二、三維高密度電法在臨汾龍祠地震臺水準測量巨幅形變異常判別中的研究與應(yīng)用

薛曉東，趙晉泉，曾金艷

（山西省地震局，太原 030002）

0 龍祠臺地貌及地層

龍祠臺及水準觀測線處于臨汾盆地西部席坊溝洪積扇上［1］（圖1），海拔高程為502～515m，北部、西部較高，東南部較低，相對高差13 m。臺站西部為侵蝕、溶蝕基巖山區(qū)，屬羅云山中等隆起區(qū)，羅云山隆起區(qū)屬區(qū)域鄂爾多斯斷塊隆起區(qū)的一部分，為中等強度隆起區(qū)，平均海拔1 200m 左右，山峰多在1 700m 以上，最高峰海拔達1 946m，形成侵蝕中山地貌。自新生代以來，該隆起區(qū)一直處于整體均勻、緩慢抬升狀態(tài)，基巖裸露，由奧陶系、石炭系、二迭系地層組成，與東側(cè)臨汾斷陷盆地的相對高差大于500m。隆起區(qū)內(nèi)新構(gòu)造差異運動較弱，分布在離石斷裂的南段。離石斷裂形成于中生代燕山運動，新生代以來尤其第四紀晚更新世以來活動趨于穩(wěn)定。隆起區(qū)內(nèi)無級以上地震發(fā)生。因此，羅云山隆起區(qū)是一相對穩(wěn)定的新構(gòu)造單元，不具備發(fā)生M≥6級地震的構(gòu)造條件。臺站附近該隆起內(nèi)主要出露地層為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（02s）石灰?guī)r，次為石炭系本溪組（C2b）“山西式鐵礦”、鋁質(zhì)頁巖等，石炭系太原組（C3t）黑色頁巖、煤層等，均分布于羅云山斷裂帶中，巖層破碎。

基巖山以東為臨汾盆地，兩者以羅云山斷裂為界。席坊溝洪積扇的中心位于席坊溝，扇頂海拔高530m，堆積物質(zhì)主要為砂礫石，由扇頂向南北兩側(cè)海拔高程逐漸降低，臺站位于扇南1km 處，堆積物主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）褐黃色粉土，厚3～5m，水平層理明顯，下部為第四系上更新統(tǒng)（Q3）褐黃土粉土、粉質(zhì)粘土、砂礫石。在Bm3號水準觀測點西部3m 處有一明顯的黃土陡坎，走向NE40°左右，線性較強，高1～3m。龍祠臺Bm1、Bm2號水準點位于基巖山區(qū)，Bm3、Bm4號點位于臨汾盆地。

在龍祠臺站附近分布有2條地裂縫［2］，一條分布于距邊山30 m 處，走向40°左右，與羅云山斷裂平行，長約1km。另一條地裂縫位于Bm3 號水準點東側(cè)7m 處，斷續(xù)延伸長約90m，是2009年Bm3點持續(xù)沉降以來形成的地裂縫，與Bm3點西部的隱伏斷裂平行，該地裂縫開裂寬度為3～8 mm，地裂縫的開裂面向西傾斜，傾角70°～80°，與西部斷裂在剖面上形成“Y”字型組合。

勘察區(qū)屬龍祠泉域，龍祠泉為羅云山斷裂帶中的巖溶斷層泉，受到距邊山120 m 左右的斷層控制，該斷層與龍祠臺站東部新發(fā)現(xiàn)的斷層為同一條斷層，泉水水位海拔高程為774m，龍祠臺站地下水位海拔高程為775 m，高于龍祠泉1 m。位于Bm3點附近斷層為地下水的主要疏水通道。

2 龍祠臺附近斷層

根據(jù)地貌及地層調(diào)查，龍祠臺及水準觀測線均位于羅云山斷裂帶上。

（1）羅云山斷裂概況

圖1 龍祠地震臺水準點附近地質(zhì)勘察工程布置及地形地質(zhì)圖

羅云山斷裂沿臨汾盆地西緣發(fā)育，北起萬圣寺一帶，經(jīng)土門、峪里、尉村、范家莊至西硙口，總體走向NNE，在范家莊弧形轉(zhuǎn)為NWW 向，全長120 km。該斷裂是由一系列斷層組成的復雜斷裂帶，它被3條NW 向斷層分割成5 段，即土門以北段、土門－峪里段、峪里－尉村段、尉村－范家莊段和范家莊－西碨口段。

