高武平,閆成國,張文朋,王志勝

(1.中國地震局 地球物理研究所,北京 100081; 2.天津市地震局,天津 300201)

0 引言

隱伏斷層是在地表無顯示或出露不明顯，潛伏在地表以下的斷層。探明隱伏斷層的展布和活動性，對城市規(guī)劃和城市建設都具有十分重大的意義[1]。電阻率層析成像是以地下巖、土體的導電性差異為物質(zhì)基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律來反演地質(zhì)結構[2]，具有低成本、高效率、解釋方便等特點，因此成為城市活動斷層探測的方法之一[3]，在多金屬礦勘探、地質(zhì)災害、找水、工程勘察、考古等工程、環(huán)境、地質(zhì)勘察等方面也得到了廣泛應用[4-6]，在隱伏斷層探測方面也有許多應用實例[7-12]。白登海等較早利用電阻率層析成像對福州市區(qū)及周邊的活斷層進行探測，肯定了該方法在隱伏斷層探測中的可行性與有效性[13]，此后不斷有學者對電阻率層析成像的現(xiàn)場施工技術、采集參數(shù)設置、剖面地質(zhì)解釋等展開討論[14-16]，朱濤等[14-15]還歸納了斷層在剖面中的典型形式，并總結了剖面地質(zhì)解釋中宜采用的方法與步驟，為利用該方法探測活動斷層提供了經(jīng)驗。另外，張斌等[17]通過實驗研究給出了巖石中裂隙產(chǎn)生的電阻率圖像，這為解釋和理解斷層發(fā)育引起的視電阻率變化特征進一步提供了有益補充。

薊運河斷裂位于華北斷坳北部，是張家口—渤海斷裂帶中十分重要的一條斷裂[18]，也是唐山菱形塊體的西邊界[19]。查明該斷裂的空間展布形態(tài)、性質(zhì)以及活動性，對評估北京圈的地震災害風險、產(chǎn)業(yè)功能轉移、防震減災對策研究等工作都具有十分重要的意義。薊運河斷裂絕大部分展布于第四系松散沉積內(nèi)，所經(jīng)之處第四系厚度超過300 m，具有飽水、高孔隙率和土性不均等特點[20-21]，已開展的淺層人工地震探測工作表明，地層的這些特點對地震波的傳播十分不利，容易造成對高頻信號能量的強烈耗散[22]，限制了淺層人工地震的淺部分辨率。電阻率層析成像對淺層精細結構探測特別是100 m以淺范圍具有其獨特優(yōu)勢，可為隱伏斷層探測提供進一步補充。

為確定薊運河斷裂的空間展布，評價其斷裂活動性， “十二五”期間跨薊運河斷裂布置了多條電阻率層析成像測線。本文以此次探測成果為基礎，對探測相關情況進行詳細介紹，并對探測中存在的假相異常等問題進行了探討，希望能為其他地區(qū)開展類似工作提供參考。

1 地質(zhì)概況與第四系

測區(qū)位于華北沉積平原區(qū)北部，構造上覆蓋冀中坳陷、滄縣隆起與黃驊坳陷的北部(圖1)。薊運河斷裂展布于天津寧河—寶坻一線，走向北西40°，傾向SW，傾角70°，是燕山隆起與華北裂陷盆地的分界線[23]。斷裂形成于前古生代，斷裂控制了古生界地層的發(fā)育和中生代盆地的形成。據(jù)石油地震勘探資料，薊運河斷裂向下斷至古生界，新近系明化鎮(zhèn)組斷距280 m，向上進入第四系。虢順民等[19]的研究認為，該斷裂不但控制了薊運河的流向，而且斷裂兩側的水系流向截然不同，西南側流向南東，如海河、青龍灣河、潮白河等；東北側流向南西，如陡河、沙河、青龍河、新灤河等。1976年唐山7.8級地震期間，在該斷裂附近還發(fā)生了6.9級強余震。

測區(qū)地勢平坦，地表被廣泛的第四系沉積層覆蓋，第四系厚度240～420 m，以沖積、湖積或海積為主，層位穩(wěn)定，但由于地形地貌及沉積環(huán)境控制作用，不同構造單元的第四系沉積發(fā)育歷史不完全相同，形成的相應沉積物類型、厚度都存在一定差異。陳宇坤等對本區(qū)第四系標準剖面進行過詳細研究[24]。

