綜合物探在隱伏斷層勘察中的應(yīng)用
——以四川省宜賓縣為例

田府川余，張 剛，周亞東，葛凱波，張新海，張文廣

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010;2.四川省地震局，四川 成都 610000)

1 引 言

宜賓市是川南地區(qū)重要的經(jīng)濟中心，也是國家“西氣東輸”重要的戰(zhàn)略城市，研究該地區(qū)的斷層特征對城市安全建設(shè)具有重要意義。城市內(nèi)斷層受到地殼運動、人類工程活動的影響等原因，其原有地表特征被大大改變，從而成為隱伏斷層。在以往的斷層調(diào)查中鉆探是最直接的手段，但一方面由于鉆探的施工成本較大，施工不便；另一方面在鉆探過程中會產(chǎn)生較大的噪音及造成環(huán)境的破壞，因此鉆探只能作為輔助手段，而無損的地球物理技術(shù)可作為主要方法。斷層由于其特殊性，在兩盤巖體中存在一定的物性差異(密度、速度、磁性、電性)，這些物性差異是進行地球物理勘探的基礎(chǔ)。電阻率成像法及地震反射波法因在城市環(huán)境中具有較高的抗干擾性而被廣泛地應(yīng)用于城市斷層追蹤定位。王志鵬等[1]研究得到電阻率成像法對探測斷層具有一定的有效性和準確性；范堯等[2]采用綜合地球物理方法在復(fù)雜斷層區(qū)中的研究具有良好的應(yīng)用效果；徐明才等[3]利用地震反射波法探測了太行山山前斷裂的活動特征；王小明等[4]利用地震反射波法探查出了城市地下斷層構(gòu)造；國外學(xué)者也利用物探方法對活動斷層進行了許多研究，Suski等[5]利用電成像技術(shù)對危拉馬拉中部城市化地區(qū)的活動斷層進行定位與研究；Okay等[6]利用地震反射波法對土耳其西北部馬爾馬拉?；顒訑鄬舆M行了研究。在前人的基礎(chǔ)上，為了避免單一地球物理方法調(diào)查結(jié)果的多解性，本次研究采用電阻率成像法與地震反射波法聯(lián)合勘探，確定斷層的位置和特征，查明場地內(nèi)地層情況，并結(jié)合鉆探資料為宜賓縣城的建設(shè)提供依據(jù)。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地南部的宜賓市宜賓縣，北距宜賓菜壩機場10 km，南部緊鄰金沙江水道，可與岷江水道和金沙江水道相連。研究區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于川東、川中褶皺帶，位于穩(wěn)定的揚子陸塊，其西邊為復(fù)雜的松潘甘孜地塊(圖1)。研究區(qū)東部地區(qū)與西部地區(qū)新構(gòu)造運動具有明顯差異:其所處的四川盆地第四紀以來抬升較為緩慢，構(gòu)造結(jié)構(gòu)簡單，板塊活動性較弱；其西部地區(qū)為青藏高原東緣，受到四川盆地的阻擋，第四紀以來，青藏高原快速隆起，該區(qū)域出現(xiàn)大量的斷層帶，同時也成為地震的活躍地帶[7-9]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造背景Fig.1 Tectonic background of the study area

研究區(qū)屬于山地丘陵地貌，地勢整體北高南低，海拔高度在260～450 m之間。場地內(nèi)第四系發(fā)育，分布廣泛，主要以沖洪積類型為主。主要出露基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)及侏羅系上統(tǒng)遂寧組巖組(J3s)(圖2)。其中侏羅系上統(tǒng)遂寧組巖組巖層主要分布在宜賓縣城城北新城一帶地區(qū)，侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組巖層分布于縣城北部。巖性多為砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖。在研究區(qū)附近有北西向斷層構(gòu)造，屬于柏樹溪斷層的分支,在城區(qū)范圍內(nèi)并未有出露現(xiàn)象。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.2 Geological map of Yibin