（2）龍祠臺附近地表出露的斷裂

圖2 龍祠臺Bm2號水準點山洞中的斷裂錯斷第四紀中更新世地層（下部為由石灰?guī)r組成的斷層角礫）

龍祠臺站位于羅云山斷裂帶土門－峪里段，由多條斷層平行展布。臺站邊山出露的斷裂為羅云山斷裂帶中的西部斷裂，在龍祠臺Bm2號山洞錯斷的最新地層為第四紀中更新世地層（圖2），該斷層沿邊山展布，破碎帶寬5～15m ，破碎帶西側(cè)均為石灰?guī)r和角礫巖，角礫巖中仍有斷層面展布，東側(cè)的上部為第四紀中更新世的洪坡積物，為淺紅色粉質(zhì)粘土及礫石層，下部為石灰?guī)r角礫組成的破碎帶。

3 二、三維高密度電法對龍祠臺附近隱伏斷裂勘察

為了查明臺站附近羅云山斷裂的分布狀況，本次勘察共布設(shè)二維高密度電阻率勘探測線4條，即D1、D2、D3和D4，共1 210m，根據(jù)二維高密度電阻率勘探測線的反演結(jié)果又布置了三維高密度電阻率勘探測線1條［3－4］，即D5。高密度電法勘探采用中裝集團重慶奔騰地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的WDA－1超級數(shù)字直流激電儀，電極距為5.5m。測線位置見圖1。

3.1 二維高密度電阻率勘探

（1）測線D1長330m，方向140°，從2號水準點洞口開始，電極距5.5m。在3號水準點西3m 處出現(xiàn)一個明顯的低阻異常（20～40Ω·m），傾向東，傾角約60°，低阻層西側(cè)的下部高阻為奧陶系（02）石灰?guī)r層，出現(xiàn)了一個明顯的由高阻層組成的三角面，其東部均為低阻，從反演圖的形態(tài)分析剖面中的低阻層為斷裂（圖3）。

圖3 測線D1高密度電法反演剖面圖

（2）測線D2長330m，方向110°，從龍祠臺北圍墻開始，電極距5.5m。在125m 水渠邊處出現(xiàn)一個明顯的低阻異常（20～40Ω·m），傾向東，傾角約60°，與1測線形態(tài)一致，從反演圖的形態(tài)分析剖面中的低阻層為斷裂（圖4）。

圖4 測線D2高密度電法反演剖面圖

（3）測線D3長330m，方向140°，從龍祠臺南圍墻開始，電極距5.5m。在115m 處出現(xiàn)一個明顯的低阻異常，與1測線形態(tài)一致，從反演圖的形態(tài)分析剖面中的低阻層為斷裂（圖5）。

（4）測線D4長220m，方向140°，從工作區(qū)北部邊山起，電極距5.5m，從反演圖的形態(tài)分析電阻值近水平，未發(fā)現(xiàn)斷裂（圖6）。

圖5 測線D3高密度電法反演剖面圖

圖6 測線D4高密度電法反演剖面圖

3.2 三維高密度電阻率勘探

測線D5以3號水準點為中心，電極距5.5m，X 軸長約為55m，Y 軸長約為66m，測深19.1m。布線方式見圖7，反演圖見圖8～圖10。

圖7 三維高密度電法勘探電纜及電極排列示意圖

圖8、圖9為X－Z切面圖，由各方向切面圖可看出，揭露的電性特征比較明顯，在6號斷面（即Y距離27.5～33.0m）范圍內(nèi)出現(xiàn)桔黃色高阻點，可清楚地判斷出是由于Bm3號水準點形成的高阻點。圖10為水平切面圖，從圖上可以看出，在測試深度范圍內(nèi)斷層沿Y 軸貫穿測網(wǎng)，斷層沿走向、傾向形成的低阻異常也非常明顯，并反映了斷層在不同高度的位置及形態(tài)?？梢悦黠@看出斷層的上斷點已接近地表。

