綜合物探方法在構造調查中的應用

黃玉輝

（新疆水利水電勘測設計研究院 新疆 昌吉 831100）

1 前言

構造是巖石或巖層受了內力或外力作用而產生的原始位態或面貌，如層理，粒序層、波痕等各種原生構造，以及各種原始位態或面貌的改變，即變形與變位，如各種次生的褶皺、節理、斷層、韌性剪切帶、裂谷，俯沖帶、轉換斷層等。在工程物探中，圈定構造帶和構造破碎帶主是利用構造帶和構造破碎帶與正常基巖之間的彈性波差異、電性差異和電磁性差異等，使用重力法、磁法、大地電磁電法等物探方法在同一區域上測試，找出異常位置，通過對異常部分的分析來圈定構造影響帶。

2 儀器工作原理

2.1 重力儀的工作原理

當重力發生變化引起擺桿偏離水平位置時，指示絲隨之偏轉，通過一套光學系統即可發現指示絲形成的“亮線”在刻度片上偏離零線的位置。這時調節測量彈簧的長度，就可以使溫度補償桿繞測量扭絲作微小偏轉，從而改變了主彈簧的彈力矩，使擺桿又回到零點位置。彈簧長度的變化，可以通過連接在它上端的螺旋測微讀數器顯示出來，這種讀數方法稱為零點讀數法。兩次零點讀數的差值，就指出了重力的變化量。

2.2 磁力儀的工作原理

自然界的巖石和礦石具有不同磁性，可以產生各不相同的磁場，它使地球磁場在局部地區發生變化，出現地磁異常。磁力儀利用靜態激發質子在地磁場內的拉莫爾進動效應測量磁場。

2.3 V8多功能電法儀的工作原理

V 8電法工作站具備時間域的常規電剖面、電測深、高密度電法、瞬變電磁測量功能；具備頻率域的M T(大地電磁法)、AMT(音頻大地電磁法)、CSAMT(可控源音頻大地電磁法)等功能。

音頻大地電磁法（AMT），是利用天然音頻大地電磁場作為場源（頻率范圍為5Hz～104Hz），屬于被動源電磁法，觀測電場和磁場分量。主要解決地質構造等問題。該方法具有設備輕便、工作靈活、成本低廉的優點。其最大的弱點是天然音頻電磁場的信號太弱，它只能在干擾小的情況下才能取得好的結果。

可控源音頻大地電磁簡稱CSAMT，是利用接地水平電偶源為信號源的一種頻率域電磁測深法，CSAMT采用了大功率的人工場源，具有信號穩定、信噪比高、穿透能力強、探測深度大等特點。近幾年來CSAMT在研究確定隱伏構造等方面得到了廣泛應用。

3 工程實例

3.1 工程概況

某水利工程需要在地下深度500 m～800 m開挖引水隧洞，要求物探對洞線樁號段171+8000～174+8003進行勘查，圈定構造帶或構造破碎帶。

3.2 試驗工作

上述各項試驗具體方法和要求均按《重力調查技術規定（1:50000）D Z 0004-1991》執行。

3.2 測試成果分析

3.2.1 重力

首先工作前按《重力調查技術規定（1:50000）D Z0004-1991》中的要求進行了試驗工作，試驗結果見圖1、圖2。

儀器零點漂移曲線符合規范要求。

圖1 靜態試驗測定

圖2 動態試驗測定

圖3 局部重力異常圖

圖4 局部Δg異常垂向一階導數圖

圖5 磁法剖面圖

圖6 AMT視電阻率剖面平面圖

對局部重力異常進行分析，如圖3所示。

分析3km的局部重力異常剖面，從171+800點至172+580點之間，異常值逐步減小，推測172+320點到172+580點之間有斷裂分層，但具體分層界限不明；172+580～174+500段異常值由小到大，再到小，其中173+200點到173+760點處出現V字型缺口，異常差值達0.5mgal以上。很明顯該處有質量虧損，即存在斷裂破碎帶，只能看出大致位置，具體界限不明；174+500～174+800段異常值逐漸減小，呈南高北低的趨勢，推測可能有分層，參考南部曲線形態，以-0.5mgal為橫軸與曲線相交，可能分層位置在174+560點附近，具體位置需進一步分析。