圖1 研究區(qū)地震地質(zhì)圖與測線位置Fig.1 Outline map of geological structure in the studied area and locations of survey lines

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 測線布置

根據(jù)推測，薊運河斷裂可能在寶坻區(qū)劉蘭莊村附近向東南拐折，然后基本沿薊運河一直向東進入渤海灣。為確定薊運河斷裂的空間展布并評價其斷裂活動性，在推測位置跨薊運河斷裂布置了3條電阻率層析成像測線(見圖1)。JYH-1測線布置在劉蘭莊附近，沿鄉(xiāng)間公路由南向北探測，長1.9 km。JYH-2測線布置在薊運河東岸并與薊運河垂直，沿梅豐公路由S向N探測，長3 km。JYH-3測線布置在薊運河東岸苗莊鎮(zhèn)附近，沿鄉(xiāng)間公路由 E至西探測，長3 km。為了便于對比，將后期開展的淺層人工地震測線及其斷點標注于圖1中，其中JYH-2測線位置與人工地震測線17JYH-4完全重合。

2.2 儀器與觀測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集采用了重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時顯示曲線及測量電壓、供電電流、視電阻率等，能夠自動數(shù)據(jù)采集，也可人機交互采集，及時調(diào)整發(fā)現(xiàn)測量中可能出現(xiàn)的問題，保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。

針對測區(qū)環(huán)境實際情況，本次工作采用觀測信號較強的溫納對稱四極裝置(溫納α)采集數(shù)據(jù)，電極間距為5 m，儀器總電極數(shù)為120，最大隔離系數(shù)為30。

2.3 數(shù)據(jù)采集質(zhì)量保障措施

測區(qū)淺部地層天然含水量普遍較高，地層電阻率本身偏低，局部的降雨也可能對數(shù)據(jù)采集造成影響，測區(qū)冬季也存在凍土，較厚凍土對電阻率的影響也難忽視[25]。同時，測量電極的接地電阻也直接影響數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。由于原始數(shù)據(jù)質(zhì)量對后續(xù)數(shù)據(jù)處理影響大，甚至可能直接關系到最終成果的可靠性，為確保數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，采取了一些針對性的措施。

1)施工時間選在春夏季節(jié)，避開降雨、凍土影響。一旦遭遇雨天直接停工，一般在雨停3天后再施工，嚴格控制臨時性水分干擾。

2)測量前，每陣列電極都進行接地電阻檢查，要求陣列中每個電極的接地電阻控制在1 kΩ以內(nèi)，同時要求每個接地電阻數(shù)值相對比較均勻。

3)在測量中，一般要求電位差不得小于5 mV，電流一般要求大于5 mA，一旦出現(xiàn)此類問題，立刻采取加大供電電壓等措施校正，以保證測量質(zhì)量。

4)在測量過程中，采用了電極滾動數(shù)據(jù)的覆蓋式測量方式，每滾動一次將有50%的數(shù)據(jù)進行復測，復測誤差不超過3%為合格，否則重新測量。

2.4 數(shù)據(jù)處理與反演

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理與數(shù)據(jù)反演。本次野外探測獲得的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量高，數(shù)據(jù)預處理主要是結合野外現(xiàn)場記錄剔除了突變點和局部噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)，進行了必要的濾波，然后可進行直接反演。不同的反演方法適用于不同的地質(zhì)條件，根據(jù)梁光河的研究[26]，對于層狀介質(zhì)而言，表層為低阻土層，RES2DINV反演相對較好。文中選用RES2DINV軟件進行數(shù)據(jù)處理與反演。