地震的發(fā)生是斷層活動性的重要體現(xiàn)。研究區(qū)在2009年前處于地震平靜期，2009年以來，地震活動性明顯增加，具體見中國地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)(圖3)：截至2019年12月，該地區(qū)共發(fā)生0～1.9級地震26 451次，2～2.9級地震1 987次，3～3.9級地震210次，4～4.9級地震47次，5級以上地震12次，表明該斷層現(xiàn)今活動性明顯增強。斷層活動不僅會造成地震的發(fā)生，還會引發(fā)次生災(zāi)害，因此，對柏樹溪斷層的勘探變得十分重要。

圖3 研究區(qū)1995～2019年度地震臺網(wǎng)記錄的數(shù)據(jù)Fig.3 Annual earthquake frequency map of Yibin City from 1995 to 2019

3 方法及野外數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 電阻率成像法(ERT)

3.1.1 ERT野外數(shù)據(jù)采集

ERT(Electrical Resistivity Tomography)可以根據(jù)地下結(jié)構(gòu)電性差異的不同，研究人為外加電場作用下，地下結(jié)構(gòu)體中電流的分布規(guī)律，其最主要的優(yōu)勢就是可以自動化、智能化并快速采集到大量原始數(shù)據(jù)，同時又可以通過改變地表不同電極距的設(shè)置從而采集到地下不同地點、不同深度的電阻率值，斷層兩盤巖體存在的顯著電性結(jié)構(gòu)差異是ERT識別斷層的判斷依據(jù)[11,12],ERT數(shù)據(jù)反演結(jié)果可以很好地反映地層橫向上的電阻率變化特征。常用的測量方法有微分γ、偶極β以及溫納α，本次工作區(qū)域處于城市之中，環(huán)境干擾較多，因此選用信噪比較高的溫納α方式[13]。由于地表的介質(zhì)物性條件存在差異，在進行正式施工前，必須到現(xiàn)場踏勘合理布置測線，以及通過實驗選擇最佳的電極距、工作條件及工作參數(shù)，確保儀器設(shè)備性能滿足規(guī)程要求及數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量[14]。

本文根據(jù)已有的地質(zhì)資料結(jié)合地表情況，為有效控制斷層在研究區(qū)的分布情況，在與斷層走向垂直的方向布置四條NE走向的高密度測線(Z1～Z4)，在本次研究中，采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2型60道電法儀,測量電壓由變壓器輸出，輸出電壓為180 V,測線具體參數(shù)見表1，分布位置見圖4。

表1 高密度電法數(shù)據(jù)采集參數(shù)

圖4 測線布置Fig.4 Survey line location of the different geophysical methods

3.1.2 ERT數(shù)據(jù)處理與解釋

在數(shù)據(jù)處理方面，首先對高密度電法的數(shù)據(jù)進行一致性質(zhì)量檢驗，并且對獲得的數(shù)據(jù)重新排列后剔除異常點，再使用瑞典RES2D1NV軟件基于準牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘法的新算法進行反演，同時在反演中加入地形數(shù)據(jù)，從而降低人為誤差[15]，圖5是對Z1～Z4四條測線進行反演得到的二維剖面圖，RMS誤差分別為15.8 %、13.5 %、13.2 %和18.2 %，均在合理范圍內(nèi)。

Z1測線位于場地外G85渝昆高速收費站附近，測線沿著170°方向布置；Z2測線位于柏溪車站附近河溝一側(cè)，沿著40°方向布置，Z1與Z2之間的距離約為300，巖性相似，整體地形較為平坦。Z3測線位于金沙江畔綠化帶上，測線沿83°方向布置；Z4測線位于金沙江畔綠化帶上，測線沿102°方向布置，Z3和Z4之間的距離約為100 m，具有相似的巖性和不同厚度的覆蓋層。

