高密度電阻率法在識別巖溶區(qū)斷層結(jié)構(gòu)特征中的應(yīng)用

楊 妍 妨

(中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所/自然資源部、廣西巖溶動力學(xué)重點實驗室, 廣西 桂林 541004)

0 引 言

地質(zhì)構(gòu)造條件在巖溶發(fā)育過程中起到控制性作用, 石灰?guī)r等可溶巖層之所以能透水含水、產(chǎn)生溶蝕, 主要原因就是其中發(fā)育斷裂構(gòu)造、存在各種構(gòu)造裂隙[1-2]。斷層使得完整巖石破碎、裂隙發(fā)育, 利于地下水滲入、流動, 巖溶作用加劇, 形成溶洞、地下河管道等巖溶形態(tài); 大型的壓性斷層因發(fā)育斷層泥或糜棱巖, 常造成區(qū)域性的水文地質(zhì)條件差異; 斷層還在一定程度上控制了巖溶塌陷的發(fā)育[3]。另外, 斷層控制地下水的儲水空間, 決定地下水的運移方向及富水帶, 是地下水地球物理勘查的主要目標(biāo)體[4-5]。如何準(zhǔn)確、經(jīng)濟、快速確定斷裂構(gòu)造的空間展布特征, 是把握巖溶發(fā)育動態(tài)、豐富地質(zhì)認(rèn)識和提高找水準(zhǔn)確率的關(guān)鍵[6]。

高密度電阻率法(electrical resistivity tomography, ERT)可對淺部150 m深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)進行較精細劃分, 較真實地反映地質(zhì)構(gòu)造的本來面目, 獲得高分辨率的地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和成分信息, 又因其采集便利、設(shè)備廉價、數(shù)據(jù)處理過程簡單等優(yōu)勢[7-8], 被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造勘查[9-12]和地下水勘查[13-16]中, 取得了良好的效果。前人利用溶洞、活動斷層、巖溶管道等目標(biāo)異常體, 對高密度電阻率法不同采集裝置、電極距、場地條件下響應(yīng)特征進行過大量深入的研究[9,17-21], 使不同異常體的異常特征得到直觀形象認(rèn)識, 且有效指導(dǎo)了實際工作中觀測參數(shù)的選擇、數(shù)據(jù)處理以及地質(zhì)解釋。但是, 針對巖溶區(qū)不同傾角斷層和交叉斷層進行正反演模擬并獲取識別斷層結(jié)構(gòu)特征的工作及文獻仍然少之又少。本文通過高密度電阻率法施倫貝格裝置正反演模擬研究, 獲得了碳酸鹽巖中不同傾角斷層和不同交角交叉斷層的異常變化特征, 總結(jié)出識別斷層頂部埋深、水平寬度、傾向、傾角和交叉斷層空間結(jié)構(gòu)特征的規(guī)律, 結(jié)果對高密度電阻率法勘查和識別地下地質(zhì)構(gòu)造, 判斷目標(biāo)體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)具有一定的借鑒和指導(dǎo)作用。

1 模型設(shè)計與模擬參數(shù)選取

1.1 模型設(shè)計

巖溶發(fā)育區(qū)表現(xiàn)出的地球物理性質(zhì)與周圍的差異, 是高密度電阻率法勘查的前提。通常來說, 完整質(zhì)純的灰?guī)r或白云巖呈高阻特征, 電阻率一般大于5 000 Ωm; 覆蓋型巖溶淺部呈低阻特征, 電阻率為200～1 000 Ωm[22]。斷裂帶內(nèi), 中小型張性斷裂帶本身結(jié)構(gòu)疏松, 多被松散不規(guī)則的角礫巖、破碎巖填充, 壓性、壓扭性斷裂經(jīng)強烈擠壓作用存在低阻斷層泥、糜棱巖, 斷層交叉部位巖石劇烈破碎, 極易富水。 總體來說， 斷裂帶具有相對低阻的特征。另外, 基巖山區(qū)找水的目標(biāo)體為小斷距或無斷距的中小型張性斷層, 即使存在斷距, 按一般研究的深度考量(150 m以淺), 在同一巖性中斷層兩盤也無電阻率差異。由此, 建立和研究具有不同傾角的單條斷層地電模型(圖1)和不同交角的交叉斷層地電模型(圖2)的電性響應(yīng)具有一定的代表性和現(xiàn)實意義。

