羅　旭，毛　星，魏文博，葉高峰，金　勝，尹曜田

(1.地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地質(zhì)大學(xué)，北京)，北京　100083；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京　102600)

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大地電磁數(shù)據(jù)三維反演技術(shù)在隱伏斷裂勘察中的應(yīng)用：以郯廬斷裂宿遷段為例

羅旭1,2，毛星1,3，魏文博1,2，葉高峰1,2，金勝1,2，尹曜田1,2

(1.地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國地質(zhì)大學(xué)，北京)，北京100083；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600)

應(yīng)用音頻大地電磁測深法(AMT)對(duì)郯廬斷裂宿遷段隱伏斷裂進(jìn)行勘察研究，共布設(shè)3條AMT剖面，獲得61個(gè)測深點(diǎn)，并對(duì)所獲得的AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行電性主軸分析和維性分析，采用二維反演和三維反演算法，得到了可靠的地電模型。通過基于阻抗張量Groom-Bailey分解方法的電性主軸分析得到，從淺部到深部，電性主軸方向較為一致，約N60°E，這與淺層地質(zhì)填圖資料略有不同(淺表地質(zhì)資料顯示斷裂走向約N20°E)，這一角度推斷為郯廬斷裂主斷裂或者其分支在地下的走向。應(yīng)用基于相位張量分解的維性分析，得到郯廬斷裂宿遷段在部分深度范圍內(nèi)表現(xiàn)出一定的三維特征，因此單純采用傳統(tǒng)的二維反演方法不能夠準(zhǔn)確反映地下構(gòu)造信息，需要同時(shí)采用二維反演方法與更先進(jìn)的三維反演方法對(duì)其進(jìn)行建模來研究隱伏斷裂帶的產(chǎn)狀信息。通過二維反演和三維反演結(jié)果對(duì)比看出，三維反演能全面反映斷裂帶的傾向、走向、延伸深度等信息，反演模型更為可靠。最后把三維反演模型垂直切片和水平切片分別與放射性元素探測剖面測得的氡元素異常曲線對(duì)比，也得到很好的對(duì)應(yīng)。綜上所述，大地電磁數(shù)據(jù)維性分析和電性主軸分析在隱伏斷裂勘查中是非常必要的，對(duì)于復(fù)雜異常體，三維反演比二維反演能更加全面可靠地反映構(gòu)造信息。

音頻大地電磁測深法；三維反演；維性分析；電性主軸分析；郯廬斷裂

0　引　言

大地電磁測深法(Magnetotelluric sounding，簡稱為MT)是一種天然場源頻率域電磁測深方法，自20世紀(jì)50年代提出以來，其在能源勘探、地球深部結(jié)構(gòu)探測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]。該方法通過測量水平和互相垂直的電磁場分量數(shù)據(jù)，通過一定的數(shù)據(jù)處理方法獲得不同頻率的張量阻抗元素。該方法探測深度可達(dá)幾十公里乃至數(shù)百公里，工程勘察上常利用該方法探測巖溶、尋找隱伏斷裂等，取得了顯著效果[6-7]。

斷裂帶由特別結(jié)構(gòu)的巖石構(gòu)成，其電阻率結(jié)構(gòu)往往表現(xiàn)出一些特定的特征，一般表現(xiàn)為斷裂帶高導(dǎo)區(qū)(FZC)，故近些年來大地電磁方法被越來越廣泛地應(yīng)用到斷裂帶地下結(jié)構(gòu)的探測上[8-10]。目前該領(lǐng)域使用最多的方法是二維分析和建模，但是實(shí)際情況是斷裂帶往往表現(xiàn)出更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，比如三維甚至各向異性[8]，這就需要有較為準(zhǔn)確的電性結(jié)構(gòu)維性分析手段和三維反演方法[11]，才能得到斷裂帶真實(shí)的產(chǎn)狀信息。

