多條剖面）組成的任意形狀（不規則三角形或多邊形）.爆炸觀測是在三維空間進行，任意一個炮點的爆炸觀測既有縱剖面又有非縱剖面的記錄觀測［12］.三維地震探測法的一般流程為野外數據的采集以及后期對數據的處理過程.

三維地震探測是在二維地震探測的基礎上建立三維模型，形成立體圖像來對地下活斷層進行解譯.三維地震采集的數據經過處理后得到的是一個數據體，可對斷層進行立體追蹤，而且三維偏移能實現反射界面準確歸位，在地層傾角較大、構造較復雜地區較二維地震勘探有明顯優勢［15］.夏訓銀［5，14］（2010）在順義新城規劃區用三維地震勘探進行了城市活斷層探測，對工作區內順義-良鄉斷層中深部空間形態和展布進行了高精度控制.

高分辨率三維地震探測深度范圍大、精度高，成果顯示直觀，也很容易轉換為地質成果.三維地震探測得到的數據可以垂直斷層走向，任意切割剖面，避免了二維地震探測中障礙物限制造成的測線與斷層斜交的問題，可以較清楚地顯示斷層的展布方向和相互切割關系［15］，在淺、中、深層的構造勘探中具有強大的優勢.但城市活斷層探測是一項十分復雜的課題，要求的目的深度范圍變化很大，通常要求從幾米、十幾米到上千米，對三維地震觀測系統的要求極高，這樣施工的成本非常高.在城市活斷層探測中應根據要求，對不同的城市環境、地震地質條件合理選取三維地震的觀測系統，以獲得較好的勘探效果.

城市地球物理探測與傳統的野外工作相比還面臨著許多困難.城市建筑和公共設施制約了探測工作的設計和施工，工業生產、公共交通和居民生活對探測工作產生很強的干擾.在城區開展地球物理探測，需要對傳統的技術方法進行改進和調整，提高探測的抗干擾能力和分辨率.同時，應針對城市地區的特點，采用多種有效方法進行綜合地球物理探測與解釋，得到更加可靠的地下介質結構和活斷層分布圖像［4］.

2 地球化學方法

地球化學探測是通過捕捉、識別和確定地層中的異常點、暈或異常帶的空間位置和它們隨時間的變化特征來探查活斷層的存在，為進一步開展活斷層探測提供依據.地球化學探測的主要測項包括氣體和超細固體顆粒［16］，在城市活斷層探測中一般利用土壤氣含量的不同來獲得活斷層的位置特征.測定的組分一般為化學性質穩定、不易受環境影響而發生變化的物質，如Rn、Hg、CH4及其他碳氫化合物，以及一些氣體同位素，如3He/4He等.目前，在活動斷層的地球化學探查中的主要測項為Hg和Rn.Hg量測量常采用土壤氣汞和土汞相結合的方法進行配套探測，氡（Rn）測量主要有α粒子測量、γ射線測量和土壤氡氣測量.活動斷裂地球化學探查的野外現場采樣主要是通過深1 m左右的淺孔進行的，通常使用空心的鉆進工具，并將Teflen類毛細管與鉆具的空心管相連接，應用大氣采樣器定流量、定時間抽氣采樣，樣品測試分析可在現場就地進行［16］.

下面以土氡氣的探測為例介紹城市活斷層的地球化學探測方法.目前利用土壤中氡氣含量的變化來探測活斷層已經是一種比較成熟的方法.土壤中氡氣的測量具有精度高、污染小、操作簡單的優點.

地殼放氣的主要通道是斷層，特別是對于一些穿透能力強的氣體.氣體地球化學探測技術是一種尋找隱伏斷層位置的方法.地球內部在壓力差、濃度差、溫度差等因素作用下，不同成因的氣體會通過斷層向地表遷移并逸出.可以通過活斷層上地球氣體釋放的氣體強度變化的異常信息來探測活動斷層的位置.王志成［17］研究認為，斷層氣含量的異常幅度值與斷層的活動年代和強度有一定的聯系.不活動斷裂的氡氣測值不超過異常下限值，而活動性較強斷裂的異常峰值可達背景值的7倍多甚至十幾倍［18］，因此從異常的峰值可以對斷裂的活動性做出初步判斷.

