重力剖面和激電測深聯(lián)合勘測在渦河斷裂研究中的應(yīng)用①

王立會， 童遠林， 黎哲君， 何永波， 林承灝， 袁 泉

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031； 2.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

應(yīng)用實踐

重力剖面和激電測深聯(lián)合勘測在渦河斷裂研究中的應(yīng)用①

王立會1， 童遠林1， 黎哲君1， 何永波2， 林承灝1， 袁 泉1

(1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031； 2.中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

為查明渦河斷裂的位置、性質(zhì)等參數(shù)，選擇重力剖面和激電測深聯(lián)合勘測方法，對指定區(qū)域進行物探勘測工作。結(jié)果表明：由密度差異引起的重力異常位置和巖石電阻率、極化率異常位置基本吻合，說明以重力剖面和激電測深為手段的聯(lián)合勘測是查找斷裂的有效方法。

重力異常； 激電測深； 電阻率； 極化率； 渦河斷裂

0 引言

渦河斷裂北西起自安徽亳州，經(jīng)渦陽至蒙城并可能繼續(xù)向懷遠方向延伸，總體走向330°，向南西陡傾，順NW向渦河呈直線狀延伸。斷裂在衛(wèi)星遙感影像圖上表現(xiàn)為延伸極好的線性色帶，在重、磁異常圖上均有明顯顯示，航磁向上延拓10 km仍然清晰，表明斷裂切割深度較大。該斷裂形成于中生代末，第四紀早期曾有強烈活動，對第四系沉積有一定的控制。由于該斷裂為隱伏斷裂，其上覆蓋層較厚，前人對該斷裂進行研究時多從區(qū)域重磁、遙感及歷史文獻資料入手，因此研究不夠深入，斷裂地表投影的具體位置不甚清楚。

本文聯(lián)合重力剖面和激電測深法對研究區(qū)域進行勘探，分析重力場異常、電阻率和激化率分布情況，綜合查明渦河斷裂的位置、性質(zhì)等參數(shù)，為研究渦河斷裂活動性提供物探方面資料，也為下一步開展淺層地震勘探、鉆探等研究斷裂活動時代提供參考依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

測區(qū)位于蒙城縣城西北約13 km處，岳坊鎮(zhèn)東側(cè)胡寨附近。測區(qū)處于淮北平原，地表為第四紀沖積層所覆蓋，以棕紅色黏土、亞黏土、黃色粉土為主。由于地質(zhì)構(gòu)造運動的差異，地殼沉降幅度不同，形成第四系堆積地層厚度不均，渦河以南平均約600 m，沿渦河約200 m，渦河以北小于200 m。東側(cè)小澗鎮(zhèn)附近零星分布有低山丘陵?；鶐r為古近紀砂巖、礫巖等。

2 重力剖面測量

地表的重力場隨著地點和時間不同而變化，影響重力場變化的因素主要有測點的緯度、高度、地形、地球潮汐和地球內(nèi)各種巖石密度差異等。由地下巖石密度變化造成的重力場異常是重力勘探的目的。這些異常通常和地質(zhì)構(gòu)造或礦產(chǎn)分布有關(guān)，所以地下巖石密度不均勻引起的重力加速度的變化，可以作為研究地下地質(zhì)構(gòu)造的重要地球物理信息。這也是本文將重力剖面作為查找渦河斷裂手段的物理依據(jù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

重力剖面位于蒙城縣岳坊鎮(zhèn)東側(cè)，沿072鄉(xiāng)道呈NE向展布，向北跨越渦河。剖面總長約4 500 m，有流動重力測點57個。將測點按經(jīng)緯度自西南向東北順序編號，測點詳細分布見圖1。按測點間距可將剖面分為3段：(1)Z01～Z46，測點數(shù)46個，測點間距為40 m；(2)Z47～Z54，測點數(shù)8個，測點間距為80 m；(3)Z55～Z57，測點數(shù)3個，測點間距約為600 m。

野外數(shù)據(jù)觀測采用兩臺LCR-G型相對重力儀同步進行，該型號儀器讀數(shù)分辨率為5×10-8m·s-2，測量精度為10×10-8m·s-2。為保證觀測數(shù)據(jù)的精度，在剖面中挑選Z01、Z17、Z34和Z54四個測點進行返程觀測，形成剖面往返閉合觀測。

