云南玉溪盆地電性結(jié)構(gòu)MT 測深研究1

周曉峰 魯來玉 何正勤 武 巖

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

引言

地震發(fā)生時(shí)，復(fù)雜的局部場地條件對地震波的傳播影響很大（高孟潭等，2002；趙成剛等，2007），盆地的場地效應(yīng)會(huì)引起較大的地震地面運(yùn)動(dòng)的放大。一個(gè)典型的實(shí)例是1985年的墨西哥地震，在這次地震中，2次強(qiáng)震對距離震中較近的地區(qū)造成了中等程度的破壞，但卻對遠(yuǎn)離震中位于較軟的沉積盆地上的墨西哥城造成了嚴(yán)重破壞和經(jīng)濟(jì)損失。后來的研究表明，在此次地震中盆地基巖的地震動(dòng)被放大了6倍甚至更多，地震波在三維盆地內(nèi)的聚集放大效應(yīng)是造成嚴(yán)重災(zāi)害的根本原因，因此研究三維盆地結(jié)構(gòu)（孫潔等，1989；徐新學(xué)，2007），對于了解潛在地震多發(fā)區(qū)的災(zāi)害特征和成災(zāi)機(jī)理具有重要意義。

云南省玉溪市的玉溪盆地位于地震多發(fā)區(qū)“南北地震帶”南端附近，是沿普渡河斷裂發(fā)育的一個(gè)斷陷盆地。普渡河斷裂是滇中南北向的一條主干斷裂，北起四川寧南附近，向南沿普渡河谷延伸，后經(jīng)昆明、滇池，過玉溪盆地西側(cè)，終止于峨山之北的曲江斷裂（朱炎銘，1997）。1970年1月的通海大地震就發(fā)生在曲江斷裂上，這次地震造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)破壞。另外，1999年11月的澄江5.2級(jí)，以及2001年7月的九溪5.1級(jí)破壞性地震均發(fā)生在該區(qū)域。鑒于此，本文選定玉溪盆地作為典型地區(qū)“標(biāo)準(zhǔn)模型”建立的試驗(yàn)區(qū)，研究玉溪盆地的三維結(jié)構(gòu)。

目前研究盆地三維結(jié)構(gòu)主要依靠地表地質(zhì)調(diào)查和地震學(xué)等手段，輔以重磁、電法等手段作為約束。常規(guī)的地震勘探是了解盆地及其中分布的斷裂特征的重要手段，根據(jù)地震勘探數(shù)據(jù)，或者更精確地結(jié)合實(shí)際鉆孔資料，可以對盆地的速度結(jié)構(gòu)、斷裂特征、基底埋深等進(jìn)行綜合的解釋推斷。然而，由于反演的多解性，有時(shí)需要更多的物性參數(shù)對反演解釋進(jìn)行約束，電法則是另一種常見的勘探手段，尤其在20世紀(jì)50年代，提出大地電磁（Magnetotelluric，MT）勘探方法以來（Cagniard，1952），MT測深法在探測地球深部結(jié)構(gòu)中扮演著越來越重要的角色（Bedrosian，2007；金勝等，2009；Unsworth，2010）。由于盆地中第四系地層及斷裂帶附近區(qū)域（通常裂隙較大，易于含水）與基巖相比，具有較大的電阻率差異，MT方法在探測盆地基底結(jié)構(gòu)（Vozoff，1972；徐新學(xué)，2007）和深部找水及金屬礦應(yīng)用中（傅良魁，1991），具有一定優(yōu)勢。

本文主要討論在云南玉溪盆地開展的大地電磁觀測及反演結(jié)果，以期在地震、重力等其它手段的基礎(chǔ)上，為玉溪盆地三維結(jié)構(gòu)反演以及“標(biāo)準(zhǔn)模型”的建立，提供地下電性結(jié)構(gòu)方面的約束。

1 玉溪盆地地質(zhì)概況與MT測點(diǎn)分布

玉溪盆地位于云南省玉溪市，四面環(huán)山，盆地南北長約23km，東西寬約7—9km，呈狹長趨勢。圖1為玉溪盆地區(qū)域構(gòu)造綱要圖（朱炎銘，1997），該盆地為上新世－第四紀(jì)斷陷盆地，受普渡河斷裂控制明顯，普渡河斷裂在盆地的西側(cè)，表現(xiàn)為正斷性質(zhì)，斷陷中心在春和一帶，晚第三紀(jì)以來沉積層厚度達(dá)可達(dá)800m，地層傾角較陡，局部可達(dá)70°。盆地東翼地層較為平緩，一般為5°－15°，沉積層厚度也較西翼淺，自西向東在700－100m之間變化。

