基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析--以西安地铁10号线高陵段为例.pdf

陕西地质 GEOLOGY OF SHAANXI第 41 卷 第 1 期2023 年 6 月Vol.41 No.1June，202394基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析以西安地铁 10 号线高陵段为例左秦朝，李雷，王涛，刘俭（陕西工程勘察研究院有限公司，西安 710068）摘要：西安地区存在多处断裂带，由此产生很多次生地裂缝，对工程建设造成极大影响。本文通过调查、人工地震钻探、地质钻探等手段分析断裂的特征，确定了泾阳渭南断裂（高陵区段）断层走向 N57 W、倾向NE33、倾角 70、60m 以浅垂直断距 310m。该断裂为全新世活动断裂，断裂上下错动速率 0.18mm/a。关键词：断裂；人工地震；反射双程法；钻探；活动性中图分类号：O346.1；P315.8 文献标志码：A 文章编号：1001-6996（2023）01-0094-051556 年的华县 8 级地震发生在固市凹陷的南边界带华县段，1568年5月15日的陕西西安东北（34.4N，109.0 E）6.8 级地震发生在泾阳渭南断裂西段的高陵县附近，1568 年 4 月 2 日临潼 5.5 级地震发生在高陵临潼交界处，1998 年 1 月 5 日泾阳（北纬34.5，东经 108.9）4.8 级地震发生在咸阳市渭城区韩家湾乡咀王村一泾阳县高庄乡金田峪村之间，2009 年 11 月 5 日在临潼区高陵县交界处（N34.5，E109.2）发生了 M4.4 级地震。以上地震均与泾阳渭南断裂活动密切相关。西安地铁施工中常遇到地裂缝（次生断裂）破碎带，给施工带来不利影响，导致工程投资增加，危及施工安全、甚至造成运营安全隐患。地铁 10 号线线路无法避让该断裂，拟采用高架线路穿越断裂，将对抗震设计包括地基基础结构和上部主体结构造成严重影响。因此，本文就泾阳渭南断裂（高陵段）的特征进行分析研究。作者简介：左秦朝,男,38 岁,高级工程师,从事水文地质及工程地质勘察。Email：。图 1 渭河盆地构造单元图Figure 1.Tectonic units of Weihe Basin95左秦朝等：基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析以西安地铁 10 号线高陵段为例1.泾阳-渭南断裂特征泾阳-渭南断裂西起泾阳北【1】，经高陵南、零口、渭南东至华县附近。西段北西向，东段东西向，断层面北倾，倾角 68。西段推测断层位置处地面平坦，仍处于隐伏状态，活动不明显。断裂构造见图 2。2.高陵区断裂特征高陵县位于渭河盆地中部，固市凹陷与西安凹陷之间。地层属华北地区层，汾渭分区，渭河小区【2】。表均被第四系覆盖，局部地段有第三系出露，未见基底岩裸露。随着西安城市轨道交通的迅猛发展，西安地铁 10号线榆楚西-榆楚站区间，沿高陵段西高路敷设，线路附近村落存在明显陡坎，陡坎高度 0.52.0m 不等，见图 3。由图 3 可见，陡坎整体延伸具有一定规律性，沿西北东南方向，经过长期人类活动改造，交界面呈锯齿状。据陕西省地质图集及野外地质勘察与综合研究【4】，发现古土壤标志层存在明显错断，因此判断该处泾阳渭南断裂为全新世活动断裂【5】。根据其延展方向趋势推断，断层走向 N57 W，倾向 NE33，测线与走向趋势线夹角 38。由于该断裂为隐伏断裂，其具体位置和产状等信息不明，可能对地铁地基及结构等产生严重影响。因此，本文采用人工地震勘探和钻探手段具体分析该断裂的特征。图 2 西安地区活动断层分布图Figure 2.Distribution map of active faults in Xian area图 3 高陵区断裂走向卫星图Figure 3.A satellite map showing the fracture trend in Gaoling District96左秦朝等：基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析以西安地铁 10 号线高陵段为例图 4 反射波方法探测原理示意图Figure 4.Schematic diagram of the detection principle of the reflected wave methodtXtX在室内资料处理时，把来自不同炮点、相同反射点的数据从原始共炮点道集记录中抽出并集合在一起，就可形成共反射点道集，图中 A 点称为共反射点，M点称为共中心点。采用动校正方法消除各道的正常时差（NMO）后【6】，双曲线型的共反射点时距曲线将被校正成为一条直线，然后对其进行同相叠加，便可获得 M 点处相当于自激自收的反射信息。同理，对获得的其它各共反射点道集数据采用相同的方法进行处理，便可得到一条反映各点自激自收反射信息的叠加时间剖面。理想情况下，数据经n次叠加后，信噪比（S/N）可提高 倍。由于测线处于城市附近无法采用炸药震源，本次采用破坏性极小的震源车。3.2 二维地震测线布置勘探数据采集仪器采用 240 道接收；震源扫描参数为 20 180Hz，扫描时间大于 6s，各炮点垂直叠加次数 1028 次；检波器为 60Hz 组合。