數(shù)據(jù)處理中無需建立初始模型，選定反演參數(shù)后，直接采用基于準牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘算法即可進行反演，主要的反演參數(shù)為阻尼系數(shù)、模型層厚度、迭代次數(shù)和收斂條件等。當資料噪聲大時，宜選相對大的初始阻尼系數(shù)，通常為1/10～1/15，同時為了增強反演穩(wěn)定性需要設定最小阻尼，一般為初始阻尼的1/5。模型的層厚度，第一層的厚度由地層的實際厚度與單位電極距比值確定，一般為0.5；第二層往下，可設定增加系數(shù)為1～1.35。迭代次數(shù)一般取3～5次，迭代次數(shù)過多容易產(chǎn)生假相，收斂條件可自行設置，一般為迭代RMS 誤差減少百分比小于2%～5%。本次工作各測線的反演參數(shù)取值都相同，反演初始阻尼系數(shù)選取0.15，最小阻尼取0.03，模型層厚度第二層下的增加系數(shù)取 1.2，迭代次數(shù)設為5，收斂條件取RMS 誤差≤5%。從反演結果看，一般迭代3～5次結果即收斂，收斂RMS誤差在3%以內(nèi)。

圖2給出了各測線的電阻率層析成像剖面，并將斷層解釋也標注其上。

3 電阻率層析成像剖面分析

3.1 剖面特征及與鉆孔數(shù)據(jù)對比分析

由圖2可見，各電阻率反演剖面顯示的電性結構特征基本一致，均具有明顯的縱向分層特征，由淺至深可大致分為三層：低電阻率層A(0～10 Ω·m)，過渡層B(10～30 Ω·m)，相對高阻層C(30 Ω·m以上)，這與烏魯木齊、云南、甘肅等薄沉積層及基巖出露區(qū)獲得的以成團、成塊狀為主要特征的電性剖面明顯不同[7-8,15]。從各層對應的厚度看， JYH-3剖面上淺表低阻層A厚度最厚，JYH-1次之，JYH-2最薄。從高阻層C的電阻率數(shù)值看， JYH-2測線剖面對應高阻層C的電阻率最高，JYH-1的次之，JYH-3的最低。從剖面的整體電性結構變化特征而言，JYH-1和JYH-3測線剖面特征整體基本一致，層間變化相對均勻，而JYH-2的層間起伏變化比較強烈。結合各測線的地質(zhì)構造及天津地區(qū)的第四系展布特征分析，上述差異可能是基底構造對第四系沉積不同控制作用有關。從圖1可以看到，JYH-2測線處于隆起區(qū)，對應位置的第四系等厚線有明顯拐折，JYH-1和JYH-3測線則位于坳陷區(qū)，所處位置的第四系等厚線變化相對均勻。

為驗證反演結果合理性，收集了測區(qū)相關鉆孔資料[27]以及在后期鉆孔地層對比工作中獲得的視電阻率測井曲線，與反演結果進行詳細對比。JYH11鉆孔位于測線JYH-1以北數(shù)百米，JYH01鉆孔位于JYH-3以南。圖3給出了測區(qū)JYH01和JYH11鉆孔柱狀圖與電阻率測井曲線。

JYH01鉆孔電阻率測井曲線與JYH-3剖面對比可見，剖面上0～50 m深度對應電阻率為10 Ω·m以內(nèi)，50～65 m深度對應電阻率為10～30 Ω·m，65 m以上深度對應電阻率為30～40 Ω·m，JYH01鉆孔電阻率測井曲線對應深度的數(shù)值盡管偏小，但總體趨勢變化與此基本一致。JYH11鉆孔電阻率測井曲線與JYH-1剖面對比看，剖面上0～20 m深度對應電阻率為10 Ω·m以內(nèi)，20～50 m深度對應電阻率為10～30 Ω·m，50 m以上深度對應電阻率為30～50 Ω·m，JYH11鉆孔電阻率測井曲線對應深度的電阻率數(shù)值與趨勢變化均與此一致，也與王強等[27]給出的黃莊洼B-B′剖面揭示的電阻率測井曲線變化趨勢基本吻合。

圖2 測線JYH-1～JYH-3的反演電阻率剖面Fig.2 Resistivity section of line JYH-1～line JYH-3

同時，對比鉆孔地層巖性與電阻率測井曲線還可以發(fā)現(xiàn)，淺部(10～70 m)砂層與黏性地層的電阻率差異很小，但深部(50 m以下)砂層電阻率明顯高于黏性地層，我們認為這與測區(qū)獨特的沉積演化有關。自中更新世晚期以來，測區(qū)發(fā)生了多次海侵，并形成了多套咸水海相沉積地層。咸水地層由于礦化度高，導電離子多，將導致地層的電阻率普遍較低。根據(jù)鄭文俊[28]給出的測區(qū)咸水層底界埋深圖，JYH11鉆孔附近的咸水層底界埋深約為50～60 m， JYH01附近約為70～80 m，這與電阻率測井曲線結果基本一致。劉青勇等[29]也認為，咸水層對砂層電阻率影響尤其顯著，并進一步認為20 Ω·m可作為咸水、淡水區(qū)的分界線。從JYH-3剖面和JYH-1剖面上顯示的20 Ω·m等值線埋深看，對應深度分別為65～75 m和40～60 m范圍，也與上述結果基本吻合。

