基于音頻大地電磁測(cè)深和高密度電法的城市隱伏斷裂聯(lián)合探測(cè)

陳 松，龐凱旋，陳長敬，趙信文，曾 敏，李小彬

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著城市的快速發(fā)展和市政建設(shè)步伐的加快，開展城市地質(zhì)調(diào)查工作，查明未建成區(qū)或者建成區(qū)的地下空間、災(zāi)害評(píng)價(jià)、資源環(huán)境承載力等已經(jīng)成為新一輪地質(zhì)調(diào)查工作的趨勢(shì)(張茂省等，2018；李學(xué)軍，2011)[1,2]。隱伏斷裂主要指無地質(zhì)露頭，埋藏在地表之下的斷層、破碎帶等地質(zhì)異常體。在天然地震波在傳播路徑中，斷裂帶會(huì)加大地震波對(duì)地表建筑的損傷程度，隱伏斷裂的存在會(huì)影響到城市工程建設(shè)的選址及生產(chǎn)活動(dòng)過程中的安全問題(黃錦捷等，2018)[3]。因此在城市地質(zhì)調(diào)查中，查明隱伏斷裂的相關(guān)屬性具有重要的生產(chǎn)和研究意義。

高密度電法因其較高的施工效率和勘探分辨率被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)調(diào)查中，是地球物理工作者研究活斷層的主要方法。高密度電法成果圖件清晰美觀、反演精度高、可以準(zhǔn)確地劃定斷層的位置與走向(程邈等，2011)[4]。該方法擁有偶極-偶極裝置、溫納裝置、三級(jí)裝置、溫斯裝置等，不同的裝置具有不同的分辨率。通過理論模型的正反演研究和應(yīng)用實(shí)例論證，偶極-偶極裝置對(duì)活動(dòng)斷層的分辨率最高(羅登貴等，2014)[5]，利用溫納和偶極兩種裝置探測(cè)隱伏斷裂，探測(cè)結(jié)果與地震勘探結(jié)果非常一致(玄月等，2011)[6]。

音頻大地電磁反演成果可以較好地刻畫斷裂的寬度深度、斷盤的結(jié)構(gòu)變化、地層變化，電阻率梯度陡變是判斷斷裂存在的一個(gè)重要標(biāo)示(張曉永等，2011；高天等，2019)[7,8]。通過正、逆斷層對(duì)應(yīng)的地電模型正演模擬計(jì)算，生成數(shù)據(jù)開展一維、二維的反演研究，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬斷面結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定適用于對(duì)破碎帶傾向進(jìn)行定性、定量解釋的技術(shù)手段(苗景春等，2013)[9]。

結(jié)合音頻大地電磁和高密度電法可以在工程地質(zhì)調(diào)查上確定斷層的大致位置：音頻大地電磁勘探深度大，但分辨率低；高密度電法分辨率高，但探測(cè)深度淺。利用兩種方法的優(yōu)點(diǎn)在查找隱伏斷裂上有較強(qiáng)的實(shí)用性(易延倫等，2015；周琛杰，2017)[10,11]。

廣州處于珠江三角洲隱伏斷裂發(fā)育地區(qū)，因城市地下空間建設(shè)需要，高層建筑、地鐵、高鐵、地下管廊、通信電力等均需要避開可能存在的地質(zhì)危險(xiǎn)地段，因此為查明廣州地區(qū)的隱伏斷裂，該區(qū)的城市地質(zhì)調(diào)查工作已經(jīng)啟動(dòng)。城市周邊干擾大，地球物理測(cè)線布置困難，對(duì)探測(cè)效果造成了一定的影響。為取得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，需要合理選擇測(cè)區(qū)位置避開強(qiáng)干擾，同時(shí)在數(shù)據(jù)采集及后期處理階段也要選擇合理的參數(shù)壓制干擾。

本文的研究對(duì)象位于廣州南部，屬于新一輪城市地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)。針對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)發(fā)育的隱伏斷裂，采用分辨率較高的高密度電阻率法和音頻大地電磁測(cè)深綜合探測(cè)，在空間縱向上探測(cè)深度深淺結(jié)合，在橫向上分辨率相互補(bǔ)充。通過綜合分析反演電阻率空間展布形態(tài)，確定了最終的斷層位置。研究工作中實(shí)測(cè)了2段數(shù)據(jù)，解譯的斷裂位置與地質(zhì)推斷的斷裂比較吻合，同時(shí)，通過物探解譯結(jié)果劃分了幾處新的隱伏斷裂，對(duì)后期地質(zhì)工作及城市開發(fā)提供了有意義的基礎(chǔ)資料。

