Combined with Shallow Seismic Exploration and Ground Penetration Radar in Urban Active Fault Detection−An Example from the Tangdong Fault in Hebi, China
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摘要: 浅层人工地震勘探是探查城市隐伏活动断层最有效的手段之一，然而受近地表探测盲区和探测分辨率的限制，该方法难以获取活动断层超浅层上断点的准确埋深位置。地质雷达探测方法在一定程度上可弥补浅层人工地震勘探的不足。为探索浅层人工地震勘探和地质雷达探测的联合应用效果，分析其在城市隐伏活动断层探测中的应用潜力，选取河南省鹤壁市汤东断裂西支为研究对象，并在冯屯村和前交卸村分别开展联合探测，获取高信噪比的浅层人工地震反射剖面和地质雷达剖面。浅层人工地震勘探揭示的冯屯村处汤东断裂西支上断点埋深为60～70 m，地质雷达探测揭示的上断点埋深约为2.5 m，结合平均沉积速率推测汤东断裂西支在冯屯村的最新活动时代约为25 ka。浅层人工地震勘探揭示的前交卸村处汤东断裂西支上断点埋深为50～60 m，地质雷达探测揭示出汤东断裂西支在前交卸村处未造成近地表约10 m以内的地层断错。研究结果表明，在城市隐伏活动断层探测中，采用浅层人工地震勘探和地质雷达探测相结合的方法，不但可有效确定活动断层的位置，且可进一步约束活动断层上断点的准确埋深，有利于指导后期地震地质勘探中的探槽和钻孔布设。Abstract: Shallow artificial seismic exploration is one of the most effective techniques to determine buried active faults in urban areas. However, due to its limitations of blind domains at near-surface and detection resolutions, this technique is hard to accurately determine the position (e.g., burial depth) of the upper breakpoint of a buried active fault in ultra-shallow layers. The Ground Penetration Radar (GPR) can make up for these limitations to some extent. To explore the technique combined with the shallow seismic exploration and the GPR, and analyze the application potential in buried active fault detection in urban areas, we carried out joint detection of the west branch of the Tangdong Fault in the Fengtun village and the Qianjiaoxie village, respectively, in Hebi, Henan Province. We obtained high-resolution shallow seismic reflection and GPR images in both sites. In the Fengtun village, the burial depth of the upper breakpoint of the targeted fault is constrained to 60～70 m by the shallow seismic exploration and about 2.5 m by the GPR. Combined with the regional average deposition rate, we infer that the last rupture event of the fault in the Fengtun village occurred at 25 ka. In the Qianjiaoxie village, the shallow seismic exploration reveals that the burial depth of the upper breakpoint of this fault is 50～60 m, and the GPR finds that the upper breakpoint is below ～10 m. This study indicates that the combination of the shallow seismic exploration and the GPR can not only determine fault locations but also constrain accurate positions of upper breakpoint of buried active faults in urban areas, which is very helpful for deciding trenching and drilling sites.
