謝興隆,馬雪梅,陳 軍,高幼龍,王高峰,程正璞

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051)

0 引言

白龍江流域位于青藏高原東北緣,其構(gòu)造位置特殊,處在南北向地震帶和昆侖-秦嶺構(gòu)造帶等多組深大斷裂的交匯復(fù)合部位[1-2],也是青藏、華南和華北三大Ⅰ級活動地塊區(qū)的交匯部位,涉及到祁連、柴達木、昆侖、華南和鄂爾多斯等五個活動地塊,為不同方向、不同性質(zhì)活動斷裂之間構(gòu)造轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵地區(qū),因此本區(qū)新構(gòu)造活動極為強烈[3-5],白龍江流域的范圍及主要活動構(gòu)造分布如圖1所示。大量研究表明,頻繁的構(gòu)造運動在本區(qū)滑坡泥石流形成過程中起著重要的作用[6-9],白龍江流域也是我國四大地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一。

圖1 白龍江流域活動構(gòu)造分布圖Fig.1 Distribution of active faults in Bailong River Basin

雖然針對白龍江流域的斷裂活動性及其影響已有較多研究,但大多數(shù)是基于區(qū)域性斷裂帶的統(tǒng)計性研究,針對本區(qū)隱伏活斷層的研究較少。地球物理方法在隱伏斷層探測中具有不可替代的作用,尤其是地震反射法在斷層定位及性質(zhì)的判定上具有較高精度,有效解決了一些復(fù)雜斷裂帶的地學(xué)問題[10-11],但地震反射法成本高、效率低而且對地形有著較高要求,因此在地形復(fù)雜的白龍江流域適用范圍較窄。

高密度電法快捷輕便,是淺層地球物理方法中重要的一員,近年來被廣泛應(yīng)用于巖溶勘查、水文調(diào)查、堤壩管涌探測、滑坡勘探等方面,取得了較好效果[12-16]。白龍江流域地形起伏大,高密度主要優(yōu)勢在于布設(shè)方便,地形校正簡單而且信息豐富,但高密度電法在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下存在著嚴重的多解性問題,在隱伏活斷層的勘查中沒有地震反射法立竿見影的效果。

近年來,筆者依托多個中國地質(zhì)調(diào)查項目在甘肅南部白龍江流域開展了大量的地球物理勘查工作,研究區(qū)范圍如圖1綠線標注所示,重點集中在白龍江中游區(qū)域,后文所列舉實例的地點均位于研究區(qū)內(nèi)。高密度電法雖然存在較為嚴重的多解性問題,但對本區(qū)隱伏活斷層的異常響應(yīng)還是有跡可循,很多結(jié)果可以作為定性或定量描述隱伏活斷層的依據(jù)。因此,為了更好地認識和勘查白龍江流域的隱伏活斷層,本文基于大量地球物理勘查數(shù)據(jù)對該流域隱伏活斷層的電性異常特征進行了研究并進行了合理分類。本文的研究成果從另一個方面展現(xiàn)了白龍江隱伏活斷層的發(fā)育特點,也為某些隱伏活斷層的勘查提供了參考依據(jù)。

1 電性特征的獲取

高密度電法屬直流電法的一種,與傳統(tǒng)的電阻率法相比,高密度電法布設(shè)簡單、成本低,效率高,信息豐富,解釋方便。電極距可以視探測深度和探測目標體的尺度設(shè)置到很小的距離,充分體現(xiàn)了高密度電法信息多次覆蓋的特點。由于白龍江流域地形地貌復(fù)雜,靈活高效、便于實施的高密度電法是該區(qū)域進行淺部物探的首選方法之一。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前應(yīng)開展詳盡的場地踏勘,對現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境條件、地形地貌、場地電磁干擾背景進行詳細了解。高密度電法控制測量采用二維剖面,數(shù)據(jù)采集選用了GEOPEN公司的E60DN型電法儀、配套電纜及電極系統(tǒng)。根據(jù)工作任務(wù)要求和實地條件,合理選擇電極距及測量裝置。本文所選用的結(jié)果均是采用穩(wěn)定性較好的溫納α裝置,對于噪聲較大區(qū)域,采集數(shù)據(jù)疊加3次,綜合考慮勘查深度與精度,電極距基本在3～5 m之間。