2 探測(cè)方法工作原理

2.1 高密度電法

高密度電法是一種陣列勘探方法，它是以地下目標(biāo)體與圍巖(土體)電阻率數(shù)值差異為基礎(chǔ)，研究地下電性結(jié)構(gòu)空間分布特征?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)可以根據(jù)測(cè)線長度，把全部電極一次性布置完成，不用移動(dòng)主控單元，具有數(shù)據(jù)采集密度大以及采集速度快的特點(diǎn)(譚大龍等，2011；龔術(shù)等，2016)[12,13]。在工作原理上高密度電法與電阻率測(cè)深法和電阻率剖面法相同，但高密度電法集合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)更多，提供的地電信息量更大。

高密度電法有Dip-Dip(偶極-偶極)裝置、Wenner(溫納)裝置、Schlumb(斯倫貝謝)裝置、Pole-Dip(單極-偶極)裝置、Pole-Pole(單極-單極)裝置。每種裝置的信噪比和分辨率均不同：偶極-偶極裝置的橫向上分辨率最佳，但信噪比最差，在隱伏斷裂、巖溶勘查中使用較多；溫納裝置的信噪比最高，具有很好的垂向分辨率，但橫向分辨率差，在地層分層、有一定背景干擾的環(huán)境下使用較多；Schlumb裝置的信噪比和分辨率居于Wenner與Dip-Dip之間，一般屬于Wenner和Dip-Dip裝置的補(bǔ)充采集方案。實(shí)際工作中要根據(jù)探測(cè)目標(biāo)和背景噪音選擇合適的裝置測(cè)量。

本文選用美國AGI/R8多通道高密度電法儀，偶極-偶極裝置測(cè)量時(shí)最高可以用8個(gè)通道同時(shí)工作，大大提高了工作效率。

2.2 音頻大地電磁法

該方法理論是基于電磁波的傳播理論，通過Maxwell方程組，推導(dǎo)得到電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H與電阻率ρ的關(guān)系式(吳璐蘋等，1996；許廣春等，2008)[14,15]：

(1)

其中,f為頻率(Hz)；Hx為電場(chǎng)強(qiáng)度(mV/km)；Hy為磁場(chǎng)強(qiáng)度(nT)。

式(1)說明通過測(cè)量地面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)即可得到卡尼亞視電阻率，進(jìn)一步反演地下空間真實(shí)電阻率即可達(dá)到勘探目的。

音頻大地電磁勘探深度可以表示為：

(2)

其中，h為探測(cè)深度(m)；ρ為電阻率(Ω·m)；f為頻率(Hz)。

式(2)說明如果電阻率值不變，電磁波的勘探深度h與其頻率f為反比關(guān)系，改變電磁波的頻率值可以改變勘探深度。

實(shí)際測(cè)量過程中裝置布設(shè)如圖1所示。

圖1 音頻大地電磁法裝置布設(shè)

高密度電法具有較高的數(shù)據(jù)點(diǎn)密度，且電極間距可在1～10 m間根據(jù)探測(cè)精度進(jìn)行變換，適應(yīng)性強(qiáng)，探測(cè)分辨率高。常規(guī)高密度電法采用12 V電瓶供電，實(shí)際工作中供電電流一般在幾百毫安至一千毫安，有效探測(cè)深度通常低于100 m。相比之下，音頻大地電磁測(cè)深彌補(bǔ)了高密度電法探測(cè)深度淺的問題。EH4采用高頻磁棒，有效探測(cè)深度往往能達(dá)到500 m，具有較高的分辨率。同時(shí)，該方法采用點(diǎn)測(cè)方式，實(shí)際工作中操作靈活方便，對(duì)于高密度電法電纜難以跨越的河流、路障等，EH4可以開展長剖面測(cè)量。本文音頻大地電磁測(cè)深使用Geometrics公司生產(chǎn)的EH4連續(xù)電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分別采集1頻段10 Hz～1 kHz、7頻段1～92 kHz以及4頻段500 Hz～3 kHz三個(gè)頻段的數(shù)據(jù)。本次工作中三個(gè)頻段的數(shù)據(jù)均采集使用。