圖1 玉溪盆地構(gòu)造綱要圖（朱炎銘，1997）Fig. 1 Sketch map of geological background of the Yuxi Basin (from Zhu Yanming, 1997)

根據(jù)盆地內(nèi)構(gòu)造走向，結(jié)合當(dāng)?shù)亻_展電磁觀測的條件以及觀測目的，選擇玉溪北城區(qū)及周邊作為主要研究區(qū)域。MT測點(diǎn)的分布如圖2所示，主要測點(diǎn)構(gòu)成兩條測線：一條測線從盆地西側(cè)山下的九龍池附近沿北東向，經(jīng)北城至盆地東側(cè)山下的大營附近，本文稱為測線A；另一條測線從盆地西側(cè)山下的蓮花池向東，經(jīng)北城和A測線相交，然后沿南東向至盆地東側(cè)山下的木瓜營附近，本文稱為測線D。相鄰測點(diǎn)的間距一般在200—300m之間，在城區(qū)附近，由于觀測條件的限制，間距較大，在500m左右。除兩條測線之外，還有一些測點(diǎn)分布在北城東側(cè)兩條測線之間，本文主要討論兩條測線的二維反演結(jié)果。

圖2 研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造綱要（廖鏡明等，2011）和MT測點(diǎn)分布Fig. 2 Map of geological structures (from Liao Jingming et. al., 2011) and distribution of MT survey lines

大部分測點(diǎn)位于盆地內(nèi)第四系地層之上，盆地內(nèi)第四系按成因類型可分為湖積、沖積、洪積、坡積、殘積等多種類型，各統(tǒng)與下伏上新統(tǒng)呈角度不整合接觸。上新統(tǒng)，為湖相、沼澤相和沖積相沉積，主要由半成巖的泥巖、粉砂巖、粘土巖、砂礫巖和褐煤組成，與上覆下更新統(tǒng)整合接觸。下更新統(tǒng)，為沖湖積層、礫石和粘土互層，分布在盆地中部的太極山及盆地的邊緣，與上新統(tǒng)呈整合接觸。中更新統(tǒng)，盆地邊緣為坡洪積和沖積層，盆地中部是沖洪積層，與下伏上新統(tǒng)-下更新統(tǒng)呈不整合接觸。上更新統(tǒng)，以洪積物為主，分布在盆地的北緣或西北緣，構(gòu)成盆地邊緣的洪積扇。全新統(tǒng)，以郭井—大營街一帶發(fā)育最好，階地相對完整。盆地基底主要為前古生界灰?guī)r、白云巖、砂巖和砂質(zhì)板巖，總體形成一長軸方向?yàn)榻媳毕虻南蛐睒?gòu)造。

2 數(shù)據(jù)采集和處理

觀測采用德國生產(chǎn)的GMS-07多通道電磁觀測系統(tǒng)（于鵬等，2006），該系統(tǒng)可進(jìn)行MT、AMT、CSAMT以及EMAP網(wǎng)絡(luò)觀測等。數(shù)據(jù)采集單元為ADU-07，該單元為GMS-07的核心單元，應(yīng)用自帶的GPS進(jìn)行同步，可以采集多達(dá)10道電磁場信號(hào)或其它地球物理場信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)配置包括5個(gè)低頻數(shù)據(jù)采集通道及5個(gè)高頻數(shù)據(jù)采集通道，用戶可根據(jù)勘探深度選取不同的采集通道，并可與網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。電場測量采用防水的不極化電極。磁傳感器采用Metronix公司制造的MFS06和MFS07，MFS07的頻帶范圍為1000s-50kHz，MFS06的頻帶范圍達(dá)4000s-10kHz。

2011年11月28日—12月27日，在玉溪盆地進(jìn)行了為期一月的野外觀測。采用通常的5通道MT觀測，高頻記錄采樣4096Hz，觀測時(shí)間10min。低頻記錄采樣為128Hz，有效記錄長度不少于16h。

