彭明濤，王磊，曾明勇，謝兵兵，莫韋濤

(重慶市二零八工程檢測有限公司，重慶 400700)

0 引言

川東高陡斷褶帶西以華鎣山斷裂為界與川中隆起相鄰，東至川鄂邊境的齊岳山斷裂帶，由一系列弧形山脈組成，山體是以二疊系—三疊系為核心的背斜，兩翼極不對稱，一般緩翼地層傾角20°～30°，陡翼地層傾角40°～70°或地層直立倒轉(zhuǎn)，山脈之間寬廣的谷地是侏羅系組成的向斜構(gòu)造上和地貌上都呈現(xiàn)典型的隔擋式。向斜、背斜之間發(fā)育不同程度的斷層[1]。對于斷層等地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)學(xué)者可通過對地表地質(zhì)的觀察，結(jié)合構(gòu)造規(guī)律和工作經(jīng)驗(yàn)情況做出一定程度的推測，但在斷層無露頭或出露不明顯的地段，只能通過物探、鉆探或其他地質(zhì)工程來驗(yàn)證。目前隱伏斷層勘探可以采用的地質(zhì)和地球物理方法較多，比較成熟的方法有地質(zhì)鉆孔法、熱測井、電法勘探、磁法勘探、重力探測、淺層地震、微震法、放射性探測等[2-8]。在地球物理勘探的過程中會因觀測時很多干擾因素的影響而出現(xiàn)誤差，即使在觀測精度很高、干擾因素很小的情況下，反演過程都存在多解性。為了減少多解性的影響，因此采用單一的地球物理方法來進(jìn)行異常解釋一般是不科學(xué)的，往往需要綜合采用多種地球物理方法[9],相互補(bǔ)充、相互印證，提高物探資料的真實(shí)性、合理性和可信度[10]。

1 隱伏斷層正演模擬研究

川東高陡褶皺帶區(qū)，三疊系地層受到風(fēng)化剝蝕，裸露在背斜核部，背斜構(gòu)造及深部斷裂發(fā)育極為廣泛。為研究高陡斷褶帶隱伏斷層的地球物理響應(yīng)特征，為進(jìn)一步的野外探測及資料處理提供依據(jù)，本文進(jìn)行了重力、磁法、大地電磁的正演模擬計(jì)算，主要模型建立為高陡背斜上發(fā)育斷層，且結(jié)合了川東高陡斷褶帶的地質(zhì)與地球物理特征。

1.1 重力模型1：傾斜斷層模型(傾角69°)

模型參數(shù)：模型第一層底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm3；第二層底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm3；第三層為無限深、密度值2.752 g/cm3；傾斜斷層寬度100 m、傾斜角度69°、密度值2.225 g/cm3；地層斷距100 m。

重力模型1正演模擬結(jié)論：水平層巖層+傾斜斷層(69°)模型重力正演模擬結(jié)果(圖1a)，遠(yuǎn)離斷層的重力值曲線近似為一水平直線；在斷層附近曲線下凹且斷層附近傾向側(cè)重力值小于斷層附近傾向?qū)?cè)重力值，斷層下降盤的重力值略小于上升盤的重力值，斷層正上方重力值最小。

1.2 重力模型2：傾斜斷層+背斜模型(傾角72°)

模型參數(shù)：模型第一層底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm3；第二層底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm3；第三層為無限深、密度值2.752 g/cm3；傾斜斷層寬度50 m、傾斜角度72°、密度值2.225 g/cm3；地層斷距100 m。

重力模型2正演模擬結(jié)論：背斜+傾斜斷層(傾角72°)模型重力正演模擬結(jié)果(圖1b)，遠(yuǎn)離斷層右側(cè)的重力值曲線近似為一水平直線；斷層左側(cè)的重力值曲線為一單調(diào)遞減的曲線，在巖性變化的點(diǎn)曲線下降速度較快；在斷層附近曲線下凹且斷層傾向側(cè)重力值小于斷層傾向?qū)?cè)重力值，斷層正上方重力值最小。

1.3 磁法模型：傾斜斷層+背斜模型(傾角72°)

模型參數(shù)模型第一層底部深度1 225 m、厚度1 225 m、磁化強(qiáng)度值1.2 A/m、磁化傾角48°；第二層底部深度1 985 m、厚度760 m、磁化強(qiáng)度值1.2 A/m、磁化傾角48°；第三層為無限深、磁化強(qiáng)度值1.4 A/m、磁化傾角48°；傾斜斷層寬度50 m、傾斜角度72°、淺部磁化強(qiáng)度值1 A/m、磁化傾角90°、深部磁化強(qiáng)度值1 A/m、磁化傾角90°；地層斷距100 m。

