1、第32卷第4期地球科學一一中國地質大學學報Vol . 32 No . 4July 2 0 0 7Earth ScienceJournal of China University of Geosciences平潭海峽大橋海上地震勘探霞1,2，張永旺3，魏文博1,4,51 .中國地質大學地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室，北京1000832 .北京艾達天地巖土技術有限公司，北京1000833 .中國地質大學能源學院，北京1000834 .中國地質大學地質過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室，北京1000835 .中國地質大學地球物理與信息技術學院，北京100083摘要：全長3 478 m的平潭海峽大橋

2、是一大型橋梁工程，橋位自然條件惡劣，工程地質條件復雜.為了克服淺層水域常見的電火花震源激發(fā)頻率高、能量衰減快、探測深度淺等不足，采用工程地震儀和振動沖擊震源在海上開展地震反射波勘探工 作，結合地質鉆探工作，查明了橋址區(qū)的地層巖性分布、地質構造等工程地質問 題,為橋梁建設提 供了重要的 地質依據(jù).工程應用表明：在地球物理條件不利的情況下，獲得了較清晰 的地震反射波，其有效波主頻為200 Hz左右，是水域工程地震勘探經(jīng)濟環(huán)保、簡單有效的工作方法之一.關鍵詞：平潭海峽大橋;橋址勘探；海上地震勘探；震源.中圖分類號：P631.4文章編號：1000- 2383（ 2007） 04- 0540- 05收稿

3、日期：2007- 04- 12Seismic Geophysical Exploration in Pingtan StraitBridge , Fujian , East China Sea1231 4 5GAO Xia，, ZHANG Yon g-wa ng , WEI Wen- bo，1. Geo d etecti on Laborator y o f the M ini stry of Educati on , China Uni versityof Geoscie nces Beijing 100083, China2. Beijing A id a Tiand i Geotechn

4、ical Corp . , Ltd . , Beijing 100083, China3. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijin g 100083 , China4. State Key Laboratory o f Geologica l Process5s a nd Min eral Resources, Chi naUn iversity of Ge)scie ncesBeiji ng100083,Chi na5. S chool of Geophysics and In formati o

5、n Tech no log y, China Un iversity o fGeoscie nces, B eiji n g100083, ChinaAbstract: Building the Pingtan Strait bridge in Fujian Province, with aspanof 3 478 m, is a very large project. Due to the bad natural conditions and insufficient investment capital, the engineering problemsare very complex A

6、ccording to the vibrating impact- model source, reflection seismicexploration was conducted to investigate the strata configuration and the geological conditions. At the sametime, the evaluation was made of the geologicalengineering conditions for building the bridge.Key words: Pingtan Strait bridg

7、e; bridg e site exploration ; reflection seismic exploration; seismic source.地處閩東沿海的平潭島是福建第一大島，中國第五大島島西隔海壇海峽與大陸相望，距省會福州 128 km凍鄰臺灣海峽，距臺灣128 km，是我國大陸 距臺灣最近點（圖1）.交通不便制約了該縣社會經(jīng) 濟的發(fā)展，擬建一座大型橋梁予以解決.經(jīng)過預可行性反復研究確定，平潭海峽大橋西岸位于福清市小山東村，東岸位于平潭縣娘宮村（郭金瓊等，1996）,大橋初步設計全長約 3 478 m ,橋型為預應力混凝土 連續(xù)鋼構橋橋位跨海長度為3 478 m ,水深為27

8、30 m的區(qū)域有595 m ,為降低工程造價，選用200 m 左右跨徑要求在工程可行性研究中視勘探情況做 小范圍調(diào)整，避開斷層破碎帶等不利地段（劉章捷基金項目：北京市重點學科 地球探測與信息技術 （XK104910598 ） ”資助.作者簡介：高霞（1959-）,女,高級工程師，注冊巖土工程師，博士研究生，長期從事工程物探和工程勘察的科研與實踐ET ：gaoxia33第4期高霞等：平潭海峽大橋海上地震勘探547圖1福建沿海中生代變質帶地質簡圖Fig .1 Sketch geological map of Mesozoic metamo- phic belts of eastern F ujia