測線的勘選是根據(jù)盆地的構(gòu)造走向，結(jié)合當(dāng)?shù)氐囊巴庥^測條件和電磁干擾等來確定的。盡管如此，在市區(qū)近郊進(jìn)行大地電磁觀測，仍然受到諸多干擾因素。為了壓制干擾，如果同一時(shí)段，有兩個(gè)或兩個(gè)以上的測點(diǎn)同時(shí)記錄，采用遠(yuǎn)參考或互參考的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（Gamble等，1979；楊生等，2002）。視電阻率和相位采用觀測系統(tǒng)自帶的軟件Mapros進(jìn)行處理，Mapros可直接讀取時(shí)間序列，采取不同的技術(shù)如選擇性疊加、相干疊加、遠(yuǎn)參考等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在處理后的數(shù)據(jù)中給出不同周期的誤差。盆地內(nèi)構(gòu)造走向大致呈南北方向，實(shí)際觀測時(shí)傳感器采用典型的南北－東西正交觀測方案，Ex，Hx為正南北向，Ey，Hy為正東西向。Mpros除了給出視電阻率和相位以外，還可以給出構(gòu)造的二維偏離度Skewness和描述構(gòu)造電性主軸的Swift角，絕大部分測點(diǎn)的Skewness值均小于0.3，一般在0.1—0.2之間，說明電性結(jié)構(gòu)可以用二維模型近似。通過對 Swift角的分析，測區(qū)構(gòu)造電性主軸方位和測線之間的夾角基本在 0°－30°之間，一般小于 15°。因此，按照布設(shè)方案以及結(jié)合構(gòu)造走向，Mapros處理給出的視電阻率yxρ為表示橫磁模式（TM模式），xyρ表示橫電模式（TE模式）。圖3給出了4個(gè)典型測點(diǎn)A2（a，b）、A6（c，d）、A9（e，f）、D1（g，h）的視電阻率和相位曲線，數(shù)據(jù)的誤差由Mapros處理后給出，大部分測點(diǎn)的頻帶范圍在800Hz-10s，部分測點(diǎn)由于電磁干擾較大，有效頻帶范圍不到10s，為保證原始數(shù)據(jù)的可靠性，在進(jìn)行二維反演時(shí)，所有測點(diǎn)均取800Hz-2s范圍參與反演，在800Hz-2s之間，所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量同圖3給出的典型測點(diǎn)，滿足反演的要求。

3 電性結(jié)構(gòu)反演及討論

目前，成熟的大地電磁反演主要是一維和二維的（魏文博，2002；楊長福等，2005），早期的一維反演方法主要有Bostick反演、高斯-牛頓法、梯度法、廣義逆反演等。成熟的二維反演方法包括Occam法（deGroot-Hedlin等，1990）、快速松弛迭代法（RRI）（Smith等，1991）、非線性共軛梯度法（NLCG）（Rodi等，2001）、改進(jìn)的Occam法或者叫Rebocc方法（Siripunvaraporn等，2000），這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，很多作者對此做過研究（何俊飛，2010）。也有很多文獻(xiàn)討論三維MT正反演研究（Wannamaker, 1991；Zhdanov等，1996；魯來玉等，2003），Siripunvaraporn等（2009）發(fā)展了三維MT反演的程序，但在實(shí)際應(yīng)用中，三維反演仍不及二維反演成熟。在公開的網(wǎng)頁上（http∶//mtnet.dias.ie/main/），有很多有關(guān)MT正反演方面的資料和源代碼下載，這里不在對此做詳細(xì)的討論。

圖3 典型測點(diǎn)A2（a，b）、A6（c，d）、A9（e，f）（兩條測線的交點(diǎn)，也是D5點(diǎn)）、D1（g，h）的視電阻率和相位曲線，實(shí)線為TM模式的視電阻率yxρ，虛線為TE模式的視電阻率xyρ，帶有誤差棒的為觀測值，沒有誤差棒的為反演擬合結(jié)果。相位曲線只給出了文中采用的TM模式的結(jié)果Fig. 3 The apparent resistivity and phase curves for 4 typical measurements A2 (a, b), A6 (c, d), A9 (e, f), D1 (g,h). Solid line isyxρfor TM mode. Dash line isxyρfor TE mode. The curves with error bars are the measurements and that without error bars are the inverted results. The phase curves only show the TM mode, which is the mode used as the inverted result in this paper

