豐臺(tái)—野雞坨隱伏斷層周圍的CSAMT響應(yīng)特征

譚 丁，張?jiān)迄i，李 曉，柴 泉，魏云飛，趙嘉煒

河北省地質(zhì)調(diào)查院，河北 石家莊 050001

0 引言

CSAMT廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、礦產(chǎn)、水文、工程勘查等工作中。當(dāng)目標(biāo)地質(zhì)體與外部圍巖存在明顯的電阻率差異，均可使用此方法來進(jìn)行勘查[1-5]。不同地層存在明顯的電性差異，可進(jìn)行地層分層[6]；斷裂構(gòu)造可使電阻率層出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，構(gòu)造破碎帶內(nèi)充水，易形成電阻率低阻帶，CSAMT可用于斷層探測[7-8]。研究區(qū)內(nèi)第四系、第三系覆蓋層厚度大，村莊、河流、民用電線密集交錯(cuò)，給電磁工作帶來了不利因素。CSAMT方法采用“四大”裝置組合方式，得到可靠的數(shù)據(jù)并成功解釋該隱伏斷層的性質(zhì)及周圍地層。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)距離唐山市區(qū)西部20 km左右，地勢平坦，村莊密集，河流、溝渠縱橫交錯(cuò)，民用電線較多，屬于電磁干擾比較復(fù)雜的地區(qū)。

區(qū)內(nèi)地表均為第四系黃土覆蓋。據(jù)附近的鉆孔及其他地質(zhì)資料顯示，覆蓋層為第四系與第三系黃土、細(xì)砂、中砂、黏土、礫石交互層，厚度有數(shù)百米；基巖以中元古代至奧陶系石灰?guī)r、白云巖為主（圖1）。據(jù)物性資料顯示，第四系電阻率一般在20～50 Ω·m之間，卵、礫石層一般大于80 Ω·m，灰?guī)r、白云巖的電阻率一般在500～10 000 Ω·m之間[9-12]，電性差異明顯。

圖1 基巖分布推斷及CSAMT剖面位置圖Fig.1 The Map of Bedrock Distribution Inference and CSAMT Profile Location

區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造主要有豐臺(tái)—野雞坨斷裂與窩洛沽斷裂。豐臺(tái)—野雞坨斷裂為區(qū)內(nèi)最重要的斷裂，兩側(cè)第四系厚度有較大變化，斷裂在第四紀(jì)仍有活動(dòng)。豐臺(tái)—野雞坨斷裂對(duì)研究區(qū)地質(zhì)活動(dòng)、厘定地質(zhì)構(gòu)造格架以及災(zāi)害預(yù)防方面有重要的意義。

2 工作參數(shù)

CSAMT剖面垂直主斷裂方向布置，點(diǎn)距100 m，長度8.3 km，標(biāo)量測量（圖1）。儀器為加拿大鳳凰公司的V8多功能電法工作站，工作頻率為1-7680Hz共34個(gè)頻點(diǎn)。發(fā)射端大極AB長度2 km，發(fā)射電流大于6 A，MN100 m，陣列布置。收發(fā)距7.5 km，接收端均在AB中垂線兩側(cè)30°角組成的扇形區(qū)域內(nèi)。

一般來說收發(fā)距應(yīng)滿足r＞3～5δ，才能使測量區(qū)域均屬于遠(yuǎn)區(qū)，避免過早進(jìn)入近場效應(yīng)。CSAMT測量收發(fā)距7.5 km，有效頻率可達(dá)30～60 Hz，有效深度約1 500 m。

針對(duì)研究區(qū)覆蓋層較厚、人文干擾大等不利因素，CSAMT工作為增強(qiáng)抗干擾能力、提高信噪比、加大勘探深度等，提出了“四大”的裝置組合方式，即：大供電電流以提高信噪比、大收發(fā)距以增加有效探測深度、大MN距以保證高電位差、磁棒最大距離遠(yuǎn)離干擾端。

3 數(shù)據(jù)處理及解釋推斷

3.1 數(shù)據(jù)處理過程

CSAMT測量的資料整理流程主要包括：將野外采集的數(shù)據(jù)CF卡傳輸?shù)絇C機(jī)上，導(dǎo)出.avg文件，運(yùn)行CSAMT-SW_V3.0軟件，導(dǎo)入.avg數(shù)據(jù)文件。進(jìn)入Edit編輯，進(jìn)行剔除壞道、靜態(tài)校正，選擇一維反演數(shù)據(jù)建立初始模型，選用TM極化方式，進(jìn)行二維反演[13-14]。

3.2 地層劃分

基于CSAMT的響應(yīng)特征，結(jié)合已有的地質(zhì)、鉆孔資料，對(duì)區(qū)內(nèi)地層的分布特征取得以下認(rèn)識(shí)：