數(shù)據(jù)構(gòu)造走向及維性分析在MT數(shù)據(jù)反演中具有十分重要的意義。一方面它可以提供數(shù)據(jù)維性和構(gòu)造主軸方向隨深度的變化，這種變化可能與地殼和地幔中不同的結(jié)構(gòu)和形變作用過程相關(guān)聯(lián)[12]。另一方面，它可以使人們能夠根據(jù)MT數(shù)據(jù)維性選擇合適的反演方法，從而得出準(zhǔn)確的模型[13]。

過去由于方法和計(jì)算機(jī)的限制，維性分析和三維反演在斷裂帶工程勘察中的應(yīng)用并不普及，如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、算法技術(shù)的更新改進(jìn)，三維反演技術(shù)可以較容易地實(shí)現(xiàn)[4]，因此本文從實(shí)際工程勘察例子出發(fā)，對(duì)大地電磁數(shù)據(jù)進(jìn)行維性分析和三維反演，證明大地電磁三維反演技術(shù)在工程勘察中的必要性。

本次研究依托中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司(簡稱為中鐵五院)“徐宿淮鹽鐵路設(shè)計(jì)地質(zhì)勘查中郯廬斷裂物探”專項(xiàng)。根據(jù)地質(zhì)資料，該項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的鐵路將以大角度通過郯廬斷裂的分支斷裂F5、F1，無法避繞，因此，查清各主干斷裂的具體位置和穩(wěn)定性差異是線路方案確定的基礎(chǔ)[14]。

1　區(qū)域地質(zhì)背景

郯廬斷裂帶江蘇宿遷段由5條NNE向的分支斷裂組成，由東而西分別為王莊集—蘇圩斷裂(F1)、大官莊—雙莊斷裂(F2)、耿車—山頭斷裂(F3)、趙埝—高作斷裂(F4)及馬陵山—重崗山斷裂(F5)。F1至F5這5條主干斷裂規(guī)模大、延伸長、切割深，最早可能形成于元古代。在長期發(fā)展演化過程中，它們在空間上具有差異發(fā)展特點(diǎn)，時(shí)間上具有多期活動(dòng)特點(diǎn)[15-16]，第四紀(jì)以來仍具一定活動(dòng)性，是區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造，如圖1所示。

馬陵山—重崗山斷裂(F5)在橋北鎮(zhèn)、蔡林及知青農(nóng)場等地的地質(zhì)剖面上，都存在王氏組紫紅色砂巖逆沖到晚更新世黃土之上這一特征。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料顯示，橋北鎮(zhèn)南馬陵山東側(cè)與王氏組呈斷層接觸的黃色粉砂質(zhì)亞粘土14C測齡值為6 000多年，曉店水庫東側(cè)沖溝內(nèi)與白堊系青山組接觸的松散地層14C測齡值為2 000多年，由此認(rèn)為該斷裂最新活動(dòng)時(shí)代在全新世[16]。

綜合該地區(qū)地質(zhì)資料顯示，F(xiàn)5斷裂具有第四紀(jì)活動(dòng)性[16-17]，而中鐵五院徐宿淮鹽鐵路工程項(xiàng)目將近乎垂直通過該斷裂，難以避繞，因此在此區(qū)域開展了AMT和放射性勘探測氡法兩種物探方法，對(duì)斷裂帶進(jìn)行專項(xiàng)研究，具體測線布置如圖1。

圖1　工區(qū)地質(zhì)背景圖(a)和AMT數(shù)據(jù)采集測點(diǎn)分布示意圖(b)Fig.1　Geology map of the study area(a) and the AMT station locations(b)

2　AMT方法介紹與數(shù)據(jù)分析

音頻大地電磁測深法(AMT)是一種利用特定頻段電磁信號(hào)進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)勘探的MT方法[3]，其方法原理及數(shù)據(jù)處理、反演方法與MT法的一致。AMT方法所采集的電磁信號(hào)主要來自太陽輻射，所觀測的電磁場具有較寬的頻率范圍，大致從10 kHz到10 Hz，與大地電磁測深法相比，由于頻率較高，對(duì)淺部的分辨率較高，因此該方法更適于近地表的工程和礦產(chǎn)勘探。