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引言
城市地区人口和经济高度集中，地震是对城市危害最严重的突发性自然灾害之一，会造成巨大的生命财产损失，并引发一系列严峻的社会安全问题。活动断层是地震的载体，由于人类对地貌的改造等因素，位于城市区的活动断层往往隐伏于地下。查明城市地下隐伏活动断层的空间展布及其活动性是科学规划城市建设的基础，也是开展城市防震减灾的有效途径和主要内容（何正勤等，2001；刘保金等，2002，2012；柴炽章等，2006；李自红等，2014）。
浅层人工地震勘探具有勘探深度大、分辨率高的特点，广泛应用于城市活动断层探测工作中（方盛明等，2002；柴炽章等，2006；邓起东等，2007；刘保金等，2008；顾勤平等，2013，2015；许汉刚等，2016）。但该方法探测效率较低、成本高，尤其是距地面几十米范围内的成像效果差。在第四系松散堆积区，地质雷达探测可对地下0～40 m范围内的隐伏活动断层进行准确定位，并指示断裂上断点埋深及标志层的断距等信息，同时具有探测效率高、成本低、操作简单、精度和分辨率高等优点（李建军等，2015；苏鹏等，2015；张迪等，2016）。因此，联合浅层人工地震勘探和地质雷达探测，弥补二者的缺点，有望刻画隐伏活动断裂在百米至数千米深度范围内的几何结构，同时揭示隐伏活动断裂在浅地表至数十米深度范围内的定量活动信息（如Lei等，2022）。
汤东断裂位于太行山东南麓汤阴地堑内，沿北北东向穿过鹤壁市区，为汤阴地堑和内黄隆起的边界断裂（图1）。本研究以汤东断裂西支为例，分别选取鹤壁市冯屯村和前交卸村作为探测区，探索浅层人工地震勘探和地质雷达探测相结合的方法在城市隐伏活动断层探测中的应用，同时研究汤东断裂西支在探测区的空间展布特征，并推测其最新活动时代，为进一步开展鹤壁地区的地震危险性评价提供依据。
图 1 鹤壁市主要活动断层分布及区域新生代构造图Figure 1. Map of main active faults in Hebi, Henan province and regional Cenozoic tectonics1. 地质背景
华北平原属于华北克拉通的东部块体（朱日祥等，2012）。自新生代以来，华北平原主要经历了2期构造事件。第1期发生在始新世（50～35 Ma），可能受Izanagi-Pacific洋中脊俯冲导致的区域应变速率突然降低的影响（Su等，2021），在华北地区形成了广泛的东西向伸展事件，伸展范围从现今的青藏高原东北缘，经山西裂谷、渤海湾盆地，直至欧亚大陆东缘（Wang等，2013；Fan等，2019；Su等，2021）。第2期构造事件发生于晚中新世至今（8～0 Ma），受青藏高原向东差异挤出的影响，在华北发育的鄂尔多斯块体、太行山及在华北平原内部的一系列次级断块发生了差异的逆时针旋转运动，块体接触带的变形方式为右旋伸展（图1（a））（Xu等，1992；Zhang等，1998，2018；Su等，2021）。
鹤壁市位于太行山东麓与华北平原的过渡带处。在该过渡带附近，华北区域的地质构造和地球物理场发生了较大的变化，同时该过渡带是1条重要的地震构造带，即河间—磁县地震构造带，鹤壁市坐落于此地震构造带的南端（徐杰等，2015）。鹤壁市主要位于汤阴地堑内，汤阴地堑沉积了巨厚的古近系地层，新近系和第四系地层厚度明显变小，如图1（b）所示（刘保金等，2012）。汤阴地堑内主要发育汤东断裂、汤中断裂和汤西断裂，这3条断裂的性质均为正断层，北北东走向，汤东断裂倾向北西，汤西断裂和汤中断裂倾向南东（图1（b））。汤西断裂和汤东断裂长度不同，汤阴地堑南段是由汤东断裂和汤西断裂共同控制的地堑构造，而汤阴地堑北段是由汤东断裂控制的“半地堑”构造（韩慕康等，1980）。
2. 研究方法
2.1 浅层人工地震探测
浅层人工地震勘探是利用地下介质弹性和密度的差异，通过分析地下介质对人工激发地震波的响应，推断地下岩层性质与形态的地球物理勘探方法（周绪文，1989）。浅层人工地震勘探是探测地下地质构造的有效手段，广泛应用于城市隐伏活动断层探测中（方盛明等，2002；柴炽章等，2006；邓起东等，2007；刘保金等，2008）。
