薄壁斷裂峪河口至方莊段電性結(jié)構(gòu)特征

楊利普,徐志萍,徐順強,劉明軍,姜磊,熊偉,賀為民

(中國地震局 地球物理勘探中心，河南 鄭州 450002)

0 引言

太行山東南緣位于太行山隆起區(qū)、豫北差異隆起區(qū)和豫中差異沉降區(qū)的交接部位，受區(qū)域構(gòu)造控制，該區(qū)發(fā)育了一系列NE和EW向斷裂，如湯西斷裂、湯東斷裂、薄壁斷裂、新鄉(xiāng)—商丘斷裂、盤古寺—新鄉(xiāng)斷裂等[1]。其中，薄壁斷裂作為太行山南緣斷裂的一部分，位于薄壁地塹西側(cè)，是發(fā)育在盆地與山區(qū)的一條邊界斷裂[2]，張岳橋、劉明軍等學(xué)者根據(jù)遙感TM 圖像解譯和野外地質(zhì)考察結(jié)果，認為該斷裂自上八里鎮(zhèn)石門河出山口處，在第四紀早期有明顯活動，往南到峪河口第四紀已不活動，且在峪河口以南不再有出露[3-5]。但是該斷裂地下是否繼續(xù)向南延伸？其規(guī)模和埋深多少？尚缺少明確的地質(zhì)及地球物理依據(jù)。因此，本次研究在峪河口—方莊開展了地球物理探測工作，利用高密度電阻率層析成像方法對該段近地表的電性結(jié)構(gòu)進行了探測，為薄壁斷裂兩側(cè)的城鎮(zhèn)規(guī)劃和建設(shè)提供高分辨率的地球物理信息[6-12]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

薄壁斷裂位于太行山脈與華北平原的過渡地帶，在構(gòu)造上為太行山隆起與濟源—開封凹陷的分界，并與新鄉(xiāng)—商丘斷裂、盤谷寺—新鄉(xiāng)斷裂在焦作市東北部形成一個三角區(qū)域(圖1)。地表地質(zhì)研究認為，該斷裂南起峪河口，經(jīng)薄壁、上八里、南村，向北東延伸至臨淇，地貌特征及衛(wèi)片影像明顯。斷裂走向NE，傾向SE，傾角50°～70°，破碎帶寬20～70 m[4]，該斷裂與其東側(cè)的九里山斷裂組成一個地表為第四系覆蓋的山前隱伏小地塹—薄壁地塹，地貌上呈直線形延伸，沿斷裂下—中更新統(tǒng)呈長條形分布。據(jù)荊智國、劉堯興等的研究[6]，薄壁斷裂在新近紀、古近紀有過強烈活動，早—中更新世繼承性活動，自北向南活動逐漸減弱，同時根據(jù)斷裂對盆地的控制以及作為山區(qū)與平原的界線進行分析，認為屬于早—中更新世斷裂[7](圖2)。

圖1 構(gòu)造分區(qū)Fig.1 Tectonic zoning map

圖2 斷裂及測線分布Fig.2 Fracture and line distribution map

2 高密度電阻率層析成像探測方法

在薄壁斷裂南端方莊鎮(zhèn)附近共布設(shè)了4條高密度電阻率層析成像勘探測線(圖2)，其中DF-1和DF-2為10 m點距，長度分別為3 890 m和 3 590 m，在其異常區(qū)域加密布設(shè)了兩條5 m點距的測線DF-11和DF-22，長度分別為1 795 m和1 195 m。4條測線總長度為10.47 km，每個剖面實接電極數(shù)均為120路，采用α排列系統(tǒng)進行觀測。野外工作方法采用固定斷面掃描測量，電極裝置為α排列(溫納裝置AMNB)，各測線采集層數(shù)均為39層[8-10]。

圖3為高密度電阻率層析成像方法數(shù)據(jù)處理和解釋流程。為提高解釋精度，采用EarthImager 2D計算程序進行正、反演計算,根據(jù)地電條件和裝置系統(tǒng)以及正演模擬結(jié)果的分析，有針對性地進行高通或低通濾波處理，以消除或減小表層干擾和振蕩干擾[11-14]。

3 高密度層析成像結(jié)果

高密度電阻率層析成像結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4a反映了DF-1測線從近地表到地下227 m的電性結(jié)構(gòu)，圖中可以較為清晰地分辨出在測線1 500 m、2 000 m處，圖像左右部分的電性結(jié)構(gòu)具有明顯差異，電阻率等值線呈現(xiàn)傾向低值區(qū)的梯度帶。整條測線距地表10～50 m以上的地層電阻率均值在200 Ω·m，推測該區(qū)域的第四系覆蓋層厚度約10～50 m，且該地層底界連續(xù)平穩(wěn)，沒有發(fā)生構(gòu)造變動的跡象。沿測線覆蓋層南厚北薄。

