綜合物探方法在廣西羅城縣活動斷裂鑒定中的應用

吳教兵，黎峻良，江蘭，陸俊宏，潘黎黎，韋王秋

( 1.廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西 南寧 530022；2.深圳市龍崗地質(zhì)勘查局，廣東 深圳 518100；3.廣東省珠海工程勘察院，廣東 珠海 519002)

0 引言

羅城地處桂北九萬大山中心南麓，流經(jīng)羅城的主要水系有武陽江、東小江等，通過羅城縣的斷裂主要為羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂。由于羅城在廣西地理位置上較偏僻，相關(guān)的調(diào)查研究工作程度較差，也未見相關(guān)人員對這兩條斷裂進行研究評價，因此，這兩條斷裂的空間展布和年代學特征尚未確定，無法分析其活動性和地震效應。

活動斷裂是誘發(fā)地震的主要原因，12萬年以來活動過的斷裂定為活動斷裂[1]，所以，城市工程建設(shè)應避讓活動斷裂，然而不同的研究學者，對避讓的距離有不同的研究，避讓距離有15 m[2]，避讓距離有40m[3]，避讓距離有200m[4]；非全新活動斷裂可不采取避讓措施[5]等，說明不管避讓距離多少，確定斷裂活不活動才是最重要。在區(qū)域上，一般采用遙感解譯斷裂的活動性[6-7]。在覆蓋層較厚地區(qū)，采用多次覆蓋地震反射波法確定斷裂活動性[8-13]；也有采用探地雷達來確定斷裂活動性[14]；也有采用電法和淺層地震，并結(jié)合排鉆來確定斷裂活動性[15-17]；覆蓋層較薄的隱伏地段，在隱伏斷裂處進行探槽開挖，通過探槽的揭露情況來確定斷裂活動性[18]。

所以，本文采用地震地質(zhì)調(diào)查來確認羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂空間展布，在隱伏地段采用高密度電法和地震映像來精確定位斷裂帶的位置，通過打排鉆的巖心揭露來確定其斷裂帶的位置和最新活動時代。

1 地震地質(zhì)調(diào)查

羅城縣地處溶蝕地貌，據(jù)地震地質(zhì)調(diào)查，在溶蝕洼地、平原地區(qū)存在較厚亞黏土、黏質(zhì)砂土層，厚度3～10 m不等，局部河流階地處存在礫石層或砂礫層；溶蝕低丘或邊坡存在較薄的沖積礫層及殘坡積層，厚度1～3 m不等。下伏基巖主要有三疊系的薄層狀灰?guī)r，二疊系的灰?guī)r，石炭系的灰?guī)r、白云巖，泥盆系的灰?guī)r、白云巖，震旦系的泥質(zhì)砂巖、頁巖，板溪群的板巖、千枚巖等(圖1)。

此次采用定點觀測法、橫切剖面法以及局部追索法對羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂進行地震地質(zhì)調(diào)查，研究這兩條斷裂的平面展布形態(tài)、產(chǎn)狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、活動期次，確定其幾何分布特征、運動性質(zhì)，以及斷裂經(jīng)過地區(qū)的具體位置。

1.1 羅城斷裂地質(zhì)地貌調(diào)查研究

據(jù)地質(zhì)地震調(diào)查結(jié)果，羅城斷裂總體走向NE，從SW到NE依次經(jīng)過下明泰、思愛村、南平屯、四把鎮(zhèn)、新印村、羅城、地州至門豆，全長約31 km。

羅城斷裂斷面傾向NW，斷面傾角約55°～70°，破碎帶寬度在10～15 m，局部露頭可達20 m。斷裂經(jīng)歷多期次活動：早期破碎帶主要為角礫巖，角礫呈次棱角狀到次圓狀，方解石鐵質(zhì)膠結(jié)，已經(jīng)固結(jié)成巖，局部還可見殘留的少許擦痕和階步，表面鐵質(zhì)膠結(jié)；晚期破碎帶發(fā)育于早期破碎帶的中部，寬約3～5 m，多以密集節(jié)理為主，多組節(jié)理切割破碎基巖，較松散或未膠結(jié)，局部可見新鮮方解石膠結(jié)角礫巖，露頭多見水平擦痕和階步，表面方解石膠結(jié)，指示右旋走滑運動特征。局部露頭可見高角度摩擦鏡面，該鏡面發(fā)育于早期斷面上，指示張性正斷的作用。綜合推斷該斷裂早期為擠壓逆沖特征，中期表現(xiàn)為走滑特征，晚期最新活動具有右旋走滑兼正斷的特征(圖2)。