因為局部重力異常無法看出具體分層界限，對局部重力異常進行垂向一階導數處理。重力垂向一階導數在放大高頻成分的同時，又能壓制低頻成分，因此垂向導數既突出局部異常又壓制區域異常，還能區分相鄰異常，減小其相互疊加的影響。從理論上講，剖面圖上垂直一階導數的零值點，在平面圖上是零值點連線，可以確定地質性密度變化的邊界位置，如斷層、不同密度構造分界線等，如圖2所示。

斷裂破碎帶界限為173+160點到173+360點之間。

3.2.2 磁法

首先，工作前按《地面高精度磁測技術規程D Z/T0071-93》中的要求進行了試驗工作儀器噪聲試驗測定：

表1 噪聲試驗結果表

儀器一致性測定：

表2 儀器一致性計算結果表

分析3km長磁法剖面（見圖5），主要分為三個異常區，即171+800～172+700磁場高值區。

磁場值在57670nT～57860nT之間，磁場不穩定，磁場值變化較劇烈。該區域磁場值較大，極大值在172+120點處，緊接著在172+280點處伴生極小值負異常，推測該處地層與中部地層不一致，在172+280點處有明顯分層界限，可能為斷裂分層導致，結合區域地質圖來判斷，推測其為火山巖地層。

在測線中部172+300～174+300，大部分為背景場，磁場穩定，只在173+000點到173+240點和173+720點到173+800點之間有兩處正異常。173+0點到173+240點之間的異常較大，異常較寬，變化較大，推測為斷裂破碎帶引起；173+720～173+800點之間的異常寬度較小，推測為表淺部含鐵磁性物質。

在測線174+300～174+800處磁場變化較為劇烈，但幅度相對南部高值區較小，在57660nT～57780nT之間變動，在174+560點附近出現極小值，推測該處也存在斷裂分層，但結合中部和北部曲線來看，有可能為同一地層，而在此處被斷裂分開了，故推測該處也為沉積巖地層。

結合重力分析，重力推測出來的斷裂分層界限相對于磁法有偏移，因為相對來說，磁法是淺部異常的反映，重力是深部異常的反映，故兩者相互對應，互相印證，結合區域地質圖，南部為火山巖地層，在172+360點處分層，中部為沉積巖地層，其中173+160點到173+360點之間為斷裂破碎帶，北部在174+200點處分層，但很可能與中部是同一沉積巖地層。

圖7 CSA MT視電阻率剖面平面圖

3.2.3 AMT和CSAMT

在AMT視電阻率剖面平面圖（如圖6）中可以看到，從點172+840至點173+320地表至地下200m左右均為中低電阻率(≤70Ω·m)，自1280點向下部延伸均為低電阻率(約70Ω·m左右)，且隨著深度的增加范圍增大，而在1280點兩側的測點深部均為中高電阻率(≥100Ω·m)，且電阻率值接近。

在CSAMT視電阻率剖面平面圖中（如圖7）同樣可以看出，從點172+880到點173+360地表至地下200m左右均為低電阻率(≤160Ω·m)，自點173+200到點173+280向下延伸為中等電阻率(約100Ω·m～400Ω·m)，而在該范圍兩側的測點向深部延伸均為中高電阻率(≥400Ω·m)，兩側電阻率值接近，這與AMT方法中電阻率分布情況相同。

根據收集到的地質資料來看，初步推測淺部低電阻率區域為破碎帶，剖面中部的173+200點到173+280點處為斷層，斷層兩邊的高電阻率區域為同一套地層。根據CSAMT中的中等電阻率分布狀況來看，該斷層為向北陡傾。

3.3 結論

測區應用重力、磁法、電磁法勘探均可以直接圈定較大的斷裂構造。其中重力、磁法勘探能夠快速的了解測線方向上的巖性分布情況，尤其是在巖性接觸帶上和斷裂破碎帶上有良好的顯示。電磁法勘探（AMT、CSAMT）主要探測縱向電阻率參數，能夠清晰的反映出地下特定深度上電阻率分布情況，進而得到斷裂延伸方向，以及破碎帶是否含水等信息。

4 結語

綜合物探剖面勘查尋找斷裂構造是準確有效的方法。通過高精度地面磁法、重力勘查獲取地球物理信息，進行巖性劃分，圈定斷裂破碎帶分布范圍。通過電磁法勘查，查明深部巖體電性參數分布規律，定量解釋地下一定深度內的巖石含水狀況。重磁方法與電磁方法的結合，在本區綜合物探勘查中取得了較好的地質效果。

[1]SL326—2005，水利水電物探規程，《重力調查技術規定（1∶50000）DZ 0004-1991》，《地面高精度磁測技術規程DZ/T 0071-93》。