王維強(qiáng),宋洪偉,尚銘森,母海東,閆豐錄
(1.自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心,河北石家莊050061;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北石家莊050061)
規(guī)劃建設(shè)川藏鐵路對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重大深遠(yuǎn)意義,然而川藏鐵路尤其是雅安至林芝段地形起伏大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害高度頻發(fā)[1]。擬建川藏鐵路巴塘茶洛隧道段,該區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活動(dòng)頻繁,在斷裂帶及不良地質(zhì)體附近發(fā)育泉點(diǎn)、熱泉點(diǎn)眾多,比如著名的巴塘熱坑溫泉群,溫度達(dá)96~98℃,這些高溫?zé)岷λ?duì)鐵路選線造成重大影響[2]。歐陽(yáng)濤等[3]對(duì)鐵路隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘查進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié),目前采取的方法主要為地震折射波法、地震反射波法、直流電法(直流電測(cè)深、高密度電法)等,主要探測(cè)隧道區(qū)域第四系厚度、基巖埋深、巖土體波速等。這些方法主要適用于淺埋隧道,且現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)地形平整度要求高,對(duì)川藏鐵路深長(zhǎng)埋隧道勘探能力有限。姚志勇等[4]為解決高海拔艱險(xiǎn)地段川藏鐵路勘查,采用航空瞬變電磁與航空大地電磁聯(lián)合使用及反演,實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖性、斷裂破碎帶、富水高效高精度探測(cè)。湯井田等[5]詳細(xì)探討了大地電磁法及瞬變電磁法在鐵路隧道勘查中的應(yīng)用效果,驗(yàn)證了2種方法的可行性和有效性。
寬頻大地電磁法是一種頻率域電磁測(cè)深法,采用全頻段采集,對(duì)地下地層、構(gòu)造等地質(zhì)體探測(cè)精度高,覆蓋深度范圍廣[6-7],二維處理及正反演理論成熟,因此,為查明鐵路隧道附近活躍斷裂帶及不良地質(zhì)體分布的特征及性質(zhì),本文擬利用大地電磁精細(xì)處理解釋技術(shù)[8-11]:阻抗張量分解的多測(cè)點(diǎn)-多頻點(diǎn)統(tǒng)計(jì)成像分析、精細(xì)二維反演等手段,對(duì)這些高溫?zé)岷λΦ炔涣嫉刭|(zhì)體進(jìn)行詳細(xì)研究,為川藏鐵路選線提供堅(jiān)實(shí)可靠的地球物理依據(jù)。
擬建茶洛隧道地貌屬川西強(qiáng)烈隆起高山高原的金沙江東岸構(gòu)造侵蝕高山峽谷區(qū),受南北向斷裂控制,形成南北向高山與峽谷。區(qū)域構(gòu)造上位于松潘甘孜地槽褶皺系一級(jí)構(gòu)造單元的二級(jí)構(gòu)造單元義敦優(yōu)地槽褶皺帶[12]。本構(gòu)造單元東以甘孜-理塘深斷裂帶與雅江冒地槽褶皺帶相接,西以金沙江斷裂帶與三江地槽褶皺系毗鄰(見(jiàn)圖1a)。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological structure map of the study area
擬建茶洛隧道自措拉至尼戈方向展布,隧道附近存在3條主要斷裂構(gòu)造,包括查龍-然布斷裂帶(F1)、雜馬崗-毛埡壩斷裂帶(F2)、茶洛-沙多斷裂帶(F3)(見(jiàn)圖1b)。
斷裂F1呈北北西向延伸,呈南北向展布。斷裂兩側(cè)主要出露三疊系上統(tǒng)曲嘎寺組(T3q)石英砂巖、粉砂質(zhì)板巖、千枚巖等及圖姆溝組(T3t)板巖、變質(zhì)砂巖、流紋巖、灰?guī)r地層。斷裂東側(cè)出露燕山晚期黑云母二長(zhǎng)花崗巖體。
斷裂F2南起茶洛,呈北西向展布。該斷裂可能控制中部燕山晚期侵入巖帶中單個(gè)巖體的邊界并對(duì)巖體有破壞作用,推測(cè)為一組活動(dòng)性構(gòu)造,沿其至今仍是一個(gè)頻繁的地震活動(dòng)帶。