AMT數(shù)據(jù)采集使用的是加拿大鳳凰(Phoenix)地球物理公司研制生產(chǎn)的V8多功能電法儀，采集水平分量Ex、Ey、Hx、Hy4道數(shù)據(jù)，電道布極方式采用“十”字布極法，點(diǎn)距25 m，電極距均為60 m。根據(jù)趨膚深度計(jì)算公式，結(jié)合工區(qū)的電性特征和勘探要求，設(shè)定采集時(shí)間為半小時(shí)，觀測的頻段為10 000～1 Hz，由趨膚深度推斷探測深度約1 000 m。野外數(shù)據(jù)采集過程中由于環(huán)境噪聲、工業(yè)噪聲等干擾，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量受到一定的影響，故采用遠(yuǎn)參考和Robust估計(jì)壓制噪聲[18-19]，得到相應(yīng)的視電阻率特征曲線。

AMT視電阻率和相位曲線可以較為直觀地反映出地下電性結(jié)構(gòu)特征[20]，在隱伏斷裂帶附近的測點(diǎn)視電阻率曲線當(dāng)頻率降低到一定值(0.1～0.3 Hz)時(shí)，兩種模式(TE和TM模式)的視電阻率曲線開始分離，表現(xiàn)出二維或者三維結(jié)構(gòu)；而遠(yuǎn)離隱伏斷裂帶的測點(diǎn)的視電阻率曲線仍然重合，表現(xiàn)出一維構(gòu)造特征。

AMT視電阻率和相位曲線形態(tài)只能用來定性地、粗略地反映出構(gòu)造維性[13,20]。本文中利用的較為先進(jìn)的MT數(shù)據(jù)維性分析方法主要為相位張量橢圓及二維偏離度[21-22]。MT相位張量橢圓極化的強(qiáng)弱可以反映構(gòu)造維性。一般情況下，橢圓長軸與短軸越接近表明一維性越好，理想一維情況下，橢圓變?yōu)閳A形。具體到本文的數(shù)據(jù)，圖2(b)和(c)中相位張量橢圓表現(xiàn)出強(qiáng)烈的橢圓極化并且具有較為一致的極化方向，這是2-D構(gòu)造的典型表現(xiàn)；而在圖2(a)和(d)中沒有出現(xiàn)明顯的極化或者極化方向凌亂，這表明對(duì)應(yīng)深度的構(gòu)造以1-D或者3-D為主。目前最為常見的2-D反演及分析技術(shù)主要針對(duì)2-D構(gòu)造或者具有淺層局部3-D異常體的區(qū)域2-D構(gòu)造，從維性分析得出的3-D構(gòu)造可能表明工區(qū)位置的地下結(jié)構(gòu)并不是嚴(yán)格的區(qū)域2-D構(gòu)造。考慮到探測目標(biāo)的尺度，含水和礦化特性以及巖性的不均一都有可能是這種3-D構(gòu)造的成因[23]。綜上，數(shù)據(jù)維性分析的結(jié)果要求進(jìn)行3-D反演及解釋。

圖2　AMT數(shù)據(jù)電性主軸及維性分析示意圖Fig.2　Electrical strike and dimensional analysis for AMT data橢圓代表相位張量，其填充色為二維偏離度。玫瑰圖為由GB阻抗張量分解得出的電性主軸方向的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，紅色和藍(lán)色分支代表電性主軸具有90°的固有不確定性，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造判斷出的電性主軸方向由黑色虛線箭頭標(biāo)出；紅色虛線表示推斷電性界面位置及走向

