黃書華 楊吉武 趙立波

廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080

隱伏斷層是在地表無顯示或出露不明顯，而潛伏在地表以下的斷層。這種斷層可以是切穿基巖的斷層被新沉積物覆蓋，或者是斷層被侵位巖體占據(jù)，也可以形成于地下深處沒有切穿至地表的盲斷層[1-2]?；A(chǔ)地質(zhì)調(diào)查是城市地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)，也是開展和研究其它相應(yīng)地質(zhì)方法必不可少的環(huán)節(jié)。在天然地震波的傳播路徑中，斷裂帶的存在會影響城市工程建設(shè)的選址以及生產(chǎn)活動的安全問題[3]。因此在城市地質(zhì)調(diào)查中，查明隱伏斷裂的分布情況具有重要的意義。

大地電磁測深法(Magnetotelluric Sounding，簡稱MT)[4]是利用天然交變電磁場研究地球電性結(jié)構(gòu)的一種地球物理勘探方法。大地電磁測深利用頻率范圍很寬（10-4～104Hz）、無需人工場源、成本低、效率高、不受高阻層屏蔽、對低阻層分辨率高，且其勘探深度與頻率有關(guān)，高頻地磁波穿透淺，淺可達幾十米，低頻電磁波穿透深，深可至數(shù)百公里?？筛鶕?jù)電阻率隨深度或頻率變化繪制等值線斷面圖以及推斷的地質(zhì)斷面圖。因此，大地電磁測深已發(fā)展成為當(dāng)前活動斷層探測的一種重要手段[5-7]。大量實踐證明，大陸內(nèi)部地塊邊界、深大斷裂帶以及古縫合帶容易充填水和松散沉積物，電阻率顯著降低，而大地電磁測深方法對低阻敏感，該方法對揭示隱伏斷層結(jié)構(gòu)及其延伸狀態(tài)具有重要的指示意義。苗景春[8]在2013年通過對正、逆斷層地電模型正演模擬，生成數(shù)據(jù)開展一維、二維的反演研究，與實測數(shù)據(jù)擬斷面結(jié)果進行對比分析后，來對破碎帶的傾向進行定性、定量解釋。周琛杰[9]利用音頻大地電磁和高密度電法在工程地質(zhì)調(diào)查上確定斷層的大致位置：音頻大地電磁勘探深度大，但分辨率低；高密度電法分辨率高，但探測深度淺，利用兩種方法的優(yōu)點在查找隱伏斷裂上有較強的實用性。李樹軍[10]在2017年通過分析了兩個可控源音頻大地電磁法在深部地?zé)豳Y源勘查的例子，說明了當(dāng)?shù)貙訋r性結(jié)構(gòu)比較符合水平均勻?qū)訝罱橘|(zhì)模型時，該方法有很好的應(yīng)用，但是實際的地質(zhì)條件并不是簡單的一維模型，因此當(dāng)?shù)貙咏Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時應(yīng)該衡量該方法的適用性。黃磊[11]在其文章中闡述了當(dāng)速度異常不明顯時，地震勘探難以取得良好效果，但大地電磁法可以在電阻率差異明顯地區(qū)作為地震勘探的補充，且取得滿意的結(jié)果。本文利用大地電磁法對中山某地區(qū)進行勘探，通過對所采集的兩條MT剖面數(shù)據(jù)進行平滑去噪處理，五點濾波法消除靜態(tài)效應(yīng)，采用非線性共軛梯度法進行大地電磁二維反演，分析研究區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造的電性特征，并得到了多條斷裂的位置。

