可控音頻大地電磁測深在城市隱伏斷層探測中的應用

關藝曉，盧進添，何泰健，梅 榮，劉曉瑜，宗開紅（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210046；2.江蘇省地質調(diào)查研究院，江蘇·南京 210046）

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可控音頻大地電磁測深在城市隱伏斷層探測中的應用

關藝曉1,2，盧進添1,2，何泰健1,2，梅 榮1,2，劉曉瑜1,2，宗開紅1,2
（1.國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室，江蘇·南京 210046；2.江蘇省地質調(diào)查研究院，江蘇·南京 210046）

摘 要：為了給城市工程建設規(guī)劃提供基礎地質資料，需查明區(qū)內(nèi)斷裂的準確位置、產(chǎn)狀、覆蓋層厚度及空間展布以及深部斷面。利用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）進行勘察工作，結合已知地質資料與地球物理資料，在測區(qū)內(nèi)布設四條剖面，完成了剖面反演及綜合解釋，給出了區(qū)內(nèi)斷裂的準確位置、傾向及發(fā)育規(guī)模。結果表明：CSAMT法在隱伏活動斷裂探測中應用是有效的，地質分析工作提供可靠的基礎資料，可在城市隱伏斷層探測中發(fā)揮重要作用。

關鍵詞：城市地質；隱伏斷層；地球物理探測；可控源音頻大地電磁法；二維反演

斷裂與地震和地質災害緊密相關，對城市和工程安全直接造成危害和威脅[1,2]，現(xiàn)代城市地質工作中對隱伏斷裂調(diào)查尤為重要。隱伏斷裂是指地面無顯示或出露不明顯，且潛伏在地表以下的斷層。這種斷層可以是在其形成以后為新沉積物所覆蓋，或者是斷層被后來的侵位巖體占據(jù)，也可以是形成于地下深處沒有切穿地表的斷層。開展隱伏活動斷裂的探測和評價，對減輕城市地震災害具有重要意義。

由于斷裂破壞了地層的連續(xù)性，造成地下巖石的物理性質發(fā)生變化，因此，在隱伏活動斷裂探測中可以采用相應的地球物理方法進行探測[3～15]，如二、三維地震，微重力，直流電法，電磁法等。可控源音頻大地電磁法（CSAMT）由于工作效率高、抗干擾能力強、探測深度大、分辨力高等優(yōu)點，已廣泛應用在城市隱伏活動斷裂探測中[16～18]，并取得了較好的效果。

1　區(qū)域地質構造背景

此次工作位于鎮(zhèn)江市大路鎮(zhèn)附近，該區(qū)處于揚子陸塊下?lián)P子地塊的東北部，并處于兩個不同構造單元的交接部位，即北側為蘇北斷坳盆地，南側為寧鎮(zhèn)隆起區(qū)。本區(qū)又位于寧鎮(zhèn)隆起區(qū)東端埤城凸起，該凸起是由晚元古代至寒武紀地層組成的推覆構造體。

調(diào)查區(qū)區(qū)域地層屬揚子地層區(qū)，下?lián)P子地層分區(qū)鎮(zhèn)江地層小區(qū)，發(fā)育從前震旦系到第四系地層。地表所見地層主要為：在平原區(qū)及山裙部分分布有大面積的第四系，第四系之下為晚白堊世浦口組。

區(qū)內(nèi)火山巖活動強烈，主要表現(xiàn)為燕山晚期中酸性巖漿巖侵位，包括上黨組酸性—堿性火山巖、圌山流紋質火山巖、潘家灣石英閃長斑巖。據(jù)航磁等值線平面圖（圖1(a)），區(qū)內(nèi)磁異常變化范圍在25～100nT，東北部為寬緩高磁異常區(qū)。研究區(qū)局部見點狀高磁異常，主要分布在埤城—大港以東、姚橋大路西側，走向為北北西，呈串珠狀排列。點狀異常在大路鎮(zhèn)以西有最高值，達350nT；在埤城以東有較小的異常，其值為175nT。在航磁化極圖中，串珠狀異常中心點向北移，但異常走向走勢不變（圖1(b)）。依據(jù)該區(qū)在航磁圖上的表現(xiàn)，推測該地存在一隱伏斷裂。