MT數(shù)據(jù)電性主軸分析結(jié)果可以為2-D反演中剖面走向及數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)提供參考。MT阻抗張量分解技術(shù)就是假設(shè)MT數(shù)據(jù)為2-D或包含局部異常體的區(qū)域2-D構(gòu)造，通過張量分解技術(shù)，將包含電性主軸信息的走向角度分解出來。本文使用的分解技術(shù)為Groom-Bailey分解(簡稱為GB分解)[24-25]。從利用玫瑰圖統(tǒng)計(jì)出的電性主軸方向結(jié)果(圖2)可以看出，從淺部到深部，電性主軸方向?yàn)檩^為一致的N60°E(根據(jù)地表的構(gòu)造走向信息排除了內(nèi)在的90°不確定性)，這一角度推斷為郯廬斷裂主斷裂或者其分支在地下的走向，這一角度也將用來確定進(jìn)行2-D反演的剖面走向及阻抗旋轉(zhuǎn)方向[12]。

在以往的工程勘察工作中，AMT數(shù)據(jù)維性及構(gòu)造走向分析往往處于被忽略的地位。而上文的分析結(jié)果表明，這些分析是十分必要的。維性分析結(jié)果表明，如果僅僅使用傳統(tǒng)的1-D或者2-D反演解釋技術(shù)，可能并不能得出真實(shí)的地下信息。構(gòu)造走向分析的結(jié)果表明，由阻抗張量分解技術(shù)得出電性主軸與地表填圖得出的構(gòu)造走向可能會(huì)有不同，在進(jìn)行2-D反演時(shí)如果使用了錯(cuò)誤的剖面或者阻抗旋轉(zhuǎn)方向，則不符合2-D建模的預(yù)設(shè)條件，而無法得出準(zhǔn)確的模型[13,20,26]。

3　AMT數(shù)據(jù)2-D和3-D反演

根據(jù)上文數(shù)據(jù)維性和電性主軸分析結(jié)果，AMT數(shù)據(jù)在100 Hz到10 Hz頻段范圍內(nèi)以2-D構(gòu)造為主，并且具有較為一致的電性主軸方向(N60°E)，推測可能與幾十米至幾百米深度的斷裂構(gòu)造有關(guān)。但是在淺部(<50 m)和深部(>500 m)，出現(xiàn)了較為明顯的3-D特征。這就要求進(jìn)行3-D反演。

2-D反演是對(duì)三條測線分別進(jìn)行的。根據(jù)電性主軸分析的結(jié)果，將三條剖面的數(shù)據(jù)分別順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60°，并且將反演剖面設(shè)置為垂直于電性主軸的方向。反演過程使用了Winglink中自帶的非線性共軛梯度(NLCG)2-D反演代碼，對(duì)TE、TM模式阻抗數(shù)據(jù)和傾子數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。對(duì)視電阻率和相位數(shù)據(jù)分別設(shè)置20%和5%的誤差門限。通過歸一化因子tau與RMS誤差之間的L曲線，選擇合適的tau=3，最終的反演結(jié)果如圖3(a)所示。三條剖面反演最終的RMS誤差分別為1.71、1.93和2.01。圖3(c)為剖面(以CC’剖面為例)反演結(jié)果擬合差，符合數(shù)據(jù)擬合的要求，并且數(shù)據(jù)曲線形態(tài)擬合較為良好。

3-D反演是對(duì)三條剖面所有的61個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行的，這些阻抗未經(jīng)過旋轉(zhuǎn)，反演的數(shù)據(jù)包含xy和yx方向的阻抗數(shù)據(jù)。使用基于數(shù)據(jù)空間OCCAM算法的WS3DINVMT反演程序[27-28]進(jìn)行反演。阻抗張量采用5%的誤差門限，傾子數(shù)據(jù)采用0.04(0.04表示傾子各分量的模值)的誤差門限。通過使用一系列的反演參數(shù)進(jìn)行反演，最終選擇了10、0.1、0.1、0.1的長度范圍值得到模型光滑度和RMS誤差之間最好的平衡。最終反演模型的RMS誤差值為2.063，反演結(jié)果如圖3(b)。圖3(d)為三維反演結(jié)果各測點(diǎn)RMS值情況，可以看出各點(diǎn)RMS值均在2左右，數(shù)據(jù)曲線擬合較好。