本文采用二維Rebocc反演方法，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)高頻段視電阻率的大小，初始模型選擇電阻率為100Ω·m的均勻半空間模型，模型的劃分按照Rebocc反演程序的要求由淺到深，模型的剖分網(wǎng)格逐漸增大，保證在淺部具有較細(xì)的網(wǎng)格劃分。和傳統(tǒng)的MT反演類似，我們選擇橫電（電場和構(gòu)造方向垂直，TE）和橫磁（磁場和構(gòu)造方向垂直，TM）兩種模式進(jìn)行反演。

通過對兩條測線的多次反演發(fā)現(xiàn)，TM、TE模式聯(lián)合反演或者單獨(dú)的TE模式反演，都不及TM模式反演結(jié)果穩(wěn)定，這可能和構(gòu)造的二維構(gòu)造及其走向有關(guān)。圖4是兩條測線反演過程中整體擬合差值RMS隨迭代次數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)，對于TM模式經(jīng)過5次迭代之后，RMS降到10左右，并逐漸收斂到9左右。而對于TE模式反演，RMS值較大，且收斂性也不夠穩(wěn)定。圖 3中給出了4個(gè)典型測點(diǎn) A2（a，b）、A6（c，d）、A9（e，f）、D1（g，h）反演模型的電阻率和相位曲線與觀測數(shù)據(jù)的擬合情況，可以看出，對于TM模式反演模型的視電阻率和相位較好地?cái)M合了實(shí)際觀測數(shù)據(jù)。對于TE模式在高頻段反演模型和觀測數(shù)據(jù)擬合較好，在低頻段擬合較差。結(jié)合圖4中RMS隨迭代次數(shù)的變化及其收斂情況，我們選擇TM模式的反演結(jié)果。關(guān)于觀測誤差對MT反演的影響可以參閱李墩柱等（2009）的討論。二維反演極化模式的選擇，蔡軍濤等（2010）曾做過詳細(xì)討論，讀者可參考，這里僅討論TM模式的反演結(jié)果。

圖4 兩條測線反演過程RMS隨迭代次數(shù)的變化Fig. 4 Variation of RMS with iterations for the inversion of two lines

3.1 A測線電阻率剖面

圖5 是采用TM模式反演得到的沿測線A的電阻率剖面，圖中色標(biāo)為電阻率的常用對數(shù)，上圖中的三角形表示觀測點(diǎn)的位置及其高程，左端點(diǎn)的A1測點(diǎn)位于九龍池公園附近，靠近盆地的西側(cè)邊沿，A1測點(diǎn)向西為山區(qū)，高程變化比東側(cè)較陡。右側(cè)端點(diǎn)A13位于盆地的東側(cè)，各測點(diǎn)高程自西向東逐漸緩慢增加。這個(gè)變化的趨勢和玉溪盆地的沉積層厚度變化相似，即盆地東翼變化緩慢，厚度較淺，盆地西翼變化較陡，厚度較深。從圖5可以看出，沿剖面自西向東，高阻體和低阻體界面的變化趨勢和盆地沉積層界面具有相似的特征，高阻和低阻界面變換緩慢，低阻體厚度逐漸增加。在盆地西側(cè)，低阻體厚度可到1.5km左右。由于地形和觀測條件的限制，盆地最西側(cè)的觀測點(diǎn)A1以西是山地，沒有合適的位置布設(shè)MT觀測點(diǎn)，因此西側(cè)高阻和低阻較陡的變化趨勢在圖中并未明顯觀察到。

圖5 測線A的TM模式反演結(jié)果,圖中色標(biāo)為電阻率的對數(shù),上圖為測點(diǎn)沿測線的分布及測點(diǎn)所在高程Fig. 5 Apparent resistivity along profile A obtained by the inversion with TM-mode. The colour scale is logarithm of resistivity. Top panel is the altitude of observation points

另外，在盆地西側(cè)（A1—A3點(diǎn)下方）有一個(gè)明顯的低阻體，其厚度可達(dá)1—1.5km，比已有地質(zhì)資料給出的沉積層厚度（約 700m）要深，推斷這與普渡河斷裂從盆地西側(cè)穿過有關(guān)，同時(shí)根據(jù)在此開展的淺層地震勘探結(jié)果來看，普渡河斷裂從測線西側(cè)穿過，A1測點(diǎn)在位于斷裂的西側(cè)不遠(yuǎn)處，距離九龍池附近的水系比較近，對于含水豐富的斷裂帶，地層表現(xiàn)為低阻，這可能是造成西側(cè)低阻厚度比第四系沉積層厚度較深的主要原因。