本次浅层人工地震勘探采用的设备包括可控震源车、地震数据采集系统和检波器及附属设备。采用激发能量强、重复性好且具有较强抗干扰能力的M18/612HD型可控震源激发地震波，震源激发频率为10～250 Hz，可选线性扫描和非线性扫描，最大出力25 t。地震数据采集系统为Geode DZ200型数字地震仪，采用主频为60 Hz的检波器。仪器采集参数为：采样间隔0.5 ms，记录长度2 000 ms。激发震源参数为：扫描频率10～120 Hz和8～90 Hz，扫描长度12 s。观测系统参数为：道间距2 m，炮间距6 m，240道接收，40次/30次覆盖。为压制干扰，提高地震资料的信噪比，每道采用3、4个60 Hz的检波器组合。当遇到水渠、河流、危房等障碍物时，对观测系统进行适当调整，以保证足够的叠加次数，获得质量较好的地震记录，达到探测目的。
在数据处理过程中，采用叠前一维滤波和二维滤波相结合的方法压制干扰，提高有效反射波的信噪比；采用折射静校正和剩余静校正相结合的方法增强有效反射的同相性，提高剖面的信噪比和分辨率；采用叠前反褶积和叠后偏移相结合的方法，提高剖面的纵向和横向分辨率。利用资料处理获得的反射波叠加速度数据及地震时间剖面上不同界面反射波的双程垂直到时，并参考该区的地质钻孔资料，计算探测剖面地震波的平均速度，并以此作为时深转换的依据。
2.2 地质雷达探测
地质雷达探测是采用高频电磁波对地下结构进行探测的地球物理探测技术。地质雷达基于电磁波反射原理，由天线向地下发射高频电磁波，当电磁波遇到具有电抗性的地质体时会反射回地面，地质雷达会对地下具有电性差异、磁性差异和电介质差异的界面成像（茹瑞典等，1996；Neal，2004；苏鹏等，2015；张迪等，2016）。
本研究使用的地质雷达仪器包括ProEx主机、100 MHz的屏蔽天线、外接计算机、测距轮和皮尺。根据前期利用不同频率的天线在研究区的测试结果，本次选用100 MHz的屏蔽天线对汤东断裂进行探测（苏鹏等，2021）。利用测距轮控制采样间隔为0.05 m，采样频率为1 000～1 200 MHz，采样时窗为300～400 ns，每道数据自动叠加16次。
本研究使用Reflexw软件对地质雷达探测数据进行处理，处理流程主要包括去除零点漂移、静校正切除、能量衰减增益、抽取平均道、巴特沃斯带通滤波、滑动平均等。最后，基于地质雷达探测数据结果和野外探测场地环境，结合已有研究成果与资料进行综合分析，做出合理的图像解释。本文使用电磁波在松散堆积层中的平均传播速度（0.1 m/ns）对得到的地质雷达图像进行时深转换。
2.3 浅层人工地震和地质雷达联合探测
本研究首先开展浅层人工地震勘探，确定汤东断裂的大致位置，在此基础上进行地质雷达探测，进一步确定了汤东断裂在浅地表的具体位置、上断点埋深等信息。
浅层人工地震勘探和地质雷达探测测线位置如图2所示。本研究分别选取2条浅层人工地震勘探测线和2条地质雷达探测测线，其中浅层人工地震勘探测线AA'位于浚县冯屯村，起点坐标为（35°34′27.55″N，114°16′29.72″E），终点坐标为（35°34′19.55″N，114°17′21.41″E），全长1 320 m；浅层人工地震勘探测线BB'位于浚县前交卸村，起点坐标为（35°31′52.70″N，114°15′23.60″E），终点坐标为（35°31′42.40″N，114°16′48.81″E），全长2 174 m；地质雷达探测测线CC'位于浚县冯屯村，起点坐标为（35°34′21.54″N，114°16′57.83″E），终点坐标为（35°34′18.84″N，114°17′28.10″E），全长791 m；地质雷达探测测线DD'位于浚县前交卸村，起点坐标为（35°31′48.44″N，114°15′54.60″E），终点坐标为（35°31′41.70″N，114°16′53.95″E），全长1 504 m。
图 2 浅层人工地震勘探测线和地质雷达探测测线位置Figure 2. Locations of the shallow artificial seismic reflection profiles and Ground Penetration Radar （GPR） profiles3. 结果分析