3 研究區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育有第四系燈籠沙組的耕植土、黏土、砂礫層，基巖發(fā)育的主要為白堊紀(jì)花崗巖、侏羅紀(jì)二長花崗巖。該區(qū)發(fā)育有多條北西向主斷裂(圖2)，斷裂呈現(xiàn)北東傾向，同時(shí)主斷裂伴隨一定數(shù)量的次生斷裂發(fā)育，次生斷裂未在地質(zhì)層面確定發(fā)育，需要地球物理工作進(jìn)一步查明。

圖2 研究區(qū)綜合測(cè)線布置

研究區(qū)內(nèi)表層發(fā)育黏土層的電阻率值一般較小，在100～500 Ω·m左右，而下伏巖體多為不同風(fēng)化程度的花崗巖，電阻率值一般較大，主要集中在1 000 Ω·m以上，新鮮的花崗巖電阻率值更大，可見表層黏土層與下伏基巖或者目標(biāo)體電阻率數(shù)值上差異大。如果研究的目標(biāo)體為破碎帶，在孔隙水的滲透浸染下，破碎帶的電阻率一般明顯低于周圍巖體的電阻率。因此，采用高密度電法及音頻大地電磁測(cè)深2種方法探測(cè)隱伏斷裂具有明顯的物性基礎(chǔ)。

4 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法數(shù)據(jù)處理包括前期數(shù)據(jù)噪聲壓制、后期正反演參數(shù)調(diào)試、成果文件輸出與制圖，其中噪聲壓制主要針對(duì)最小電壓、最大重復(fù)誤差及最小視電阻率值方面不符合預(yù)設(shè)范圍的數(shù)據(jù)。本文高密度電法數(shù)據(jù)正演選擇有限單元方法，選擇狄里克萊邊界條件，層厚遞增系數(shù)為1.1。反演方法采用圓滑模型反演，迭代次數(shù)一般控制在5次以內(nèi)，擬合誤差限制在5 %以內(nèi)，對(duì)個(gè)別造成總體擬合誤差較大的點(diǎn)剔除處理，再反復(fù)迭代直至符合滿意的結(jié)果。

電磁法勘探方法易受到外界電磁場(chǎng)的干擾，數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳點(diǎn)，造成視電阻率曲線形態(tài)差。在獲得了可信的音頻大地電磁原始數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，步驟主要有去噪與靜態(tài)校正。依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與地形起伏情況，判斷靜態(tài)效應(yīng)及其嚴(yán)重程度，進(jìn)一步對(duì)視電阻率曲線形態(tài)進(jìn)行靜校正(張振宇等，2012；張軍，2015)[16,17]。

EH4采集的原始數(shù)據(jù)是以*.Z、*.PAR等文件格式存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理過程主要包括4個(gè)階段：

1)利用EH4自帶程序或軟件(IMAGEM或EMAGEM-2D)輸出數(shù)據(jù)，保存為TM或TE模式(ρxy或ρyx電阻率及對(duì)應(yīng)的相位格式)。

2)SCS2D軟件數(shù)據(jù)格式準(zhǔn)備。SCS2D數(shù)據(jù)處理前，需要準(zhǔn)備3個(gè)文件，分別為*.STN(點(diǎn)位信息文件)、*.MDE(狀態(tài)信息文件)、*.AVG(數(shù)據(jù)文件)。各個(gè)文件的數(shù)據(jù)格式要嚴(yán)格執(zhí)行。

3)利用SCS2D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演前，可以利用ASTATIC軟件模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、編輯、靜態(tài)校正等處理(圖3)，編輯后需重新保存數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后再利用SCS2D軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。

圖3 ASTATIC軟件預(yù)處理

4)數(shù)據(jù)反演處理

①打開AVG文件，建立模型，根據(jù)工作需求選擇是否用靜態(tài)校正；②定義模式(如Ex/Ey模式)；③若MDE文件信息確定無誤，點(diǎn)距和收發(fā)距的參數(shù)無需修改，選擇需要處理的數(shù)據(jù)，可以是TM或TE，也可以是TM和TE兩種模式聯(lián)合處理，本文采用TM、TE聯(lián)合反演模式；④建立正演模型，輸入第一層的厚度，一般取最小值，賦予層厚的遞增系數(shù)，默認(rèn)是1.08，層深設(shè)置可以根據(jù)實(shí)際深度設(shè)置，一般取到31；⑤反演控制參數(shù)調(diào)節(jié)，如模型的圓滑度、反演次數(shù)、使用的數(shù)據(jù)模式等；⑥反演完成后，軟件自動(dòng)保存為*.MTM和*.MTD文件，用MODSECT程序打開*.MTM文件，輸出為GRID格式，最后用Surfer軟件編輯圖件。

