綜合物探技術(shù)在斷裂勘察中的應(yīng)用與研究

季凇達

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

1 引 言

斷裂勘察是鐵路勘察工作中的一項專題工作[1]，而針對一些地質(zhì)資料缺失的隱伏斷層，常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查和鉆探工作難以較準(zhǔn)確地查明斷裂位置和破碎帶分布范圍，具有一定規(guī)模的斷裂則會嚴(yán)重影響鐵路的建設(shè)和運營安全，甚至影響到線路選址，造成設(shè)計變更。因此，斷裂勘察一直是鐵路勘察工作的重點和難點[2]。

物探技術(shù)是斷裂勘察的主要手段，具有方法靈活、工作高效等特點[3]。結(jié)合斷裂的地質(zhì)地貌和地球物理前提，應(yīng)用多種物探方法進行綜合勘察，可進一步精確判斷斷裂的位置和走向，以較小的成本得到較精確的勘察成果，能夠減少地質(zhì)鉆探工作量，節(jié)約勘察成本[4]。

物探技術(shù)中，天然源大地電磁法、電阻率測深法和電阻率聯(lián)合剖面法是有效的斷裂勘察手段[5]。天然源大地電磁法勘探深度較大，能反映斷裂深部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，可有效圈定斷裂的位置與范圍[6]；電測深法則反映地質(zhì)體垂向電性變化[7]，對斷層、巖性界面淺部形態(tài)具有較高的分辨率，可準(zhǔn)確追蹤斷裂的位置和走向；電阻率聯(lián)合剖面法反映地質(zhì)體橫向電性變化[8]，可描述橫向構(gòu)造，劃分?jǐn)嗔哑扑閹У倪吔?。依?jù)以上三種方法在斷層勘察中的特點和優(yōu)勢，本次工作綜合應(yīng)用該三種方法，取長補短，互相對比驗證，可精確查明斷裂帶的位置和走向，并進一步劃分?jǐn)嗔哑扑閹н吔纭?/p>

2 方法原理

2.1 天然源大地電磁法

天然源大地電磁法是目前應(yīng)用比較廣泛的電磁類方法之一[9]，其根據(jù)天然大地電磁場入射到地下時，一部分被地下介質(zhì)吸收，而另一部分反射到地面[10]，并攜帶有地下介質(zhì)的電磁場信息，通過采集這些不同頻率的電磁場信息，進而達到探測地下不同深度地質(zhì)體結(jié)構(gòu)的目的[11]。大地電磁法的探測深度較深，可有效反映出斷層破碎帶的深部電性結(jié)構(gòu)，是斷裂勘察的常用勘察手段，其計算公式如下：

(1)

(2)

其中，ρa為視電阻率(Ω·m)；Ex與Hy為互相垂直的水平電場(V/m)和水平磁場(A/m)[12];f為頻率(Hz)。式(1)中視電阻率ρa由水平電磁場Ex、Hy和勘察周期T決定。式(2)為探測深度的經(jīng)驗公式，勘察深度h將隨視電阻率ρa與頻率f改變而變化[13]。

2.2 直流電測深法

直流電測深法是一種重要且應(yīng)用廣泛的地球物理方法[14]，通過獲得斷層破碎帶的電性特征，進而判斷斷層破碎帶范圍和斷層走向，也是斷裂勘察的常規(guī)手段。電測深法通常采用對稱四極測量裝置[15]，如圖1所示。通過向供電電極AB提供電流I，測量電極MN之間產(chǎn)生電勢差ΔUMN，從而獲得測點O的視電阻率值ρ，計算公式如下：

圖1 對稱四極裝置Fig.1 Symmetrical quadrupole device

(3)

2.3 電阻率聯(lián)合剖面法

3 應(yīng)用實例

3.1 地質(zhì)概況和地球物理條件

測區(qū)位于山西省五臺縣忻定盆地東南部，斷裂走向和位置基本繼承了燕山期擠壓斷褶帶的構(gòu)造，新的斷面是在老斷裂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，但活動斷裂地表出露位置不是沿山前基巖老斷面，而是在老斷面以北，形成階梯狀正斷層，逐步向盆地方向發(fā)展，是新近紀(jì)以來形成的一條以張性傾滑為主的斷裂。

該區(qū)域主要發(fā)育元古界白云巖、紫紅色砂巖，為硬質(zhì)巖，上覆第四系黃土和黏土，較松散，斷裂分布于基巖與黃土之間，在地貌上表現(xiàn)為斷錯三角面和斷錯陡坎，斷裂通過的紫紅色砂巖較破碎，破碎帶內(nèi)物質(zhì)松散。覆蓋層、斷層破碎帶、較完整基巖之間的物性區(qū)別較大，存在一定的電性差異，滿足開展地球物理勘探的前提條件。

