趙 康,田 碧,崔培龍,康 昱,蔣 臣,稅順建,姚郁松,靳鎖鎖,舒中華

(湖北省地質(zhì)局 第八地質(zhì)大隊(duì),湖北 襄陽 441002)

陽日斷裂是一條長期活動的深大斷裂[1],通常以NNE向新華斷裂為界,將其分為東、西兩段,東、西兩段不但巖石組合不同,構(gòu)造樣式也有較大差異,西段的擠壓變形強(qiáng)度顯著大于東段[2]。目前對陽日斷裂西段的研究主要是通過野外露頭考察來分析其構(gòu)造屬性、發(fā)展演化過程等特征,對其深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征主要為推測,尚無直接證據(jù)。

目前國內(nèi)外常用于斷裂深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的物探方法主要有大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等電磁方法[3-4]和地震方法[5]等。幾種常用方法各有優(yōu)缺點(diǎn),大地電磁法探測深度大,但淺部分辨率不高;可控源音頻大地電磁法淺部探測精度高,但探測深度一般不超過1 500 m;地震方法存在成本較高的不足,而且如果工區(qū)地形條件復(fù)雜且大面積出露碳酸鹽巖地層,地震資料質(zhì)量和數(shù)據(jù)解譯效果往往不佳。何繼善院士發(fā)明的廣域電磁法(WFEM)為電磁法勘探開辟了新道路[6-7],解決了傳統(tǒng)人工源電磁法探測深度小、測量效率低、三維探測能力差等關(guān)鍵難題,可進(jìn)行大面積、大深度、高精度、高效率、多參數(shù)探測[8-10]。詹少全等[11]利用廣域電磁法在貴州復(fù)雜地形碳酸鹽巖地區(qū)取得了良好的探測效果,證明該方法可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜地形條件下海量數(shù)據(jù)的快速精細(xì)反演成像。

為查明陽日斷裂西段的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,本文以神農(nóng)架地區(qū)的陽日斷裂為研究對象,開展廣域電磁法探測,獲取研究區(qū)地表至-3 000 m標(biāo)高范圍的二維電性結(jié)構(gòu)模型,同時(shí)為陽日斷裂下盤龍馬溪組頁巖氣勘查工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

陽日斷裂是揚(yáng)子板塊內(nèi)兩個(gè)二級構(gòu)造單元(南大巴山前陸褶沖帶、上揚(yáng)子地臺褶皺區(qū))的邊界斷裂(圖1-a),具有多幕活動歷史,經(jīng)歷了印支期初始形成階段、早燕山期向南的弧形疊瓦式逆沖推覆階段、晚燕山期造山后伸展減薄階段、喜馬拉雅期疊加改造階段[12-14]。該斷裂呈近EW向展布,由多條近平行、不同規(guī)模的斷裂組成,總體傾向N,傾角為45°～70°[1]。陽日斷裂在?？悼h馬橋鎮(zhèn)被NNE向新華斷裂錯(cuò)斷,在?？悼h后坪鎮(zhèn)被NW向板橋斷裂錯(cuò)斷,在當(dāng)陽復(fù)向斜東側(cè)被近SN向南漳—荊門斷裂所截;陽日斷裂在神農(nóng)架林區(qū)陽日鎮(zhèn)附近斷距達(dá)到最大,為3 km左右。陽日斷裂西段上盤發(fā)育小神農(nóng)架隆起南緣的神農(nóng)架群白云巖、大理巖,下盤發(fā)育大神農(nóng)架隆起北緣的寒武系、奧陶系、志留系碳酸鹽巖和碎屑巖[15],上盤變質(zhì)巖系逆沖于下盤沉積巖系之上。陽日斷裂以南為上揚(yáng)子地臺褶皺區(qū),地層產(chǎn)狀平緩,傾角一般為15°～45°,少見斷裂,主要發(fā)育寬緩褶皺,僅臨近斷裂區(qū)域發(fā)生強(qiáng)烈褶曲;以北為南大巴山前陸褶沖帶,經(jīng)歷了多期次的逆沖擴(kuò)展和強(qiáng)烈隆升,逆沖推覆構(gòu)造十分發(fā)育,元古界基底與古生界蓋層的變形明顯不協(xié)調(diào),基底地層變形較弱,以寬緩褶皺和多個(gè)斷塊為特征,而蓋層發(fā)生強(qiáng)烈褶皺作用,形成各種褶皺樣式[16]。在馬橋鎮(zhèn)一帶,可見殘留少量羅鏡灘組紫紅色塊狀砂礫巖,其北側(cè)角度不整合于神農(nóng)架群之上,南側(cè)受陽日斷裂控制,形成了南斷北超的山間斷陷盆地。區(qū)域資料表明受陽日斷裂影響的最新地層為嘉陵江組[15]。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)和地質(zhì)簡圖(b)