由此可見，本次獲得的電阻率反演剖面整體特征與鉆孔電阻率測井曲線結果基本一致，與測區(qū)地層沉積演化也具有一定對應關系，說明剖面反演結果具有較高的可信度。

3.2 薊運河斷裂的電性結構特征

通過對比3條電法剖面發(fā)現(xiàn)，在JYH-1剖面上的1 360 m處，JYH-2剖面上的1 100 m處及JYH-3剖面上的1 920 m處，電阻率等值線在豎向上都存在明顯的“下凹”特征。從本地區(qū)的淺層人工地震資料[30]以及后期針對薊運河斷裂開展的淺層人工地震剖面看，本地區(qū)的地層水平展布特征比較明顯，在這種背景下電阻率等值線的豎向“下凹”異?？赡芤馕吨颂幍貙咏Y構的變化。

淺層人工地震測線17JYH-4與電阻率層析成像測線JYH-3完全重合。圖4為淺層人工地震測線17JYH-4反射時間剖面(局部)，從中可以看到本地區(qū)的第四系地層展布水平，變化很小，但100 m以淺地層分辨率比較低。電法剖面主要顯示了100 m以淺的地層電性特征，根據(jù)顯示除“下凹”處外，地層特征也較為平坦。將電法剖面的“下凹”處標注在淺層人工地震剖面測線上發(fā)現(xiàn)，在淺層人工地震揭示的上斷點的地面投影位置與電法剖面“下凹”處位置基本相當。

圖3 測區(qū)典型鉆孔鉆孔柱狀圖與電阻率測井曲線Fig.3 Borehole histogram and resistivity curve of typical borehole strata in survey area

對電阻率層析成像測線JYH-1剖面進行了分析，雖然沒有相同位置的淺層人工地震測線可對比，但兩端有淺層人工地層17JYH-3和17JYH-6測線控制，對比分析顯示，地層特征基本一致，同時3條測線給出的斷層上斷點投影位置可連成方向基本一致的直線。由此推測，電阻率的下凹“異?！奔词撬E運河斷裂錯斷地層的表現(xiàn)。

3.3 討論

在測區(qū)地層水平分布的背景下，電阻率等值線的豎向“下凹”異常顯得十分的“突?！?，可能意味著此處地層結構的變化，但斷層傾向是否可根據(jù)電阻率等值線的下凹特征進行判斷是值得討論的問題。

從一些薄沉積區(qū)及基巖區(qū)探測結果看[14-15,31]，基巖區(qū)大多由于沉積覆蓋層薄、巖體成層性差，電性結構主要表現(xiàn)為較強的團塊狀、齒狀特征，斷層電阻率異常則表現(xiàn)為與圍巖電阻率的強烈差異，可達1～2個數(shù)量級[32]，一般根據(jù)電阻率等值線特征形態(tài)就可以判斷出斷層上斷點及埋深。但在本地區(qū)，因第四系沉積層較厚，在第四系近水平展布、地層巖性界限不明顯、地層電阻率背景值低、隱伏斷裂在第四系內(nèi)延伸的斷距小等條件下，要形成十分明顯的破碎帶很困難，反之有的可能會因為沉積作用而“愈合”，因此斷裂在第四系的延伸可能不會表現(xiàn)為明顯的強低阻帶。僅就本次探測結果而言，如果僅從電阻率等值線的下錯特征判斷斷層傾向是明顯不合理的。根據(jù)本地區(qū)的第四系資料，剖面JYH-1、JYH-2、JYH-3揭示深度為80 m，對應為中更新世以上地層，按照剖面的顯示，意味著中更新世的垂直下錯接近10 m，這與測區(qū)研究結果是不相符的[30]，也難以從地質(zhì)學上解釋(在淺部60～70 m深度存在10 m斷錯而在上部地層沒有明顯響應)。另外，如果在這一深度垂直斷距達到10 m，對應的淺層人工地震剖面上也會有所顯示。因此，在本次探測剖面中，斷層傾向參考了淺層人工地震勘探結果。