圖1 不同傾角斷層地電模型Fig.1 Geoelectric model of faults with different dip angle

圖2 不同交角的交叉斷層地電模型Fig.2 Geoelectric model of cross faults with different angles

圖1模型中, 低阻覆蓋層厚10 m, 電阻率值取值300 Ωm; 下伏碳酸鹽巖電阻率值5 000 Ωm, 其中發(fā)育有水平寬a0=20 m， 頂部埋深h0=10 m， 中心點水平位置x0=252.5 m， 傾角θ0分別為90°、76°、63°、45°、30°的斷層, 斷層帶電阻率值為1 000 Ωm。圖2模型中, 低阻覆蓋層厚10 m, 電阻率值同為300 Ωm; 下伏碳酸鹽巖電阻率值5 000 Ωm, 其中發(fā)育水平寬度均為20 m, 交角分別為α0=0°、54°、113°的交叉斷層, a、b模型中兩斷層均位于排列230～250、325～345 m處, b模型斷層交叉點位于287.5 m、深100 m處; c模型中斷層位于排列177.5～197.5、365～385 m處, 交叉點在281.25 m、深80 m處。

1.2 模擬參數(shù)選擇

高密度電阻率法眾多測量裝置中, 施倫貝格裝置綜合探測效果最好[23], 采集的野外數(shù)據(jù)能較完整地反映地下電性分布, 能較好地體現(xiàn)斷裂構(gòu)造的空間結(jié)構(gòu)特征。本次正反演計算中, 選擇施倫貝格裝置, 電極數(shù)120個, 電極距5 m, 測線垂直于斷層的走向方向布置, 排列位于0～595 m。正演計算采用Geotomo Software的RES2DMOD(ver.3.01)軟件, 計算方法為有限差分法,X方向網(wǎng)格剖分為電極距的一半,Y方向上網(wǎng)格間距逐漸增大, 模型隔離系數(shù)48。將正演數(shù)據(jù)添加0.1%隨機噪聲導(dǎo)入RES2DINVx32(ver.3.71.111)進行反演計算, 方法為光滑約束的非線性最小二乘法。正演結(jié)果和反演結(jié)果分別使用一致的網(wǎng)格化間隔、色標(biāo)、電阻率間隔等參數(shù)繪出, 便于結(jié)果的對比分析。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 不同傾角斷層

正演結(jié)果如圖3a所示, 斷層傾角從90°逐漸減小到30°時, 視電阻率等值線在斷層部位一致向下彎曲, 均顯示為等值線下凹形成似“V”狀, 這是斷層的反映, 但傾角的差別在此毫無體現(xiàn)。表層層狀介質(zhì)的界面顯示為過渡面, 界面并不明顯, 判斷不出電性層數(shù)。所以在處理數(shù)據(jù)時需要參考原始擬斷面, 但是不可將其作為主要解釋依據(jù)。

反演結(jié)果(圖3b)中, 因模型設(shè)計的斷層與低阻覆蓋層、圍巖之間存在明顯的電性差異, 可較好地分辨出模型的不同部位, 并且因淺表覆蓋層位于排列數(shù)據(jù)高密度覆蓋部位、高阻圍巖為巨厚電性層, 兩者反演電阻率值與模型設(shè)計的300 Ωm和5 000 Ωm相一致。對于不同傾角的目標(biāo)斷層而言, 因受到體積效應(yīng)的影響, 斷層部位的反演電阻率值均較模型設(shè)計偏大, 在反演結(jié)果中顯示為以電阻率等值線密集帶為界的帶狀相對低阻異常。所有的反演結(jié)果中, 不同傾角斷層都存在水平巖性界面形成的水平電阻率等值線密集帶，在斷層頂部位置出現(xiàn)明顯下凹、斷層上盤出現(xiàn)不同傾斜程度的近似“S”形電阻率等值線密集帶兩個明顯特征, 由此嘗試獲取斷層的幾何結(jié)構(gòu)特征: 水平電阻率等值線密集帶在斷層頂部位置的左右兩個下凹點A、B,其埋深一致、水平位置相異,根據(jù)A、B點埋深獲取斷層頂部埋深,A、B點水平位置相減(xB-xA)計算斷層水平寬度,進而計算出中心點水平位置;斷層上盤不同傾斜程度的近似“S”形電阻率等值線密集帶是斷層不同傾角的反映,該“S”存在C、D2個拐點,將B、C連線即可獲得斷層破碎帶的上邊界,同時也獲取了斷層的大致傾角。

圖3 不同傾角斷層正(a)、反(b)演結(jié)果Fig.3 Forward(a) and inversion(b) results of different dip angle faults