5 研究區(qū)應(yīng)用效果分析

從圖2可知，研究區(qū)發(fā)育有多條北西向隱伏斷裂，均穿越城市活動(dòng)密集區(qū)，對(duì)市政建設(shè)造成了較大的影響。為了查明隱伏斷裂的發(fā)育位置和大致走向，本文布置了2處綜合測(cè)線(圖2中1線綜合測(cè)線和3線綜合測(cè)線)，測(cè)向方向與斷裂走向基本垂直。為了提高探測(cè)精度和對(duì)比性，高密度電法測(cè)量時(shí)同時(shí)采用斯貝裝置和偶極-偶極裝置對(duì)比分析，采集參數(shù)選擇10 m電極間距，供電時(shí)間為1.2 s，重復(fù)觀測(cè)2次。音頻大地電磁測(cè)深采集參數(shù)選擇25 m點(diǎn)距，采集3個(gè)頻段數(shù)據(jù)。

研究區(qū)1線高密度電法測(cè)線總長1 470 m，分別采用了斯貝裝置和偶極裝置進(jìn)行測(cè)量，反演擬斷面如圖4所示。通過分析反演結(jié)果，斯貝和偶極裝置的反演數(shù)據(jù)擬合誤差均較小，斯貝裝置電阻率分布整體較為連續(xù)，橫向上無突變的電性區(qū)域，縱向上分層明顯，低阻的覆蓋層電阻率值在200 Ω·m以內(nèi)，下伏的巖體電阻率在1 000 Ω·m以上，巖性推斷為花崗巖；分析1線偶極裝置反演成果，橫向450～500 m、650～700 m之間存在2處明顯的電性突變區(qū)域，低阻區(qū)域的電阻率值在500～800 Ω·m間，圍巖電阻率值較高，均在1 500 Ω·m以上，是低阻區(qū)電阻率值的3倍，可推斷為1線處下伏發(fā)育隱伏斷裂，斷裂區(qū)域電阻率值相對(duì)較高，初步分析此處斷裂賦水性一般。

圖4 1線高密度電法斯貝裝置和偶極裝置反演斷面

音頻大地電磁測(cè)深測(cè)線布置與高密度電法重合。反演斷面(圖5)顯示高電阻率和低電阻率均有出現(xiàn)，低電阻區(qū)域主要分布在淺部區(qū)域，高電阻主要分布在100 m以下的區(qū)域。結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)淺部的低阻區(qū)域主要為第四系覆蓋層及強(qiáng)風(fēng)化巖層，而深部的高電阻區(qū)域?yàn)榛◢弾r分布區(qū)，花崗巖頂界面略有起伏。在測(cè)線200～700 m、1 000 m段，下伏花崗巖區(qū)存在多個(gè)明顯的低阻異常帶，推測(cè)為斷裂構(gòu)造引起的破碎帶，分別編號(hào)為斷裂F1、F2、F3、F4(圖5)，其中推測(cè)F2、F3的斷裂位置與高密度電法偶極-偶極裝置推斷的斷裂(圖4)吻合度較高。從地質(zhì)解譯圖上判斷，F(xiàn)2、F3屬于次生斷裂，其中F2斷裂屬性為已知斷裂空間上的延伸，而在地質(zhì)圖上沒有標(biāo)注，本次工作重新標(biāo)定了該處異常的空間走向。F3斷裂為新劃定的異常帶，F(xiàn)2、F3的空間走向均在圖2中做了標(biāo)注說明，斷裂的整體走向呈現(xiàn)北西向展布，通過電阻率值分析，兩處斷裂的基巖裂隙水賦水性均一般。