观测系统为 24 次覆盖反射波观测，道间距 3m，炮间距15m，采样间隔 1ms，记录长度 2000ms。勘探深度500 800m，同时兼顾 100m 以浅的资料，以判读断裂在地面的可靠位置。对原始地震资料的处理工作采用了常规反射波处理方法。时间剖面上较连续稳定的反射波场同相轴主要表现了具有一定意义的地质分层界限，而波组的断续、空白和局部的起伏变化异常，分析认为可能与断裂构造有直接关系。3.3 地震波速度西安地铁 10 号线沿线测线解译中，根据叠加速度（NMO 速度）和时间剖面上不同地层界面反射波的双程垂直到时 t0，由 DIX 公式求出了反射界面以上的平均速度和深度。由叠加速度资料求取层速度和平均速度的计算公式分别为【7】：冲积二级平原地层的水平展布形态比较平缓，在求取地层埋深和制作深度剖面时无需进行倾角校正，由时间剖面转换成深度剖面的转换公式为【8】：其中：V 为地震波的平均速度，t0为反射波的双程垂直到时。n对原始地震资料的处理工作采用了常规反射波处理方法。时间剖面上较连续稳定的反射波场同相轴主要表现了具有一定意义的地质分层界限，而波组的断续、空白和局部的起伏变化异常，分析认为可能与断裂构造有直接关系。3.3 地震波速度西安地铁 10 号线沿线测线解译中，根据叠加速度(NMO 速度)和时间剖面上不同地层界面反射波的双程垂直到时 t0，由 DIX 公式求出了反射界面以上的平均速度和深度。由叠加速度资料求取层速度和平均速度的计算公式分别为【7】：冲积二级平原地层的水平展布形态比较平缓，在求取地层埋深和制作深度剖面时无需进行倾角校正，由时间剖面转换成深度剖面的转换公式为【8】：其中：V 为地震波的平均速度，t0为反射波的双程垂直到时。时间剖面可见有效反射同相轴信息可以识别至 1200ms，在 800ms 以内解释了 6 个反射能量较强的反射波组，均表现为横向连续性好的强反射特征。图 6测线浅层地震时间剖面图1121,2,nnnnannaitttVtVVniiiniiiittVttV1111)()(对原始地震资料的处理工作采用了常规反射波处理方法。时间剖面上较连续稳定的反射波场同相轴主要表现了具有一定意义的地质分层界限，而波组的断续、空白和局部的起伏变化异常，分析认为可能与断裂构造有直接关系。3.3 地震波速度西安地铁 10 号线沿线测线解译中，根据叠加速度(NMO 速度)和时间剖面上不同地层界面反射波的双程垂直到时 t0，由 DIX 公式求出了反射界面以上的平均速度和深度。由叠加速度资料求取层速度和平均速度的计算公式分别为【7】：冲积二级平原地层的水平展布形态比较平缓，在求取地层埋深和制作深度剖面时无需进行倾角校正，由时间剖面转换成深度剖面的转换公式为【8】：其中：V 为地震波的平均速度，t0为反射波的双程垂直到时。时间剖面可见有效反射同相轴信息可以识别至 1200ms，在 800ms 以内解释了 6 个反射能量较强的反射波组，均表现为横向连续性好的强反射特征。图 6测线浅层地震时间剖面图021VtH 3.人工地震勘探3.1 人工地震原理人工地震方法是确定是否存在断裂的重要科技手段，地震勘探方法的前提是地下必须存在有波阻抗差异的地层界面。如图 4 所示，当在测线上的 01、02、等处激发地震波时，可以在一系列的地面观测点 S1、S2、上接收到来自地下反射界面 R 上不同反射点的反射波，我们把每次激发得到的各地面观测点的记录集合在一起就可形成一个共炮点道集。由图可以看出，地下反射数据的有效范围实际上是地表检波器排列长度的一半。因此，地下反射点间距实际上是地表检波器间隔(道间距)的一半。97左秦朝等：基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析以西安地铁 10 号线高陵段为例图 5 测线浅层地震时间剖面图Figure 5.A shallow seismic time profile of the measuring line时间剖面可见有效反射同相轴信息可以识别至1200ms，在 800ms 以内解释了 6 个反射能量较强的反射波组，均表现为横向连续性好的强反射特征。从图 6、图 7 剖面形态分析，各界面基本上为水平层状展布特征，东部界面埋深略深于西部。从剖面来看，各界面均出现有错断特征，且深部界面反射除同相轴错断外，出现有似牵引形态。判断此处为正断层 FP，该断层视倾向东，其向上错断了 T2界面及 T1下方的弱反射界面，未错断 T1界面。可分辨的上断点埋深约为 55 60m，垂直断距约2 3m；下断点埋深约 700m，垂直断距约 50m。依据浅层地震解释剖面显示，视倾角=72，测线与真倾向走向趋势线夹角=52由公式 计算：真倾角=78.7costantan计算：真倾角=78.7。4、钻探验证本次通过工程地质钻探来进一步验证该断裂特征，其剖面呈东西向展布，东盘（上盘）相对下降，西盘（下盘）相对上升，因此判断泾阳渭南断裂为正断层；Q3古土壤（埋深 1217m）底界高程错断2.35m，Q3砂层（埋深 4560m）底界高程错断 6.94m，与人工地震结果基本一致，见图 8。图 6 浅层地震地质剖面图Figure 6.A shallow seismic geological profile4.