9、n1 .平潭-東山變質帶；2.福清-云霄變質帶；3.花崗巖類; 4 .斷裂帶；5.省界2工作布置、原理與方法技術潭岸水深512 m .根據(jù)平潭海洋站 1962 1978年 的風況實測資 料，最大風速為34 m/s；而1979 1993年風況實測資料，最大風速為30 m/ s .平潭屬 亞熱帶海洋氣候，夏長冬短，溫熱濕潤，年平均氣 溫 19.6C1.2區(qū)域地質概況北東向的長樂-南澳斷裂帶大體上將福建沿海 變質帶劃分成兩個部分（圖1）,西側變質程度很低， 稱為福清-云霄變質帶，東側稱為平潭-東山變質 帶，變質程度較深（陳斌,1997）.島上出露巖石主要 有燕山晚期花崗巖和白堊紀火山巖.橋位處工程地

10、質可劃分為第四紀松散沉積和基 巖兩大部分.在松散沉積層內(nèi)，除局部有軟塑至流動 狀粘性土軟弱地基覆蓋外，其余均直接覆蓋著砂層, 層厚625 m ,平均15.5m.其下臥層為低液限高 壓縮性粘土層，屬較軟弱地基土層，厚5 .524.6 m, 海峽中部較厚，一般為1020 m ,再下面為中粗砂 或含粘土中粗砂層,層厚1 .522 .8 m .基巖少量為 花崗閃長巖，大部分為火山巖及其淺層相，其上部均有不同程度的風化71994-2015 China和王云安,2001）,以求最合理經(jīng)濟的橋位.海壇海峽風大浪高,氣候多變；測區(qū)水深處水 域較窄，流速大，海底中粗砂密實，海底反射能量強， 穿透力差；測區(qū)水淺處

11、海底淤泥使聲波能量衰減，海 底多次波干擾嚴重，這些對地震勘探工作十分不利在大橋規(guī)劃選址階段，前人曾用淺海剖面儀做過4次海上地震勘探，得出 基巖埋藏較深時，反射波能 量較弱，在很多情況下甚至得不到反射波，加上海底 多次反射波的干擾，基巖面難以辨別”的結論對此， 勘察設計單位在本次可研階段布置了40個海上勘探鉆孔，以彌補物探資料的不足1橋址自然條件1. 1 水文、氣象橋位處潮汐屬正規(guī)半日潮，日間有4次漲落潮過程.最大流速1 .12 m/s，最高潮位+ 7.48 m，最 低潮位-0.22 m，平均高潮位+ 5.79m，最大潮差7.16 m.自福清小山東到北青嶼水深較淺 ，為1 6m .過北青嶼出現(xiàn)深

12、谷，最大水深達27 m，范圍約350 m .過深谷區(qū)約有1 000m長范圍水深510m.主 航道區(qū)，最大水深為2730 m，區(qū)域長595 m .靠近平2 .1工作布置及完成工作量 本次水域地震勘探范圍以擬建橋軸線為準，上、下 游各擴大一定范圍（上游150m、下游100 m）.橫穿海峽 的測線11條，順海峽方向的測線8條，測線總長度34.7 km .多道數(shù)據(jù)采集測線3條，測線長度4 .9 km.2 .2基本工作原理疏密波（膨脹波或聲波）在水中傳播和聲波在空 氣中傳播所遵循 的定律是相同 的（Richart, et al ., 197C）.根據(jù) Albers（ 1960）,在 20° C

13、、20 m 深的海水 中，Vw 約為1 483 m/ s,實測 Vw為1 4751 485 m/ s，覆蓋層介質的 Vp約為1 5501 750 m s（圖2）.由于地層的吸收作用，地震波的反射振幅隨著 炮檢距的增大而減小，其變化情況比較復雜（郝鈞 等,1992）.地震波由低波阻抗介質進入高波阻抗介 質，反射系數(shù)與入射 角有如下關系：當入射角 較小 時，透射縱波能量較強，反射縱波能量很弱；當入射 角較大時，反射縱波能量較強，透射縱波能量很弱.因此,欲使反射縱波有較好的接受效果，則要求入射 角要適當，既不能偏小，也不宜過大.此次剖面測試 工作偏移距為10m ,多道采集時偏移距為 30 m .Ac

