基于大地電磁測(cè)深的沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)研究

王志耕

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401121)

1 引 言

沉積區(qū)的隱伏斷層探測(cè)是一項(xiàng)非常困難的工作，關(guān)于隱伏斷層探測(cè)方法和手段的研究日益增多。沉積物覆蓋基巖斷層、侵位巖體占據(jù)斷層均是產(chǎn)生隱伏斷層的基本原因。隱伏斷層的產(chǎn)生可能會(huì)引發(fā)地震及其他地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)城市內(nèi)的相關(guān)施工工程產(chǎn)生安全威脅，由此可見(jiàn)，探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的隱伏斷層對(duì)于減輕城市地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義[1]。

隱伏斷層的存在會(huì)破壞地層，進(jìn)而導(dǎo)致巖石的地球物理性質(zhì)發(fā)生改變。因此，需要基于地球物理前提，采用對(duì)應(yīng)的物探方法進(jìn)行隱伏活動(dòng)斷層探測(cè)。當(dāng)前對(duì)隱伏斷層的物探方法主要有：淺層地震勘探、垂直地震剖面、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)等。淺層勘探方法可以得到空間分布、幾何形態(tài)、斷層活動(dòng)以及演變規(guī)律等斷層參數(shù)，這是一種有效且重要的淺隱伏斷層探測(cè)方法[2]。但在隱伏斷層的探測(cè)中，由于第四紀(jì)松散沉積層界面波阻抗差異較小，導(dǎo)致第四紀(jì)斷層間錯(cuò)距較小，特別是在淺部或震源附近一定范圍內(nèi)，有效的反射波信號(hào)如面波、聲波、直達(dá)波等完全被干擾波淹沒(méi)，往往得不到有效的反射波信息，這就是淺部地震勘探的盲區(qū)。為解決上述常規(guī)檢測(cè)方法存在的勘探盲區(qū)及檢測(cè)速度慢的問(wèn)題，本文引入大地電磁測(cè)深技術(shù)優(yōu)化隱伏斷層的探測(cè)。

大地電磁測(cè)深是一種物理探測(cè)手段，主要利用巖層的電性結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)測(cè)定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)水平分量的變化情況，得出相應(yīng)的電磁場(chǎng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為能夠可視化分析的電阻率曲線和相位曲線，進(jìn)而通過(guò)反演得出各個(gè)隱伏斷層的視電阻率和厚度探測(cè)結(jié)果。在傳統(tǒng)沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法的基礎(chǔ)上，利用大地電磁測(cè)深技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高沉積區(qū)隱伏斷層的探測(cè)效率。

2 沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法設(shè)計(jì)

隱伏斷層探測(cè)的基本思路是：根據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料確定目標(biāo)隱伏斷層的大致探測(cè)范圍，并結(jié)合地震勘探剖面信息數(shù)據(jù)確定目標(biāo)斷層的埋藏深度。在確定目標(biāo)斷層后，確定斷層的分布、產(chǎn)狀和活動(dòng)范圍。沉積區(qū)隱伏斷層中斷層長(zhǎng)度和震級(jí)的關(guān)系公式如下：

M=3.01gL+1.4

(1)

公式(1)中：參數(shù)L代表斷層長(zhǎng)度，M代表震級(jí)，g為常數(shù)。通過(guò)公式(1)的計(jì)算與分析，可以發(fā)現(xiàn)6.5級(jí)以上地震對(duì)應(yīng)的隱伏斷層深度為60 km左右[3]。綜合上述隱伏斷層的探測(cè)原則和思路，通過(guò)目標(biāo)斷層的確定，淺層地震勘探、鉆探及槽探等方法，在沉積區(qū)范圍內(nèi)獲得最終的探測(cè)結(jié)果。其中，在沉積層隱伏斷層的深度測(cè)定過(guò)程中，引入大地電磁測(cè)深技術(shù)可以直接測(cè)定沉積層隱伏斷層的深度，從而更快地確定探測(cè)目標(biāo)。

2.1 構(gòu)建沉積區(qū)隱伏斷層模型

沉積層的形成是由于大量泥質(zhì)沉積物的不均勻堆積所致，不同地質(zhì)構(gòu)造、水文環(huán)境形成的沉積層結(jié)構(gòu)有細(xì)微的差別。如果考慮到沉積層的厚度，巖心的沉積速率在22.7～409.1 cm/ka之間，就可以得出沉積層的基本組成[4]。同樣，如果不考慮沉積層的厚度，也就是假定沉積層的沉積時(shí)間為0，巖心的沉積速率為50.7～75.6 cm/ka，即可得到相應(yīng)的沉積層組成結(jié)果，見(jiàn)圖1。