2.2 重力剖面測量成果

2.2.1 數(shù)據(jù)處理步驟

(1) 觀測數(shù)據(jù)錄入：將野外觀測數(shù)據(jù)按一定格式進行整理匯總，包括測點編號、測點經(jīng)緯度、重力觀測值、氣溫和氣壓等信息；

(2) 觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理：對觀測數(shù)據(jù)進行各項改正，包括潮汐改正、儀器高度改正、儀器零漂改正和氣壓改正，得到觀測數(shù)據(jù)改正后值；

(3) 數(shù)據(jù)平差計算：設(shè)定第1個測點(測點Z01)的重力值為0×10-5m·s-2，以該點為平差控制點，對兩臺儀器的改正后觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合經(jīng)典平差計算，得到各測點的相對重力平差值。平差結(jié)果表明，重力點值平均平差精度為13.5×10-8m·s-2，最大點值誤差為17.1×10-8m·s-2；

(4) 重力值緯度校正：受地球自轉(zhuǎn)的影響，地面重力值自低緯度向高緯度地區(qū)逐漸增加，根據(jù)測點緯度坐標可計算出不同緯度地區(qū)地球重力場的理論值，通過對該項進行改正，得到緯度校正后的重力異常結(jié)果。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

測區(qū)地勢平坦，前54個測點位于平整的水泥路面，幾乎沒有高程差異，最后3個測點相距稍遠，有微小高程差，通過現(xiàn)場勘察認為測點高程變化不超過3 m。通常情況下，1 m高程差大約能造成重力值0.3×10-5m·s-2的差異。由于手持GPS的測量精度不足以分辨10 m以內(nèi)微小的地形高程變化，因而將所有測點看作在同一個平面上，未對重力值進行高程校正。另外，因測區(qū)附近沒有絕對重力點可供聯(lián)測，因而所給出的重力值和重力異常值均為相對值。

圖1 重力測量和激電測深測點位置示意圖Fig.1 Observation points for gravity measurement and IP sounding

以各測點沿剖面方向至第1個測點(測點Z01)的距離為橫坐標軸，測點平差重力值和重力異常值為縱坐標軸，繪制剖面重力值和重力異常值變化曲線圖(圖2)。

圖2 剖面重力值和重力異常值(相對值)變化曲線圖Fig.2 Changing curves of profile gravity value and gravity anomaly value (relative value)

剖面相對重力值總體變化趨勢為自西南向東北逐漸增大，總變化量接近4.8×10-5m·s-2。具體特征為：從第1個測點(點號Z01)至第54個測點(點號Z54)重力值以穩(wěn)定的速率(1.2×10-5m·s-2/km)均勻增加，其中第50個測點(點號Z50)的重力值輕微下降；第54個測點(點號Z54)至第55個測點(點號Z55)重力增加速率緩慢(0.17×10-5m·s-2/km)，隨后又恢復(fù)較快的增長速率(1.8×10-5m·s-2/km)。

剖面重力異常(相對值)變化特征和重力值變化特征基本相同，經(jīng)過緯度校正后，重力異?？傋兓繛?.8×10-5m·s-2。除測點Z50和Z55重力異常輕微下降外，重力異常值隨距離緩慢增大(約0.84×10-5m·s-2/km)。重力異常值是剖面重力測量所要利用的主要成果數(shù)據(jù)，在假設(shè)測點都位于同一水平面的前提下，可以認為重力異常的變化是由地下物質(zhì)密度差異所引起。從重力異常變化特征來看，剖面自西南向東北存在背景性的重力異常增加，推測是由于較深部(數(shù)公里以下)物質(zhì)密度增加所引起，對該背景性重力異常變化進行扣除后得到的重力異常變化(圖2)可以認為是淺表物質(zhì)密度變化所致。從圖2可以看出，在距離大約2 500～3 500 m之間(即測點Z54至Z55之間)存在一個較明顯的臺階重力異常變化，幅度達到1.0×10-5m·s-2，但該段測點可能存在3 m以內(nèi)的高程差異，不能斷定該處異常是否由地表高程差異引起。除此之外，在距離約2 100～2 400 m(即測點Z49至Z53之間)附近有一個局部重力異常輕微下降區(qū)域，幅度約為0.2×10-5m·s-2，考慮到附近測點所在位置為平整的水泥路面，幾乎沒有高程差異，再結(jié)合重力異常變化的波長，推測該局部重力異常變化可能是地下500 m深度范圍之內(nèi)密度異常的反映。