磁法模型正演模擬結(jié)論：背斜+傾斜斷層狀模型磁力正演模擬結(jié)果(圖1c)，遠(yuǎn)離斷層右側(cè)的磁力值曲線近似為一水平直線；斷層附近磁力值出現(xiàn)“脈博跳動”或“正負(fù)伴生”的近似N型曲線；巖性變化的分界面上出現(xiàn)V型異常。

1.4 大地電磁模型：背斜模型

模型參數(shù)：模型第一層底部深度1 225 m、厚度1 225 m、電阻率值80 Ω·m；第二層底部深度2 325 m、厚度1 200 m、電阻率值600 Ω·m；第三層為無限深、電阻率值5 000 Ω·m。大地電磁正演模擬計(jì)算背斜電阻率模型示意圖見圖1d。

正演模擬計(jì)算參數(shù)：模型長4 km，深3 km，點(diǎn)距100 m。正演計(jì)算采用50 m×50 m網(wǎng)格，局部進(jìn)行了加密。

模型正演計(jì)算結(jié)論：根據(jù)模型正演模擬后反演計(jì)算得到的結(jié)果電阻率斷面圖(圖1e)，它很好地反映了地層傾斜漸變、電阻率分層變化等特征，同時實(shí)測大地電磁電阻率圖(圖1f)與其近似，說明該模型正演模擬結(jié)果符合實(shí)際情況。正演模擬后反演是帶地形計(jì)算的，以便與帶地形的實(shí)測電阻率圖對比，且是TE和TM聯(lián)合反演模式。

圖1 正演模擬效果Fig.1 Forward simulation effect

1.5 模型綜合分析

通過重、磁、電多種不同參數(shù)模型正演及反演計(jì)算，能夠綜合判斷出重、磁、電參數(shù)對高陡斷褶帶隱伏斷層的理論反映：在巖性變化處重、磁、電參數(shù)分別表現(xiàn)為曲線下降速度較快；出現(xiàn)V型異常；電阻率分層變化等特征。在斷層附近重、磁、電參數(shù)分別表現(xiàn)為線下凹且斷層傾向側(cè)重力值小于斷層傾向?qū)?cè)重力值，斷層正上方重力值最?。淮帕χ党霈F(xiàn)“脈博跳動”或“正負(fù)伴生”的近似N型曲線；電阻率反映出地層傾斜漸變等特征。

2 野外數(shù)據(jù)采集干擾壓制研究

對重力勘探數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生影響的非地質(zhì)因素有：測點(diǎn)高程誤差、對儀器的沖擊振動、零點(diǎn)漂移等。對磁測數(shù)據(jù)采集應(yīng)減少外界或人為因素。實(shí)際工作中大地電磁的主要干擾源為220 V民用電線及10 kV電線干擾，壓制干擾源最主要的措施是遠(yuǎn)離干擾源和增加數(shù)據(jù)采集時間，針對這兩種措施進(jìn)行了以下研究。

2.1 電線干擾源距離研究

分別針對220 V和10 kV干擾源，在垂直于輸電線路方向上，距離分別為20、50、100、200 m的位置布設(shè)4個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)分別以10、20、40、80 m的極距進(jìn)行采集。在增益統(tǒng)一使用0.25，采集時間統(tǒng)一設(shè)計(jì)為45 min基礎(chǔ)上，對全頻視電阻率曲線進(jìn)行質(zhì)量評價。

220 V干擾源：由野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到視電阻率曲線圖見圖2，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)在10 Hz之前數(shù)據(jù)圓滑程度整體高于10 Hz以后數(shù)據(jù)，10 Hz之后數(shù)據(jù)的誤差棒較大，形態(tài)變化程度較大。在相同極距的情況下，測點(diǎn)距離干擾源(以下統(tǒng)稱“源距”)越遠(yuǎn)，曲線形態(tài)越圓滑，低頻部分誤差棒越小。在源距相同時，極距為40 m和80 m的測點(diǎn)對應(yīng)曲線圓滑程度高于極距為10 m和20 m的測點(diǎn)。在本次試驗(yàn)中未出現(xiàn)I級曲線，在源距50 m處，可測得Ⅱ級曲線，即可靠野外數(shù)據(jù)。源距小于50 m數(shù)據(jù)質(zhì)量均不可靠。在源距50 m處的Ⅱ級曲線、對應(yīng)極距為40 m和80 m，極距小于40 m所測得數(shù)據(jù)不合格。對于220 V輸電線路，測點(diǎn)與輸電線路的直線距離不得小于50 m；在數(shù)據(jù)合格基礎(chǔ)上增加極距，未能大幅度提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時兼顧施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，極距以40 m為最佳。