钻探验证本次通过工程地质钻探来进一步验证该断裂特征，其剖面呈东西向展布，东盘（上盘）相对下降，西盘（下盘）相对上升，因此判断泾阳渭南断裂为正断层；Q3古土壤（埋深 1217m）底界高程错断 2.35m，Q3砂层（埋深 4560m）底界高程错断6.94m，与人工地震结果基本一致。断裂错断自下而上，岩土体受沉积及断裂活动影响，上下盘厚度及断距肯定存在差异。从断距和埋深插值分析，700m 埋深位置预计断距达到70.9m，与人工地震结果存在差异。除地形因素外，由古土壤底界坡度变化趋势推断，断裂带宽度约 51m。98左秦朝等：基于人工地震勘探手段的泾阳-渭南断裂浅层特征分析以西安地铁 10 号线高陵段为例自钻探剖面主断裂面量测，视倾角=69，计算真倾角=76.7，真倾角平均值取 78，与人工浅层地震测试结论基本吻合。泾阳渭南断裂是固市凹陷与咸阳凸起之间的分界断裂，控制断陷盆地发育的边界断裂，有记载以来持续活动，因此推测该断裂为活动断裂。5.活动性及活动速率人工地震解译断点上部位于地面下约 50m，外业钻探验证后发现，地表下 Q4黄土状土被错断；调查发现，沿断裂地貌保留了部分错断阶地陡坎，断层剖面黄土层中可见张性构造裂缝被褐色土体充填等新活动遗迹【9】。根据陕西地震信息网：2009 年 11 月 5 日在临潼区高陵县交界处（N34.5，E109.2）发生了 M4.4级地震，且其余震超过百余次，进一步证明泾阳渭南断裂为全新世活动断裂。相关研究资料表明 Q4距今小于 12000 年（按 10000 年考虑），通过“刃型”错位提出的倾滑断层震间形变数学表达式【10】：ux 为水平面垂直断层方向的位移，uz 为垂直地面方向 Z 的位移，s 为沿着断层面倾滑位移，d 为断层闭锁深度，为断层倾角，x 为观测点到断层的距离。剖面位置浅表经人工改造，根据地层底界趋势发现，黄土状土顶部被错段约 1.8m，据此粗略计算，断裂上下错动速率 0.18mm/a。6.结论建议泾阳渭南断裂高陵段为全新世活动断裂，断裂带宽度约 51m。该段断层走向 N57 W，倾向 NE33、倾角 78。60m 以浅深度处垂向断距310m，700m 深度处垂向断距约 70m。因此，西安地铁 10 号线设计规划中需高度重视，考虑断裂构造活动的影响。建议车站采取避让措施；区间桥梁跨越推测断点，上部结构应采取静定结构，特大型桥宜选用柔性桥型，设置减、隔震支座等，并采取适当的预防措施。211cossintancosudxdxdxsx参考文献1苏英.刘洋,李晓华,等.渭河断裂咸阳吴家堡附近浅部特征研究.科学技术与工程 2013.13(7):1729-1733.2刘林,芮会超.渭河盆地结构特征及演化研究 J.地质力学学报,2018,24(1):60-69.3陕西省地方志办公室高陵县志。4陕西地震信息网.https:/ J.地学前缘.2019,26(03)7崔笃信,郝明,秦姗兰等.陕西中南部现今断层滑动速率和闭锁深度反演 J.地球物理学报,2019.62(12):4648-4657.8田勤虎.渭河断裂东段中更新世晚期以来活动速率 J.灾害学.2014,29(04)9田勤虎,段蕊.渭河断裂咸阳段活动性研究 J.地震研究.2015,38(02)10苏英.渭河断裂咸阳吴家堡附近浅部特征研究 J.科学技术与工程.2013,13(07).Shallow features of jingyang-weinan fracture analyzed byArtificial seismic exploration methodTaking the gaoling portion of xian metro line 10 as an exampleZuo Qinzhao,Li Lei,Wang Tao and Liu Jian（Shaanxi Engineering Survey and Research Institute Co.,LTD;Xian 710068）Abstract：Many fault zones in Xian area produce many secondary ground cracks,which have a great impact on engineering construction.In this paper,the characteristics of faults are analyzed by means of investigation,artificial seismic drilling and geological drilling,making clear that the Jingyang-Weinan fault(Gaoling section)has a strike N57 W,trend NE33 ,a dip angle 70 and a vertical fault distance ranging between 3m and 10m above 60 m to shallow.The fault is a Holocene active fault with a slip rate 0.18 mm/a.Key words：fracture;artificial earthquake;reflection double-course method;drilling;activity