1 地質(zhì)與地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于珠江口的西南側(cè)，屬于珠江三角洲南部斷隆區(qū)。附近和內(nèi)部發(fā)育多條北東向斷裂，它們對三角洲的形成、演化與地震活動等起到明顯的控制作用。五桂山南麓斷裂是三角洲內(nèi)部的一條北東向斷裂，北與五桂山北麓斷裂平行。兩條斷裂所夾持的五桂山由燕山期花崗巖組成，最高峰海拔530.5m，斷裂通過的位置海拔小于100m，反映斷裂有較強的垂直差異運動[12-13]。該研究區(qū)出露地層以廣泛發(fā)育的新生界第四系松散堆積物為主，出露基巖以花崗類巖石為主。區(qū)內(nèi)中寒武統(tǒng)高灘組（?3g）主要分布于桂南的東部、白石排北部以及神灣鎮(zhèn)的東部地區(qū)，該組地層巖性為青灰、灰白、紫紅色片理化、角巖化變質(zhì)細(xì)粒長石石英砂巖以及變質(zhì)巖屑石英雜砂巖，高灘組頂部與白堊紀(jì)花崗巖呈斷層接觸，底部為第四系覆蓋，在區(qū)內(nèi)普遍受巖體侵入熱接觸變質(zhì)影響。上寒武統(tǒng)水石組（?4?）呈東西向展布，與下伏高灘組為整合接觸，上部與白堊紀(jì)花崗巖呈侵入接觸。老虎頭組（D2l）巖性為灰、灰白色石英質(zhì)礫巖、砂巖和泥巖，與下伏高灘組呈斷層接觸，上部與侏羅紀(jì)花崗巖呈侵入接觸。侵入巖主要分布在五桂山一帶，侏羅紀(jì)侵入花崗巖最為發(fā)育，區(qū)內(nèi)的侵入巖有多次侵入期次：中侏羅世第二階段第一次侵入細(xì)粒黑云花崗閃長巖（γδJ22a）、晚侏羅世第一階段第二次侵入中粒斑狀黑云母二長花崗巖（ηγJ31b）、晚侏羅世第一階段第四次侵入細(xì)粒黑云母二長花崗巖（ηγJ31d）、晚侏羅世第二階段第一次侵入中粒斑狀黑云母二長花崗巖（ηγJ32a）、晚侏羅世第二階段第二次侵入細(xì)粒斑狀黑云母二長花崗巖（ηγJ32b）。侵入巖巖性有石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖及花崗斑巖等，（粗）中?；◢徑Y(jié)構(gòu)、似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。第四系松散沉積物的成因類型復(fù)雜，主要為河口三角洲沉積，局部為陸相沉積，巖相巖性及沉積物厚度多變。

該研究區(qū)主要存在的斷裂有（圖1）：F1是南朗-深灣斷裂，該斷裂東起南朗鎮(zhèn)南部，經(jīng)箭竹山水庫，過五桂山自然風(fēng)景區(qū)主峰，到南橋村往西到深灣村一帶，東側(cè)延伸入海，全長約40km，走向北東60°，其地貌行跡非常清晰，沿山谷分布；F2是五桂山南斷裂，該斷裂西南起自神灣鎮(zhèn)麻子涌，向東北經(jīng)桂南、逸仙水庫，東北端止于崖口，長55km，走向60°左右，傾向南東或北西，傾角在65°以上，其寬度幾十到500m不等，主要形成于燕山晚期，有過多次活動，從宏觀上可以看出該斷裂帶南北兩側(cè)地貌和巖體有明顯區(qū)別，其中北側(cè)地形地勢陡峭，南側(cè)地形地勢舒緩，有較大面積的山間盆地，沿斷裂帶形成北東-南西向河谷，形態(tài)筆直，該斷層在逸仙水庫南側(cè)表現(xiàn)為晚侏羅世花崗巖與中寒武世高灘組（?3g）呈斷裂接觸；F3-1與F3-2為平沙斷裂束，南西起白石排，向北東過三鄉(xiāng)鎮(zhèn)，被五桂山南斷裂所限，總體走向為北東45°，傾向南東，傾角60°～82°，寬度幾到130m不等，該斷裂束對中山南部及珠海北部的地貌有較好的控制。