使用高密度電法工作時會遇到勘查目標體較大,測線長度較長,一次采集難以滿足勘探要求的情況,經(jīng)過試驗決定采用長排列、重疊采集、數(shù)據(jù)融合、拼接反演等技術(shù)手段。由于測量儀器誤差、測量時間不同等原因,數(shù)據(jù)重疊部分應(yīng)當進行適當處理[17-18]。為避免不同斷面在重疊部分誤差較大,建議同一測線的不同斷面使用同一設(shè)備并在一天內(nèi)完成。斷面之間的重復(fù)長度根據(jù)勘探目標體的埋深確定,無數(shù)據(jù)區(qū)的深度應(yīng)大于勘探目標的要求。

1.2 數(shù)據(jù)處理

高密度電法數(shù)據(jù)處理分為基礎(chǔ)處理和反演2個階段。基礎(chǔ)處理包括格式轉(zhuǎn)換、突跳點剔除、壞極剔除等。高密度數(shù)據(jù)的二維反演可根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量和目標體的不同選擇不同的反演方法,如阻尼最小二乘法、圓滑反演、魯棒反演等。資料處理流程如圖2所示。

圖2 高密度電法處理流程圖Fig.2 Processing flow chart of high-density electrical method

由于白龍江流域地形起伏較大,反演時需對數(shù)據(jù)進行地形校正。一般處理中,地形線切割類型設(shè)置為線性最小二乘法,地形模型設(shè)置為帶扭曲有限元網(wǎng)格的S—C變換。在數(shù)據(jù)處理過程中特別需要注意由于電阻率反演迭代引起的電阻率局部放大,因此需要對部分數(shù)據(jù)電阻率上下限進行合理限定。最后,針對不同數(shù)據(jù)選擇合理的阻尼系數(shù)、迭代次數(shù)、收斂極限、視電阻率平滑等反演所需參數(shù)。

2 研究思路及分類

受區(qū)域構(gòu)造格局影響,白龍江流域主要斷裂帶均呈現(xiàn)左旋走滑特征且第四系以來處于持續(xù)活動狀態(tài),除此之外,主要斷裂還表現(xiàn)為明顯的逆沖特點。大量地球物理結(jié)果也證實本區(qū)斷層基本表現(xiàn)為逆斷層形態(tài),即斷裂整體上表現(xiàn)為逆沖兼走滑性質(zhì)。正是這種獨特的斷裂發(fā)育特點使得基巖或覆蓋層出現(xiàn)有規(guī)律的電性異常,為研究白龍江流域隱伏活斷層的電性特征提供了基礎(chǔ)。

為了更好地說明本區(qū)隱伏活斷層的電性特征,在大量的物探成果的基礎(chǔ)上,特將隱伏活斷層按照電性異常特點進行分類,研究思路如圖3所示。首先結(jié)合鉆孔、區(qū)域構(gòu)造圖等地質(zhì)信息以及相關(guān)物探成果明確電性剖面中隱伏活斷層的異常響應(yīng)特征;然后按照電性異常是否可以作為識別隱伏活斷層的依據(jù)分為“可識別”、“難識別”兩大類;針對可識別的電性異常進一步歸納分類,明確電性異常的規(guī)律特征;對于難識別的電性異常則進一步明確影響因素,并對各種原因進行歸納總結(jié)。

圖3 研究思路圖Fig.3 Research idea diagram

最終,按照電性異常發(fā)生位置及特點將隱伏活斷層的電性特征分為五類。為了便于說明,對這五類進行編號,如表1所列,其中可識別的電性異常又細分為Ⅰ～Ⅳ四種類型。對Ⅴ型隱伏活斷層中難以識別的電性異常特征又細化了影響因素。本文將在后續(xù)小節(jié)分別對“可識別”、“難識別”的電性特征進行詳細論述。

表1 隱伏活斷層電性特征分類表Table1 Classification table of electrical characteristics of buried active faults