14、ademic Journal Ekctronic Publishing He use. All rights reserved, httpw wx r ski. netFile：ss 197.1Truce 3-12Velwity:I OTO-2 6K0 m/i R >0.40Giiei0 I 的Q 2000 J 000/? 0.3 .OTolal 41 events圖2共炮點記疑及速痍分析詼溝相關系#DFi；g 2 A seismic record of a shot and velocity analyse圏2水上地霹勘攆布蜿裝覽示意Fir. 3 Sketch, of disposal

15、 devices in seismic exploration2.3 主要方法技術 2.3.1地震數(shù)據(jù)采集 探采用單點激發(fā)與接收 施測與淺海剖面儀類同本次平潭海峽大橋地震勘 、等偏移距連續(xù)采集的方法 .地震儀安置在輪船駕駛室內(nèi)，水聽器在船舷右側沉放海中，激發(fā)震源在船底淺2.3.3震源方式通常淺海剖面儀使用的電火花震源輸出功率小于 800 J,水中發(fā)射聲波頻率高，能 量衰減快，且有氣泡效應一般振動沖擊震源能量可 達3 000 J以上,最簡單的方法是用鐵錘直接敲擊鐵 船船底產(chǎn)生聲波，在墊板下充填砂土 、塑料板等不同 的材料即可改變激發(fā)頻率.本次水上錘擊震源的有 效波頻率為 200 Hz左右.3資料

16、處理與成果解釋3 .1資料處理為了消除水底引起的長周期的多次反射波和水 域常見的混響，海上資料除了做頻率濾波、振幅恢 復、時差校正、潮位校正、時深轉換等常規(guī)處理以外 （王云安和劉章捷，2001），還需做預測反褶積.Pea cock and Treitel （ 1969）提出了一個長項預測反褶積 因子,在設計技術上力求保留單位脈沖響應，直接壓制多次反射波，而不影響原有的反射系數(shù)為此，必須首先確定單位脈沖響應的時間長度，分出無作用時間區(qū)間，同時也應確定初始反射與干擾波之間需 要清除干擾的時間區(qū)間.通過試驗比較，此次處理選 擇的算子長度為32 ms，以獲得最佳結果.3 .2成果解釋由平潭海峽大橋 地

17、震勘探 剖面（圖4）可以看 出：水下地形和覆蓋層界面反射波同相軸清晰、連 續(xù)；基巖面反射波同相軸有的較連續(xù)，有的間斷，深部多見地震繞射波，該特征反映了火成巖基巖面起 伏不平的形態(tài).在測線的中部基巖面有一段較強的 繞射波，與其相鄰的基巖面繞射波減弱 射波波幅也減弱，同時基巖以下波序較亂，此特征反映巖性上的變化和在巖性接觸帶巖體破碎蝕變.在剖面圖右側基巖面凹槽下可見傾斜向下的兩個同相水面.地震波速測量使用多道快速采集方法，12道漂浮電纜拖在船后（圖3）.2.3.2測量定位平潭海峽大橋高程測量采用了較先進的測距三角高程法，即用紅外測距儀先測量 各水準點間的水平距離，然后用2架經(jīng)緯儀同步對 向觀測直角

18、，由大陸向海島傳遞高程，建立平潭島國 家咼程基準點，確保大橋測區(qū)的相對咼程達到川等水準精度（王炳南，1996）.在地震勘探過程中，使用1架經(jīng)緯儀在岸邊測 線上導航，3架經(jīng)緯儀前方交會定位 ，3架激光測距 儀跟蹤定位，確保定位精度在1 m .軸，該特征為裂隙破碎帶破碎面反射波，由此裂隙破碎帶引起基巖面形成凹槽較為明確.未見斷層和新構造跡象.在剖面中部，水下地形變化較陡的覆蓋層中可 見2個繞射波，推斷是局部較大塊碎石所致，非沉船 一類的障礙物.鉆孔鉆到此曾認為是基巖而終孔，物 探解釋基巖在其下方，對此增加一鉆孔得以證實.在覆蓋層中的同相軸，經(jīng)與地質勘探鉆孔資料 對照，對覆蓋層中較明顯的同相軸做了地