測線1 500 m處，深度30 m至探測深度底部存在的顯著電阻率間斷面,推測是斷層的反映。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料認為是薄壁斷裂的反映，其上覆蓋層厚度在該位置陡然由50 m左右變淺至30 m，表明該點兩側(cè)地層的電性結(jié)構(gòu)存在強間斷面。這種電性結(jié)構(gòu)特征是判定斷層存在的重要標志，由此確定測線1 500 m附近的電性結(jié)構(gòu)異常為斷層異常。從高密度電阻率層析成像結(jié)果分析，薄壁斷裂斷層面傾向SE，傾角約60°。測線2 000 m處，深度20 m至探測深度底部存在的顯著電阻率間斷面推測是斷層的反映，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料認為可能是峪河—新鄉(xiāng)斷裂的反映。

圖3 數(shù)據(jù)處理和解釋流程Fig.3 Flow charts for data processing and interpretation

圖4b是DF-11測線下方電性結(jié)構(gòu)圖像，主要反映從近地表到地下114 m的電性結(jié)構(gòu)，與DF-1測線電阻率反演結(jié)果較為一致，在測線1 500 m和2 000 m附近，深度30 m處存在兩處電阻率間斷面，推測分別是薄壁斷裂和峪河—新鄉(xiāng)斷裂的反映。

圖5a反映的是DF-2測線從近地表到地下227 m的電性結(jié)構(gòu)特征。從圖中可以較為清晰地分辨出在測線1 080 m處，圖像可以分為左右電性結(jié)構(gòu)具有明顯差異的兩部分，電阻率等值線呈現(xiàn)傾向低值區(qū)的梯度帶。整條測線距地表10～50 m以上的地層電阻率均值在200 Ω·m，推測該區(qū)域第四系覆蓋層厚度約10～50 m， 該地層底界連續(xù)平穩(wěn)，沒有發(fā)生構(gòu)造變動的跡象。沿測線覆蓋層南厚北薄。在測線1 080 m處，深度30 m至探測深度底部存在的顯著電阻率間斷面推測是斷層的反映，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料認為是薄壁斷裂的反映，其上覆蓋層厚度在該位置陡然由50 m左右變淺至30 m，表明該點兩側(cè)地層的電性結(jié)構(gòu)存在強間斷面，由此確定測線1 080 m附近的電性結(jié)構(gòu)異常為斷層異常。從高密度電阻率層析成像結(jié)果分析，薄壁斷裂斷層面傾向SE，傾角約60°。

圖4 DF-1測線(a)和DF-11測線(b)電阻率反演斷面Fig.4 DF-1 (a)and DF-11 line(b) resistivity inversion results

圖5 DF-2測線(a)和DF-22測線(b)電阻率反演斷面Fig.5 DF-2 (a)and DF-22 line(b) resistivity inversion results

圖5b反映了DF-22測線從近地表到地下114 m的電性結(jié)構(gòu)，與DF-2測線電阻率反演結(jié)果較為一致，在測線1 080 m附近，深度30 m處存在一處電阻率間斷面，推測分布是薄壁斷裂的反映。

為進一步研究薄壁斷裂在峪河口至方莊段空間展布形態(tài)，將根據(jù)電阻率反演結(jié)果推斷的薄壁斷裂和峪河—新鄉(xiāng)斷裂的斷裂投影到平面地形圖上(圖6)，薄壁斷裂在峪河口以南轉(zhuǎn)為隱伏斷裂向西南方向繼續(xù)延伸，同時，結(jié)合遙感及地表地質(zhì)成果，薄壁斷裂在峪河口以北為出露狀態(tài)，因此，推測DF-1和DF-11測線北側(cè)反映的峪河—新鄉(xiāng)斷裂可能造成了薄壁斷裂的錯斷。此外，根據(jù)徐志萍等利用重磁資料得到的太行山東南緣斷裂分布特征，認為薄壁斷裂在峪河口以南仍然存在，且可能向南延伸至焦作以北與鳳凰嶺斷裂相交，與本次研究得到的薄壁斷裂在峪河口以南為隱伏狀態(tài)并繼續(xù)向SE延伸結(jié)論一致，而且，高密度電阻率法由于探測點距小，其確定的斷裂位置比利用1∶20萬重磁資料得到斷裂位置更加準確[1]。

4 結(jié)論

通過高密度電阻率層析成像方法對薄壁斷裂在峪河口以南至方莊鎮(zhèn)段的電性結(jié)構(gòu)進行了探測，獲得了清晰的電阻率層析成像剖面，所得結(jié)果表明高密度電阻率層析成像方法在覆蓋層較淺的區(qū)域進行隱伏斷裂勘探是一種有效的方法。

薄壁斷裂在峪河口以南為隱伏斷裂，由于本次研究測線僅布設(shè)至方莊，無法確定其是否繼續(xù)向南延伸，仍需進一步工作。

圖6 測線位置及薄壁斷裂空間分布Fig.6 Location of survey line and spatial distribution map of Baobi fault