為了將2-D模型和3-D模型進(jìn)行對(duì)比，筆者將3-D反演模型東西向的垂直切片與2-D反演模型放置在一起，并且用虛線方框?qū)?-D反演模型的范圍在3-D模型切片中標(biāo)識(shí)出(圖3(a)與3(b))。從圖3可以看出，2-D反演模型與3-D反演模型之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？紤]到2-D反演和3-D反演采用了完全不同的算法，二者模型之間具有如此高的相似度，反映算法的可信度是很高的。斷層上下盤之間的巖性、物性會(huì)有變化，故它們的導(dǎo)電性之間會(huì)存在差異。因此電阻率差異明顯的電性界面是本文追蹤斷裂的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。分別將比較明顯的電性界面用虛線標(biāo)出，可以看出2-D和3-D模型中的電性界面具有一定的可比性，但也略有不同。

3.1AA’剖面對(duì)比分析

對(duì)于AA’剖面，其2-D反演模型中，淺部存在約200 m厚的低阻第四系覆蓋層，電阻率在100 Ω·m以下；200 m以下為一大型高阻體，電阻率最大達(dá)上千歐姆米；在剖面200 m、深度300 m處存在一個(gè)電性分界面，斷裂產(chǎn)狀陡傾(傾角約10°)，延伸深度達(dá)1 000 m甚至更深。3-D反演模型的垂直切片，不僅反映了剖面正下方的電性結(jié)構(gòu)，也很好地反映了剖面周圍的電性結(jié)構(gòu)。從整體電性結(jié)構(gòu)來看，低阻覆蓋層厚度不一，最薄僅有30 m左右，覆蓋層以下為高阻體，電阻率達(dá)上千歐姆米。存在三條電性分界面，推測為斷裂帶位置。位于剖面800 m、深度400 m處的一條推測斷裂與二維反演模型中的電性分界面相對(duì)應(yīng)，但傾向略微不同，傾角約為30°；在剖面位置200 m處存在一條產(chǎn)狀陡立(傾角約10°)、向上延伸至地表、向下延伸深度約為500 m的斷裂，推斷為次生斷裂；在剖面位置1 400 m、深度200 m處存在一條產(chǎn)狀較緩(傾角約45°)、延伸深度約為700 m的斷裂。

3.2BB’剖面對(duì)比分析

對(duì)于BB’剖面，其2-D反演模型中，淺部存在約300 m厚的低阻第四系覆蓋層，電阻率在100 Ω·m以下；覆蓋層以下為一大型高阻體，電阻率最大達(dá)上千歐姆米；在剖面200 m、深度300 m處存在一個(gè)電性分界面，斷裂產(chǎn)狀傾角約30°，延伸深度達(dá)600 m。3-D反演模型的垂直切片，不僅反映了剖面正下方的電性結(jié)構(gòu)，也很好地反映了剖面周圍的電性結(jié)構(gòu)。從整體電性結(jié)構(gòu)來看，低阻覆蓋層厚度不一，最薄僅有10 m左右，覆蓋層以下為高阻體，電阻率達(dá)上千歐姆米。存在三條電性分界面，推測為斷裂帶位置。位于剖面800 m、深度300 m處的一條推測斷裂與二維反演模型中的電性分界面相對(duì)應(yīng)，但傾向和延伸深度略微不同，傾角約為20°，延伸深度達(dá)1 000 m以下；在剖面位置200 m處存在一條產(chǎn)狀陡立(約N10°E)、向上延伸至地表、向下延伸深度約為500 m的斷裂，推斷為次生斷裂；在剖面位置1 400 m處存在一條產(chǎn)狀較緩(傾角約45°)、向上延伸至地表、向下延伸深度約為700 m的斷裂。