圖1 不同巖心沉積速率下形成的沉積區(qū)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of sedimentary area formed by different core deposition rates

斷裂破碎帶內(nèi)各類巖體分布不均，孔隙較大，當(dāng)斷裂破碎帶未充水時(shí)，通常表現(xiàn)為高阻異常；當(dāng)斷裂破碎帶充水時(shí)，常表現(xiàn)為低阻異常[5]。二維斷裂破碎帶模型如圖2所示。

圖2 沉積區(qū)斷層模型Fig.2 The fault model of sedimentary area

從圖2可以看出，相對(duì)低阻斷層破碎帶的電阻率是100 Ω·m，圍巖電阻率是1 000 Ω·m；相對(duì)高阻斷層破碎帶的電阻率是1 000 Ω·m，圍巖電阻率是100 Ω·m；斷層寬度是100 m，頂部的埋深是200 m，長(zhǎng)度是600 m。

2.2 分析沉積區(qū)隱伏斷層帶電性結(jié)構(gòu)特征

斷層的一般特征是向下延伸很深的二維板狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)斷層的性質(zhì)、斷裂帶寬度、圍巖電阻率特性以及斷層與圍巖介質(zhì)電阻率之間的關(guān)系，可以將隱伏斷層分為低阻斷層和高阻斷層兩種類型[6]。通常斷層的年齡越大，其黏結(jié)度越大。基于斷層與兩側(cè)巖層之間的電性差異，如圖3所示，可以將隱伏斷層的電性特征分為以下情況：當(dāng)斷層破碎帶寬、斷層電阻率與兩側(cè)巖層電阻率差異明顯時(shí)，斷層表現(xiàn)為高阻或低阻板狀體。當(dāng)斷層帶不發(fā)育或斷層電阻率與兩側(cè)巖層電阻率差異不明顯時(shí)，如果斷層兩側(cè)巖性不同，斷層將表現(xiàn)為巖性分界面；如果斷層兩側(cè)巖性相同且與斷層的電阻率差異不大時(shí)，電法探測(cè)將難以反映。

圖3 隱伏斷層的電性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)Fig.3 The electrical structure of buried faults

2.3 大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)的采集

在大地電磁測(cè)深技術(shù)運(yùn)行過(guò)程中，電磁波在不同的頻率上所具備的穿透能力不同，可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)范圍內(nèi)電磁場(chǎng)的觀測(cè)，了解電性分布規(guī)律，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)地內(nèi)的電性結(jié)構(gòu)[7]。圖4表示地球磁層的結(jié)構(gòu)。

圖4 地球磁層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of geomagnetic layer structure

根據(jù)大地電磁測(cè)深理論，由場(chǎng)源產(chǎn)生的電磁波為平面波，其射入方式為豎直向下，且入射過(guò)程中無(wú)其他介質(zhì)干擾。地下介質(zhì)的電磁頻率和電導(dǎo)率會(huì)在一定程度上影響電磁波的穿透深度和擴(kuò)散廣度[8]。在低頻電磁場(chǎng)作用下，增加介質(zhì)的電導(dǎo)率，使得電磁波的能量損失降低，間接增加其穿透深度，形成大地電磁測(cè)深技術(shù)的物理基礎(chǔ)[9]。定義電磁波在地下介質(zhì)中的穿透深度為趨膚深度，可以表示為：

(2)

式中：ω和σ分別為電磁波的頻率和地下介質(zhì)的電導(dǎo)率，μ表示電磁場(chǎng)的諧變。當(dāng)電磁波能量衰減到最初的50%時(shí)，傳播深度為勘探深度，計(jì)算公式如下：

(3)

由于趨膚深度和勘探深度均與電磁波的頻率以及介質(zhì)的視電阻率有關(guān)系，由此可以得出視電阻率表達(dá)式為：

(4)

式中：f為頻率，E和H分別為實(shí)測(cè)電磁場(chǎng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量[10]。安裝大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)采集裝置，通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)信號(hào)變化情況的觀察得出時(shí)間域信號(hào)，最終經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得出以頻率域信號(hào)形式輸出的大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