（1）區(qū)內(nèi)電性層主要分為2層（圖2），即電阻率較低的第四系、第三系黃土、砂、卵石層（覆蓋層）以及電阻率較高的碳酸鹽巖層（基巖層），解釋推斷最主要的一個(gè)界線即為覆蓋層與基巖層的分界面。

（2）基巖的界面由小號(hào)點(diǎn)至大號(hào)點(diǎn)（西北至東南方向）呈臺(tái)階式上升趨勢，覆蓋層厚度由800 m逐漸減小為110 m左右，大致可分為4個(gè)臺(tái)階，即1 000～4 600點(diǎn)（覆蓋層厚度700～800 m），4 600～5 800點(diǎn)（覆蓋層厚度450～600 m），5 800～8 000點(diǎn)（覆蓋層厚度240～350 m），8 000～9 200點(diǎn)（覆蓋層厚度110 m左右）。

（3）覆蓋層下部接近基巖界面的區(qū)段，存在一層低于20 Ω·m的低率層（全區(qū)最低），厚度為幾十至200 m不等，局部電阻率可低至5 Ω·m左右，低阻層與卵、礫石層（含水層）對(duì)應(yīng)，卵、礫石層電阻率一般大于80 Ω·m。全新世最大一次海侵到達(dá)研究區(qū)域[9]，低阻層電阻率與含海水地層相似[15]，推斷為海水入侵時(shí)殘留的鹵鹽富集在卵、礫石層（含水層）導(dǎo)致的低阻層。

近剖面已知鉆孔的覆蓋層厚度為263 m（圖1），電阻率反演斷面圖推斷厚度為258 m，表明CSAMT在地層厚度的反應(yīng)與實(shí)際吻合度較高。

3.3 斷層的推斷解釋

基于CSAMT的響應(yīng)特征共推斷出4處斷裂構(gòu)造，分別位于3 000點(diǎn)、4 700點(diǎn)、5 900點(diǎn)與8 000點(diǎn)附近（圖2）。

圖2 CSAMT反演電阻率斷面及推斷解釋圖Fig.2 The Map of CSAMT Inversion Resistivity Section and Inference Interpretation

F1位于剖面3 000點(diǎn)，傾向北西，處于電阻率值梯度帶，傾角約78°。F1斷裂與地質(zhì)圖上的F22（窩洛沽斷裂）相對(duì)應(yīng)，由于測線未完全垂直斷裂方向，致使下部電阻率梯度帶拉長，斷層兩側(cè)覆蓋層厚度也有明顯變化。

F2和F3位于剖面4 700點(diǎn)和5 900點(diǎn)，傾向均為北西，處于電阻率值梯度帶。斷層傾角分別為75°和83°，產(chǎn)狀較陡，切割深度較大，上盤下降，為正斷層，與F23（豐臺(tái)—野雞坨斷裂）相對(duì)應(yīng)。覆蓋層與基巖的界面在兩處斷裂均有明顯的臺(tái)階式錯(cuò)斷，斷裂在第四系有明顯的顯示，最淺部已接近地表。推斷F23斷裂由這兩個(gè)斷裂組成，斷裂帶寬度約1.2 km。斷裂帶規(guī)模較大，切割深度較深，切割寒武系和中晚元古代灰?guī)r、白云巖，兩側(cè)覆蓋層經(jīng)過兩次錯(cuò)動(dòng)，厚度由300 m左右陡然變化至700 m。

F4位于剖面8 000點(diǎn)，傾向北西，處于電阻率值梯度帶，為新發(fā)現(xiàn)斷裂。斷層傾角約83°，傾向北西，上盤下降，為正斷層。斷裂在基巖界面錯(cuò)動(dòng)明顯，切割深度較深，切割寒武系和晚元古代灰?guī)r、白云巖，兩側(cè)覆蓋層厚度由100 m陡增至250 m左右，斷裂北側(cè)覆蓋層較厚，南側(cè)覆蓋層變薄。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)區(qū)內(nèi)覆蓋層較厚、人文干擾較大等不利因素，所采用的“四大”裝置組合方式，達(dá)到了預(yù)想效果，其覆蓋層推斷厚度與實(shí)際相吻合，說明了CSAMT勘探的有效性。

（2）通過已知鉆孔等資料與CSAMT響應(yīng)特征對(duì)比分析，確定了唐山市窩洛沽鎮(zhèn)至韓家莊一帶斷陷盆地的覆蓋層與下伏基巖的界面深度及其變化趨勢（即盆底形態(tài)），推斷了豐臺(tái)—野雞坨等隱伏斷層的位置及性質(zhì)，并圈定了鹵鹽富集的含水層為全新世海侵殘留。

（3）此次CSAMT的成功應(yīng)用，為研究區(qū)的地質(zhì)研究工作提供了可靠的地球物理依據(jù)，也為相似區(qū)的其他地質(zhì)工作起到借鑒意義。