研究區(qū)即位于陽日斷裂陽日鎮(zhèn)區(qū)段,主要出露中元古界—中生界地層(圖1-b),基底地層為神農(nóng)架群,為一套以白云巖為主的海相碳酸鹽巖、火山碎屑巖及凝灰?guī)r組合;蓋層地層屬上揚(yáng)子地層分區(qū)之神農(nóng)架—?？档貙有^(qū),出露南華系—白堊系碳酸鹽巖、碎屑巖[17]。

1.2 地球物理特征

收集研究區(qū)以往資料和鄰區(qū)物性資料,得到研究區(qū)主要巖性的電性數(shù)據(jù)(圖2),可以看出白云巖和灰?guī)r表現(xiàn)為明顯的高阻特征,電阻率一般>1 500 Ω·m;粉砂巖、頁巖呈中低阻特征,電阻率一般為200～300 Ω·m;黏土和亞黏土具明顯的低阻特征,電阻率一般<100 Ω·m;炭質(zhì)頁巖也表現(xiàn)為明顯的低阻特征。

圖2 研究區(qū)巖石電性特征

從地層來看,其電阻率具有一定的規(guī)律(表1):

表1 研究區(qū)地層物性特征

(1) 巖性主要為白云巖、灰?guī)r的婁山關(guān)組、覃家廟組、石龍洞組和天河板組總體表現(xiàn)為高阻特征,與巖性同樣主要為白云巖的燈影組、神農(nóng)架群石槽河組的電阻率相近,均值均>2 000 Ω·m;陡山沱組白云巖中發(fā)育炭質(zhì)頁巖,表現(xiàn)為中高阻特征;南津關(guān)組—寶塔組以灰?guī)r為主,夾頁巖、炭質(zhì)頁巖等,也主要表現(xiàn)為中高阻特征。

(2) 奧陶系與志留系分界的龍馬溪組發(fā)育炭質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖,總體呈低阻特征,電阻率<150 Ω·m;而第四系主要為黏土、亞黏土、沙土、粉砂及礫石層,呈低阻特征,電阻率均值不足100 Ω·m。

(3) 新灘組—紗帽組和石牌組巖性相近,主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖等,均具有中低阻特征,電阻率均值約300 Ω·m;而牛蹄塘組發(fā)育炭質(zhì)頁巖和泥晶灰?guī)r,電阻率均值達(dá)到500 Ω·m。

本次工作的目標(biāo)層位為龍馬溪組,其具有明顯的低阻特征,而其上覆的志留系地層表現(xiàn)為中低阻特征,下伏的奧陶系地層表現(xiàn)為中高阻特征,因此目標(biāo)層位與圍巖存在顯著的電阻率差異,為本次開展廣域電磁法探測提供了良好的物性前提。

2 研究方法

2.1 廣域電磁法工作原理

廣域電磁法由中南大學(xué)何繼善院士團(tuán)隊(duì)提出,繼承了可控源音頻大地電磁法使用人工場源克服場源隨機(jī)性的優(yōu)點(diǎn),采用精確公式通過測量電場計(jì)算廣域視電阻率,擴(kuò)展了觀測適用的范圍,提高了觀測速度、精度和效率。廣域電磁法和偽隨機(jī)信號電磁法結(jié)合起來,形成了獨(dú)具特色的電法勘探方法。

本次工作采用的設(shè)備選用湖南繼善高科技有限公司研制的廣域電磁觀測系統(tǒng),主要包括廣域電磁發(fā)射機(jī)、廣域電磁接收機(jī)、大功率電源柜等。工作時(shí)由發(fā)射機(jī)控制電源柜向地下供應(yīng)不同頻率的電流,接收機(jī)在一定的范圍內(nèi)通過M、N銅電極測量一個(gè)電磁場分量,具體工作示意圖見圖3。

圖3 廣域電磁法野外工作示意圖

2.2 測線布設(shè)與數(shù)據(jù)采集

本次廣域電磁法測線布設(shè)如圖4所示。由于研究區(qū)地形較為復(fù)雜,將場源AB布設(shè)于高差不大的山坡,避開了溝谷地區(qū);同時(shí)測線W1只能采取分段測量、平行偏移的方式,因?yàn)閰^(qū)內(nèi)地層出露穩(wěn)定,采取分段測量對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量影響較為有限。