2.4 探測(cè)結(jié)果的可視化輸出

大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)為聲波反射雙程旅行時(shí)間記錄剖面，選擇適當(dāng)?shù)穆曀贁?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)反射時(shí)間剖面到反射深度剖面的轉(zhuǎn)換[11]。具體的轉(zhuǎn)換過(guò)程可以表示為：

(5)

式中：v為平均速度，t為反射波兩次傳播的時(shí)間，h為探測(cè)深度。將經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和處理的大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)導(dǎo)入構(gòu)造的沉積區(qū)隱伏斷層模型中，最后標(biāo)注輸出的沉積區(qū)隱伏斷層模型探測(cè)結(jié)果，得到最終的可視輸出結(jié)果。

3 應(yīng)用試驗(yàn)分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于大地電磁測(cè)深的沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法在實(shí)際探測(cè)工作中的應(yīng)用效果，選擇沉積區(qū)隱伏斷層的研究區(qū)域，并得出最終的探測(cè)結(jié)果。為了形成試驗(yàn)對(duì)比，除設(shè)計(jì)的探測(cè)方法外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的探測(cè)方法和文獻(xiàn)[7]中提出的基于三維高密度電法的隱伏斷層探測(cè)方法作為試驗(yàn)的對(duì)照方法，從檢測(cè)速度方面得出應(yīng)用性能的對(duì)比結(jié)果。

3.1 研究區(qū)域概況

本文所選試驗(yàn)區(qū)域經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的地殼演化，在第三紀(jì)和第四紀(jì)期間出現(xiàn)強(qiáng)烈的玄武質(zhì)火山活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜。在太古代和元古代時(shí)期，逐步形成以變質(zhì)巖和花崗巖為主的基巖體系。在元古晚期至古生代后期，該區(qū)域逐漸發(fā)展成為歐亞大陸的一個(gè)組成部分[12]。到了中生代，由于風(fēng)化剝蝕作用，地殼局部下陷，陸相沉積活動(dòng)增強(qiáng)，同時(shí)伴有中酸性巖漿活動(dòng)，形成陸相沉積盆地區(qū)域。在斷層構(gòu)造方面，該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)異常復(fù)雜，該地區(qū)主要分布有北東、北西和東西向多條大型斷層，形成其主要構(gòu)造格局。中低山熔巖臺(tái)地的地形地貌是由構(gòu)造活動(dòng)逐步形成的。

該研究區(qū)域地勢(shì)高聳，侵蝕切削強(qiáng)烈，水文網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，水網(wǎng)密集，且在地形地貌的影響下，地下水總體分布不均勻。隱伏斷層在研究沉積區(qū)的分布見(jiàn)圖5。

圖5 研究沉積區(qū)隱伏斷層剖面Fig.5 Profile of buried faults in the studied sedimentary area

3.2 測(cè)線布設(shè)及參數(shù)選擇

根據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)和施工條件，沿西南方向布置4個(gè)剖面，方位39°，自北向南設(shè)置測(cè)線編號(hào)為20、40、60、80，點(diǎn)號(hào)自西向東依次增大。每條剖面長(zhǎng)度控制在2.7～3.0 km之間，共分為198個(gè)具體測(cè)點(diǎn)?？紤]到勘探深度和觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)際運(yùn)行要求，采用1.2 km發(fā)射偶極距，并將其布置在測(cè)區(qū)東南部。另外，考慮到沉積層的深度，盡量采用中低頻，頻率選取為1～8 192 Hz。

3.3 大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

將大地電磁測(cè)深技術(shù)運(yùn)行的相關(guān)設(shè)備安裝在研究的沉積區(qū)范圍內(nèi)，得出測(cè)深信號(hào)如圖6所示。

圖6 大地電磁測(cè)深信號(hào)Fig.6 Magnetotelluric sounding signal

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的視電阻率、相位和幅值曲線等參數(shù)，排除不可靠數(shù)據(jù)，用于實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。如有必要，通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方式得到精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果。對(duì)整個(gè)測(cè)線進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)后，生成擬反演解釋成果圖，并在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)結(jié)束后，分別從調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和二維反演處理兩個(gè)方面，得出探測(cè)數(shù)據(jù)的最終處理結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7 大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)處理界面Fig.7 The data processing interface of magnetotelluric sounding