圖1 研究區(qū)MT測線位置示意圖 Fig.1 Schematic map of the location of the MT survey line in the study area

1.2 地球物理特征

本次在研究區(qū)內(nèi)采集了巖礦石標(biāo)本60塊，使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3A多功能數(shù)字直流激電儀測定巖礦石標(biāo)本的電阻率。標(biāo)本物性采用強迫電流法方式測定，用面團作為接觸介質(zhì)，面團中加少許硫酸銅溶液以增強導(dǎo)電性（表1）。

表1 工區(qū)巖（礦）石電性參數(shù)統(tǒng)計表 Table 1 Statistical table of electrical parameters of rocks (minerals) in the work area

隱伏斷層潛伏地表以下，因此僅憑野外的地質(zhì)調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)線索。但由于斷層切斷了巖層的水平連續(xù)性，上下盤的錯動和斷層滑動面的破碎導(dǎo)致巖層中地震波的傳播特征和電性特征發(fā)生明顯變化，當(dāng)這種地震波的傳播異常和電性異常突出到一定程度就能夠通過地面的地球物理探測反映出來。一般而言，相對于圍巖介質(zhì)的電阻率，斷層可表現(xiàn)為低阻斷層或高阻斷層，這取決于斷層的性質(zhì)、破碎帶寬度、膠結(jié)程度、含水特征、巖脈侵入等特性及圍巖電阻率特性。根據(jù)斷層的發(fā)育情況及其與兩側(cè)巖層的電性差異，斷層的電性特征主要有以下表現(xiàn)：當(dāng)斷層破碎帶寬、斷層電阻率與兩側(cè)巖層電阻率差異明顯時，斷層表現(xiàn)為高阻或低阻板狀體；當(dāng)斷層帶不發(fā)育或斷層電阻率與兩側(cè)巖層電阻率差異不明顯時，如果斷層兩側(cè)巖性不同，斷層將表現(xiàn)為巖性分界面[14-15]。根據(jù)以上特征我們在研究區(qū)開展大地電磁測深法工作。

2 工作方法與數(shù)據(jù)采集

2.1 方法原理

MT（大地電磁測深）主要用來尋找與電磁性有關(guān)的侵入巖體和構(gòu)造，常規(guī)的技術(shù)理念是利用電磁法圈出脈巖，從而間接地查明構(gòu)造。該研究區(qū)主要的斷裂為北東方向，MT測線布設(shè)與斷裂相交。假設(shè)天然電磁場以平面波的形式垂直入射大地，在地下以波的形式傳播。從Maxwell方程組出發(fā)，可以推導(dǎo)得到卡尼亞視電阻率公式[4]：

式中：f-頻率（Hz），-所測的電場分量（V/m），-與正交的磁場分量（A/m）。從式中可以看出，通過采集不同頻率下的正交電場和磁場數(shù)據(jù)，就可以得到卡尼亞視電阻率。

2.2 數(shù)據(jù)采集

從圖1可知，研究區(qū)發(fā)育有多條北東向隱伏斷裂，且有穿越城鎮(zhèn)活動區(qū)，對市政建設(shè)造成較大的影響，為了查明隱伏斷裂的發(fā)育位置和大致走向，共布設(shè)了L1和L2兩條大地電磁測線，測線方向與斷裂走向基本垂直。本次MT測量采用美國CG公司（Crystal Globe Geophysical Research & Service, LLC）最新推出的Aether大地電磁系統(tǒng)。通過GPS進行同步授時定位，所有通道完全同步采集，連續(xù)時間序列存儲，正式開工前，對儀器和磁探頭進行標(biāo)定，并對其進行一致性實驗、平行實驗，以此來檢測儀器是否正常工作。在工作結(jié)束后，需再次進行這些實驗，并和開工前的實驗數(shù)據(jù)進行比對，來保證數(shù)據(jù)的可靠性。