3.2 方案制定和測線布置

針對該斷裂的成因和特點，制定了先采用大地電磁法大范圍勘察，圈定斷裂破碎帶大致位置，縮小勘察范圍，再采用電阻率測深法和電阻率聯(lián)剖法進一步精細化勘察，進而確定斷裂破碎帶的中心位置和破碎帶邊界的綜合物探勘察方案。

根據(jù)現(xiàn)場地形特點，在斷裂與線位相交的區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)3條大地電磁法測線，分別為距離線路右側(cè)200 m的測線AMT-Ⅰ、線位主測線AMT-Ⅱ和距離線路左側(cè)100 m的測線AMT-Ⅲ，每條測線長800 m。結(jié)合大地電磁法的勘察成果，為進一步確定斷裂破碎帶的中心位置和兩側(cè)邊界，在主線位上布設(shè)一條電阻率測深測線DS -Ⅰ，長560 m。在3條大地電磁法測線的電性異常位置附近，分別布設(shè)了3條電阻率聯(lián)剖法測線，分別為DP-Ⅰ、DP-Ⅱ和DP-Ⅲ，測線長度300～500 m。具體測線分布圖如圖3所示。

圖3 測線分布Fig.3 Distribution map of survey line

3.3 數(shù)據(jù)采集

本次工作中天然源音頻大地電磁法采用加拿大Phoenix公司生產(chǎn)的V5-2000大地電磁儀器開展工作，工作最小頻率為11.2 Hz，最高頻率10 400 Hz，單點采集，點距為25 m，采集時間30 min；電阻率測深法和聯(lián)剖法采用國產(chǎn)電法儀WDJD-4，電阻率測深法工作方式為對稱四極，勘察點距20 m，加密點距10 m，最大供電極距為300 m，測量極距為5 m；聯(lián)剖法的供電極距為100 m，測量極距為5 m，測量點距為5 m。

3.4 數(shù)據(jù)處理

大地電磁法數(shù)據(jù)處理首先要進行預(yù)處理，包括編輯道頭、傅里葉變換——將時間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成頻率域數(shù)據(jù)、互功率譜計算等[19]；然后進行數(shù)據(jù)去噪和靜校正；最后進行反演計算和成圖。直流電測深法則要確定經(jīng)驗系數(shù)，先結(jié)合量板法進行解譯，再結(jié)合鉆孔資料對解譯成果進行層位標(biāo)定，最后計算成圖。電阻率聯(lián)合剖面法需要進行剔除壞點和曲線分析[20]，分析曲線類型，根據(jù)曲線的交點和變化趨勢判斷斷層的位置和走向。該工區(qū)地形平坦，物探成果可忽略地形影響。3種方法的詳細處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow chart

3.5 解釋原則

大地電磁法資料解釋原則：推斷斷層位置主要以視電阻率值差異及等值線疏密進行判斷，斷層構(gòu)造區(qū)域，巖石往往破碎,風(fēng)化強度較高，多為含水，電阻率等值線發(fā)生突變、扭曲、呈現(xiàn)低阻凹陷或高低阻界面。

電測深法資料解釋原則：以電阻率剖面進行分析，重點分析電阻率等值線形態(tài)劇烈變化、陡立、高低阻分界的位置。

電聯(lián)剖法資料解釋原則：同一地質(zhì)體的聯(lián)剖曲線出現(xiàn)交點、變化劇烈，發(fā)生突變，或根據(jù)曲線斜率最大的位置進行判斷。

4 成果分析

4.1 主測線綜合物探成果分析

4.1.1 天然源大地電磁法成果分析

天然源大地電磁AMT-Ⅱ為主線位測線，成果如圖5所示。在測線里程540處存在明顯的電性界限，電阻率等值線下凹，其左側(cè)小號點以中高阻為主，中深部電阻率變化較大，自上而下的中高阻條帶多次分布，且在測線里程50附近存在巖性界限。右側(cè)以低阻為主，電阻率變化不大，橫向變化較小，推斷斷層位置在測線540附近。

圖5 AMT-Ⅱ天然源大地電磁法剖面成果Fig.5 Results of AMT-Ⅱnatural source magnetotelluric method section

4.1.2 電測深法成果分析

電測深DS-Ⅰ為主線位測線，在測線里程470～620電阻率等值線橫向變化較大，等值線陡立，由小里程到大里程向下傾斜。其左側(cè)小號點以中高阻為主；右側(cè)以中低阻為主，電阻率相對較低，電阻率等值線有起伏，橫向變化略大，往大里程方向電阻率曲線逐漸平順。推斷470～620處為斷層破碎影響帶范圍，該斷層為正斷層。根據(jù)電阻率曲線的變化形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷地層的土石界線(藍線)與巖石強弱風(fēng)化界線(黃線)，如圖6所示。