氡是鐳放射性元素的衰變產物，一種放射性氣體，有3個天然同位素，222Rn是最重要的同位素，半衰期為3.825 d.因為氡的同位素均屬惰性氣體，在運移過程中不參與化學反應.氡氣由于其本身的性質，具有較強的縱向運移能力而且能夠長距離運移.有研究表明，在淺層土壤中，氡氣的含量隨著深度的增加而變化，其含量變化的原因是氡氣流動形式的機制不同.在近地表，由于風化作用和其他地質作用強烈，土壤的疏松程度和裂隙程度加大，那么，氡氣的向上流動速度和強度便會變慢.此時，氡氣的運移主要是擴散作用，即深部縱向運動的氡氣濃度會在近地表降低，因此，氡氣含量值不會出現明顯的突變［19］.隨著深度的加深，氡氣的運移從擴散作用逐漸轉化成縱向的運動.斷層處巖石的破碎程度較大，且裂隙發育，連通好，有利于氡氣的釋放和向上運移，在斷層上部的土壤中形成氡的富集帶.測量斷層上部氡的濃度可以查明隱伏斷層位置并從地球化學角度對其活動性進行評價［20］.在斷層出現的地區，氡的含量會遠遠高于該地區其他位置的背景值.圖2中表示的是Ciotoli等（1998）在意大利中部Fucino盆地測線3的探查結果.1915年在該盆地區曾發生一次7級地震，產生地表斷錯.在這條測線上，Rn異常向斷層陡坎（OFS）偏移［16，21］.現今測氡采用的儀器一般為FD-3017Ra A智能化測氡儀［22-23］.它是一種新型的瞬時測氡儀器，可以定量測量土壤或水中氡濃度.其特點是沒有探測器污染問題，也不存在氡射氣的干擾影響，并且具有較高的靈敏度，操作簡便，現場可獲取結果.現今一般的野外工作流程為，在晴朗干燥的天氣條件下，用鋼釬在土壤中打一個深約50 cm的小孔，然后將已排空的取樣器插入其中，用抽氣筒抽出土壤氣體以便進行氡的富集，之后進行測量，讀取脈沖計數［20］.在重點點位采取多次取樣的原則，以提高取樣結果的準確性.然后按測量剖面線路統計土壤氡濃度背景值，并采用算術平均法計算該剖面線路的土壤氡濃度背景值；按土壤氡濃度背景值加倍做標準差，分別作為偏高值、相對高值區域和異常區域的分界線［22］.

圖2 意大利Fucino盆地地球化學探測結果（據文獻［16，21］）Fig.2 Geochemical prospecting result in the Fucino basin,Italy（From References［16,21］）

但是，土壤氣體地球化學方法也有一定的不足，這種方法較易受到取樣點周圍環境的影響，如天氣、第四紀巖層厚度、地層結構、濕度、地下水源狀況等.此外這種方法給出的斷層位置比較寬，而且不是每條測線異常都明顯，對于異常不明顯的測線，斷層位置就難以確定.此外，若地下土壤層土質不均勻或是潛水面較淺的地層中，所得到的測量結果也會受到影響.但同時，若在各種條件適宜的情況下進行地球化學探測，可以較快地獲得活動斷層的相關情況，如斷層上斷點的位置等等，為野外地質探測能夠提供較好的定量依據.

3 傳統地質方法

現今城市多位于平原區或盆地區，地表被第四紀松散沉積物所覆蓋，野外的活斷層鉆探仍然是活斷層探測工作的重要方法.若要高效準確地完成城市活斷層探測工作，鉆探工作開展之前了解目標區的區域地質地貌概況就顯得十分必要.地質地貌概況一般可以通過遙感資料分析和當地地形圖、石油、水文鉆孔等資料做初步了解.根據前期資料分析，野外鉆探工作也可以分為兩類：對于上斷點埋深較淺（一般為小于10 m）［16］的活斷層，采用深挖探槽的方式即可對斷層特征進行研究；對于埋藏較深的活斷層，可以采用野外鉆孔施工的方法來開展工作.

3.1 探槽探測方法

一般經前期工作顯示目標斷層上斷點埋深小于10 m時，我們可以選擇探槽法來對活斷層進行探測和分析.探槽要具有一定的規模，不能太小，以盡可能完整地揭露斷層活動的歷史.探槽的開挖地點一般選擇在斷層出露地段的一些關鍵地點，特別是具有關鍵作用的斷錯微地貌分布地段，在此處探槽可以揭示活斷層最新活動后留下的痕跡.組合探槽和多探槽對比是恢復斷層活動過程和古地震完整性的辦法之一.探槽開挖完成后，首先應對探槽剖面進行仔細觀察和分析，以掌握探槽剖面所反映的活動構造的總體特征，確定各次事件及其標志，必要時可以取測年和古生物樣品，然后再進行編錄.在描述巖性的過程中要做出初步判斷，以便后期與周圍地層對比；同時，要對斷層帶的位置及寬度加以特別的注意和記錄，要注意識別探槽中斷層的多次錯動.槽探法不適用于沉積物堆積松散的地區和地球物理探測結果顯示上斷點埋藏較深的地區.