3 可識別的電性特征

3.1 覆蓋層電性異常

覆蓋層中的電性異常主要是因為白龍江流域隱伏活斷層的活動性導(dǎo)致,持續(xù)的斷層活動導(dǎo)致覆蓋層內(nèi)部物質(zhì)成分發(fā)生變化,從而出現(xiàn)電性異常。電性異常通常表現(xiàn)為條帶電阻異常,與隱伏活斷層的傾角、位置等有較好對應(yīng)關(guān)系,可以作為隱伏活斷層判定的依據(jù)。

Ⅰ型隱伏活斷層的電性異常發(fā)生在覆蓋層,覆蓋層一般為黏土等低阻物質(zhì),主要表現(xiàn)為低阻背景,高阻條帶異常,此種電性特征在本區(qū)較為常見。白龍江流域斷層活動性較強,斷層的持續(xù)活動造成第四系松散覆蓋物內(nèi)部松動,產(chǎn)生較多空隙,電阻率變大表現(xiàn)為相對高阻。

Ⅰ型隱伏活斷層的示例如圖4所示。該測線位于隴南兩水鎮(zhèn)杜家溝溝底,測線沿沖溝方向布設(shè)。表面高阻層為后期堆積碎石土,主要由滑坡堆積碎石土及沖洪積碎石土共同組成。高阻層下的低阻體為黃土狀黏土,受構(gòu)造影響,電阻率起伏較大。經(jīng)與同線地震反射剖面對比可知,低阻體內(nèi)的高阻條帶在位置、傾向、傾角均與地震揭示的斷層有良好的對應(yīng)關(guān)系,可以明確為斷層影響。

圖4 杜家溝電阻率反演剖面圖Fig.4 Inversion section of resistivity in Dujiagou

Ⅱ型隱伏活斷層的電性異常發(fā)生在覆蓋層,覆蓋層一般為碎石土、卵礫石土等高阻物質(zhì),主要表現(xiàn)為高阻背景,低阻條帶異常,此種電性特征基本出現(xiàn)在水流附近區(qū)域。與Ⅰ型隱伏活斷層不同的是,Ⅱ型覆蓋層內(nèi)的低阻條帶異常為斷層活動引起的裂隙含水導(dǎo)致。

Ⅱ型隱伏活斷層的示例如圖5所示。該測線位于隴南石門鄉(xiāng)石門溝口,測線沿泥石流溝扇縱向布設(shè),其中測線起點東距白龍江約為80 m。覆蓋層主要為第四系沖洪積卵礫石土,卵礫石含量較高,表現(xiàn)為明顯的高阻。經(jīng)與同線地震剖面對比,高阻中的低阻條帶異常確定為斷層活動所致,推測為斷層的活動使得白龍江與斷層破碎帶相連通,江水進入斷層破碎帶表現(xiàn)為低阻異常。電阻率低阻條帶延伸至第四系卵礫石土中,且連續(xù)性較好,推測該處斷層在沖洪積卵礫石土形成后仍處于活動狀態(tài),通過毛細作用使得卵礫石土含水,并表現(xiàn)為低阻異常,卵礫石土中的低阻異常又明顯受重力影響,偏向海拔低處。本示例同時也具備Ⅳ型隱伏活斷層特征。

圖5 石門高密度反演成果剖面圖Fig.5 Inversion section of resistivity in Shimen

3.2 基巖電性異常

基巖中的電性異常主要是由隱伏活斷層在基巖內(nèi)部形成的斷層破碎帶導(dǎo)致的,持續(xù)的活動使得破碎帶形成一定規(guī)模從而表現(xiàn)出電性異常。電性異常通常表現(xiàn)為條帶電阻異常,與隱伏活斷層的傾角、位置等有較好對應(yīng)關(guān)系,可以作為隱伏活斷層判定的依據(jù)。

Ⅲ型隱伏活斷層的電性異常發(fā)生在基巖內(nèi)部,基巖一般為炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)板巖等低阻物質(zhì),主要表現(xiàn)為低阻背景,高阻條帶異常。由于白龍江流域炭質(zhì)基巖多有分布,此種電性特征在本區(qū)較為常見。