3.3CC’剖面對(duì)比分析

對(duì)于CC’剖面，其2-D反演模型中，淺部存在低阻第四系覆蓋層，厚度最薄為300 m，電阻率在100 Ω·m以下；覆蓋層以下為一大型高阻體，電阻率最大達(dá)上千歐姆米；在剖面200 m、深度300 m處和剖面700 m、深度300 m處分別存在一個(gè)電性分界面，兩個(gè)電性分界面呈“八”字形分布，西邊一條斷裂產(chǎn)狀傾角約45°、延伸深度達(dá)800 m，東邊一條斷裂產(chǎn)狀傾角約45°、延伸深度達(dá)800 m。3-D反演模型的垂直切片，不僅反映了剖面正下方的電性結(jié)構(gòu)，也很好地反映了剖面周圍的電性結(jié)構(gòu)。從整體電性結(jié)構(gòu)來看，低阻覆蓋層厚度不一，最薄僅有幾十米，覆蓋層以下為高阻體，電阻率達(dá)上千歐姆米，存在三條電性分界面，推測為斷裂帶位置。位于剖面550 m、深度200 m處的一條推測斷裂與二維反演模型中剖面位置200 m、深度300 m處的電性分界面相對(duì)應(yīng)，但傾向略微不同，約為20°；在剖面位置200 m處存在一條傾向約45°、向上延伸至地表、向下延伸深度約為300 m的斷裂，推斷為次生斷裂；在剖面位置1 500 m、深度300 m處存在一條產(chǎn)狀平緩(傾角約70°)、延伸深度約為400 m的斷裂。

3.43-D模型水平切片

圖3　AMT數(shù)據(jù)2-D反演模型(a)、AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型垂直切片(b)、CC’二維剖面反演結(jié)果殘差擬斷面圖(c)和三維反演各測點(diǎn)RMS值(d)Fig.3　2-D inversion model of AMT data(a)，vertical slices from the 3-D inversion model of AMT data(b)，pseudo-section map of 2-D inversion model for CC’ profile (c), and site-by-site RMS misfit distribution of the 3-D inversion(d) 3-D反演模型垂直切片沿著東西方向，與2-D模型對(duì)應(yīng)的部分由虛線方框標(biāo)出，以方便對(duì)比；藍(lán)色虛線表示推測斷裂F5位置，紅色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的斷裂F1，白色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的未知斷裂

圖4　AMT數(shù)據(jù)不同深度的3-D反演模型的水平切片F(xiàn)ig.4　Horizontal slices from the 3-D inversion model of AMT data at different depths(藍(lán)色虛線表示推測斷裂F5位置，黑色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的斷裂F1，白色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的未知斷裂)

為了能夠較為完整地反映3-D模型，將不同深度的3-D模型水平切片繪制于圖4中。從圖4中可以看出，淺部(0～250 m)電阻率值較低且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，深部(250～1 000 m)電阻率分布相對(duì)比較簡單，高阻占主體，根據(jù)地質(zhì)資料推測為基巖。在10 m和50 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，測區(qū)表現(xiàn)為明顯的整體低阻，電阻率值為幾十歐姆米，推斷為地表第四系覆蓋層。在測線最西端存在一個(gè)電性分界面，推測為次生斷裂，斷裂走向約N20°E。在90 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，整體表現(xiàn)仍為低阻的第四系覆蓋層，但自東向西出現(xiàn)了三個(gè)電性分界面，推斷依次為郯廬斷裂F1、F5及其次生斷裂。F1和次生斷裂走向近乎平行，都是約N20°E，其中該次生斷裂與淺部10 m深度和50 m深度表現(xiàn)出的次生斷裂對(duì)應(yīng)。在160 m、200 m、250 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，高、低阻復(fù)雜分布，高阻分布逐漸呈現(xiàn)，低阻分布逐漸減少，高阻可達(dá)1 000多歐姆米；3條電性分界面更加明顯，走向與淺部斷裂對(duì)應(yīng)一致。在350 m和450 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，測區(qū)中部范圍電阻率分布為高阻，電阻率可達(dá)幾千歐姆米，四周為低阻分布，存在與淺部對(duì)應(yīng)的三條明顯的電性分界面。在550 m、650 m和850 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，中心為高阻分布，電阻率可達(dá)幾千歐姆米，推斷此為結(jié)晶基底頂部，四周為低阻分布，電阻率約幾十歐姆米。存在兩條明顯的電性分界面，推斷最東邊一條對(duì)應(yīng)于郯廬斷裂F1斷裂，但走向發(fā)生了巨大變化，由淺部的N20°E變?yōu)樯畈縉30°W，說明該分支斷裂F1經(jīng)歷過左旋扭變；另一條電性分界面對(duì)應(yīng)于F5斷裂，與淺部產(chǎn)狀一致。而淺部反映出來的次生斷裂在深部550 m以后消失，推測該斷裂可能為F5斷裂產(chǎn)生的較新的次生斷裂。在1 000 m深度的電阻率等深度切片分布圖上，整體為高阻特征，推測為結(jié)晶基底，受探測深度影響，電性分界面幾乎難以辨認(rèn)。