3.1 浅层人工地震勘探结果
本研究得到的浅层人工地震反射剖面清晰地揭示出汤东断裂的构造特征。冯屯村浅层人工地震反射剖面AA'基底反射明显，剖面揭示的反射波均能横向追踪，各反射波组同相轴近水平（图3）。根据反射波组特征，识别出6组能量较强的地震波反射震相（TQ、T1、T2、T3、T4、TN）。根据该地区已有地质资料，将TQ解译为第四系地层的底界反射，T1～T4解译为新近系内部地层的界面反射，TN解译为新近系地层的底界反射。在该浅层人工地震反射剖面桩号960 m附近，两侧的反射波组发生了明显错动，解译为1条断层，断层性质为正断层，倾向西，倾角约为68°。在该断层西侧，地层界面反射波组较丰富，第四系底界面TQ反射波能量较强，同相轴连续性较好，新近系底界面TN埋深较大，说明在新近纪时期汤阴地堑的沉积环境较稳定；在该断层东侧，第四系底界面TQ反射波能量较弱，新近纪地层界面反射波明显少于断层西侧，新近系底界面TN埋深较小。该处断层向上错断了反射波组TQ，向下错断了所有的反射地层，上断点位于剖面水平位置960 m处，深度为80～90 m。
前交卸村浅层人工地震反射剖面信噪比和分辨率较高，断裂构造特征清晰（图4）。整个剖面双程走时800 ms以下的反射波同相轴连续性差，无法识别出连续的地层反射界面。与冯屯村测线AA'浅层人工地震反射剖面类似，在该剖面西段反射震相较丰富，反射波能量较强，剖面东段反射震相较少，反射波能量一般。前交卸村浅层人工地震反射剖面西段基底较深，双程走时800 ms以上的反射波能量较强，同相轴连续性较好，各反射波同相轴近水平。在剖面桩号1 120 m处，该浅层人工地震反射剖面双程走时为200～400 ms的位置，地层有较明显的错动，此位置解译为汤东断裂西支F3-2，断层性质为正断层，视倾向西，倾角为62°～72°，上断点位于剖面水平位置1 150 m处，断层向上错断了反射波组TQ，揭示的上断点埋深为60～70 m。
图 4 前交卸村浅层人工地震勘探结果Figure 4. Shallow artificial seismic profile in the Qianjiaoxie village3.2 地质雷达探测结果
冯屯村地质雷达剖面CC'如图5所示，在双程走时150 ns以上，电磁波反射信号较好，同相轴成层性较明显；在双程走时150 ns以下，电磁波反射信号较差。根据电磁波反射波同相轴特征，本文将浅地表划分为3层，识别出2个地层界面。双程走时50 ns附近的反射界面明显，意味着上、下地层电性有较大差异。双程走时150 ns附近也能识别出反射界面，但界面相对模糊，这可能是由地质雷达信号向下传播时能量衰减所致。在水平位置1 010 m处，电磁波反射波同相轴发生了较明显的错动，认为该位置为汤东断裂西支经过的位置。结合地质雷达发射电磁波的平均速度，确定汤东断裂西支在该测线位置的上断点埋深约为2.5 m。
图 5 冯屯村地质雷达探测结果Figure 5. Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Fengtun village前交卸村地质雷达剖面DD'如图6所示，在双程走时160 ns以上，电磁波反射信号较好，同相轴的成层性较明显；在双程走时160 ns以下，电磁波反射信号较差，出现杂乱反射。前交卸村地质雷达剖面电磁波反射波同相轴特征与冯屯村地质雷达剖面特征基本相似。在剖面上对能量较强的反射波同相轴进行横向追踪，未发现反射波同相轴发生明显错动，将浅层人工地震反射剖面BB'揭示的上断点向上延伸（图4）后，未在相应地质雷达剖面DD'上观察到断错迹象（图6）。因此，结合地质雷达电磁波的平均速度，本研究认为汤东断裂西支F3-2在该剖面位置未造成近地表约10 m以内的地层断错。
图 6 前交卸村地质雷达探测结果Figure 6. Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Qianjiaoxie village4. 讨论