圖2 220 V干擾源視電阻率曲線(綠色曲線是TM，黃色曲線是TE)Fig.2 Apparent resistivity curve of 220 V interference source(the green curve is TM and the yellow curve is TE)

10 kV干擾源：由野外試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到視電阻率曲線圖見圖3，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)在10 Hz之前數(shù)據(jù)圓滑程度整體高于10 Hz以后數(shù)據(jù)，10 Hz之后數(shù)據(jù)的誤差棒較大，形態(tài)變化程度較大。在相同極距的情況下，源距越遠(yuǎn)，曲線形態(tài)越圓滑，低頻部分誤差棒越小。在源距相同時，極距為40 m和80 m的測點(diǎn)對應(yīng)曲線圓滑程度高于極距為10 m和20 m的測點(diǎn)。在本次試驗(yàn)中未出現(xiàn)Ⅰ級曲線，在源距100 m處，可測得Ⅱ級曲線，即可靠野外數(shù)據(jù)。距離小于100 m數(shù)據(jù)質(zhì)量均不可靠。在源距100 m處的Ⅱ級曲線、極距分別對應(yīng)為40 m和80 m，極距小于40 m所測得數(shù)據(jù)不合格。對于10 kV輸電線路，測點(diǎn)與輸電線路的直線距離不得小于100 m；在數(shù)據(jù)合格基礎(chǔ)上增加極距，未能大幅度提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時兼顧施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，極距以40 m為最佳。故建議野外施工極距一般選擇40 m即可；在保證觀測點(diǎn)合理分布的原則下，可進(jìn)行必要的點(diǎn)位偏移處理，以避開干擾源采集到合格數(shù)據(jù)。

圖3 10 kV干擾源視電阻率曲線(綠色曲線是TM，黃色曲線是TE)Fig.3 Apparent resistivity curve of 10 kV interference source(the green curve is TM and the yellow curve is TE)

2.2 電線干擾源采集時間研究

為了選取合理的采樣時間，同一測點(diǎn)D1，我們分別切取30、50、70、90 min的采集時間窗口進(jìn)行對比，相應(yīng)的電阻率曲線見圖4，從圖中可以看出，30 min和50 min電阻率曲線圓滑段低頻在2 Hz左右，至70 min曲線圓滑低頻已經(jīng)達(dá)到1 Hz，電阻率曲線可利用段低頻達(dá)到1 Hz即可滿足勘探深度的要求，90 min電阻率曲線僅0.1 Hz以下頻率質(zhì)量有所提升，對高頻段影響不大。因此，從滿足勘探目的和兼顧工作效率角度我們認(rèn)為采集時間70 min就能夠保證。

圖4 同一測點(diǎn)不同采集時間電阻率曲線(綠色曲線是TM，黃色曲線是TE)Fig.4 Resistivity curves of the same measuring point at different acquisition times(the green curve is TM and the yellow curve is TE)

3 工程實(shí)例

3.1 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)處于川東高陡斷褶帶之萬州弧形凹褶束的北東部，主體構(gòu)造形跡方斗山背斜呈NEE向，南西端起于與萬州區(qū)接界的木廠壩，經(jīng)冒火山—蔈草—一堰坪以東約1 km，消失在巴東組地層中，研究區(qū)背斜軸部出露三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)的中上部地層，巖性為灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，局部見有角礫狀灰?guī)r，嘉陵江組(T1j)出露寬度西窄約300～500 m，東寬約2～3 km，背斜向NEE向傾伏。兩翼分別出露有三疊系中上統(tǒng)地層，背斜北西翼傾角為18°～57°，南東翼傾角為22°～63°。軸面傾向NNW。背斜北西翼巴東組(T2b)地層內(nèi)次級褶皺發(fā)育，南東翼則比較正常。方斗山背斜整體構(gòu)造的特征是軸面扭轉(zhuǎn)，軸線呈弧形自然彎曲，樞紐起伏，總體往NE向降低(傾伏)，為長軸線形褶皺構(gòu)造，北西翼與萬州向斜之間次級褶皺較發(fā)育,研究區(qū)地層見表1。