圖4 淺層人工地震17JYH-4測線時間剖面及電阻率層析成像剖面上斷點投影位置Fig.4 Time profile of shallow artificial earthquake line 17JYH-4 and projection position on resistivity tomography profile

那么電阻率等值線這樣的垂向落差是如何造成的？目前的研究[33]表明，影響地層電阻率的因素比較多，土壤種類、孔隙率、飽和度、水質(zhì)鹽度、污染種類/濃度等都可能造成地層電阻率的異常變化[34]，而受地質(zhì)構造、沉積演化環(huán)境等變化影響地層結構也會產(chǎn)生局部變化。根據(jù)上文3.1節(jié)的分析，我們認為這樣的落差可能與測區(qū)的咸水層分布有關。鄭文俊[29]認為天津地區(qū)的咸水層底界及埋深總體上受到第四系沉積及古地貌的控制，而活動幅度較大的斷裂構造對咸水底界形態(tài)有明顯的控制作用。

綜上所述，根據(jù)JYH-1、JYH-2和JYH-3剖面的顯示，可判斷薊運河斷裂為一條延伸至第四系的斷層。JYH-1和JYH-2剖面上斷層上斷點約為25 m，JYH-3剖面上斷層上斷點約為55 m，后續(xù)鉆孔地層對比結果揭示在鉆孔JYH11處斷層上斷點為25.04 m，在鉆孔JYH01處為79.9 m，故推測薊運河斷裂的上斷點埋深存在南深北淺特征，表明薊運河斷裂可能存在分段性。結合測區(qū)第四系資料分析，薊運河南段最新活動時代為中更新世中晚期，北段為晚更新世活動斷裂。

4 結論

本文詳細介紹了電阻率層析成像在天津薊運河斷裂探測中的應用，著重對數(shù)據(jù)采集、反演及地質(zhì)解釋進行了重點介紹，對電阻率層析成像在沉積區(qū)的隱伏斷層探測進行了探索。

根據(jù)電阻率層析成像剖面顯示并結合后續(xù)鉆孔地層對比結果分析認為，薊運河為一條第四系斷裂，北段上斷點埋深達到25 m左右，為一條晚更新世活動斷裂，南段上斷點埋深為55 m左右，最新活動時代為中更新世中晚期，與鉆孔地層對比結果基本一致，但比淺層人工地震勘探結果更淺。這表明，即使在沉積區(qū)，通過合理布設測線、合理設置采集參數(shù)并采取適當措施保證數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，電阻率層析成像也可以較清晰顯示斷裂的上斷點埋深情況，可以有效補充淺層人工地震探測對淺部地層的分辨不足。但電阻率層析成像也有明顯的不足，如沉積區(qū)地層的電阻率受沉積巖性、含水量、鹽分等多種因素影響，同時地球物理反演也存在不唯一性，反演剖面中不可避免地存在一定的假相。特別在對沉積區(qū)電性反演剖面進行地質(zhì)解釋時，如斷層上斷點埋深、斷層傾向的判斷等，除了應緊密結合測區(qū)沉積演化環(huán)境變化、基底地質(zhì)構造影響、導電離子密度等帶來的對反演解釋不利的影響因素外，特別需要與其他探測成果相對比，以保證相關證據(jù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

本次工作中采用了溫納對稱四極裝置(溫納α)采集數(shù)據(jù)，但不同裝置對異常地質(zhì)體的探測在分辨率、信號強度、勘探深度等方面都存在差異，有學者通過模擬認為探測低阻薄層下的隱伏直立低阻異常體，使用溫納β裝置的探測效果可能更好[35]，也有學者經(jīng)過實例分析建議在野外數(shù)據(jù)采集中最好采用兩種或兩種以上的裝置，便于資料的對比和室內(nèi)解釋[36]。因此，未來有必要使用不同的裝置或多種裝置開展數(shù)據(jù)采集進一步驗證對比。