城市斷層深部結(jié)構(gòu)大地電磁陣列探測(cè)

肖兵，余成華，徐俊，蔣鵬，鄧文龍，陳龐龍，趙國(guó)澤

(1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東深圳 510086； 2.廣東省地震局，廣東廣州 510070；3.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

城市斷層深部結(jié)構(gòu)大地電磁陣列探測(cè)

肖兵1?，余成華1，徐俊1，蔣鵬1，鄧文龍1，陳龐龍2，趙國(guó)澤3

(1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東深圳 510086； 2.廣東省地震局，廣東廣州 510070；3.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

地震活動(dòng)斷層探測(cè)工作的難點(diǎn)工作之一就是城市斷層深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)。雖然高分辨率地震勘探是研究城市斷層較為有效的地球物理探測(cè)方法。但由于深圳特殊的人文環(huán)境，本文研究采用了大地電磁陣列探測(cè)，并獲得了較好的探測(cè)結(jié)果。

城市斷層；大地電磁陣列；地球物理勘探

1 引 言

在近年發(fā)生的歷次大地震中，研究人員發(fā)現(xiàn)，斷層帶上的房屋倒塌、人員傷亡情況嚴(yán)重；但斷層帶以外的情況就要好得多。我國(guó)2008年“5·12汶川8.0級(jí)大地震”就是發(fā)生在活動(dòng)斷層之上的地震。國(guó)務(wù)院曾下達(dá)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)防震減災(zāi)工作的通知》(國(guó)發(fā)(2000) 14號(hào))，要求“在城市規(guī)劃和西部大開發(fā)中要避開地震危險(xiǎn)地段和活動(dòng)斷層，在大城市特別是省會(huì)城市和重要經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)要積極開展地震活動(dòng)斷層的探測(cè)工作。”

地震活動(dòng)斷層探測(cè)工作的難點(diǎn)工作之一就是城市斷層深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)。高分辨率地震勘探是研究城市斷層較為有效的地球物理探測(cè)方法[1]。常用的地震勘探震源有炸藥震源、落錘或機(jī)械撞擊震源、槍震源、可控震源等。這些震源的特點(diǎn)是具有破壞性或產(chǎn)生較大的噪音污染。深圳的地質(zhì)環(huán)境，尤其是人文環(huán)境和城市管理方面的特殊要求，使得地震勘探無(wú)法采用。因此，在深圳市城市活斷層深部結(jié)構(gòu)探測(cè)項(xiàng)目中，首次在城市中心地帶采用大地電磁方法進(jìn)行高密度點(diǎn)位的系統(tǒng)測(cè)量，或稱大地電磁陣列探測(cè)，并獲得了較好的探測(cè)結(jié)果。

2 大地電磁陣列

2.1 大地電磁法

大地電磁法作為一種在地質(zhì)探測(cè)和礦產(chǎn)勘查中用途非常廣泛的地球物理方法。主要以視電阻率曲線和相位曲線的形態(tài)特征作為分析大地結(jié)構(gòu)與電性分布的基本依據(jù)[2]。

MT法的理論基礎(chǔ)是Maxwell方程，它采用源自高空的天然交變電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源來(lái)探測(cè)地下的電阻率結(jié)構(gòu)。通常用下式可得到視電阻率ρa(bǔ)和阻抗相位φ。

其中，Zij(i，j分別為x，y的不同組合)為不同方位的阻抗張量；Tij(i＝z，j分別代表x和y)為不同方位的磁傾子矢量；ρa(bǔ)視電阻率單位為歐姆米(Ω.m)。它是一個(gè)與頻率有關(guān)的量，是給定頻率下電磁場(chǎng)影響所能涉及范圍內(nèi)巖石電性的綜合反映，阻抗相位(φ)代表了相互垂直的電場(chǎng)水平分量與磁場(chǎng)水平分量之間的相位差，它也是頻率的函數(shù)，同樣也是反映介質(zhì)電性特征的一個(gè)重要物理量。地下電阻率結(jié)構(gòu)是通過(guò)對(duì)觀測(cè)得到的視電阻率和阻抗相位反演得到。

2.2 大地電磁陣列

本次野外資料采集中，用多臺(tái)V5－2000同時(shí)工作，用GPS時(shí)鐘同步。其中用了3臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)5分量以及8臺(tái)2分量大地電磁測(cè)深儀，其中1臺(tái)5分量?jī)x器用作遠(yuǎn)參考測(cè)量，遠(yuǎn)參考站布置在離工區(qū)100多千米的惠州，其余10臺(tái)儀器在本地測(cè)量。

