關(guān)藝曉，盧進(jìn)添，何泰健，梅 榮，劉曉瑜，宗開紅（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇·南京 210046；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇·南京 210046）

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可控音頻大地電磁測(cè)深在城市隱伏斷層探測(cè)中的應(yīng)用

關(guān)藝曉1,2，盧進(jìn)添1,2，何泰健1,2，梅 榮1,2，劉曉瑜1,2，宗開紅1,2
（1.國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇·南京 210046；2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇·南京 210046）

摘 要：為了給城市工程建設(shè)規(guī)劃提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料，需查明區(qū)內(nèi)斷裂的準(zhǔn)確位置、產(chǎn)狀、覆蓋層厚度及空間展布以及深部斷面。利用可控源音頻大地電磁法（CSAMT）進(jìn)行勘察工作，結(jié)合已知地質(zhì)資料與地球物理資料，在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)四條剖面，完成了剖面反演及綜合解釋，給出了區(qū)內(nèi)斷裂的準(zhǔn)確位置、傾向及發(fā)育規(guī)模。結(jié)果表明：CSAMT法在隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)中應(yīng)用是有效的，地質(zhì)分析工作提供可靠的基礎(chǔ)資料，可在城市隱伏斷層探測(cè)中發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：城市地質(zhì)；隱伏斷層；地球物理探測(cè)；可控源音頻大地電磁法；二維反演

斷裂與地震和地質(zhì)災(zāi)害緊密相關(guān)，對(duì)城市和工程安全直接造成危害和威脅[1,2]，現(xiàn)代城市地質(zhì)工作中對(duì)隱伏斷裂調(diào)查尤為重要。隱伏斷裂是指地面無顯示或出露不明顯，且潛伏在地表以下的斷層。這種斷層可以是在其形成以后為新沉積物所覆蓋，或者是斷層被后來的侵位巖體占據(jù)，也可以是形成于地下深處沒有切穿地表的斷層。開展隱伏活動(dòng)斷裂的探測(cè)和評(píng)價(jià)，對(duì)減輕城市地震災(zāi)害具有重要意義。

由于斷裂破壞了地層的連續(xù)性，造成地下巖石的物理性質(zhì)發(fā)生變化，因此，在隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)中可以采用相應(yīng)的地球物理方法進(jìn)行探測(cè)[3～15]，如二、三維地震，微重力，直流電法，電磁法等?？煽卦匆纛l大地電磁法（CSAMT）由于工作效率高、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)深度大、分辨力高等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在城市隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)中[16～18]，并取得了較好的效果。

1　區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

此次工作位于鎮(zhèn)江市大路鎮(zhèn)附近，該區(qū)處于揚(yáng)子陸塊下?lián)P子地塊的東北部，并處于兩個(gè)不同構(gòu)造單元的交接部位，即北側(cè)為蘇北斷坳盆地，南側(cè)為寧鎮(zhèn)隆起區(qū)。本區(qū)又位于寧鎮(zhèn)隆起區(qū)東端埤城凸起，該凸起是由晚元古代至寒武紀(jì)地層組成的推覆構(gòu)造體。

調(diào)查區(qū)區(qū)域地層屬揚(yáng)子地層區(qū)，下?lián)P子地層分區(qū)鎮(zhèn)江地層小區(qū)，發(fā)育從前震旦系到第四系地層。地表所見地層主要為：在平原區(qū)及山裙部分分布有大面積的第四系，第四系之下為晚白堊世浦口組。

區(qū)內(nèi)火山巖活動(dòng)強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為燕山晚期中酸性巖漿巖侵位，包括上黨組酸性—堿性火山巖、圌山流紋質(zhì)火山巖、潘家灣石英閃長斑巖。據(jù)航磁等值線平面圖（圖1(a)），區(qū)內(nèi)磁異常變化范圍在25～100nT，東北部為寬緩高磁異常區(qū)。研究區(qū)局部見點(diǎn)狀高磁異常，主要分布在埤城—大港以東、姚橋大路西側(cè)，走向?yàn)楸北蔽?，呈串珠狀排列。點(diǎn)狀異常在大路鎮(zhèn)以西有最高值，達(dá)350nT；在埤城以東有較小的異常，其值為175nT。在航磁化極圖中，串珠狀異常中心點(diǎn)向北移，但異常走向走勢(shì)不變（圖1(b)）。依據(jù)該區(qū)在航磁圖上的表現(xiàn)，推測(cè)該地存在一隱伏斷裂。

圖1　研究區(qū)航磁(a)與航磁化極(b)等值線平面圖Fig.1 Contour maps of aero magnetic anomaly (a) and the reduction to the pole aero magnetic anomaly (b) in the study area