斷裂F3由茶洛-沙多等2條彼此平行的北東向斷裂構(gòu)成。斷裂之間均相距3 km,單條斷裂長(zhǎng)6~10 km。斷裂走向北東東,傾向不定,傾角較陡。該斷裂帶在茶洛切割燕山晚期巖體和查龍-然布斷裂,在茶洛附近兩斷層交匯處,溫(熱)泉發(fā)育,類型齊全,泉眼大致沿北東東向溝谷分布。
大地電磁法是一種天然場(chǎng)源的頻率域電磁測(cè)深法,利用不同頻率具有不同趨膚深度以達(dá)到測(cè)深目的(頻率由高到低對(duì)應(yīng)深度由淺到深),通過(guò)在地面接收2個(gè)相互垂直的天然源平面波電磁場(chǎng)(Ex,Ey,Hx,Hy)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,其中x代表南北方向,y代表東西方向[13-15]。由于擬建茶洛隧道附近存在多條活動(dòng)性斷裂、巖體及熱泉,這可能對(duì)鐵路隧道施工造成重要水熱害威脅。故為查明這些不良地質(zhì)體的具體性質(zhì)及相互關(guān)系,綜合地質(zhì)及地形條件在研究區(qū)布設(shè)大地電磁測(cè)深測(cè)線2條,分別命名為CL01線、CL03線,采集有效頻率10400~0.35 Hz,采集頻點(diǎn)共計(jì)60個(gè),單點(diǎn)采集時(shí)間≮3 h,其中CL01線垂直隧道沿北北西向斷裂布設(shè),CL03線沿隧道方向垂直北東、北西向斷裂布設(shè)(見(jiàn)圖1b)。
本文以2條大地電磁測(cè)線為基礎(chǔ),對(duì)其進(jìn)行處理與反演解譯。經(jīng)數(shù)據(jù)采集后,每個(gè)測(cè)點(diǎn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理,均能得到2個(gè)方向的視電阻率曲線,即ρxy、ρyx,若x軸與地質(zhì)體走向垂直,則ρxy為TM極化,ρyx為TE極化。圖2(a)為侵入巖體大地電磁觀測(cè)曲線,曲線類型一般為K或KQ型曲線。圖2(b)為三疊系地層大地電磁觀測(cè)曲線,曲線類型一般為KH或H型曲線。完成極化模式識(shí)別后[16],再根據(jù)TE及TM模式進(jìn)行二維反演,對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)解譯,但是一般情況下,地下深部地質(zhì)體的走向是未知的,為探明研究區(qū)地層及地質(zhì)構(gòu)造走向及傾向,通過(guò)阻抗張量成像技術(shù),利用最佳主軸統(tǒng)計(jì)成像、構(gòu)造維性成像,并結(jié)合已知地質(zhì)資料,識(shí)別二維性強(qiáng)的大地線性構(gòu)造[17],以確定地質(zhì)體具體走向、傾向及不良地質(zhì)體分布特征,并在此基礎(chǔ)上,將視電阻率曲線旋轉(zhuǎn)到該電性主軸方向上,完成極化模式識(shí)別即確定TE、TM,最后通過(guò)精細(xì)反演技術(shù),對(duì)地下地質(zhì)體進(jìn)行準(zhǔn)確成像。
圖2 典型測(cè)點(diǎn)大地電磁觀測(cè)曲線Fig.2 Magnetotelluric observation curve of typical observation points
阻抗張量分解技術(shù)能壓制近地表三維小異常體的影響[18],為二維反演提供可靠的區(qū)域阻抗張量數(shù)據(jù),同時(shí)可獲得隨測(cè)點(diǎn)、頻點(diǎn)變化的區(qū)域電性主軸方位,在對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行共軛阻抗法(CCZ)分解后,利用多測(cè)點(diǎn)-多頻點(diǎn)統(tǒng)計(jì)成像技術(shù),不僅可以獲得用于反演的區(qū)域阻抗,還可以獲得研究區(qū)線性構(gòu)造的分布圖像。
野外時(shí)間序列數(shù)據(jù)采集完成后,通過(guò)初步處理計(jì)算單測(cè)點(diǎn)的功率譜,在功率譜基礎(chǔ)上再進(jìn)行阻抗張量成像,進(jìn)行測(cè)線測(cè)點(diǎn)電性主軸、構(gòu)造維性分析以識(shí)別大地電性構(gòu)造。下面對(duì)CL01線、CL03線開(kāi)展阻抗張量成像分析。