如圖5所示，Z1淺部范圍分布著5 m左右的中阻層，該部分為地表雜填土，以卵石為主，夾雜部分垃圾，從而電阻顯示相對較高；在橫向10～100 m范圍內(nèi)，存在部分低阻區(qū)，根據(jù)前期的調(diào)查情況，可推斷為粉質(zhì)黏土層表現(xiàn)出的低阻特征；在橫向70～130 m位置，深部顯示的電性結(jié)構(gòu)為高阻區(qū)，推斷其為下伏基巖，巖性主要為泥巖和砂巖。Z2在橫向100～210 m段顯示為淺部雜填土的中阻特征，其下部表現(xiàn)為密實卵石層的高阻特征；在橫向50～100 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了部分的低阻區(qū)，該部分顯示了第四系底部的卵石層及風化基巖等特征；在橫向150～295 m電性結(jié)構(gòu)較為簡單，顯示了淺部高阻的卵石層以及深部低阻的風化泥巖層。研究區(qū)位于金沙江附近，在含水和潮濕的條件下，泥巖的電阻率低于正常值；在剖面150 m處，Z1和Z2的電阻率均出現(xiàn)了非常明顯的錯斷和不連續(xù)，判斷該處異常是由斷層引起的。Z3可以分為三層，即淺部中阻特征的雜填土、中部高阻特征的卵石層以及深部相對低阻的基巖層，該條測線位于金沙江附近，地層物質(zhì)較為松散，受到河水影響較大，地下水含量相對較高，因此在該處電阻率表現(xiàn)為相對低阻。Z4淺部主要為黏土填充含水量相對較高，從而顯示低阻特征；在中部是以卵石為主的高阻區(qū)域；在其深部為風化泥巖、砂巖層。其風化程度較強，且富水性較好，因此該部分整體電阻率特征顯示為相對低阻。結(jié)合Z3和Z4的電阻率特性推斷，基巖埋深40 m左右，在整個測線覆蓋范圍內(nèi)，并沒有出現(xiàn)明顯的電阻率錯斷和不連續(xù)，因此可以判斷該范圍內(nèi)沒有斷層通過。

圖5 Z1～Z4二維剖面反演Fig.5 2D resistivity inverse sections of the ERT profile Z1～Z4 carried out in the work field

通過對ERT 4條測線的二維剖面進行解釋和分析，可以發(fā)現(xiàn)4條測線總體電阻率差異較小。Z1與Z2的電性結(jié)構(gòu)具有明顯的分區(qū)特性，電阻率成層較差，2條測線內(nèi)均觀測到有斷層通過；Z3和Z4電阻率結(jié)構(gòu)特征較為簡單，并且具有明顯的成層性，并沒有斷層通過的跡象；同時，根據(jù)4條剖面的電阻率圖可以發(fā)現(xiàn)，第四系覆蓋層厚度總體表現(xiàn)為南厚北薄。本文通過ERT的結(jié)果初步判斷了斷層在場地內(nèi)的分布情況為NW向分布，為進一步查明斷層的分布情況，再在研究區(qū)布置D1,D2兩條NE走向的地震測線，測線長度分別為1.00 km和0.40 km，具體參數(shù)見表2，關(guān)系位置見圖4。

表2 地震反射波法數(shù)據(jù)采集參數(shù)

3.2 地震反射波法

3.2.1 地震反射波法野外數(shù)據(jù)采集

地震反射波法通過人工激發(fā)向地下發(fā)射地震波，地震波在不同的介質(zhì)中發(fā)生反射，通過對反射波的分析可以得到地下斷層的分布情況,具有較高的縱向分辨率。地震反射波法既可以提供地下圖像，又可以提供工程施工中的相應(yīng)設(shè)計參數(shù)[16-18]，對波阻抗界面反應(yīng)靈敏，在斷層附近，反射波同相軸會發(fā)生錯斷，這就可以用來測定斷層錯動帶[19,20]，本次研究采用的是加拿大生產(chǎn)的ARIES數(shù)字地震儀。

3.2.2 地震反射波法數(shù)據(jù)處理與解釋

對于地震數(shù)據(jù)的解釋是在GeoFrame4.5專用地震解釋工作站上進行的，主要采用了折射靜校正、地表一致性反褶積、常速掃描、剩余靜校正、疊后去噪和偏移等主要處理模塊[21]，這些處理過程使得到的時間剖面整體分辨率較高，有效波頻帶范圍寬，干擾消除較徹底，反射波層次清楚，兩條測線都取得了較好的處理成果。圖6，圖7是測線D1得到的成果圖，圖8，圖9是測線D2得到的成果圖。