Ⅲ型隱伏活斷層的示例如圖6所示。該測線位于武都坪埡藏族鄉(xiāng)坪埡村大溝里滑坡,測線沿垂向于滑坡主滑方向的土路布設(shè),為滑坡橫測線。松散覆蓋物主要為碎石土,表現(xiàn)為相對高阻,下伏志留系炭質(zhì)千枚巖表現(xiàn)為相對低阻,存在著明顯的電性差異,分層效果較好。剖面360 m后表層開始出現(xiàn)低阻,這與實際炭質(zhì)千枚巖露頭信息一致。經(jīng)綜合分析確定,基巖內(nèi)部的兩條高阻條帶為斷層引起,斷層的活動使得基巖內(nèi)部產(chǎn)生裂隙破碎,電阻率變大表現(xiàn)為相對高阻。受斷層持續(xù)活動影響,基巖破碎帶較寬,引起條帶異常的寬度約為60 m。

圖6 大溝里高密度反演成果剖面圖Fig.6 Inversion section of resistivity in Dagouli

Ⅳ型隱伏活斷層的電性異常發(fā)生在基巖內(nèi)部,基巖一般為灰?guī)r、千枚巖等高阻物質(zhì),主要表現(xiàn)為高阻背景,低阻條帶異常,此種電性特征基本出現(xiàn)在水流附近區(qū)域。與Ⅲ型隱伏活斷層不同的是,Ⅳ型基巖內(nèi)的低阻條帶異常為斷層破碎帶含水導(dǎo)致。

Ⅳ型隱伏活斷層的示例如圖7所示。該測線位于甘南舟曲鎖兒頭滑坡前緣,測線南距白龍江約30 m。松散覆蓋物為灰黑色炭質(zhì)碎石土,表現(xiàn)為相對低阻,下伏石炭系灰?guī)r表現(xiàn)為相對高阻,存在著明顯的電性差異,分層效果較好。測線300 m處灰?guī)r高阻體內(nèi)有明顯低阻條帶,經(jīng)綜合分析推測為白龍江江水充滿斷層破碎帶導(dǎo)致,引起條帶異常的寬度約為40 m。

圖7 鎖兒頭高密度反演成果剖面圖Fig.7 Inversion section of resistivity in Suoertou

4 難以識別的電性異常

4.1 原因歸類

雖然白龍江流域隱伏活斷層引起的電性異常特征明確,利用高密度電法可以定量或定性地描述隱伏活斷層性質(zhì),但由于種種原因,還有一些隱伏活斷層的電性異常在高密度成果剖面中難以識別,不能作為單獨解釋斷層的依據(jù)?；诒緟^(qū)大量地球物理勘查結(jié)果,筆者對難以識別的電性異常進行分類說明,難以識別的電性異常主要原因有兩個,一個主要出現(xiàn)在野外布設(shè)方面,另一個與地質(zhì)背景相關(guān)(表2)。

表2 難識別的電性異常影響因素歸納表Table 2 Table of factors influencing electrical anomalies that are difficult to identify

因野外布設(shè)導(dǎo)致的電性異常難以識別的主要因素如下:

(1) 測線長度問題。白龍江流域地形地貌復(fù)雜多變,測線長度往往受場地限制,而高密度電法的勘探深度與測線長度相關(guān),勘探深度較淺直接影響Ⅲ、Ⅳ型隱伏活斷層的識別。另外,本區(qū)斷層活動影響帶及破碎帶寬度平均在20 m以上,測線過短不利于電性異常識別。

(2) 測線方向問題。受地質(zhì)認識和地形的限制,測線布設(shè)方向與斷層走向近乎平行或者兩者夾角較小,此類測線的布設(shè)方式不利于隱伏活斷層的識別。

(3) 數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。受地形地貌限制,電極空置較多、數(shù)據(jù)背景噪聲較大、接地不良等均會影響勘探質(zhì)量及精度,從而導(dǎo)致反演結(jié)果不能客觀地反映隱伏活斷層的電性異常特征。

因地質(zhì)背景導(dǎo)致的電性異常難以識別的主要情況如下:

(1) 覆蓋層電性背景與斷層引起的電性異常相近。如覆蓋層為碎石土、卵礫石土等高阻電性背景,則非含水隱伏活斷層的電性異常在覆蓋層較難識別,因為兩者電性差異較小。

(2) 基巖電性背景與斷層引起的電性異常相近。如基巖為千枚巖、灰?guī)r等高阻電性背景,則非含水隱伏活斷層的破碎帶引起的電性異常在基巖內(nèi)部較難識別?？傊?覆蓋層或基巖等電性背景特征需與隱伏活斷層引起的電性異常存在一定的電性差異,只有建立在此種物性差異的基礎(chǔ)上,才可以對隱伏活斷層的電性異常進行分析。

(3) 基巖巖性復(fù)雜多變?；鶐r巖性多變主要表現(xiàn)為基巖背景電性特征難以明確,從而導(dǎo)致隱伏活斷層異常難以識別。如基巖為炭質(zhì)千枚巖與千枚狀板巖互層結(jié)構(gòu),低阻巖性與高阻巖性交替出現(xiàn),基巖電性背景雜亂,嚴重干擾隱伏活斷層的正常電性異常特征。

(4) 斷層錯綜復(fù)雜。白龍江流域構(gòu)造極其發(fā)育,隱伏活斷層往往成組出現(xiàn),內(nèi)部關(guān)系復(fù)雜,部分斷層距離較近,電性異常區(qū)域連成一片,從而造成識別困難。

隱伏活斷層的電性異常難以識別有時并非單一情況導(dǎo)致,而是受多種不同因素共同作用導(dǎo)致,由于影響因素復(fù)雜多變,需具體問題具體分析。

4.2 相關(guān)示例

圖8的示例測線位于舟曲縣憨班鄉(xiāng)黑峪溝內(nèi),黑峪溝受坪定—化馬斷裂帶的影響,基巖破碎,次級斷裂極為發(fā)育。由地震反射結(jié)果知測線60 m處有斷裂發(fā)育,但由于測線較短,勘探深度有限,未能在基巖內(nèi)部出現(xiàn)“低阻背景,高阻條帶”的異常特征,而覆蓋層電性背景與斷層引起的電性異常相近,不能作為判定斷層依據(jù),故此線的高密度難以進行斷層識別。

圖8 黑峪溝高密度反演成果剖面圖Fig.8 Inversion section of resistivity in Heiyugou

圖9示例測線為舟曲老溝村查拉滑坡中上部一橫測線,地震反射揭示測線120～200 m處發(fā)育有兩條傾向相對的逆斷層,由于斷層距離較近,兩者引起的高阻異常連成一片,難以對斷層進行定性解釋;再加之查拉滑坡松散覆蓋層中的碎石土、含礫粉質(zhì)黏土及漂石土交錯分布,也對識別斷層的電性異常產(chǎn)生了干擾。

圖9 查拉高密度反演成果剖面圖Fig.9 Inversion section of resistivity in Zala

5 結(jié)語

白龍江流域新構(gòu)造活動極為強烈,本文在大量物探結(jié)果的基礎(chǔ)上總結(jié)出了隱伏活斷層的電性異常響應(yīng)特征,為高密度電法在本區(qū)進行有效的斷層勘查提供了參考依據(jù)。通過研究歸類,主要認識如下:

(1) 白龍江流域隱伏活斷層電性特征分可分為五類,其中可作為斷層識別依據(jù)的有四類,不可識別的統(tǒng)歸為一類。

(2) 隱伏活斷層引起的電性異常與其電性背景存在著明顯的電性差異是電性異常可識別的物性基礎(chǔ),異常發(fā)育位置包含覆蓋層與基巖兩處,斷層含水性又分為含水與非含水兩種,從而形成了“高(低)阻背景、低(高)阻條帶”的電性特征,具體情況需要進行辯證分析。

(3) 造成電性異常難以識別的原因主要為“野外布設(shè)”與“地質(zhì)背景”兩類情況,每類中又包含多種影響因素。通常情況下,隱伏活斷層的電性異常難以識別是由多種影響因素共同造成的。

(4) 本文提出了一種基于電性差異的隱伏活斷層分類方法,并給出了相關(guān)示例。本文的研究成果對白龍江流域隱伏活斷層的勘查有一定的指導(dǎo)作用,也為高密度電法在其他地區(qū)開展斷層勘查提供了參考價值。