19、質層位解 釋，得出地震-地質解釋剖面圖（圖5）.對基巖的解 shitigt House. A I rights reserved, http:/Avwr>. fit圖5平潭晦峽大橋中軸線地農(nóng)一地質解釋剖曲 Fig. 5 Seismic-gjlogicaJ section of bridge »xis1.海水；2.中砂；3.淤泥混砂;4.淤泥；5.淤泥混貝殼；6.淤泥混砂貝殼；7.中粗砂含少量貝殼；8.細砂；9.淤泥間砂；10.砂混淤泥貝殼;11.淤泥 質粘土 ； 12.砂質粘性土 ； 13.強風化花崗閃長巖；14.強風化英安質凝灰熔巖；15.中-微風化英安質凝灰熔巖；16.中-

20、微風化花崗閃長巖釋有些部位勾劃出強風化帶的厚度其根據(jù)是在基巖強反射波同相軸的上部有一較弱的反射波同相軸，該同相軸的特征與基巖強反射波同相軸具有相 似性由于基巖強風化頂界面上覆蓋有一基本連續(xù) 的砂質粘性土 ，二者的物性差異不十分顯著，這是基巖強風化面反射波同相軸相對較弱的原因之一勘探區(qū)橋軸線北青嶼-娘宮段的地質解釋如下:樁號K1 + 730K1 + 810段，水較深，一般為25 30 m，覆蓋層較薄，一般為922 m ,強風化帶厚 度較小，一般為46m,是較深的沖刷槽.樁號K2 + 000K2 + 50段，水較淺，一般為510 m，覆蓋 層較厚，達60余m，屬深厚覆蓋層.樁號K2 + 520 K

21、3 + 120 段其左右兩側圍巖為英安質凝灰熔巖在巖性接觸帶處有風化深槽，其中 東側巖性接觸帶，即樁號K2 + 920K3 + 120段，風 化槽較寬，風化也較深在勘探區(qū)內(nèi)平行于橋軸線的 其他剖面也見有此特征的風化槽.說明本區(qū)構造在巖性接觸帶較為發(fā)育，屬不良地質體.在橋軸線K1 + 900、2 + 880、3 + 390、K3 + 690 和 K4 + 080 樁號附近，分別有高傾角裂隙帶發(fā)育，但規(guī)模不大， 寬度一般在20 m左右.4結語本次平潭海峽大橋地震勘察工作采用振動沖 擊震源激發(fā)，快速連續(xù)采集方法接收，降低了激發(fā)頻 率（相對點火花震源），增大了聲波的穿透能力，獲得 了較好的地震反射資料

22、，為主航道橋墩的選擇提供 了依據(jù)使原計劃打40個勘探鉆孔減少到26個，降低了勘探費用，提高了工作效率配合地質工作人 員，較圓滿地完成了橋址區(qū)基巖面起伏形態(tài)與構造 分布性質為主的勘探工作實踐表明，該方法經(jīng)濟有效，使水域工程勘察工作得到簡化Refere ncesA lbers，V . M . , 1960. U nderwater acoustics handbook. The Pennsylvania state U niv. Press,290.Chen,B., 1997. Petrographic evidences and tectonic signifi- 的祜嚴nee for two

23、phases of metamorphism in sillimaniteand garnet- bearing mica schists of Pingtan- Dongshan metamorphic zone of eastern Fujian, China. Acta Petro- logica Sinica ,13(3 : 380- 393 (in Chinese with Eng lish abstract).Guo, J. Q. ,Fang,Z .Z. ,Chen, B. C., 1996. Conceptual design of Pingtan Str ait bridg e

24、.Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition) ,24:1 - 9 ( in Chinese with English abstract .Hao, J. ,Zhao, M . W. , Y ao, G . X ., et al. , 1992.3D seismic exploration technology. Petroleum Industr y Press, Be- jing ,28- 30 (in Chinese .Liu ,Z .J. ,Wang, Y . A .,2001. Engineering geological evaluation of Yangluo-Yangtze bridg e, Wuhan. Earth ScienceJ ournal of China University of Geosciences26 (4) :385- 387( in Chinese with English abstract .Peacock, K . L ., Treitel, S., 1969 . Predictive deconvolution : Theory and Practice. Geophysics,34:155- 169.Richart ,F.E. ,Woods,R.D.