本地測(cè)量中，10臺(tái)儀器分別組成兩個(gè)排列，每個(gè)排列由1臺(tái)5分量?jī)x器和4臺(tái)2分量?jī)x器組成，分別在5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。5分量?jī)x器本身也是標(biāo)準(zhǔn)的大地電磁測(cè)量，測(cè)量5個(gè)電磁場(chǎng)分量。2分量?jī)x器只接收電場(chǎng)信號(hào)，3個(gè)磁場(chǎng)分量用同步測(cè)量的5分量?jī)x器的3個(gè)磁場(chǎng)分量。由于每條測(cè)線長(zhǎng)度不超過(guò)3 km，在該范圍內(nèi)進(jìn)行同步測(cè)量時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)之間的外部磁場(chǎng)差別可以忽略不計(jì)。因此，可用2分量?jī)x器接收的電場(chǎng)和5分量?jī)x器接收的磁場(chǎng)組成每個(gè)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的5分量大地電磁測(cè)深點(diǎn)，形成高密度測(cè)點(diǎn)的陣列觀測(cè)，即大地電磁陣列。大地電磁儀器布設(shè)平面示意圖如圖1所示。

圖1 V5－2000大地電磁大地電磁陣列平面示意圖

3 斷層深部結(jié)構(gòu)大地電磁陣列探測(cè)成果

深圳市斷層深部探測(cè)中，針對(duì)北東向的五華——深圳斷裂帶的橫崗——羅湖斷裂束、蓮塘斷裂束和北西向的觀瀾斷裂帶，進(jìn)行大地電磁測(cè)深陣列探測(cè)，研究斷裂帶的深部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。大地電磁陣列測(cè)深點(diǎn)布置及測(cè)區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)況見(jiàn)圖1。累計(jì)完成了共87個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，分5條剖面共6段進(jìn)行深入解釋。這里以剖面5為例，對(duì)大地電磁陣列的應(yīng)用成果進(jìn)行分析。

圖2 深圳市斷層探測(cè)工區(qū)地質(zhì)及大地電磁測(cè)深點(diǎn)分布

剖面5為近北西向剖面，穿過(guò)橫崗－羅湖斷裂組，實(shí)際剖面位于龍海農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，累計(jì)長(zhǎng)約737 m，布置測(cè)點(diǎn)8個(gè)(編號(hào)szl5－1a～szl5－8a)，測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距平均約92 m。剖面由NW起于中侏羅吉嶺灣組(J2jl，巖性主要為安山巖、英安巖、粉砂巖、泥巖及沉凝灰?guī)r等)，在szl5－5a號(hào)點(diǎn)進(jìn)入到測(cè)水組上段地層，在szl5－6a開始進(jìn)入到白堊紀(jì)黑云母二長(zhǎng)花崗巖體中。

圖3是剖面5測(cè)點(diǎn)的原始視電阻率、相位－頻率曲線，其中視電阻率曲線的形態(tài)從高頻到低頻總體呈現(xiàn)出低－高－低阻(K型)或低－高－低－高阻(KH型)的曲線變化特征，中間高阻的峰值在總體在szl5－3a～szl5－ 4a號(hào)點(diǎn)間出現(xiàn)明顯的分界，即szl5－1a～szl5－3a號(hào)點(diǎn)中間高阻的峰值總體小于103Ωm；而szl5－4a號(hào)點(diǎn)之后中間高阻峰值基本在103Ωm～104Ωm。另外szl5－5a～szl5－6a號(hào)點(diǎn)的視電阻率曲線特征也與其他測(cè)點(diǎn)存在一定差異，即這兩點(diǎn)的視電阻率曲線兩支存在明顯相互分開的現(xiàn)象，這種曲線分開的現(xiàn)象主要與測(cè)點(diǎn)附近存在明顯的電性分界帶有關(guān)。這一點(diǎn)與地表地質(zhì)吻合很好，在地表地質(zhì)上，szl5－5a～szl5－6a號(hào)點(diǎn)正好是石炭紀(jì)沉積地層與白堊紀(jì)花崗巖體的分界部位。

圖4是將各測(cè)點(diǎn)的原始視電阻率、相位數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距連成一線形成的視電阻率、相位擬斷面圖，該斷面圖可以更為直觀地顯示在szl5－3a～szl5－4a以及szl5－ 5a～szl5－6a號(hào)點(diǎn)之下(間)存在明顯的電性分界帶。

圖3 測(cè)線5測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)視電阻率和相位曲線

圖4 測(cè)線5實(shí)測(cè)視電阻率、相位擬斷面圖

圖5為剖面5中測(cè)點(diǎn)反演獲得的一維層狀模型。橫向上各測(cè)點(diǎn)的一維層狀電性結(jié)構(gòu)特征總體一致，但在總體電阻率上，在szl5－4a與szl5－5a號(hào)點(diǎn)之下最高、szl5－7a與szl5－8a號(hào)點(diǎn)次之，根據(jù)電阻率的橫向變化，推測(cè)szl5－4a與szl5－6a測(cè)點(diǎn)附近存在電性邊界。結(jié)合地表地質(zhì)資料，推測(cè)szl5－1a～szl5－4a號(hào)點(diǎn)之下出露層為中侏羅吉嶺灣組(J2jl)地層，在szl5－5a號(hào)點(diǎn)之下為C1c2，在szl5－6a～szl5－8a號(hào)點(diǎn)之下為白堊紀(jì)花崗巖體K11aηγ，其上可能存在厚度100 m的電阻率相對(duì)低的風(fēng)化層。其中szl5－3a與szl5－4a之間、szl5－5a與szl5－6a之間分別對(duì)應(yīng)電性邊界，可能存在正向斷層構(gòu)造。