4　綜合解釋

斷裂構(gòu)造為地下水和熱液的運(yùn)移提供了通道，大量的從斷裂帶深處遷移上來的放射性元素富集在淺地表，一般地，在越靠近斷裂帶正上方氡濃度呈現(xiàn)異常特征，遠(yuǎn)高于背景值，遠(yuǎn)離斷裂帶兩側(cè)氡異常逐漸衰減，因此可以通過對(duì)放射性元素濃度的測定來判斷斷裂帶的位置。

圖6　AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型的垂直切片沿構(gòu)造走向分布的綜合解釋圖Fig.6　Comprehensive interpretation of the vertical slices from 3-D inversion model of AMT data along the structural trend其上方的三條曲線分別為三條放射性元素探測剖面測得的氡元素異常曲線；藍(lán)色虛線表示推測斷裂F5位置，黑色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的斷裂F1，白色虛線表示測區(qū)周圍可能存在的未知斷裂

為了避免單一方法引起的多解性問題，現(xiàn)把氡元素異常曲線分別投射到AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型的水平切片隨深度分布圖(圖5)和AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型的垂直切片沿構(gòu)造走向分布圖(圖6)上。從圖5中可以看出，三條放射性元素探測剖面lnr1、lnr2和lnr3的氡異常很好地對(duì)應(yīng)了AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型水平切片所推斷的三條斷裂位置，lnr1剖面100 m處的氡濃度異常與AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型推斷的未知隱伏斷裂相對(duì)應(yīng)；lnr2剖面100～400 m處的氡濃度異常與AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型推斷的F5斷裂相對(duì)應(yīng)；lnr3剖面100～200 m處的氡濃度異常與AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型推斷的F1斷裂相對(duì)應(yīng)。同樣的，在圖6中明顯可以看出，氡濃度的異常區(qū)域與AMT數(shù)據(jù)3-D反演模型的垂直切片沿構(gòu)造走向分布圖中推斷的三條斷裂位置一一對(duì)應(yīng)，效果非常顯著。而在2-D反演模型中，只對(duì)F5斷裂有明顯反映，對(duì)其它兩條斷裂都無法推斷。因此，3-D反演不僅可以得到剖面正下方的電阻率結(jié)構(gòu)，對(duì)剖面周圍一定范圍內(nèi)的電阻率結(jié)構(gòu)也有很好地反映，這比2-D反演效果更加顯著。

眾多研究資料表明，郯廬斷裂帶江蘇段存在多處第四紀(jì)以來活動(dòng)的證據(jù)，并且表現(xiàn)出逆沖、左旋扭變等活動(dòng)特征[16-17,29]。綜合以上AMT數(shù)據(jù)反演結(jié)果可以得出，F(xiàn)5斷裂產(chǎn)狀陡傾，傾向向西，傾角約為70°，上盤上移，屬逆沖型斷層。從三維反演水平切片可以看出，F(xiàn)5斷裂走向約N30°E，淺部低阻覆蓋層厚度不一，最薄僅有幾十米，覆蓋層以下為高阻體，電阻率高達(dá)上千歐姆米，表明F5斷裂具有一定的活動(dòng)性。對(duì)于F1斷裂，其傾向向東，傾角約為70°，但其構(gòu)造走向從淺部和深部發(fā)生了巨大變化，由淺部的N20°E變?yōu)樯畈縉30°W，說明F1斷裂經(jīng)歷過左旋扭變。