圖4 測線布設(shè)示意圖

W1線起點(diǎn)位于陽日鎮(zhèn)武山村一帶(地表出露神農(nóng)架群),向北經(jīng)過五尺坡一帶的震旦系地層、廟埡一帶的寒武系地層、陽日鎮(zhèn)一帶的奧陶系—志留系地層,終點(diǎn)位于陽日斷裂北側(cè)南埡村一帶(地表出露神農(nóng)架群石槽河組),全長14.5 km,方位角為10°。選用的頻率范圍為0.011 7～8 192 Hz,收發(fā)距約16 km;場源電極AB的極距為1.158 km,接地電阻為11.5 Ω,供電電壓為900 V,供電電流為80 A;測量電極MN的極距為100 m。通過上述設(shè)置,能夠探測地下4 000 m范圍的目標(biāo)體,解析陽日斷裂南側(cè)地層的分布特征及其在傾向上的延伸形態(tài)。

本次廣域電磁法測量采用E-Ex裝置,即以1對接地電極形成的電流源作為場源,測量電場的水平分量中與供電電極方向平行的Ex分量。正式開展工作前,分別進(jìn)行了室內(nèi)一致性試驗(yàn)、場源供電試驗(yàn)、野外接收試驗(yàn)以及野外一致性試驗(yàn),均符合要求后,再開展野外測量工作。對野外采集的單點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(表2),顯示野外觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí),在已知地質(zhì)情況的條件下,適當(dāng)刪除高頻中畸變的數(shù)據(jù),使二維反演成果更符合地質(zhì)客觀規(guī)律。

表2 廣域電磁法測量數(shù)據(jù)分級結(jié)果

3 陽日斷裂深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)W1線測量結(jié)果,經(jīng)去噪處理、靜態(tài)校正后,分別繪制了等頻率曲線圖、曲線類型圖和頻率—視電阻率等值線圖(圖5)。從等頻率曲線圖(圖5-a)來看,剖面上存在兩層電阻率界面;另外,300號、900號、1050號、1230號和1300號測點(diǎn)附近的曲線出現(xiàn)扭曲、錯(cuò)斷,推測由地層變化或者構(gòu)造引起;1370號測點(diǎn)底部電阻率界面向北明顯抬升,該點(diǎn)兩側(cè)底部電阻率界面的差異可能由陽日斷裂引起。從曲線類型圖(圖5-b)來看,500號測點(diǎn)以南的曲線類型總體為HKH型,500號測點(diǎn)以北的曲線類型總體為K型,部分測線表現(xiàn)為HA型。

圖5 W1線等頻率曲線圖(a)、曲線類型圖(b)、頻率—視電阻率等值線圖(c)

從W1線二維反演剖面圖(圖6)上看,大致以260號、880號、1300-1390號測點(diǎn)為界,電性層分布存在一定的差別,總體由地層和構(gòu)造導(dǎo)致。

圖6 W1線二維反演剖面圖

根據(jù)區(qū)域地層電性特征,大致推測了研究區(qū)地下各地層的分布特征(表3)。100-260號測點(diǎn)之間,地表出露以白云巖為主的神農(nóng)架群,-300 m標(biāo)高以淺主要表現(xiàn)為高阻和中高阻特征,推測為神農(nóng)架群的反映;-300～-1 000 m標(biāo)高之間表現(xiàn)為中低阻特征,異常帶規(guī)模較大,可能由隱伏構(gòu)造引起;-1 000～-3 000 m標(biāo)高表現(xiàn)為中高阻和中阻特征,可能由白云巖或隱伏構(gòu)造引起。260-520號測點(diǎn)之間,地表出露震旦系地層,巖性主要為白云巖,-2 500 m標(biāo)高以淺具中高阻和高阻特征,推測由較完整的白云巖(震旦系和神農(nóng)架群)引起;-2 500～-3 000 m標(biāo)高的視電阻率等值線呈舒緩波狀起伏,推測是由深部褶皺構(gòu)造引起的。520-880號測點(diǎn)之間,地表出露寒武系地層,巖性主要為白云巖、灰?guī)r,-2 000 m標(biāo)高以淺呈現(xiàn)厚大的高阻和中高阻異常帶,厚度約3 000 m,可能為較完整的白云巖和灰?guī)r(寒武系和震旦系)的反映;-2 000～-3 000 m標(biāo)高的視電阻率等值線也呈舒緩波狀起伏,同樣可能由深部褶皺構(gòu)造引起。880-1030號測點(diǎn)之間,地表出露奧陶系地層,巖性主要為灰?guī)r,-1 500 m標(biāo)高以淺表現(xiàn)為向北緩傾的中高阻和高阻異常帶,傾角和地層產(chǎn)狀相似,約20°,應(yīng)該反映了奧陶系地層向深部的延伸;而-1 500～-3 000 m標(biāo)高的中低阻異常帶可能也反映了深部褶皺構(gòu)造。1030-1070號測點(diǎn)之間,出露龍馬溪組地層,巖性主要為粉砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖等,淺部表現(xiàn)的中低阻異常帶,并向北延伸至1290號測點(diǎn)-600 m標(biāo)高處,延伸長度達(dá)到3 km,傾角約25°,推測為龍馬溪組地層的反映;深部則為下伏的奧陶系地層所表現(xiàn)的高阻異常帶。1070-1300號測點(diǎn)之間,地表出露新灘組—羅惹坪組地層,巖性以粉砂質(zhì)頁巖為主,-600 m標(biāo)高以淺為中低阻特征,應(yīng)該為志留系地層的反映;-600 m標(biāo)高向下則為高阻異常帶,應(yīng)該為奧陶系地層的反映。1300-1390號測點(diǎn)之間,淺部主要表現(xiàn)為中低阻異常特征,其南北兩側(cè)地層發(fā)生明顯突變,應(yīng)是陽日斷裂破碎帶的反映。1390-1540號測點(diǎn)之間,地表出露神農(nóng)架群石槽河組白云巖,-2 000 m標(biāo)高以淺主要表現(xiàn)為厚大的高阻異常帶,反映了神農(nóng)架群的特征,其中-900 m標(biāo)高以淺可能受構(gòu)造破碎影響,表現(xiàn)為中低阻特征;而-2 000～-3 000 m標(biāo)高為中低阻特征,可能反映了陽日斷裂向北部的延伸。