為查清區(qū)內(nèi)大路—姚橋斷裂空間位置及斷裂延展性，從而為鎮(zhèn)江市城市規(guī)劃新城前期的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查提供可靠的基礎(chǔ)資料，結(jié)合施工條件及勘探深度，采用CSAMT方法進(jìn)行探測(cè)。

區(qū)內(nèi)第四系、浦口組電阻率最低1～20Ωm；圌山組及上黨組電阻率次之，約幾十Ωm；震旦紀(jì)地層電阻率相對(duì)較高，其中陡山沱組上段電阻率最高；斷裂構(gòu)造電阻率總體較低。不同地層、斷裂構(gòu)造之間的電阻率差異是本區(qū)地球物理勘查的物理前提。

2　隱伏斷層的地球物理探測(cè)

2.1 CSAMT方法和原理

可控源音頻大地電磁法基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組，由此導(dǎo)出電場(chǎng)（Ex）、磁場(chǎng)（Hy）與視電阻率（ρs）的關(guān)系式[19～21]：

其中f代表頻率。由（1）式可見，只要在地面上觀測(cè)到兩個(gè)正交的水平電磁場(chǎng)，就可獲得地下的視電阻率，也稱卡尼亞電阻率。

又根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出趨膚深度公式：

其中H代表探測(cè)深度、ρ代表地表電阻率、f代表頻率。

從（2）式可見，當(dāng)電阻率固定時(shí)，電磁波的傳播深度（或探測(cè)深度）與頻率成反比。高頻時(shí)，探測(cè)深度淺；低頻時(shí)，探測(cè)深度深。據(jù)此可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測(cè)深度，從而達(dá)到變頻測(cè)深的目的。

CSAMT法使用可控制的人工場(chǎng)源，信號(hào)強(qiáng)度比天然場(chǎng)要大得多，因此可在干擾較強(qiáng)的城市、城郊等地區(qū)開展工作；由于是比值測(cè)量，因此可減少外來的隨機(jī)干擾，并減少地形的影響；基于電磁波的趨膚深度原理，利用改變頻率進(jìn)行不同深度的電測(cè)深，大大提高了工作效率；橫向分辨率高，可較敏感地“捕捉”到斷裂構(gòu)造，并能較準(zhǔn)確地控制斷裂的位置。

2.2 測(cè)線布設(shè)及參數(shù)選擇

測(cè)量使用儀器設(shè)備為美國Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ電法工作站，TM測(cè)量模式，赤道裝置，每7個(gè)電場(chǎng)共用1個(gè)磁場(chǎng)。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)、施工條件，沿北東向平行布設(shè)四條剖面，方位61?，自南向北測(cè)線編號(hào)為20、40、60、80（圖2），點(diǎn)號(hào)自西向東增大并按實(shí)際距離編排，每條剖面長度在2.8km左右，共涉及204個(gè)物理點(diǎn)。

兼顧足夠的勘探深度和觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度，全區(qū)CSAMT法采用1.2km的發(fā)射偶極距，收發(fā)距7～8km，測(cè)量偶極距50m，發(fā)射偶極布置在測(cè)區(qū)東南新橋鎮(zhèn)附近。在本區(qū)考慮到探測(cè)目標(biāo)較深，盡量利用中低頻段，頻率選擇為1～8192Hz。

2.3 提高觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的方法

為了確保發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，有效壓制干擾信號(hào)，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，盡可能地提高供電電流強(qiáng)度，低頻段最大供電電流達(dá)25A。電場(chǎng)測(cè)量采用不極化電極，保證接地電阻小于2kΩ，電極極差小于2mV。磁棒埋設(shè)時(shí)與發(fā)射電極垂直，保證水平放置。工作區(qū)內(nèi)有較多高壓線、民用電線、通訊電纜和公路，具有較強(qiáng)的電磁干擾，這些電磁干擾源的頻率范圍較寬，根據(jù)電磁干擾信號(hào)的影響與距離平方成反比，在數(shù)據(jù)采集時(shí)遇到高壓線、民用電線、通訊電線和公路時(shí)，采用了偏離30～50m距離的方法，明顯減小了電磁干擾的影響。

圖2　CSAMT隱伏斷層探測(cè)實(shí)際測(cè)線布置圖Fig.2 Location of the survey lines for CSAMT exploration

3　數(shù)據(jù)處理與資料解釋

野外資料采集完成后，數(shù)據(jù)處理使用Zonge公司的配套軟件，二維反演是在定性分析和地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[22]，圖3為大路～姚橋斷裂在80線、60線、40線、20線二維反演解譯斷面圖。