1—第四系；2—三疊系；3—二疊系；4—石炭系；5—泥盆系；6—震旦系；7—板溪群；8—巖漿巖；9—地震；10—斷裂帶；11—隱伏斷裂帶；12—物探測線；13—地質(zhì)調(diào)查點；14—排鉆1—Quaternary system;2—Triassic system;3—Permian system;4—Carboniferous system;5—Devonian system;6—Sinian system;7—Banxi group;8—Magmatic rock;9—earthquake;10—fault zone;11—concealed fault zone;12—geophysical survey line;13—geological survey point;14—drilling row圖1 羅城縣地震構(gòu)造分布Fig.1 Distribution map of seismic structure in Luocheng County

1.2 上天橋—寺門斷裂地質(zhì)地貌調(diào)查研究

據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，上天橋—寺門斷裂自上天橋、勇山、羅城、良勇至寺門，全長約40 km。斷裂可分為南北兩段，在羅城縣附近被NEE向的羅城斷裂右旋錯移約2 km。

上天橋—寺門斷裂南段斷面傾向NW，斷面傾角約65°～75°，破碎帶寬度范圍在10～20 m。其中后期張性破碎帶一般寬1～2 m，早期破碎帶一般分布在破碎帶兩側(cè)，主要為壓性碎裂巖帶，劈理、透鏡體、次級節(jié)理等發(fā)育，有的斷面上有擦痕階步發(fā)育，顯示壓性左旋運動特性；晚期破碎帶一般分布在破碎帶中部，內(nèi)部主要發(fā)育張性角礫巖，膠結(jié)較為松散，主要表現(xiàn)為正斷性質(zhì)(圖3)。

1—構(gòu)造破碎帶；2—灰?guī)r；3—斷裂帶1—tectonic fracture zone;2—limestone;3—fault zone圖2 羅城斷裂野外露頭(a)、構(gòu)造剖面圖(b)和發(fā)育NW向水平擦痕和階步(c)Fig.2 Field outcrop of Luocheng fault(a)，structural section(b) and development of NW horizontal scratches and steps(c)

上天橋—寺門斷裂北段斷面傾向NW，破碎帶寬度范圍在10～20 m。早期主要表現(xiàn)為張性正斷運動特性，晚期斷面切割早期破碎帶或者沿早期斷面發(fā)育并改造早期擦痕階步等運動學標志，晚期活動影響范圍多在3～5 m，沿晚期斷面附近發(fā)育，一般表現(xiàn)為角礫巖或者碎裂巖，根據(jù)擦痕階步等運動學標志判斷晚期以右旋走滑活動為主(圖4)。

1—殘積黏土；2—灰?guī)r；3—角礫巖；4—斷裂帶1—residual clay;2—limestone;3—breccia;4—fracture zone圖3 上天橋—寺門斷裂南段野外露頭(a)、構(gòu)造剖面圖(b)和構(gòu)造角礫巖(c)Fig.3 Field outcrop in the south section of Shangtianqiao—Simen fault(a)，structural section(b) and structural breccia(c)

2 物探方法與成果解釋

為了查明羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂的活動性，基于地震地質(zhì)調(diào)查，對斷裂經(jīng)過的重點研究隱伏區(qū)域采用高密度電法、地震映像綜合方法進行探測，查明斷裂在隱伏區(qū)的具體位置。本次物探布設(shè)了5條測線，羅城斷裂上布設(shè)A-A′和C-C′測線，天橋—寺門斷裂上布設(shè)B-B′、D-D′和E-E′測線(圖1)。

2.1 物探方法

高密度電法是以巖土層介質(zhì)導電性差異變化為基礎(chǔ)的勘探方法，本次高密度電法使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9型分布式電法儀，采用AMN和MNB綜合聯(lián)剖裝置[19]，直流供電270～360 V，無窮遠極垂直于測線距離300～500 m，無銹鋼電極垂直錘入地下20 cm，確保與地下較好耦合，并澆鹽水來減少接地電阻。根據(jù)場地展布情況，A-A′、B-B′和D-D′測線采用點距5 m，C-C′和E-E′測線采用點距10 m。高密度電法中斷裂帶推斷依據(jù)：斷裂帶在水或黏土充填下表現(xiàn)為比較明顯的低阻異常，在視電阻率斷面等值線圖上表現(xiàn)為相對低阻區(qū)；在聯(lián)合剖面曲線上表現(xiàn)為低阻正交點。