表1 研究區(qū)地層

研究區(qū)未見較大的斷層構(gòu)造，僅在方斗山背斜北西翼巴東組地層中次級褶皺的翼部伴有斷距小于5 m的小斷層。根據(jù)鉆井地質(zhì)編錄，推測在井深680～760 m內(nèi)的須家河組地層中下部存在一隱伏正斷層，斷距約160 m，傾向SE，傾角73°。

3.2 研究區(qū)物性特征

物性特征：依據(jù)已取得的綜合測井成果及相關(guān)文獻(xiàn)的物性資料，得到物性特征統(tǒng)計(jì)表(表2)，白云巖及灰?guī)r的物性特征為密度大、電阻率高及磁性弱；泥巖的物性特征為密度小、電阻率低及磁性弱；砂巖的物性特征為密度小、電阻率略低及磁性弱。

表2 物性特征統(tǒng)計(jì)

3.3 成果分析

圖5是研究區(qū)實(shí)測WT2測線重、磁、電綜合剖面，數(shù)據(jù)處理中采用TE、TM聯(lián)合反演模式。

1) 布格重力異常值分布范圍為209.622～215.186 mGal、平均值213.458 mGal，圖中共發(fā)現(xiàn)一處低重力異常，即D7～D4異常。

2) ΔT值分布范圍為33.7～88.5 nT、平均值72 nT，圖中ΔT曲線較平緩、在D1～D3表現(xiàn)為負(fù)異常，異常幅度較小、無明顯“正負(fù)”形態(tài)。

3) 大地電磁測深電阻率圖左半部分呈明顯的高阻、右半部分呈明顯的低阻，根據(jù)電阻率和電阻率圖的特征，以及結(jié)合地質(zhì)剖面、鉆孔情況、其他3條大地電磁剖面推斷了地層走向和地層界線。圖中出現(xiàn)低阻條帶，推斷解釋為斷層及破碎帶，斷層的上部受到高陡巖石的擠壓使得斷距相對較小，中下部不斷變大。

4) 綜合WT2重、磁、電綜合剖面成果推斷斷層部位的布格重力異常表現(xiàn)為低值，電阻率表現(xiàn)為低值。其中布格重力異常最低值對應(yīng)于斷層的近地表位置，低電阻率異常呈串珠狀，中心連線對應(yīng)于斷層破碎帶中心線。

a—重、磁曲線；b—大地電磁電阻率等值線；c—草測地質(zhì)剖面a—gravity and magnetic curves；b—magnetotelluric resistivity isoline；c—geological profile圖5 WT2測線重磁電綜合剖面Fig.5 Comprehensive section of gravity and magnetoelectricity of WT2 survey line

4 結(jié)論

1) 通過重、磁、電的正演模擬計(jì)算得出了高陡斷褶帶隱伏斷層的地球物理異常特征，即重力異常特征為曲線低值、磁法異常特征為正負(fù)伴生的近似N型曲線、大地電磁的異常特征為低視電阻率值。重力、磁法、大地電磁在斷褶帶隱伏斷層處都有明顯的異常特征，能夠相互印證，相互補(bǔ)充。

2) 通過野外數(shù)據(jù)采集干擾壓制試驗(yàn)得出了對于220 V輸電線路，測點(diǎn)與輸電線路的直線距離不得小于50 m，極距以40 m為最佳；對于10 kV輸電線路，測點(diǎn)與輸電線路的直線距離不得小于100 m，極距以40 m為最佳；電線干擾源采集時間70 min就能基本滿足要求。

3) 針對隱伏斷層的實(shí)測重力、磁法、大地電磁資料的解釋得出：三疊系嘉陵江組的斷層破碎帶的地球物理異常特征為低重力異常、低電阻率異常。重力異常和大地電磁異常有良好的對應(yīng)效果，說明重力和大地電磁方法是探測川東高陡斷褶帶隱伏斷層的有效方法之一；而磁法異常不明顯，主要因?yàn)榇|地層巖石磁性差異較小，導(dǎo)致實(shí)測成果未能達(dá)到正演的效果。

4) 隱伏斷層與周圍介質(zhì)存在明顯的物性差異，物探作為一種快速的探測手段對某些類型的隱伏斷層探測是有效的。

5) 綜合物探方法能對隱伏斷層的有無及性質(zhì)做出準(zhǔn)確的判定。