3.4 沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)結(jié)果分析

在排除大地電磁測(cè)深干擾信號(hào)的基礎(chǔ)上，確定圓滑系數(shù)和剖面起止點(diǎn)，對(duì)剖面進(jìn)行修整處理，得到沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)的最終成果圖，其中40號(hào)測(cè)線和20號(hào)測(cè)線如圖8所示。

(a)40號(hào)測(cè)線

從圖8可以直接看出，在40號(hào)測(cè)線上，視電阻率的探測(cè)結(jié)果在0～200 m之間，且在1 350測(cè)點(diǎn)及其西中深部位置上的電阻率較高。從東西水平方向上來(lái)看，存在明顯的電阻率分界，且分界線逐漸向北方向傾斜。另外，20號(hào)測(cè)線上0～100 m 范圍內(nèi)的電阻率較低，同樣存在以線性分布的電阻分界，在1 450測(cè)點(diǎn)附近中深部出現(xiàn)漏斗狀低阻異常帶，該區(qū)域內(nèi)存在等高線密集的特征。

通過(guò)20號(hào)和40號(hào)測(cè)線的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)20號(hào)測(cè)線西部的高電阻率異常不完整，結(jié)合地形分布特征能夠推斷出20號(hào)測(cè)線上300 m以下為隱伏斷層，斷層逐漸向東傾斜。綜合20、40、60、80這4條測(cè)線的探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)研究的沉積區(qū)內(nèi)電阻率分布特征相似，可以推斷出隱伏斷層的起始位置在1 400測(cè)點(diǎn)附近，隱伏斷層下盤(pán)震旦系地層的傾角較測(cè)線方向向深部延伸。

3.5 應(yīng)用性能對(duì)比分析

以測(cè)試沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法的應(yīng)用性能為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，分別將設(shè)計(jì)的探測(cè)方法和兩種對(duì)比探測(cè)方法應(yīng)用到試驗(yàn)環(huán)境中，得出研究對(duì)象的探測(cè)分析結(jié)果。分別對(duì)比各個(gè)探測(cè)點(diǎn)上獲取探測(cè)數(shù)據(jù)的速度來(lái)反映探測(cè)方法的應(yīng)用性能。經(jīng)過(guò)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)接收時(shí)間的記錄，得出有關(guān)探測(cè)速度的統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果，如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1中數(shù)據(jù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，三種方法的平均探測(cè)時(shí)間分別為62.3 s、49.3 s和26.3 s，即應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于大地電磁測(cè)深的沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法，在實(shí)際探測(cè)工作中探測(cè)速度有所提升。

表1 沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)速度對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparisonresultsofdetectionspeedofburiedfaultsinsedimentaryarea探測(cè)點(diǎn)編號(hào)探測(cè)起始時(shí)間應(yīng)用傳統(tǒng)探測(cè)方法接收數(shù)據(jù)的時(shí)間應(yīng)用文獻(xiàn)[7]中提出探測(cè)方法接收數(shù)據(jù)的時(shí)間應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于大地電磁測(cè)深的沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方法接收數(shù)據(jù)的時(shí)間DJ-0018∶00∶008∶01∶118∶00∶568∶00∶30DJ-0028∶05∶008∶06∶048∶05∶548∶05∶23DJ-0048∶15∶008∶15∶598∶15∶488∶15∶16DJ-0088∶35∶008∶36∶178∶35∶538∶35∶35DJ-0159∶00∶009∶00∶559∶00∶429∶00∶27DJ-0239∶30∶009∶30∶579∶30∶489∶30∶31DJ-0259∶40∶009∶40∶539∶40∶449∶40∶22

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出以大地電磁測(cè)深技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)解決沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)速度慢等問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了詳細(xì)的沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)方案，構(gòu)建了不同沉降速率下的沉積區(qū)模型，對(duì)沉積區(qū)隱伏斷層帶電性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析。與傳統(tǒng)探測(cè)方法、三維高密度電法等兩種方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，大地電磁測(cè)深技術(shù)進(jìn)行沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)平均探測(cè)時(shí)間最短為26.3 s。對(duì)比試驗(yàn)證明，利用大地電磁測(cè)深技術(shù)進(jìn)行沉積區(qū)隱伏斷層探測(cè)可取得較好的效果，且可推廣使用。

在實(shí)際探測(cè)工作中，大地電磁測(cè)深的測(cè)量與計(jì)算深度可達(dá)數(shù)千米，但對(duì)于地表下過(guò)深的位置，該方法則會(huì)存在一定的畸變和誤差，有待于進(jìn)一步優(yōu)化。