圖6為剖面5的非線性共軛梯度法(NLCG法)反演的二維電性結(jié)構(gòu)模型。如圖6－左所示，橫向上在szl5－3a與szl5－4a號(hào)點(diǎn)間以及szl5－6a號(hào)點(diǎn)附近存在較為明顯的電性分界；在200 m以下層位，以szl5－3a號(hào)點(diǎn)為界，NW側(cè)電阻率普遍在400 Ωm以下，可能與正常古生代的沉積層有關(guān)，SE側(cè)電阻率則在1 000 Ωm左右，與中生代白堊紀(jì)花崗巖體電阻率相當(dāng)，而且SE側(cè)的高阻構(gòu)造有向NW側(cè)斜上穿插之勢(shì)。

圖5 剖面5測(cè)點(diǎn)一維Occam反演層狀結(jié)構(gòu)模型

圖6 剖面5大地電磁測(cè)深二維電性結(jié)構(gòu)及地質(zhì)解釋

結(jié)合地層厚度及地表地質(zhì)出露信息，對(duì)本剖面作了相應(yīng)的地質(zhì)解釋如圖6－右。推測(cè)在szl5－4a與szl5－6a號(hào)點(diǎn)之間存在正斷構(gòu)造，前者是侏羅紀(jì)吉嶺灣組火山沉積巖與石炭紀(jì)測(cè)水組上段邊界，后者是古生代地層與中生代花崗巖體的接觸邊界。

4 結(jié) 論

針對(duì)五華——深圳斷裂帶的橫崗——羅湖斷裂束、蓮塘斷裂束和北西向的觀瀾斷裂帶，進(jìn)行大地電磁測(cè)深陣列探測(cè)，研究斷裂帶的深部結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)?？梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論:

(1)大地電磁測(cè)深陣列探測(cè)發(fā)現(xiàn)了4處區(qū)域性斷裂構(gòu)造及9處局部斷裂構(gòu)造，反映了斷裂構(gòu)造的深部信息。

(2)本次研究工作在深圳市這樣一個(gè)具有特殊人文環(huán)境、現(xiàn)代化程度較高、各種噪聲干擾嚴(yán)重城市進(jìn)行，大地電磁測(cè)深陣列探測(cè)取得了良好的效果。

(3)以了解區(qū)域性斷裂構(gòu)造的深部結(jié)構(gòu)為目的，雖然高分辨率地震勘探是較為有效的地球物理探測(cè)方法，但在特定人文環(huán)境下，大地電磁測(cè)深不失為一種最為經(jīng)濟(jì)、可行的方法。

[1] 朱金芳，徐錫偉，黃宗林等.福州市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[M].北京:科學(xué)出版社，2005

[2]B.H.尼基金著.劉統(tǒng)畏譯.工程地震勘探原理[M].北京:地質(zhì)出版社，1987

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[5]金勝，張樂(lè)天，魏文博.中國(guó)大陸深探測(cè)的大地電磁測(cè)深研究[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010(06)

[6]嚴(yán)家斌.大地電磁信號(hào)處理理論及方法研究[D].中南大學(xué)，2000年度博士論文.

[7]深圳勘察研究院有限公司.深圳市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性分析工程技術(shù)報(bào)告，2008

Prospecting of the Deep Tructure of City Fault with Magnetotelluric Method Sounding

Xiao Bing1，Yu HengHua1，Xu Jun1，Jiang Peng1，Deng WenLong1，Chen PangLong2，Zhao GuoZe3
(1.Shenzhen Investigation＆Research Institute Co.，Ltd.Shenzhen 510086，China；2.Seismological Bureau of Guangdong，Guangzhou 510070，China；3.Institute of Seismogeology of Seismological Bureau of China，Beijing 100029，China)

prospecting of the deep structure of city fault is a diffcult work in Earthquake Active fault prospecting.Although，high resolution seismic exploration is effective Geophysical prospecting method，Magnetotelluric method sounding is adopted because of the The Human Environment characteristic in Shenzhen.And well application result in city fault prospecting is obtained.

City fault；Magnetotelluric method sounding；Geophysical prospecting

1672－8262(2010)03－159－05

P631

A

2011—05—28

肖兵(1969—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地震安全性評(píng)價(jià)及工程檢測(cè)工作。