野外測量時，采用“十字形”布極方式。本次工作為張量測量，即只采集4分量Ex、Ey、Hx、Hy，電極距為50m。Ex為測線方向，Ey為垂直測線方向。工作中水平磁道Hx與電道Ex平行，Hy與電道Ey平行。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，測點位置盡量避開高壓線、家畜等動物或其它運輸活動的干擾。將電極灌放置在20～50cm深坑中且與地面充分接觸，并用松土完全遮蓋，保證接地電阻小于2000Ω；將磁探頭水平放置在40cm以上深度的深槽中，且磁探頭與電極灌、主機的距離保持在5m以上，多余的電極線與磁道線呈S形鋪在地上。

3 數(shù)據(jù)解釋與推斷

3.1 數(shù)據(jù)處理與反演

本次MT進行了一系列數(shù)據(jù)處理工作來壓制各種噪聲的影響，如儀器噪聲、人文噪聲、地質(zhì)噪聲等，從各種疊加場中分離出地質(zhì)目標(biāo)體的場信息，以便后續(xù)的解釋工作。我們知道，當(dāng)巖層的電阻率變化方向上存在電場分量時，在電阻率發(fā)生變化的界面上會產(chǎn)生積累電荷，電阻率變化越劇烈，積累電荷越強烈，當(dāng)頻率較低無法穿透不均勻體時，電場分量將會受到積累電荷的影響，磁場分量無影響，從而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)的上下平移[16]，這種現(xiàn)象就稱之為靜態(tài)效應(yīng)，而該現(xiàn)象在電磁數(shù)據(jù)處理時，經(jīng)常會出現(xiàn)而干擾解釋。目前，靜態(tài)效應(yīng)的校正方法比較多，如曲線平移法、相位換算法、相位導(dǎo)數(shù)法、低通濾波法等。曲線平移法對于靜態(tài)效應(yīng)的壓制很大程度取決于處理人員，有可能會做出錯誤的判斷，而且效率較低；相位校正法將背景場視電阻率值定為最高頻的視電阻率，因此在高頻部分相位校正法對偏移量有比較好的壓制，但相位校正法是基于積分形式的計算，隨著頻率的降低，誤差逐漸增加，而且視電阻率曲線形態(tài)也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，而五點濾波法能較好的保持視電阻率曲線形態(tài)，對于偏移量的校正五點濾波法較好。因此本文采用五點濾波法進行靜態(tài)效應(yīng)校正，具體步驟如下[17]：

（3）將校正系數(shù)乘以對應(yīng)測點上所有頻點的實測電阻率值，即可得到靜位移校正后的視電阻率值。

經(jīng)過上述處理步驟以后，還需要對MT數(shù)據(jù)進行反演計算。近年來國內(nèi)外一些地球物理學(xué)家對電磁數(shù)據(jù)處理方法的研究眾多，本文采用意大利Geosystem公司開發(fā)的WinGLink軟件進行二維反演處理，該軟件主要側(cè)重于大地電磁的建模和數(shù)據(jù)處理。處理時主要用到Maps、Soundings、P-Sections、X-Sections、2D inversion五個模塊，利用軟件內(nèi)部非線性共軛梯度法（NLGG）的反演模塊，進行帶地形的TE和TM模式聯(lián)合反演獲得工區(qū)的電性結(jié)構(gòu)。

3.2 異常解釋與推斷

MT的解釋與推斷是依據(jù)反演所得到的電阻率斷面圖劃分?jǐn)鄬臃植记闆r。斷層反映在斷面圖中的主要特征是電阻率等值線的扭曲、不連續(xù)以及梯度帶等。以下是結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造資料對測線L1、L2兩條剖面分別進行解釋分析得到的結(jié)果。