3 激電測深法

在進行電阻率法測量時常發(fā)現(xiàn)：在向地下輸入穩(wěn)定電流情況下，仍可觀測到測量電極間的電位差隨時間而變化(一般是變大)，并經(jīng)相當長時間(一般約幾分鐘)后趨于某一穩(wěn)定的飽和值；在斷開供電電流后，測量電極間的電位差在最初一瞬間很快下降，而后隨時間相對緩慢地下降，并在相當長時間后(通常約幾分鐘)衰減接近于零。這種在充電和放電過程中隨時間緩慢變化的附加電場現(xiàn)象稱為激發(fā)極化效應(yīng)(簡稱激電效應(yīng))，是巖、礦石及其所含水溶液在電流作用下所發(fā)生的復(fù)雜電化學過程的結(jié)果。激發(fā)極化法(簡稱激電法)是以不同巖、礦石激電效應(yīng)之差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測和研究大地激電效應(yīng)探查地下地質(zhì)情況的一種分支電法。該方法同常規(guī)電法較為相似，不同之處在于可以取得極化率等參數(shù)，已廣泛應(yīng)用于找礦、找水、斷層勘探等地球物理勘探領(lǐng)域。

3.1 數(shù)據(jù)采集

結(jié)合前期重力剖面測量情況，依據(jù)重合重力剖面的原則，激電測深測線在重力異常范圍內(nèi)布置，起點大致位于重力測量第42個測點處，測線總長1 600 m(圖1)，基本沿現(xiàn)場公路兩側(cè)布置測線。共測量14個激電測深點，前11個測點間距為100 m，后3個測點間距為200 m。

激電測深采用對稱四極垂向測深法，測量裝置形式為AB∶MN=3∶1，具體極距分布情況見表1。野外測量儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B型多功能數(shù)字直流激電儀。供電電極A、B使用多根銅電極并聯(lián)，測量電極M、N使用不極化罐?，F(xiàn)場采用電池箱串聯(lián)供電，最大直流供電電壓為460 V。

表1 激電測深極距表

3.2 激電測深測量

采用WinSurfer軟件對視電阻率、視極化率進行處理、制圖，得出激電測深剖面視電阻率和視極化率成果圖(圖3)。圖中，橫坐標為剖面的X方向里程，單位：m；縱坐標為剖面的Y方向深度(AB/2)，單位：m。兩張圖中的數(shù)據(jù)分別表示：視電阻率R0，單位：Ω·m；視極化率M1，單位：%。

(1) 激電測深剖面視電阻率

從圖3(a)看，整體電性剖面地層連續(xù)性較好，第四系覆蓋土層電阻率值范圍大約在10～35 Ω·m，古近系地層完整電性界面在60～100 Ω·m，該界面埋深沿測量方向呈逐漸變淺的趨勢。在里程樁號600 m(位于重力測量測點Z52、重力測量里程樁號2 300 m附近)左右，剖面下部視電阻率等值線有明顯扭曲，呈劇烈抬升狀。推測渦河斷裂分布在里程樁號600 m左右，正斷層性質(zhì)。

圖3 激電測深剖面視電阻率和視極化率成果圖Fig.3 Apparent resistivity and apparent polarizability of IP sounding profile

(2) 激電測深剖面視極化率成果

從圖3(b)看，整體極化率剖面分布均勻，區(qū)內(nèi)視極化率正常背景值在1.5%以內(nèi)，大于1.5%判定為斷裂帶、破碎帶含水較高所致。局部過大過小數(shù)值均為外界環(huán)境等干擾引起，作為假異常給予排除。在里程樁號500～700 m左右，深度約150 m以下存在一處高激化率區(qū)域。推測渦河斷裂分布在里程樁號500～700 m(約位于重力測量測點Z51～Z53、重力測量里程樁號2 200～2 400 m)左右，斷層的傾角較陡，近直立。該位置與視電阻率成果推測的位置較為吻合，同時也與重力測量的異常位置(位于重力測量里程樁號2 100～2 400 m)大致吻合。

4 結(jié)論

渦河斷裂是一條沿渦河呈直線狀延伸的隱伏斷裂，其在地表投影的具體位置不甚清楚。因此，本次中利用重力測量操作簡便、高效、成本較低等優(yōu)點，首先在較大范圍內(nèi)探測重力異常，為開展激電測深勘探工作縮小探測范圍；然后重合重力異常范圍布設(shè)激電測深測點，獲取視電阻率剖面和視極化率剖面；最后綜合分析兩種物探方法的探測成果，從而查明渦河斷裂的位置、性質(zhì)等參數(shù)，得出以下結(jié)論：