圖5 1線音頻大地電磁測(cè)深反演斷面

3線高密度電法測(cè)線總長650 m，分別采用了斯倫貝謝裝置和偶極裝置測(cè)量，反演成果如圖6所示。通過分析，2段反演數(shù)據(jù)擬合誤差均較小，斯貝裝置電阻率分布整體較為連續(xù)，橫向上無突變的電性區(qū)域，縱向上分層明顯，低阻的覆蓋層電阻率值在400 Ω·m以內(nèi)，下伏的巖體電阻率在1 000 Ω·m以上，巖性推斷為花崗巖；分析3線偶極裝置反演成果，橫向300～350 m之間存在1處明顯的電性分界區(qū)域，低阻區(qū)域的電阻率值在900～1 000 Ω·m間，低阻周圍的電阻率值較高，在1 500 Ω·m以上，推斷為3線處下伏發(fā)育的隱伏斷裂，斷裂走向判斷為北西向。

圖6 3線高密度電法斯貝裝置和偶極裝置反演斷面

音頻大地電磁測(cè)深3號(hào)線長600 m。從反演斷面圖(圖7)上分析結(jié)果與1號(hào)線類似，高電阻率和低電阻率區(qū)域均有出現(xiàn)，但是高電阻區(qū)域在深部150 m以下范圍，低電阻在淺部深部均有存在。尤其在測(cè)線300～600 m段，除表層區(qū)域以外，低阻區(qū)存在于地下深度300～550 m范圍內(nèi)，結(jié)合地質(zhì)資料分析，推測(cè)該區(qū)域?yàn)閵A在花崗巖層中的砂巖層。在測(cè)線的325 m、575 m段，存在2處明顯的條帶狀低阻異常區(qū)，推測(cè)該位置由斷裂破碎帶引起，斷裂帶編號(hào)為F5、F6。

圖7 3線音頻大地電磁測(cè)深反演斷面

對(duì)比3線的高密度電法和音頻大地電磁測(cè)深解譯結(jié)果，在測(cè)線325 m處均出現(xiàn)電阻率突變區(qū)域，充分說明該處存在F5斷裂發(fā)育，斷裂整體呈現(xiàn)北西向。F6斷裂在音頻大地電磁解譯結(jié)果上有較為明顯的顯示，而高密度電法未能較好的區(qū)分，分析原因?yàn)殡[伏斷裂埋深較深，未出露于第四系，加之高密度電法探測(cè)深度限制。根據(jù)地質(zhì)解譯圖，該處異常帶主要以音頻大地電磁結(jié)果為準(zhǔn)。

本次研究工作主要確定了4條斷裂編號(hào)分別為F2、F3、F5、F6的發(fā)育位置。斷裂的整體走向均為北西向，斷裂在空間展布上較為連續(xù)，且推斷的F5、F6斷裂位置與地質(zhì)圖上標(biāo)注的紅色實(shí)線斷裂線位置吻合較好。通過判斷斷裂的空間位置與延伸方向，對(duì)該區(qū)域的地下空間建設(shè)與地面城市基礎(chǔ)建設(shè)均提供有較高應(yīng)用價(jià)值的地質(zhì)資料。

6 結(jié) 論

本文聯(lián)合使用高密度電法和音頻大地電磁法對(duì)研究區(qū)主要發(fā)育及次生存在的隱伏斷裂進(jìn)行了探測(cè)分析，總結(jié)以下結(jié)論：

1)確定了多條斷裂(F2、F3、F5、F6)位置及空間展布形態(tài)，推斷斷裂F5、F6與已知主斷裂位置吻合度較高，劃定的F2次生斷裂走向與已知斷裂的空間延伸方向也較一致。

2)高密度電法的裝置類型選擇較多，針對(duì)不同的探測(cè)目標(biāo)，需要靈活選取合理的裝置類型。本文主要對(duì)比了斯倫貝謝裝置和偶極裝置的勘探效果，結(jié)果表明偶極裝置具有較高的橫向分辨率，圈定隱伏斷裂效果更明顯。

3)高密度電法和音頻大地電磁測(cè)深的探測(cè)深度、分辨率可以互相補(bǔ)充，高密度電法在0～100 m深度范圍內(nèi)有較高的勘探精度，音頻大地電磁在100～500 m范圍內(nèi)具有較好的應(yīng)用效果。

4)在城市地質(zhì)調(diào)查中將高密度電法和音頻大地電磁法結(jié)合使用，能夠滿足隱伏斷裂探測(cè)的需求，有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。