浅层人工地震反射剖面AA'和BB'显示，汤东断裂西支F3-2东、西侧地层的横向变化较大，浅层人工地震反射剖面的有效探测深度为50～1 000 m，可在地震反射剖面中解译出第四系和新近系地层，断裂西侧地层埋藏深，且沿断层向上，断距逐渐减小。在浅层人工地震反射剖面AA'得到的上断点水平位置为960 m，深度为60～70 m，而在地质雷达剖面CC'得到的上断点水平位置为1 010 m，深度为2.5 m。在浅层人工地震反射剖面BB'得到的上断点水平位置为1 120 m，深度为50～60 m，而在地质雷达剖面DD'中未识别出断层迹象。由此说明，在浅层人工地震勘探的基础上进一步开展地质雷达探测，可明显提高对上断点位置的约束，有利于指导后期城市活动断层探查中的探槽和钻孔布设。
鹤壁地区钻孔资料显示，汤东断裂上断点埋深为23.5～35.8 m，上断点附近的地层年龄为（225±30） ka～（313±32） ka（刘保金等，2012），由此估算出研究区的平均沉积速率约为0.1 mm/a。冯屯村浅层人工地震反射剖面AA'和地质雷达剖面CC'结果揭示出汤东断裂西支F3-2上断点埋深为2.5 m，推测该断裂在冯屯村断错的最新地层年龄约为25 ka。前交卸村浅层人工地震反射剖面BB'和地质雷达剖面DD'结果揭示出汤东断裂西支F3-2上断点埋深＞10 m，推测该断裂在前交卸村未断错年龄约为100 ka的地层。
5. 结论
本研究综合了浅层人工地震勘探和地质雷达探测方法，对汤东断裂西支进行了联合探测，获得了汤东断裂西支在2个不同观测点自浅部（数十米至数百米）至超浅部（数米至十多米）范围内的断错地层信息。
（1）浅层人工地震勘探揭示的冯屯村处汤东断裂西支F3-2上断点位置为（35°34′20.42″N，114°17′06.86″E），埋深为60～70 m，地质雷达探测揭示的上断点埋深约为2.5 m，结合平均沉积速率推测汤东断裂西支在冯屯村的最新活动时代为25 ka。浅层人工地震勘探揭示的前交卸村处汤东断裂西支F3-2上断点位置为（35°31′47.38″N，114°16′08.71″E），埋深为50～60 m，地质雷达探测揭示出汤东断裂西支F3-2在前交卸村处未造成近地表约10 m以内的地层断错。汤东断裂西支F3-2在冯屯村和前交卸村的上断点埋深差别较大，可能反映了该断裂上一次发生大地震时，形成的地表破裂不连续。
（2）在城市隐伏活动断层探测中，采用浅层人工地震勘探和地质雷达探测相结合的方法可有效提高勘探效率。首先采用浅层人工地震勘探方法确定断层的总体走向和分布位置，然后利用地质雷达更精确地约束活动断层上断点的埋深。该联合探测方法可有效指导后期探槽和钻孔布设，大幅度降低活动断层探查的成本。但该方法具有不确定性，真实的断层位置及活动性需通过地质手段验证。
致谢 中国地震局地质研究所张金玉副研究员和王伟助理研究员在文章修改中提供了帮助，中国地震局地质研究所硕士徐芳和中国海洋大学硕士侯江飞参与了野外数据采集工作，河南省地震局、鹤壁市地震局等单位在本项目实施过程中给予了支持，审稿专家提出了宝贵建议，在此一并表示感谢。
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图 1 鹤壁市主要活动断层分布及区域新生代构造图
Figure 1. Map of main active faults in Hebi, Henan province and regional Cenozoic tectonics
图 2 浅层人工地震勘探测线和地质雷达探测测线位置
Figure 2. Locations of the shallow artificial seismic reflection profiles and Ground Penetration Radar （GPR） profiles
图 4 前交卸村浅层人工地震勘探结果
Figure 4. Shallow artificial seismic profile in the Qianjiaoxie village
图 5 冯屯村地质雷达探测结果
Figure 5. Ground Penetration Radar （GPR） profile in the Fengtun village
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