(1) 渦河斷裂引起的密度異常、電阻率異常、極化異常均有明顯反映，且在空間位置分布上也有較好的對應(yīng)關(guān)系，說明以重力剖面和激電測深為手段的聯(lián)合勘測是查找渦河斷裂的有效方法。

(2) 根據(jù)本次重力剖面和激電測深聯(lián)合勘測成果，可以推測出渦河斷裂所通過的物探區(qū)域內(nèi)第四系覆蓋層較厚，且沿測量方向呈逐漸變薄的趨勢；渦河斷裂分布在激電測深測線里程樁號500～700 m，埋深約在150 m以下，性質(zhì)為正斷層，傾角較陡，近直立。

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Application of Joint Exploration of Gravity Profile and IP Sounding Method to the Study of Guohe River Fault

WANG Li-hui1， TONG Yuan-lin1，LI Zhe-jun1， HE Yong-bo2， LIN Cheng-hao1， YUAN Quan1

(1.EarthquakeAdministrationofAnhuiProvince，Hefei，Anhui230031，China；2.GeophysicalExplorationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Zhengzhou，Henan450002，China)

The Guohe River fault originates from Bozhou，Anhui Province，passing through Guoyang to Mengcheng.According to regional geological inspection，this fault has an exclusive anomaly in gravity and magnetic aspect.In the light of being a hidden fault and thick upper crust，there are few investigations about it，and they tend to be more concerned about gravity and magnetic observations，remote sensing，and historical documents.Therefore，deep geophysical inspection is increasingly important to figure out its characteristics.In order to determine the horizontal location and feature of the Guohe River fault，both the gravity profile and IP sounding method are implemented in the research area’s geophysical prospecting.The gravity profile is mainly based on the gravity anomaly，generally caused by density differences，which often indicates the existence of faults.It is easily operated，highly efficient，and low cost.In this paper，57 gravity points have been observed to detect the potential gravity anomaly in a relatively bigger area to narrow down the inspected region for the IP sounding method.During research，the gravity profile had a length of 4 500 m，in a northeast direction，crossing over Guohe River to the north，about 13 km away from Mengcheng county.Results show that gravity profile value has a very obvious decline between the 54thand 55thobserving points with an amplitude of 1.0 × 105m·s2，which could be possibly due to the surface elevation difference of 3 m.In any case，the values of the gravity profile increase from southwest to northeast，in the same direction of the Guohe River fault.Aside from the non-background gravity anomaly，there possibly exists a geological anomaly 500 m underground which has density differences that result in the gravity anomaly，located between the 49thand 53rdobserving points，which could be the result of Guohe River fault.on the basis of this conclusion,the IP sounding method，which is based on the resistivity and polarizability change of the rock underground，is applied in this gravity-anomaly area.During the research，the symmetry quadrupole vertical sounding method is utilized，beginning at the 42ndgravity observing point and continuing for 1 600 m and 14 acquisition points.When it comes to data processing，the apparent resisitivity and apparent polarizability are considered to be the main parameters for this method.As for the apparent resistivity profile，there lies a tiny contour lift，about 300～500 m deep.This potentially indicates that the Guohe River fault lies at this location.Similarly，at about the same position underground，the contour shows a relatively high anomaly with apparent polarizability over 1.5%，which normally is the effect of a fault or faults or geological structures that contain water.Furthermore，it appears that the potential hidden fault is a normal fault，which lies almost vertically underground.Overall，both the gravity profile and the induced polarized method clearly detect the geophysical anomaly very close to where the fault lies.These two methods verify each other，both having anomalies that agree with the geophysical characteristics of the Guohe River fault.As a conclusion，joint exploration using both the gravity profile and IP sounding method is an effective approach for inspecting faults to detect the plane position and approximate cover depth underground.

gravity anomaly；IP sounding； electrical resistivity； polarizability； the Guohe River fault

2014-08-14

安徽省地震科研基金重點項目(20120601)

王立會(1982-)，男，江蘇鹽城人，工程師，碩士，主要從事地球物理勘探、地震安全性評價等方面的工作.E-mail:42208581 @qq.com

P631

A

1000-0844(2015)02-0634-05

10.3969/j.issn.1000-0844.2015.02.0634