地震映像以地下不均勻介質(zhì)地震波傳播速度差異變化為基礎(chǔ)的勘探方法，本次地震映像使用北京水電物探研究所生產(chǎn)的SWS-6型淺層地震勘探儀，采用大錘人工震源，點距1 m，采樣時間512 ms，檢波器4 Hz和28 Hz，最佳偏移距14 m；開展地震映像前，先進行干擾波調(diào)查[20-21](圖5)，道間距2 m，偏移距0 m，12道4 Hz檢波器。本次地震映像勘探是在確定高密度電法異常上進行。地震映像中斷裂帶推斷依據(jù)：在地震映像剖面圖上，具有低速特征的斷裂帶常表現(xiàn)為地震波同相軸錯位、中斷和明顯的地震波同相軸下凹，以及具有繞射特征的斷裂帶表現(xiàn)為地震波同相軸形成繞射弧。

圖5 干擾波調(diào)查Fig.5 Survey map of interference wave

2.2 物探成果解釋

對高密度電法數(shù)據(jù)進行了格式轉(zhuǎn)換，繪制了不同極距聯(lián)合剖面曲線圖；綜合三極裝置數(shù)據(jù)繪制了視電阻率斷面等值線圖。對地震映像資料進行了廢道刪除、增益調(diào)整和濾波處理，并繪制出了各測線的地震映像剖面圖，地震映像記錄點為每一道的激發(fā)點和接收點的中點。

1)A-A′測線(圖6)。在極距AO為22.5 m曲線圖上看，在125 m和230 m位置上存在低阻正交點；在極距AO為52.5 m曲線圖上可看，在235 m位置上存在明顯的低阻正交點，然而125 m位置上曲線分離。從視電阻率等值線圖上看，對應120～140 m為低阻帶，且240～260 m也為低阻帶。從地震映像波形圖上看，對應130 m位置地震波能量減弱和同相軸上升，且地震波同相軸數(shù)不一致；對應235 m處地震波同相軸較一致，判定235 m的低阻正交點為地表低阻物的干擾。綜合推斷120～140 m可能為斷裂帶的位置。

2)B-B′測線(圖7)。在極距AO為22.5 m和極距AO為52.5 m曲線圖上可以看到?jīng)]有明顯的低阻正交點。從視電阻率等值線圖上看，在100 m和150 m為高低阻分界線。從地震映像波形圖上看，對應100 m位置地震波同相軸發(fā)生錯斷和下滑現(xiàn)象。綜合推斷100 m可能為斷裂帶的位置。

3)C-C′測線(圖8)。在極距AO=35 m曲線圖上可以看到在140 m和345 m位置上存在較明顯的低阻正交點；在極距AO=85 m曲線圖，320 m位置上存在較明顯的低阻正交點。從視電阻率等值線圖上看，對應140 m處為淺部低阻帶，320 m為高低阻分界線。從地震映像波形圖上看，對應140 m位置地震波同相軸較一致，對應320 m發(fā)生地震波同相軸錯斷和上升現(xiàn)象。綜合推斷320 m可能為斷裂帶的位置。

4)D-D′測線(圖9)。在極距AO為22.5 m曲線圖上可以看到在100 m位置上存在明顯的低阻正交點；在極距AO為 52.5 m曲線圖100 m處也見明顯的低阻正交點。從視電阻率等值線圖上看，對應100 m處為低阻帶。從地震映像波形圖上看，對應100 m位置地震波同相軸數(shù)明顯不一致，且發(fā)生地震波同相軸錯斷現(xiàn)象。綜合推斷100 m可能為斷裂帶的位置。

5) E-E′測線(圖10)。在極距AO為35 m曲線圖上看，在220、300和430 m位置上存在較明顯的低阻正交點；在極距AO為85 m曲線圖上看，未存在明顯的低阻正交點。從視電阻率等值線圖上看，對應220 m處為明顯的低阻帶，且220 m處為高低阻分界線，對應300 m處為淺部低阻帶，對應430 m處為高低阻分界線。從地震映像波形圖上看，對應200 m位置地震波同相軸數(shù)明顯不一致，且能量增強，發(fā)生錯斷現(xiàn)象。綜合推斷200 m可能為斷裂帶的位置。

a—極距AO=22.5m的聯(lián)合剖面曲線;b—極距AO=52.5m的聯(lián)合剖面曲線;c—視電阻率等值線;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms圖6 A-A′測線物探成果Fig.6 Geophysical prospecting results of line A-A′

a—極距AO=22.5m的聯(lián)合剖面曲線;b—極距AO=52.5m的聯(lián)合剖面曲線;c—視電阻率等值線;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms圖7 B-B′測線物探成果Fig.7 Geophysical prospecting results of line B-B′

a—極距AO=35m的聯(lián)合剖面曲線;b—極距AO=85m的聯(lián)合剖面曲線;c—視電阻率等值線;d—地震映像波形a—polar distance AO=35m multiple section;b—polar distance AO=85m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms圖8 C-C′測線物探成果Fig.8 Geophysical prospecting results of line C-C′