圖1　研究區(qū)航磁(a)與航磁化極(b)等值線平面圖Fig.1 Contour maps of aero magnetic anomaly (a) and the reduction to the pole aero magnetic anomaly (b) in the study area

為查清區(qū)內(nèi)大路—姚橋斷裂空間位置及斷裂延展性，從而為鎮(zhèn)江市城市規(guī)劃新城前期的區(qū)域地質調(diào)查提供可靠的基礎資料，結合施工條件及勘探深度，采用CSAMT方法進行探測。

區(qū)內(nèi)第四系、浦口組電阻率最低1～20Ωm；圌山組及上黨組電阻率次之，約幾十Ωm；震旦紀地層電阻率相對較高，其中陡山沱組上段電阻率最高；斷裂構造電阻率總體較低。不同地層、斷裂構造之間的電阻率差異是本區(qū)地球物理勘查的物理前提。

2　隱伏斷層的地球物理探測

2.1 CSAMT方法和原理

可控源音頻大地電磁法基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，由此導出電場（Ex）、磁場（Hy）與視電阻率（ρs）的關系式[19～21]：

其中f代表頻率。由（1）式可見，只要在地面上觀測到兩個正交的水平電磁場，就可獲得地下的視電阻率，也稱卡尼亞電阻率。

又根據(jù)電磁波的趨膚效應理論，導出趨膚深度公式：

其中H代表探測深度、ρ代表地表電阻率、f代表頻率。

從（2）式可見，當電阻率固定時，電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率成反比。高頻時，探測深度淺；低頻時，探測深度深。據(jù)此可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達到變頻測深的目的。

CSAMT法使用可控制的人工場源，信號強度比天然場要大得多，因此可在干擾較強的城市、城郊等地區(qū)開展工作；由于是比值測量，因此可減少外來的隨機干擾，并減少地形的影響；基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率進行不同深度的電測深，大大提高了工作效率；橫向分辨率高，可較敏感地“捕捉”到斷裂構造，并能較準確地控制斷裂的位置。

2.2 測線布設及參數(shù)選擇

測量使用儀器設備為美國Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站，TM測量模式，赤道裝置，每7個電場共用1個磁場。結合本區(qū)地質、施工條件，沿北東向平行布設四條剖面，方位61?，自南向北測線編號為20、40、60、80（圖2），點號自西向東增大并按實際距離編排，每條剖面長度在2.8km左右，共涉及204個物理點。

兼顧足夠的勘探深度和觀測信號的強度，全區(qū)CSAMT法采用1.2km的發(fā)射偶極距，收發(fā)距7～8km，測量偶極距50m，發(fā)射偶極布置在測區(qū)東南新橋鎮(zhèn)附近。在本區(qū)考慮到探測目標較深，盡量利用中低頻段，頻率選擇為1～8192Hz。

2.3 提高觀測數(shù)據(jù)質量的方法

為了確保發(fā)射的信號強度，有效壓制干擾信號，提高觀測數(shù)據(jù)的質量，盡可能地提高供電電流強度，低頻段最大供電電流達25A。電場測量采用不極化電極，保證接地電阻小于2kΩ，電極極差小于2mV。磁棒埋設時與發(fā)射電極垂直，保證水平放置。工作區(qū)內(nèi)有較多高壓線、民用電線、通訊電纜和公路，具有較強的電磁干擾，這些電磁干擾源的頻率范圍較寬，根據(jù)電磁干擾信號的影響與距離平方成反比，在數(shù)據(jù)采集時遇到高壓線、民用電線、通訊電線和公路時，采用了偏離30～50m距離的方法，明顯減小了電磁干擾的影響。