圖3 為CL01線多測(cè)點(diǎn)-多頻點(diǎn)線性主軸統(tǒng)計(jì)成像圖,主要包括統(tǒng)計(jì)玫瑰圖、測(cè)點(diǎn)分布云圖及頻率分布云圖。從圖3(a)可看出,CL01線的電性主軸主要有3個(gè),在第一象限內(nèi),約為0°、NNE15°、NE45°(由于電性主軸成像存在90°不確定性,因此當(dāng)方位為NE時(shí),也同時(shí)可能為NW向),其中以NNE15°最為顯著,占據(jù)絕大部分優(yōu)勢(shì)。圖3(b)及圖3(c)表明,電性主軸沿測(cè)點(diǎn)及頻率方向均存在一定的變化,說(shuō)明CL01線的構(gòu)造方位在縱向及橫向上均存在一定的不均勻性。CL101~CL109所對(duì)應(yīng)位置的構(gòu)造走向以NNE15°方向?yàn)橹鳎渲袦y(cè)點(diǎn)CL102~CL105突 變 為NE45°,測(cè) 點(diǎn)CL110~CL112以NE50°為主。
圖3 CL01線所有測(cè)點(diǎn)、頻點(diǎn)電性主軸統(tǒng)計(jì)成像Fig.3 Statistical images of geo-electrical strikes for CL01 line with all site and all frequencies data
圖4 為共軛阻抗法分解后計(jì)算出的阻抗一維偏離度、阻抗二維偏離度及阻抗二維有效因子。從圖4可以看出,阻抗一維偏離度相對(duì)較大,二維偏離度數(shù)值最小,二維有效因子值較大,說(shuō)明對(duì)應(yīng)位置地質(zhì)體的二維性較強(qiáng),存在較為明顯的大地線性構(gòu)造體。同時(shí)也說(shuō)明該區(qū)域適宜進(jìn)行二維反演。
圖4 CL01線構(gòu)造維性分布云圖Fig.4 Cloud maps of structural dimensionality for CL01 line
綜上可初步推測(cè),測(cè)線上存在2個(gè)不同延伸范圍的橫向邊界,一處為測(cè)點(diǎn)CL105處的雜馬崗-毛埡壩斷裂F2,一處為測(cè)點(diǎn)CL109處的查龍-然布斷裂(F1),均分割了兩側(cè)不同走向的地質(zhì)體構(gòu)造。同時(shí)確定了CL101~CL109所對(duì)應(yīng)位置的地質(zhì)體走向以NNE15°方向?yàn)橹?,測(cè)點(diǎn)CL110~CL112對(duì)應(yīng)位置的地質(zhì)體走向以NE50°為主。
圖5 為CL03線多測(cè)點(diǎn)-多頻點(diǎn)電性主軸統(tǒng)計(jì)成像圖。從圖5(a)可看出,CL03線的電性主軸主要有3個(gè),在第一象限內(nèi),約為NNW6°、N0°、NE47°,其中以NNW6°最為顯著,占據(jù)絕大部分優(yōu)勢(shì)。圖5(b)及圖5(c)表明,電性主軸沿測(cè)點(diǎn)及頻率方向均存在一定的變化,說(shuō)明CL03線的構(gòu)造方位在縱向及橫向上均存在一定的不均勻性,CL301~CL305所對(duì)應(yīng)位置的構(gòu)造以NE47°測(cè)點(diǎn)CL305~CL310突變?yōu)镹NW2°,測(cè)點(diǎn)CL310~CL314以NE47°為主,測(cè)點(diǎn)CL314~CL322以NNW6°為主。
圖5 CL03線所有測(cè)點(diǎn)、頻點(diǎn)電性主軸統(tǒng)計(jì)成像Fig.5 Statistical images of geo-electrical strikes for CL03 line with all site and all frequencies data
從圖6可看出,測(cè)點(diǎn)CL322~CL305阻抗一維偏離度相對(duì)較大,二維偏離度數(shù)值最小,二維有效因子值較大,說(shuō)明對(duì)應(yīng)位置地質(zhì)體的二維性較強(qiáng),存在較明顯的大地線性構(gòu)造體。同時(shí)也說(shuō)明該區(qū)域進(jìn)行二維反演的適應(yīng)性。需要注意的是測(cè)點(diǎn)CL30 1~CL305阻抗一維偏離度相對(duì)較大,二維偏離度數(shù)值較大,二維有效因子值較小,說(shuō)明對(duì)應(yīng)位置地質(zhì)體的三維性較強(qiáng),地下地質(zhì)體巖性及結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,為地質(zhì)構(gòu)造及巖性劇烈變化區(qū),推測(cè)該位置燕山晚期復(fù)雜的巖漿侵入活動(dòng)導(dǎo)致地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)各向異性強(qiáng)。