3 鉆探

為了確定羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂的最新活動時代，分別在A-A′測線、C-C′測線、D-D′測線和E-E′測線等4處物探異常進行了鉆探驗證，鉆探采用排鉆方式，每處打5個鉆孔，且在同一直線上，并垂直于斷裂帶走向方向，且相鄰鉆孔間距2～5 m。B-B′測線物探異常處有光纜通過，而無法鉆探。

據(jù)各處鉆探揭露(圖11)，第四系覆蓋土層完整，未見被錯斷現(xiàn)象；灰?guī)r或白云巖巖心較破碎，揭露有斷裂面、斷裂擦痕、構(gòu)造角礫巖、構(gòu)造碎裂巖和斷層泥等，部分巖心為鐵質(zhì)物或方解脈膠結(jié)充填，發(fā)育有剪節(jié)理(圖12)。從而判定，斷裂帶多期發(fā)育，最新活動時代為早更新世，晚更新世以來不活動。

a—極距AO=22.5m的聯(lián)合剖面曲線;b—極距AO=52.5m的聯(lián)合剖面曲線;c—視電阻率等值線;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms圖9 D-D′測線物探成果Fig.9 Geophysical prospecting results of line D-D′

a—極距AO=35m的聯(lián)合剖面曲線;b—極距AO=85m的聯(lián)合剖面曲線;c—視電阻率等值線;d—地震映像波形a—polar distance AO=35m multiple section;b—polar distance AO=85m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms圖10 E-E′測線物探成果Fig.10 Geophysical prospecting results of line E-E′

a—A-A′測線；b—C-C′測線；c—D-D′測線；d—E-E′測線；1—耕植土；2—黏土；3—粉質(zhì)黏土；4—粉土；5—含礫黏土；6—白云巖；7—灰?guī)r；8—水充填的溶洞；9—黏土充填的溶洞；10—構(gòu)造碎裂巖；11—構(gòu)造角礫巖；12—斷裂；13—鉆孔a—A-A′ line；b—C-C′ line；c—D-D′ line；d—E-E′ line；1—arable soil;2—clay;3—silty clay;4—silt;5—gravelly clay;6—dolomite;7—limestone;8—water filled karst cave;9—clay filled karst cave;10—structural cataclastic rock;11—structural breccia;12—fracture;13—drilling hole圖11 各測線鉆探剖面Fig.11 Drilling profile for each line

a—A-A′測線鉆探揭露斷裂面和構(gòu)造碎裂巖；b—C-C′測線鉆探揭露斷裂擦痕面和構(gòu)造角礫巖；c—D-D′測線鉆探揭露斷裂面和斷層泥；d—E-E′測線鉆探揭露斷裂面和構(gòu)造裂隙a—A-A′ line drilling exposes fracture surface and structural cataclastic rock；b—C-C′ line drilling exposes fracture scratch surface and structural breccia；c—D-D′ line drilling exposes fracture surface and fault gouge；d—E-E′ line drilling exposes fracture surface and structural fracture圖12 各測線的鉆探巖心Fig.12 Drilling core for each line

4 結(jié)論

1)通過地震地質(zhì)調(diào)查，羅城斷裂總體走向NE，全長約31 km，斷面傾向NW，斷面傾角約55°～70°，早期為擠壓逆沖特征，中期表現(xiàn)為走滑，晚期最新活動具有右旋走滑兼正斷的特征。

2)通過地震地質(zhì)調(diào)查，上天橋—寺門斷裂全長約40 km，分為南北兩段。南段斷面傾向NW，斷面傾角約65°～75°，早期顯示壓性左旋運動特性；晚期主要表現(xiàn)為正斷性質(zhì)。北段斷面傾向NW，早期主要表現(xiàn)為張性正斷運動特性，晚期以右旋走滑活動為主。

3)采用高密度電法與地震映像綜合方法，探明了羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂在第四系覆蓋層地區(qū)的具體位置，鉆探采用排鉆方式，揭露了斷裂面、斷裂擦痕、構(gòu)造角礫巖、構(gòu)造碎裂巖和斷層泥等，且第四系覆蓋土層完整，未見被錯斷現(xiàn)象。

4)鉆探結(jié)果顯示羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂對上覆土層及階地無錯移，經(jīng)區(qū)域第四系地層時代對比，上覆土層和階地時代為晚更新世，推斷羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂最新活動時代為早更新世，晚更新世以來不活動。

5)確定羅城斷裂和上天橋—寺門斷裂晚更新世以來不活動，羅城縣的城市建設(shè)可不采取避讓措施。