從圖6可以看出,地震時間剖面信噪比較高，反射波組連續(xù)性較好，反射波錯斷特征較為明顯。將圖6分為5個反射界面T1、T2、T3、T4和T5。

圖6 D1時間疊加剖面Fig.6 Detail of seismic section D1

圖7 D1地質(zhì)解釋Fig.7 Geological interpretation map of D1

1)T1波：為第四系底界面的反射波，該反射波能量較強；

2)T2波：為第四系底界面之下最近基巖層的反射波，位于柏樹溪斷層上盤區(qū)，顯示為2～3組強相位，反射波能量強，推斷為侏羅紀中統(tǒng)基巖層反射波，與上層第四系呈現(xiàn)明顯的角度不整合；

3)T3波：為柏樹溪斷層上盤區(qū)基巖層內(nèi)的反射波，推斷為侏羅紀中統(tǒng)反射波，受到上覆地層對能量的吸收作用，該組反射波顯示為一個較弱相位，但是仍明顯地顯示了在柏樹溪斷層上盤區(qū)的地層特征。

4)T4波：為柏樹溪斷層下盤區(qū)基巖層的反射波，推斷為侏羅紀上統(tǒng)反射波，顯示為1～2組強相位，局部能量較大；

5)T5波：為侏羅紀上統(tǒng)基巖層內(nèi)的反射波，反射波能量強，頻率較高，連續(xù)性較好。

在樁號CDP600處，同相軸發(fā)生了明顯的錯斷、扭曲。排除干擾因素，可以推斷該處異常是由斷層引起的。根據(jù)地震反射波的產(chǎn)狀特點，可以發(fā)現(xiàn)斷層發(fā)育于中生代地層中，具有明顯的逆沖斷層性質(zhì)，視傾向SW，上斷點埋深約51 m。該斷點位于第四系底界面之下，因此推斷其為第四系之前的活動斷層。

D2測線靠近金沙江，第四系大量發(fā)育河道卵石與漂礫，潛水位比較深，對可控震源激發(fā)的地震波能量有較大吸收，導(dǎo)致對深部地層的反射波能量偏弱。從測試結(jié)果(圖8，圖9)可以看出，該條地震測線的時間剖面圖信噪比一般，反射波組連續(xù)性總體較好，共解釋了3個反射界面T1、T2和T3。從整體上看，該條地震測線反射波組連續(xù)性總體較好，沒有出現(xiàn)明顯的錯斷，因此可以判斷該條測線范圍內(nèi)并沒有斷層穿過；D2測線范圍內(nèi)第四系覆蓋層厚度大約為40 m，下覆基巖層連續(xù)性較好。

圖8 D2時間疊加剖面Fig.8 Detail of seismic section D2

圖9 D2地質(zhì)解釋Fig.9 Geological interpretation map of D2

地震探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)只在D1測線上有明顯異常，結(jié)合地震探測成果同時考慮現(xiàn)場施工，本文再在D1測線上由SW-NE方向分別布設(shè)5個鉆孔(G1～G5)加以驗證，鉆孔間距15～20 m，具體參數(shù)見表3，鉆孔布置見圖4。

表3 地質(zhì)鉆孔采集參數(shù)

3.3 鉆孔資料

通過跨斷層的鉆孔聯(lián)合剖面(圖10)可以發(fā)現(xiàn)，地表卵石層與下伏基巖呈現(xiàn)角度不整合接觸，厚度約為50.1～53.2 m；卵石層底部基巖發(fā)育有0.8～1.2 m的強風化殼，巖性以砂巖為主，下部中風化基巖主要為泥巖和泥質(zhì)砂巖。鉆孔G1～G5在斷層上盤揭露的基巖面皆為強風化泥巖，而在下盤G4孔基巖面則為中風化的泥質(zhì)砂巖，出現(xiàn)了巖性不連續(xù)的現(xiàn)象，因此判斷該層為斷層所在位置。鉆孔揭露的基巖，產(chǎn)狀特征表現(xiàn)為一單斜構(gòu)造，與地震反射勘探的解釋成果一致。