綜上可初步推測(cè),測(cè)線上存在3個(gè)不同延伸范圍的橫向邊界,一處為測(cè)點(diǎn)CL304處的斷裂(F4),一處為測(cè)點(diǎn)CL309處的茶洛-沙多斷裂(F3),一處為測(cè)點(diǎn)CL314處的雜馬崗-毛埡壩斷裂(F2),這些斷裂均分割了兩側(cè)不同走向的地質(zhì)體構(gòu)造。CL03線測(cè)點(diǎn)CL301~CL315、CL310~CL314地質(zhì)體走向約為NE47°,其他位置地質(zhì)體走向均以NNW2°~6°為主。
經(jīng)上節(jié)研究表明,研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造二維性較強(qiáng),適合于進(jìn)行二維反演。本次反演使用中國(guó)地震局MT Pioneer軟件,反演方法采用經(jīng)典的帶地形二維非線性共軛梯度算法,反演前首先將阻抗數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到了最佳主軸方位上,且由于正則化因子的選取對(duì)二維反演結(jié)果影響較大,故采用L曲線分析法對(duì)正則化因子優(yōu)化取值[19],通過(guò)分析,正則化因子取值30效果最好。
圖6 CL03線構(gòu)造維性分布云圖Fig.6 Cloud maps of structural dimensionality for CL03 line
依據(jù)2條測(cè)線二維反演結(jié)果并結(jié)合阻抗張量初步定性成果,共計(jì)發(fā)現(xiàn)電性層4個(gè),推測(cè)三疊系上統(tǒng)地層呈相對(duì)低阻特征,三疊系下統(tǒng)呈相對(duì)中阻特征,二疊系地層呈相對(duì)中低阻特征,花崗巖體呈高阻特征(見(jiàn)圖7);共計(jì)發(fā)現(xiàn)斷裂4條,其中推測(cè)斷裂F1為查龍-然布斷裂,該斷裂走向NNE,傾向SE,傾角陡立。推測(cè)斷裂F2為雜馬崗-毛埡壩斷裂,該斷裂沿北西向展布,傾角陡立。推測(cè)斷裂F3為茶洛-沙多斷裂,走向NEE,該斷裂對(duì)兩側(cè)地層影響較大,中淺部存在低阻區(qū),為含水破碎帶反映,擬建隧道與該斷裂交匯處應(yīng)考慮水害影響;且該斷裂向北東向延伸與F1交匯部位存在高溫溫泉群,推測(cè)該處地下水經(jīng)斷裂及巖性接觸面裂隙運(yùn)移至斷裂深部加熱后,在區(qū)域水利系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下沿著有力對(duì)流通道上升至地表,形成地?zé)犸@示。鐵路隧道位置距離控制該熱巖體的斷裂F1距離較遠(yuǎn),缺少控?zé)針?gòu)造,故推測(cè)存在熱害可能性較小。
圖7 CL01線、CL03線物探綜合解譯圖Fig.7 Comprehensive geophysical interpretation map for CL01 and CL03 lines
(1)本文通過(guò)多測(cè)點(diǎn)-多頻點(diǎn)大地電磁阻抗張量成像技術(shù)及二維反演技術(shù),以擬建茶洛隧道為研究對(duì)象,研究表明,研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造二維性強(qiáng),有效識(shí)別了測(cè)線位置處的大地線性構(gòu)造,解譯出了豐富的電性體的構(gòu)造幾何特征,為進(jìn)一步的二維精細(xì)反演及綜合解譯提供了豐富信息,大大降低了反演的多解性,解譯成果更準(zhǔn)確。
(2)通過(guò)查明研究區(qū)構(gòu)造特征,推測(cè)出了隧道附近地?zé)崛旱纳畈砍梢蚰J綑C(jī)理,并確定了該處熱害對(duì)擬建隧道造成影響的可能性較小,只有在斷裂F2經(jīng)隧道位置處存在一定規(guī)模的水害影響,在下一步隧道選線工作中,可對(duì)該隱患點(diǎn)做進(jìn)一步詳細(xì)勘查,評(píng)價(jià)其影響程度。