3.3 二、三維高密度電阻率勘探反演小結(jié)

二維高密度電阻率勘探測線D1～D3所確定的斷層位置距邊山125 m 左右，三點位于一條直線上，走向40°，斷層傾向130°，傾角60°～70°。從三維高密度電阻率勘探測線D5反演圖中可清楚地看到Bm3號水準點形成的高阻點及斷層沿走向、傾向形成的低阻異常，并反映了斷層在不同高度的位置及形態(tài)，表明斷層的上斷點已接近地表。

綜合二、三維高密度電阻率勘探反演結(jié)果，可以得出斷層下盤基巖埋深為46～55m，基巖之上為上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)松散堆積物。上盤測試深度內(nèi)（55.6m）未見基巖，均為上更新統(tǒng)－全新統(tǒng)松散堆積物。斷層上斷點已近地表，埋深約2～3m。斷層帶的上部為含水的土體，下部為富含飽和水的松散層，地下水位埋深約35～40m。

圖8 三維高密度電法勘探沿Y 軸切片反演圖

圖9 三維高密度電法勘探沿Y 軸切片反演圖

圖10 三維高密度電法勘探水平切片反演圖

4 Bm3號水準點巨幅沉降的原因分析

（1）根據(jù)三維電法勘探結(jié)果，初步認為，Bm3號水準點位于山前洪積扇中緣，地層巖性主要為全新世黃褐色亞砂土，該土層具有濕陷性，下部存在砂卵石。

（2）在Bm3點的下方11～19.1m（測試深度）處發(fā)現(xiàn)一明顯低阻體，據(jù)分析，該低阻體電阻值約為20Ω，比周圍的電阻值低20Ω。經(jīng)分析認為，該低阻體比周邊土層的含水量高。

（3）根據(jù)二維電法勘探結(jié)果，認為在Bm3點下方有一正斷層，該斷層為羅云山斷裂帶的東部斷裂，上斷點接近地表，為全新世活動斷裂，下部有一低阻體，35m 以下為一個地下水的疏水通道，為斷層巖溶水，斷層的活動改變了原來穩(wěn)定的儲水構(gòu)造，并導致了土體疏松，使上部土層結(jié)構(gòu)遭到破壞，地下水的潛蝕作用增強帶走了部分土體，而引起地面沉降。

5 結(jié)論

（1）高密度電法對地下電結(jié)構(gòu)具有高分辨率，是研究淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)行之有效的方法，三維高密度電法具有比二維高密度電法更高的勘探精度，但由于三維高密度電法測量時間和反演運算時間長等原因，其應(yīng)用受到影響。將二維高密度電法與三維高密度電法結(jié)合使用，才能取得更好的勘探效果。同時，由于某些勘查工程受地質(zhì)地形影響較大，在一定程度上影響勘探測量的精度，所以，結(jié)合勘察區(qū)域的地質(zhì)及其它資料，勘探的準確度會更高。

（2）Bm3 號水準點位于羅云山斷裂帶上，該點及其附近產(chǎn)生的巨幅形變是活動斷裂活動與地下水共同作用的結(jié)果。斷層的活動改變了原來穩(wěn)定的儲水構(gòu)造，并導致了土體疏松，使上部土層結(jié)構(gòu)遭到破壞，地個水的潛蝕作用增強帶走了部分土體，而引起地面沉降。

［1］ 趙晉泉.龍祠臺地形變地震地質(zhì)勘探［R］.山西：山西臨汾形變異常調(diào)查工作暨震情研討會，2010.

［2］ 董東林，姜振泉.析臨汾地裂縫之地質(zhì)成因［J］.中國礦業(yè)大學學報，2002，（1）：34－38.

［3］ 黃杰.高密度電法在覆蓋層厚度探測中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2009（4）：19－20.

［4］ 孟凡月，曹均鋒，李光.電阻率層析成像技術(shù)在地震安全性評價中的應(yīng)用［J］.華北地震科學，2012，30（2）：52－55.