3.2 鉆孔鉆探方法

對于深度較大，開挖探槽不足以露出上斷點的斷層可以采用鉆孔鉆探識別活斷層的方法.目前，在城市活動斷層探測和斷層活動性評價工作中主要有2種類型的鉆孔：第1類是在目標區內不同的有代表性地區打標準孔，對鉆孔巖心進行精細地層劃分及系統測年和測井，研究第四紀地質演化和環境變遷；第2類是選擇地球物理探測中可靠程度較高的典型剖面，開展小間距聯合鉆探剖面工作，這是為了在地球物理探測和標準孔探測的基礎上，進一步對斷層定位及斷層活動性進行研究.由于第四紀地層巖相變化大，而且城市活動斷層探測要求的定位精度高，一般來說，聯合鉆探剖面中斷層兩側鉆孔的間距一般在10～20 m，很多時候可直接在鉆孔中發現活動斷層的斷層面.在鉆探的過程中，要注意回次進尺的深度及采心率以保證各層位沒有缺失和研究結果的準確率.同時，注意采集測年和古生物樣品，同時對于特征層位進行影響記錄或者取樣保存.采集的樣品要能滿足各時段地層劃分的需要；要注意采集有意義的測年樣品，主要地層單元和每個事件層的年代樣品控制一般年代樣品采樣間隔一般為1 m，古生物樣品根據實際需要進行采樣；對于晚更新世晚期以來的地層，采樣間距可以更小，可以采集測年精度高的14C樣品，同時可以根據具體情況采用多手段（如TL、孢粉等）相互配合，進行綜合對比分析.通過以上鉆孔施工，我們可以對比同深度不同鉆孔的巖性以及同層位不同鉆孔巖心的年齡，以確定該區域是否可能存在斷錯，以及若存在斷錯其上斷點的位置.此外，巖心的巖性描述也尤為重要，鉆孔鉆探過程中需要對巖心巖性做出初步判別，若偏差較大會造成多孔對比不具可比性，使得探測失去意義.在進行鉆孔剖面對比時，應遵從巖性段對比和標志層對比相結合的原則對剖面上各鉆孔柱狀圖進行詳細比較，對關鍵層位要慎重判別，區分構造成因和非構造成因.對斷層兩側同一地層厚度的差異、斷層和斷距的分布和變化、上斷點的位置等，均要十分仔細和特別慎重地加以研究.

傳統地質方法在應用上依然是城市活斷層探測工作的主要方法，但是這種方法具有耗時長、受外界客觀因素影響大等缺點.因此在現今工作中，若條件允許，一般都在獲得地球物理或者地球化學的定量數據以后，選取精準地點開始探槽或鉆探工作.但不得不提到的是，探槽或鉆探工作得到的成果的精確度要遠遠大于上述地球物理或地球化學方法所獲得的成果.

4 結論與討論

我國的活斷層工作開始雖然較早，但一直處于一個學習國外經驗和自我探索的過程中，經過幾代人的努力，雖然總結出了一系列定性與定量的研究方法，但由于城市是一個人口與建筑密集，地下情況復雜的集合體，對于城市活斷層高精度的探測還會一直是一個復雜的過程.地球物理探測方法和地球化學探測法能為活斷層的探測提供定量的數據依據.同時充分利用前人資料，對斷層分布及其可能的空間位置和產狀等做出初步分析，在此基礎上，對斷層周圍進行傳統的地質工作能夠更好地了解目標斷層，對目標斷層的可靠性做出適當評價.

從已開展的城市活斷層探測實踐來看，隨著精度要求的提高，單一的依靠某一種方法對活斷層進行定位和評價一般來講是不精確的.通過上述不同方法的聯合探測與解釋，會對不同深度以及不同位置的斷層進行較好的定位［12］.地球物理方法和地球化學方法能夠初步提供活斷層的位置和上斷點信息，也為標準孔布設提供了范圍.通過鉆孔或探槽鉆探的結果可以驗證之前地球物理及地球化學方法的準確性，為城市活斷層的定位和活動性分析提供較為準確的研究結果［24-25］.因此，若條件允許，在活斷層探測的工作中應將幾種方法有機結合起來，對探測的目標活斷層進行全面分析才能獲得更好的效果.

對于活斷層的研究，我國的學者還處于一個探索的階段，在以后的研究中應更注重對于斷層的活動時代及斷層的性質的定量研究，這樣才能更好地為城市建設服務，減少活斷層引起的地震給人類帶來的損失.

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ANALYSIS OF THE MAIN METHODS OF ACTIVE FAULT DETECTING IN URBAN AREAS

YANG Xu,BAI Zhi-qiang
School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China

With entering into new active period of the earth,earthquakes take place more frequently.According to recent researches,earthquake disasters in urban areas are mainly caused by the underlying active faults.Active faults are those moved since Late Quaternary.Since 1990s,new methods for active fault detecting have been explored.This paper analyzes the properties of active faults and summarizes the detecting methods for active faults on the basis of previous practices and the authors'experiences.The methods of active fault detecting can be generally classified into three aspects, i.e.,geophysical methods,geochemical methods and borehole drilling methods.The three methods all have their own advantages and disadvantages.If engineers combine the three methods in active fault detecting,they will achieve their work much more accurately and effectively.

active fault;geophysical method;geochemical method;traditional geological method;earthquake disaster

2015－06－18；

2015-11-26.編輯：張哲．

楊旭（1986—），女，博士研究生，古生物學與地層學專業，主要從事第四紀城市活斷層相關研究，通信地址北京市海淀區頤和園路5號，

E-mail//yxpku@pku.edu.cn

白志強（1956—），男，教授，博士生導師，主要從事綜合地層學研究，E-mail//zqbai@pku.edu.cn

1671-1947（2016）06-0589-04

P575.1

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