5　結(jié)　論

以郯廬斷裂宿遷段為例，通過使用MT數(shù)據(jù)三維反演技術(shù)對(duì)AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和反演，得到以下的認(rèn)識(shí)：

MT數(shù)據(jù)的維度和電性主軸分析在隱伏斷裂工程勘察工作中十分重要，其不僅可以為選擇準(zhǔn)確的反演方法和參數(shù)提供重要的信息，也可以為斷裂延伸方向與其兩盤電阻率對(duì)比的程度提供重要的指示意義，因此在以后的相關(guān)工作中對(duì)這部分工作需加以重視。

MT數(shù)據(jù)的3-D反演是一個(gè)探測隱伏斷裂效果良好的手段。2-D反演方法雖然可以用來探測隱伏斷裂，但由于其局限性，在復(fù)雜地質(zhì)背景下(如在勘探范圍內(nèi)可能存在一些淺部或者深部的3-D電性不均勻體)，并不能提供準(zhǔn)確的地下結(jié)構(gòu)模型。而3-D反演考慮的是整體模型，這樣不僅能反映斷裂沿著構(gòu)造走向展布的空間形態(tài)、傾向及延伸深度等信息，也能夠反映出不同斷裂之間的位置關(guān)系。

致謝：張樂天老師、王剛博士、田占峰碩士等在本文的寫作過程中給予了精心指導(dǎo)和熱情幫助，謹(jǐn)致謝忱！

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Application of 3-D Inversion Method of AMT Data on the Detection of Hidden Faults in the Near-surface Structure：An Example from Tan-Lu Fault Zone

LUO Xu1,2, MAO Xing1,3,WEI Wenbo1,2, YE Gaofeng1,2, JIN Sheng1,2, YIN Yaotian1,2

(1.KeyLaboratoryofGeo-detection(MinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing))，Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryofGeologicalProcessesandMineralResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;3.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCO.,LTD.,Beijing102600,China)

In this paper the AMT method was applied to study the concealed faults of Tan-Lu Fault zone in Suqian, Jiangsu Province. Three AMT profiles had been deployed which included 61 AMT sites and the electrical strike and its dimension were analyzed with these data. By conducting traditional 2-D and advanced 3-D inversion methods, the reliable underground geoelectric models were obtained. The geoelectric strike direction of the sites near the fault derived from GB decomposition is about to N60°E from shallow to deep, which is inferred to be the strike of main fault or branch fault, and is slightly different from that derived from the shallow geological mapping (～N20°E).Then based on the phase tensor analysis result, the dimension data near the fault show 3-D features in some depths. The 3-D inversion method can provide more reliable models of the concealed fault and comprehensively reflect the information of fault tendency, extending depth and other features, so 3-D inversion method is more reliable than the traditional 2-D inversion method.In addition, the location of the fault obtained from the 3-D inversion model matches well with that inferred from radioactive element detection. In conclusion, the geoelectric strike and dimension analysis for electromagnetic data are necessary in the exploration of concealed faults, and the 3-D inversion method can get more reliable resistivity models for concealed faults than the 2-D inversion method.

audio magnetotelluric sounding method; 3-D inversion; dimensionality analysis; geoelectric strike direction analysis; Tan-Lu Fault zone

2015-11-02；改回日期：2016-03-09；責(zé)任編輯：潘令枝。

羅旭，男，碩士研究生，1989年出生，地球物理學(xué)專業(yè)，主要從事大地電磁測深法研究工作。

Email: roson1104@163.com。

尹曜田，男，博士后，1986年出生，地球物理學(xué)專業(yè)，主要從事電磁勘探與巖石圈結(jié)構(gòu)研究工作。

Email: yyt86@163.com。

P631

A

1000-8527(2016)03-0587-10