圖2　CSAMT隱伏斷層探測實際測線布置圖Fig.2 Location of the survey lines for CSAMT exploration

3　數(shù)據(jù)處理與資料解釋

野外資料采集完成后，數(shù)據(jù)處理使用Zonge公司的配套軟件，二維反演是在定性分析和地質資料分析的基礎上進行的[22]，圖3為大路～姚橋斷裂在80線、60線、40線、20線二維反演解譯斷面圖。

80號測線CSAMT綜合剖面圖中，淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映；1450點附近以西，中深部電阻率較高，等值線密集，以東則電阻率較低，兩者之間存在明顯的電阻率分界線；斷盤西側400m以深，結合地質物性，高阻區(qū)域為老地層，依次為燈影組、陡山沱組上段、陡山沱組下段的反映，傾向北東，端盤東側100m以淺低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，深部為侏羅系地層的綜合反映。

60號測線淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1400點附近以西中深部電阻率較高，等值線密集，以東電阻率較低，存在明顯的電阻率分界線，在1700點附近中深部為漏斗狀低阻異常帶。斷盤西側下盤500m以深為震旦系地層。斷盤東側淺部的大片低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，以下為圌山組和上黨組與深部侏羅系地層的綜合反映。

40號測線淺部0～200m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1350點附近以西中深部電阻率較高，等值線密集，以東電阻率較低，存在明顯的電阻率分界線，并略微向北東方向傾，斷裂下盤400m以深為震旦系地層，淺部的大片低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，以下為圌山組和上黨組，深部為侏羅系地層反映。

20號測線淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1300點附近存在明顯的電阻率分界線，測點西中深部電阻率較高，等值線密集，測點東電阻率較低，并略微向北東方向傾，1450點附近中深部為漏斗狀低阻異常帶，傾向北東。對比80線、60線、40線測線，20線西側的高阻異常未完整反映。斷裂下盤300m以深為震旦系地層，依據(jù)電阻率分布特征和地層電阻率差異推測，300m以深為老地層，傾向北東，傾角較大。

總體而言4條剖面線電阻率分布特點類似，推測斷裂頂部在地面投影位置均在1400點附近，20線到80線西側異常整體有向深部延伸的趨勢，推測斷裂下盤的震旦系地層傾向角度小于測線方向（N60E），地層自南向北向深部延伸。

4　結語

此次工作說明CSAMT 法在隱伏斷層探測中的應用是有效的。但在城市及周邊地區(qū)施工，電磁干擾較大，野外施工時要采取合理的技術措施，對高壓電線、通訊電纜等干擾應盡量遠離，以保證采集數(shù)據(jù)的質量。本次工作較準確地確定了斷裂的位置、產(chǎn)狀和基巖的埋深，為規(guī)劃新城前期區(qū)域地質調(diào)查提供了可靠的基礎資料。但CSAMT 工作還無法對斷裂的活動性進行評價，應進一步開展地震和鉆探工程，進行更深入的研究。

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The application of CSAMT exploration to detecting buried faults in city

GUAN Yi-Xiao1,2,LU Jin-Tian1,2,HE Tai-Jian1,2,MEI Rong1,2,LIU Xiao-Yu1,2,ZONG Kai-Hong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210046,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210046,China)

Abstract:In order to provide basic geological information and geophysical studies for urban construction plans,it is necessary to identify the precise location of faults as well as their occurrence,thickness and the extension each fault.In this work,we used controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT) method for the exploration of buried active faults.The authors arranged four CSAMT profiles in the study area and obtained inversion results and a comprehensive explanation of four profiles.This method can reveal the location,dip,and size of faults in the survey area.The results show that the CSAMT is effective in buried faults detection.This method has become an important geophysical tool in buried fault detection and plays an increasingly important role in the exploration of active faults in urban areas.

Key words:city geology;buried fault;geophysical exploration;controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT);2D inversion

基金項目:中國地質調(diào)查局地質調(diào)查項目“長江三角洲重點地區(qū)三維地質調(diào)查”(1212011220252)

作者簡介:關藝曉(1983-),女,碩士,工程師,主要從事地球物理探測分析研究.

修訂日期:2015-12-28

收稿日期:2015-11-23

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.021

中圖分類號：P631.3+25

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0090-04

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