圖2為L1線MT二維反演電阻率斷面圖，該線長14km，測量點距100～300m，北西往南東方向的測點號增大，其中重點區(qū)段（521～535號點、546～563號點、567～575號點）點距為100m，其余地段為300m。分析圖2反演結(jié)果可以推斷出4條斷裂，并結(jié)合前面的地質(zhì)概況，這4條斷裂所在的位置與地質(zhì)推斷的位置大致吻合，分別記為F1、F2、F3-1和F3-2。F1斷裂位于該剖面508號測點附近，從MT剖面上表現(xiàn)為向南東（大號測點方向）陡傾的低阻帶狀異常，傾角大約75°～85°，推測該斷裂是和地質(zhì)解譯的南朗-深灣斷裂為同一斷裂。F2斷裂位于該剖面520號測點下方，明顯反映有向南東（大號測點方向）陡傾的低阻帶狀異常，傾角約為70°，F(xiàn)2斷裂規(guī)模較大，推測是五桂山南斷裂。F3-1、F3-2斷裂分別于539～540號測點之間、555號測點下方，MT剖面分別表現(xiàn)為向南東（大號測點方向）和北西（小號測點方向）傾斜的電阻率急劇變化的梯度異常帶特征，這兩條斷裂的傾角約為70°～82°，這兩條斷裂與地質(zhì)學(xué)推斷的平沙斷裂束一致，并且其中F3-2斷裂傾向北西，在其北東延伸方向的虎池圍地段已有高溫?zé)崛雎?，推測為同一條斷裂，沿該斷裂帶具有良好的地?zé)豳Y源前景。

圖2 L1線大地電磁反演電阻率斷面 Fig.2 Resistivity section of L1 line magnetotelluric inversion

圖3為L2線MT二維反演電阻率斷面圖，測線長2.3km，點距100～300m，其中重點地段（485～500號點）點距為100m。該測線目的是追蹤和控制F2斷裂(五桂山南斷裂)走向。從該剖面異常特征可以看出，F(xiàn)2斷裂位于491～492號測點之間，亦明顯反映有向南東（大號測點方向）陡傾的低阻帶狀異常，傾角約為70°。在F2斷裂的傾斜方向上有一條較清晰的低阻條帶狀異常向下延伸，條帶狀異常產(chǎn)狀較陡，且深部異常規(guī)模更大，推測為F2深部含水?dāng)嗔哑扑閹?，具有較好的尋找地下（熱）水資源的前景。

圖3 L2線大地電磁反演電阻率斷面Fig.3 Resistivity section of L2 line magnetotelluric inversion

4 方法討論

大地電磁測深法可單點數(shù)據(jù)采集并通過二維反演實現(xiàn)剖面探測，探測深度大，施工方便。但本次大地電磁測深法在數(shù)據(jù)采集時，受工業(yè)電磁干擾、人文干擾等因素的影響較大，因此在前期數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)盡可能遠離干擾；后期數(shù)據(jù)處理時，可以在城市中考慮使用遠參考進行處理，同時加強抗干擾研究。

地球物理反演具有多解性，在探測中應(yīng)該利用多種物探方法、多參數(shù)聯(lián)合反演，進行綜合解釋以減少多解性，通過鉆孔、露頭等已知資料對反演結(jié)果進行驗證，進而實現(xiàn)一種有效的勘探思路。

5 結(jié)論

根據(jù)兩條MT測線二維反演剖面圖分析，確定了多條斷裂（F1、F2、F3-1、F3-2）位置及空間展布形態(tài)，推測的F1南朗-深灣斷裂和F2五桂山南斷裂的位置與地質(zhì)資料基本吻合，并通過L2線再次追蹤和控制了F2斷裂的走向，該斷裂下延的低阻異常帶有可能是含水引起的，因此具有較好的尋找地下水資源的前景。劃定的F3-1和F3-2兩條斷裂位置與地質(zhì)推斷的斷裂位置和延伸方向也較一致。大地電磁測深法是一種探測地層電性結(jié)構(gòu)的方法，在城市地質(zhì)探測隱伏斷裂中有一定的探測效果。