圖10 鉆孔聯(lián)合剖面Fig.10 Revealed results of verticalboreholes

圖11為鉆孔G4鉆探結(jié)果，G4孔揭露的斷層破碎帶，巖性為泥巖，紅褐色，中風化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中層狀構(gòu)造，鈣質(zhì)膠結(jié)；頂部覆蓋全新世殘積層，巖層受擠壓后極為破碎，節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面含次生礦物、鏡面光澤感較強；斷面呈緊閉狀，破碎帶寬約1 m，主要由擠壓劈理帶、擠壓透鏡體、斷層角礫等組成，擠壓揉皺現(xiàn)象明顯，斷面光滑平直，沿斷面有紫紅色斷層泥產(chǎn)出，未見明顯的錯動；該層的揭露可作為判別斷層的重要標志層。通過鉆孔聯(lián)合剖面及G4鉆孔圖可以判斷，柏樹溪斷層上斷點位于G4和G5之間，上斷點埋深約50.47 m，斷層僅錯斷紅褐色基巖并未切穿新生界，因此可以確定為早中更新世活動斷層。根據(jù)地震結(jié)果以及剖面對比，最終可以確定柏樹溪斷層為NW～SE走向，傾向為SW，根據(jù)鉆孔揭露鏡面及擠壓痕跡顯示斷層傾角為25°～40°之間。

圖11 G4斷層破碎帶鉆探結(jié)果Fig.11 Revealed results of G4

4 討 論

在此次項目調(diào)查中，本文采用電阻率成像法、地震反射波法及地質(zhì)鉆探聯(lián)合的勘探方法對研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)情況及斷層性質(zhì)進行了詳細的研究，確定了地層分布概況并對斷層的性質(zhì)有了更為詳細的了解。雖然采用電成像法及地震反射波法聯(lián)合勘探的方法解決了所涉及的問題，但仍有一些問題需要進行研究：

1)地震反射波法在斷層勘探中具有較好的效果，但是研究區(qū)位于金沙江附近，表淺層含有較厚的卵、礫石及松散沙層，使地震能量波損失較多。

2)本次電阻率成像法確定了斷層的位置，同時也查明了地層分布情況，但是受到城市建筑及地形條件的影響，電阻率成像法的電極距較大，并且不同地段基巖風化程度和地下水埋深不同，導(dǎo)致電性結(jié)構(gòu)的解釋存在一定的差異。

圖12 研究區(qū)內(nèi)斷層分布Fig.12 Distribution of concealed faults in the study area

5 結(jié) 論

本文利用電阻率成像法和地震反射波法聯(lián)合勘探，最后再利用地質(zhì)鉆探驗證，對宜賓縣內(nèi)斷層分布情況及斷層的性質(zhì)進行了研究和討論，最終得出以下結(jié)論：

1)查明了斷層分布。首先利用電阻率成像技術(shù)布置了4條測線(Z1～Z4)，圈定了斷層在研究區(qū)內(nèi)的分布情況大致為NW向分布；為進一步確定斷層分布情況，再沿NE向布設(shè)了2條地震測線D1、D2，結(jié)果只在D1測線上顯示明顯異常，進一步確定了斷層的分布情況為NE向；最后利用鉆孔(G1～G5)在地震測線D1上進行驗證，查明了柏樹溪斷層為逆沖型斷層，走向為NW～SE，傾向SW，傾角25°～40°(圖10)。

2)查明了斷層的性質(zhì)。結(jié)合兩種物探方法得到的數(shù)據(jù)結(jié)果與鉆孔驗證的數(shù)據(jù)結(jié)果對該斷層的性質(zhì)進行進一步分析。根據(jù)地震測線的數(shù)據(jù)判斷上斷點埋深51 m左右，該斷點位于第四系底界面之下，推斷其為第四系之前的活動斷層，最終鉆孔數(shù)據(jù)也驗證了此結(jié)論，并進一步表明該斷層僅錯斷，紅褐色基巖并未切穿新生界，因此可以確定該斷層為早中更新世活動斷層；由4條電阻率測線判斷覆蓋層厚度總體特征為南厚北薄，基巖埋深大約40 m，主要以卵石、粉土及粉質(zhì)黏土為主。

3)該斷層位于宜賓縣城內(nèi)，本文可為宜賓縣城市建設(shè)規(guī)劃提供依據(jù)。