表3 地層綜合解譯結(jié)果

根據(jù)W1線二維反演結(jié)果,結(jié)合地質(zhì)調(diào)查成果,推測了4條斷裂,分別記為Fwt1、Fwt2、Fwt3、Fwt4(表4)。各斷裂中,以Fwt3斷裂最為明顯,在W1線二維反演剖面圖(圖6)表現(xiàn)為中高阻背景下明顯的北傾中低阻異常帶。該斷裂地表位置在1300-1390號測點(diǎn),巖石較破碎,表現(xiàn)為中低阻異常特征;南北兩側(cè)地層明顯不同,南側(cè)為羅惹坪組,北側(cè)為神農(nóng)架群石槽河組,發(fā)生了地層的突變。該斷裂自地表延伸至1550號測點(diǎn)標(biāo)高-3 000 m處,傾向N,傾角上陡下緩,-700 m標(biāo)高以淺段較陡,傾角約73°;-700～-3 000 m標(biāo)高段變緩,傾角約45°。Fwt3斷裂南側(cè)主要出露震旦系—志留系地層,由淺至深主要表現(xiàn)為中低阻—高阻—中低阻異常分帶,推測分別為志留系碎屑巖、震旦系—奧陶系碳酸鹽巖、深部褶皺構(gòu)造的反映;北側(cè)主要出露神農(nóng)架群石槽河組白云巖,主要表現(xiàn)為高阻異常特征。

表4 斷裂綜合解譯結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 通過在陽日斷裂發(fā)育地段開展廣域電磁法探測,獲得了該區(qū)地表至-3 000 m標(biāo)高范圍的二維電性結(jié)構(gòu)模型。解譯了4條斷裂,其中Fwt3斷裂為陽日斷裂,表現(xiàn)為中高阻背景下明顯的北傾中低阻異常帶,傾角為45°～73°;其南側(cè)主要出露震旦系—志留系地層,由淺至深總體表現(xiàn)為中低阻—高阻—中低阻異常分帶,推測分別為志留系碎屑巖、震旦系—奧陶系碳酸鹽巖、深部褶皺構(gòu)造的反映;北側(cè)主要表現(xiàn)為高阻異常帶,推測主要由神農(nóng)架群石槽河組白云巖引起。

(2) 在陽日斷裂南側(cè)解譯出龍馬溪組地層,呈現(xiàn)為傾向N、傾角約25°的中低阻異常帶,上覆表現(xiàn)為中低阻異常帶的志留系碎屑巖,下伏表現(xiàn)為高阻異常帶的奧陶系碳酸鹽巖,沿傾向延伸長度達(dá)3 km,可為陽日斷裂下盤龍馬溪組頁巖氣勘查工作提供依據(jù)。

(3) 本次在地形復(fù)雜、大面積出露碳酸鹽巖的區(qū)域開展廣域電磁法探測,獲得了良好的應(yīng)用效果,可以為類似區(qū)域開展廣域電磁法探測所借鑒。由于本次在陽日斷裂北側(cè)的布設(shè)的測線較短,受電磁法邊界效應(yīng)影響,未能較好地解析陽日斷裂北側(cè)的深部結(jié)構(gòu),建議在陽日地區(qū)增加一條長剖面,以便對陽日斷裂,尤其是對其北側(cè)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更好地研究。

致謝：感謝湖北省地質(zhì)局陳武、張小波高級工程師,中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心李旭兵高級工程師,中石化江漢油田勘探開發(fā)研究院陳綿琨高級工程師和長江大學(xué)湯濟(jì)廣教授在野外考察和數(shù)據(jù)反演方面提出建設(shè)性意見和建議。