沿測線向東，低阻和高阻界面的深度在1km左右，到盆地中部，在A9測點(diǎn)的下方，出現(xiàn)了另一個(gè)明顯的低阻體（電阻小于100Ω·m），其分布范圍也超過1km，比盆地第四系沉積層厚度要深，推斷這可能有兩個(gè)方面的原因：第一，在有些區(qū)域，沉積層厚度本身可能超過1km，比如在測線附近A8和A9測點(diǎn)西側(cè)的王左屯一深井資料顯示，井深超過1004m仍未達(dá)到基巖界面（廖鏡明等，2011）；第二，該區(qū)域地表為玉溪市一個(gè)蔬菜基地，根據(jù)前人的研究成果，該區(qū)域下方可能存在地?zé)豳Y源（廖鏡明等，2011），且部分巖層中富含水資源，這可能是造成整個(gè)剖面上低阻和高阻界面的深度大于第四系沉積層厚度的原因之一。

在盆地東側(cè)，低阻體的厚度較淺，約在在100—200m左右，與該處沉積層厚度大致吻合。

3.2 D測線電阻率剖面

圖6是采用TM模式反演得到的D測線電阻率剖面，其高阻和低阻分界面的變化趨勢與玉溪盆地沉積層厚度界面的變化趨勢類似，即盆地西側(cè)界面變化較陡，厚度較深，盆地東側(cè)變化緩慢，厚度較淺。在測線西側(cè)，D1、D2、D3測點(diǎn)位于大連花池，在盆地以西邊緣的山腳地帶，其下方的電阻率表現(xiàn)為高阻分布。D4、D5位于王左屯附近，下方為低阻體，厚度超過1km，這和該區(qū)沉積層的厚度吻合。盆地東側(cè)，D6—D10位于北城東部，自北城東環(huán)路到木瓜營附近的盤山公路，其下方低阻層厚度在200—300m之間變化。

為了更好地觀察兩條測線上電阻率的分布以及與實(shí)際地表位置的關(guān)系，在圖7中將兩條剖面的電阻率繪在一起，并在表面以上投影標(biāo)出了北城環(huán)城路，昆磨高速及部分村鎮(zhèn)的位置。A測線呈南西-北東向，D測線呈北西-南東向，兩條測線在北城北環(huán)的王左屯附近相交。在北城的西側(cè)，D測線位于A測線的北部，更靠近盆地的北部邊界，（D1—D3點(diǎn)下方）其電阻率相對A較高，沉積層厚度相對于A測線的相應(yīng)部分明顯減小，在測點(diǎn)D3和D4之間，靠近昆磨高速下方，可以看到變化較陡的高阻和低阻分界面，和第四系沉積層厚度的變化相似，推斷電阻率的變化在一定程度上反應(yīng)了沉積層厚度的變化。

在北城兩條測線相交的區(qū)域，兩個(gè)電阻率剖面的大小吻合較好，其低阻層厚度都在1km左右，這也表明了兩個(gè)剖面反演結(jié)果的可靠性。在北城的東部，D測線位于A測線之南，高阻和低阻的分界面比北城西側(cè)變化更為緩慢，與A測線具有相同的變化趨勢，且低阻層較A測線深，這于盆地基巖界面的變化具有相同的趨勢。

4 結(jié)論

圖6 測線D的TM模式反演結(jié)果，其余說明同圖5Fig. 6 Apparent resistivity along profile D obtained from same method as in Fig. 5

圖7 測線A和測線D的視電阻率剖面，及其在盆地內(nèi)的位置Fig. 7 Apparent resistivity profiles A, D and their locations in the basin

本文采用GMS-07電磁觀測系統(tǒng)，對玉溪盆地進(jìn)行了MT測深研究，兩條測線的反演結(jié)果表明，低阻和高阻分界面的變化趨勢和盆地第四系沉積層厚度界面的變化趨勢相近，在盆地西翼，變化較陡，深度較深，在盆地東翼，變化較緩，深度較淺。低阻層（小于100Ω·m）厚度比已有資料給出的第四系沉積層平均厚度更深，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因一方面可能是由于積層厚度在個(gè)別區(qū)域變化較大引起，另一方面也可能和北城周圍存在含水豐富的巖層有關(guān)。本文的結(jié)果為玉溪盆地“標(biāo)準(zhǔn)模型”的建立提供了電性結(jié)構(gòu)的約束。致謝：感謝匿名審稿人提出的寶貴意見和建議。

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