圖6 電測深法剖面成果Fig.6 Results of electrical sounding profile

4.1.3 電聯(lián)剖法成果分析

圖7 DP-Ⅱ電聯(lián)剖曲線成果Fig.7 Results of DP-Ⅱelectrical cross section curve

4.1.4 主測線綜合分析

結(jié)合天然源大地電磁法、電測深法、電聯(lián)剖法的綜合物探成果推斷：斷層破碎帶中心在線路中測線的540位置，兩側(cè)破碎帶邊界分別在475和620位置，三種方法的成果異常位置對應(yīng)一致，相互對比驗證，成果準(zhǔn)確、可靠。

4.2 右偏200 m測線綜合物探成果分析

天然源大地電磁測線AMT-Ⅰ成果如圖8所示。在測線里程275處存在明顯的電性界限，等值線下凹、陡立，其左側(cè)小號點以中高阻為主；右側(cè)以低阻為主，電阻率變化不大，根據(jù)電阻率曲線變化形態(tài)和趨勢，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷出土石界線(藍線)，在里程50處，電阻率等值線下凹，推斷為巖性分界線B1。聯(lián)合剖面法測線DP-Ⅰ成果如圖9所示，在測線里程185、275、400處分別存在電剖面曲線交叉或同步急劇下降等現(xiàn)象；結(jié)合兩種物探方法綜合推斷275為斷層破碎帶中心，185和400為斷層破碎帶邊界。該斷層的形態(tài)與主測線斷層形態(tài)一致，推斷為同一條斷層。

圖8 AMT-Ⅰ天然源大地電磁法剖面成果Fig.8 Results of AMT-Ⅰnatural source magnetotelluric method section

圖9 DP-Ⅰ電聯(lián)剖曲線成果Fig.9 Results of DP-Ⅰelectrical cross section curve

4.3 左偏100 m測線綜合物探成果分析

天然源大地電磁測線AMT-Ⅲ成果如圖10所示，在測線里程600處存在明顯的電性界限，其左側(cè)小號點以中高阻為主；右側(cè)以低阻為主，在里程75處，電阻率等值線下凹，推斷為巖性分界線B1，根據(jù)電阻率曲線變化形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)資料，推斷土石界線(藍線)。聯(lián)合剖面法測線DP-Ⅲ如圖11所示，在測線里程540、600、680處存在同步急劇下降現(xiàn)象；結(jié)合兩種物探方法綜合推斷600為斷層破碎帶中心，540和680為斷層破碎帶邊界，其電性特征與主測線和右偏200 m測線斷層形態(tài)一致，推測為同一條斷層。

圖10 AMT-Ⅲ天然源大地電磁法剖面成果Fig.10 Results of AMT-Ⅲnatural source magnetotelluric method section

圖11 DP-Ⅲ電聯(lián)剖曲線成果Fig.11 Results of DP-Ⅲelectrical cross section curve

4.4 綜合推斷

結(jié)合3種物探方法得到綜合推斷：活動斷裂自東北向西南，傾角為60°的正斷層，斷層中心自上至下在測線上的位置依次為275、540、600；斷層左側(cè)邊界自上至下在測線上的位置依次為400、620、680；斷層右側(cè)邊界自上至下在測線上的位置依次為185、475、540；斷層中心與線位在540位置相交，且破碎帶影響范圍為475～620。其綜合平面成果如圖12所示。

圖12 綜合平面成果Fig.12 Comprehensive plane results

4.5 鉆孔驗證

為進一步驗證斷裂位置和破碎帶范圍，沿線布設(shè)驗證鉆孔，其多個鉆孔取芯中含有斷層角礫和斷層泥，如圖12中的鉆孔標(biāo)識所示，與圈定的斷裂位置和斷裂破碎帶范圍吻合，驗證了綜合物探技術(shù)推斷斷裂位置、劃分破碎帶范圍的準(zhǔn)確性和高效性。

5 結(jié) 論

1)針對地質(zhì)資料較少、出露不明顯的斷裂勘察，本文采用了天然源大地電磁、電測深和電聯(lián)剖相結(jié)合的綜合物探技術(shù)，準(zhǔn)確判斷出了斷層位置和走向，精確圈定了破碎帶范圍，為鐵路的線路規(guī)劃，規(guī)避風(fēng)險提供了準(zhǔn)確、豐富的地質(zhì)依據(jù)。

2)斷裂勘察應(yīng)充分結(jié)合地球物理前提和地質(zhì)條件，選擇適宜的綜合物探技術(shù)，可有效劃分地質(zhì)單元，圈定斷裂破碎帶中心和范圍，其多元化的物探成果，取長補短、相互驗證，可進一步提高勘探精度和勘探效率。本次綜合物探技術(shù)在活動斷裂勘察中的成功應(yīng)用，對類似的鐵路勘察工作具有一定的指導(dǎo)作用和借鑒意義。