80號(hào)測(cè)線CSAMT綜合剖面圖中，淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映；1450點(diǎn)附近以西，中深部電阻率較高，等值線密集，以東則電阻率較低，兩者之間存在明顯的電阻率分界線；斷盤西側(cè)400m以深，結(jié)合地質(zhì)物性，高阻區(qū)域?yàn)槔系貙樱来螢闊粲敖M、陡山沱組上段、陡山沱組下段的反映，傾向北東，端盤東側(cè)100m以淺低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，深部為侏羅系地層的綜合反映。

60號(hào)測(cè)線淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1400點(diǎn)附近以西中深部電阻率較高，等值線密集，以東電阻率較低，存在明顯的電阻率分界線，在1700點(diǎn)附近中深部為漏斗狀低阻異常帶。斷盤西側(cè)下盤500m以深為震旦系地層。斷盤東側(cè)淺部的大片低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，以下為圌山組和上黨組與深部侏羅系地層的綜合反映。

40號(hào)測(cè)線淺部0～200m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1350點(diǎn)附近以西中深部電阻率較高，等值線密集，以東電阻率較低，存在明顯的電阻率分界線，并略微向北東方向傾，斷裂下盤400m以深為震旦系地層，淺部的大片低阻區(qū)為白堊系浦口組的反映，以下為圌山組和上黨組，深部為侏羅系地層反映。

20號(hào)測(cè)線淺部0～100m范圍內(nèi)電阻率較低，為第四系的反映，1300點(diǎn)附近存在明顯的電阻率分界線，測(cè)點(diǎn)西中深部電阻率較高，等值線密集，測(cè)點(diǎn)東電阻率較低，并略微向北東方向傾，1450點(diǎn)附近中深部為漏斗狀低阻異常帶，傾向北東。對(duì)比80線、60線、40線測(cè)線，20線西側(cè)的高阻異常未完整反映。斷裂下盤300m以深為震旦系地層，依據(jù)電阻率分布特征和地層電阻率差異推測(cè)，300m以深為老地層，傾向北東，傾角較大。

總體而言4條剖面線電阻率分布特點(diǎn)類似，推測(cè)斷裂頂部在地面投影位置均在1400點(diǎn)附近，20線到80線西側(cè)異常整體有向深部延伸的趨勢(shì)，推測(cè)斷裂下盤的震旦系地層傾向角度小于測(cè)線方向（N60E），地層自南向北向深部延伸。

4　結(jié)語

此次工作說明CSAMT 法在隱伏斷層探測(cè)中的應(yīng)用是有效的。但在城市及周邊地區(qū)施工，電磁干擾較大，野外施工時(shí)要采取合理的技術(shù)措施，對(duì)高壓電線、通訊電纜等干擾應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，以保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。本次工作較準(zhǔn)確地確定了斷裂的位置、產(chǎn)狀和基巖的埋深，為規(guī)劃新城前期區(qū)域地質(zhì)調(diào)查提供了可靠的基礎(chǔ)資料。但CSAMT 工作還無法對(duì)斷裂的活動(dòng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，應(yīng)進(jìn)一步開展地震和鉆探工程，進(jìn)行更深入的研究。

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The application of CSAMT exploration to detecting buried faults in city

GUAN Yi-Xiao1,2,LU Jin-Tian1,2,HE Tai-Jian1,2,MEI Rong1,2,LIU Xiao-Yu1,2,ZONG Kai-Hong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210046,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210046,China)

Abstract:In order to provide basic geological information and geophysical studies for urban construction plans,it is necessary to identify the precise location of faults as well as their occurrence,thickness and the extension each fault.In this work,we used controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT) method for the exploration of buried active faults.The authors arranged four CSAMT profiles in the study area and obtained inversion results and a comprehensive explanation of four profiles.This method can reveal the location,dip,and size of faults in the survey area.The results show that the CSAMT is effective in buried faults detection.This method has become an important geophysical tool in buried fault detection and plays an increasingly important role in the exploration of active faults in urban areas.

Key words:city geology;buried fault;geophysical exploration;controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT);2D inversion

基金項(xiàng)目:中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“長江三角洲重點(diǎn)地區(qū)三維地質(zhì)調(diào)查”(1212011220252)

作者簡(jiǎn)介:關(guān)藝曉(1983-),女,碩士,工程師,主要從事地球物理探測(cè)分析研究.

修訂日期:2015-12-28

收稿日期:2015-11-23

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.021

中圖分類號(hào)：P631.3+25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329(2016)01-0090-04

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