與模型設(shè)計相比(表1), 因方法對低阻較為敏感、且斷層頂部處于此排列條件下數(shù)據(jù)覆蓋密度高的部位, 反演結(jié)果能可靠分辨斷層頂部埋深; 對于斷層水平寬度和中心點水平位置而言, 斷層異常的水平寬度隨傾角的減小而增大, 中心點水平位置呈現(xiàn)出向傾向方向移動的趨勢, 結(jié)果可準(zhǔn)確識別此變化; 特別值得注意的是, 不同傾斜程度的斷層異常, 其傾角均較實際偏大, 其中高角度斷層情況下異常傾角比實際傾角大1°～3°, 低傾角斷層情況下異常傾角則比實際傾角偏大8°左右, 推斷傾角時應(yīng)十分注意。此外, 不管斷層傾角多大, 斷層下盤高阻區(qū)因受上部低阻破碎帶的屏蔽作用, 均顯示成相對低阻, 并與高阻圍巖以豎直密集的電阻率等值線帶為邊界, 這很容易誤將其解釋為斷層破碎帶的下盤邊界, 所以若直接根據(jù)反演結(jié)果推斷斷層的分布范圍會引起很大誤差。

表1 斷層反演解釋結(jié)果與模型設(shè)計參數(shù)差異Table 1 Differences between inversion interpretation results and model design parameters

總的來說, 在排列可勘探深度內(nèi), 高密度電阻率法施倫貝格裝置的反演結(jié)果可以較為準(zhǔn)確地判斷出斷層頂部埋深、水平寬度、中心點水平位置以及傾向, 獲得大致傾角, 但在野外數(shù)據(jù)的反演解釋和地質(zhì)調(diào)查工作中均需注意異常傾角通常比實際傾角大的影響。

2.2 不同交角的交叉斷層

正演結(jié)果(圖4a)中, 斷層頂部埋深位置的視電阻率等值線豎直向下彎曲, 指示著斷層的存在, 但在視覺上易誤判為兩條豎直斷層, 而不是交叉斷層。表層層狀介質(zhì)的界面顯示為過渡面, 界面并不明顯, 不易判斷電性層數(shù)。這同樣說明， 在處理數(shù)據(jù)時需要參考原始擬斷面, 但不可將其作為主要解釋依據(jù)。

模型中的第四系覆蓋層埋深淺且位于此排列條件下數(shù)據(jù)覆蓋密度高的部位, 高阻碳酸鹽巖圍巖則為巨厚電性層, 因而兩者反演的電阻率值和埋深均與模型設(shè)計一致, 能被可靠分辨出其發(fā)育特征。

反演結(jié)果(圖4b)顯示, 交角α0為0°的平行斷層, 斷層兩側(cè)等值線密度接近并呈現(xiàn)對稱特征, 斷層之間的高阻體可被可靠分辨; 交角為54°的交叉斷層由兩條傾角63°的斷層組成, 兩斷層在與覆蓋層界面處的發(fā)育位置和水平寬度均可準(zhǔn)確識別, 但隨著深度的增加, 深處交叉部位則因分辨率降低和體積效應(yīng)的影響而形成連片低阻異常, 無法直觀判斷出交叉部位的位置和范圍, 其上高阻體因形成明顯的高阻圈閉異常而能夠被準(zhǔn)確定位; 當(dāng)交角增加到113°時, 反演結(jié)果同樣無法直觀識別交叉部位的范圍和埋深, 交叉部位之上的高阻體也形成明顯的高阻圈閉異常。

圖4 不同交角的交叉斷層正(a)、反(b)演結(jié)果Fig.4 Forward (a)and inversion(b) results of cross faults with different angles

交叉斷層是不同傾角斷層的組合, 因而在反演結(jié)果中同樣存在水平巖性界面形成的水平電阻率等值線密集帶在斷層頂部位置出現(xiàn)明顯下凹、斷層上盤出現(xiàn)不同傾斜程度的近似“S”形電阻率等值線密集帶兩個明顯特征, 由此可獲取交叉斷層的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。 與上述單條傾斜斷層類似, 先根據(jù)水平密集電阻率等值線在斷層頂部的明顯下凹特征, 確定A、B點和A′、B′點;相向而傾的兩條斷層上盤形成了明顯的高阻圈閉異常,該異常區(qū)以彎曲密集電阻率等值線與斷層部位為界,均存在拐點C和C′,分別連線A、B、C點和A′、B′、C′點,通過斷層上盤邊界BC和B′C′的交點J即可獲得斷層交叉部位的頂部埋深和水平位置,∠CJC′為斷層異常的交角。與模型設(shè)計相比(表2), 不同交角的斷層, 交叉部位的水平位置能可靠分辨; 隨著交叉角度的增大, 因方法對低角度斷層傾角存在8°左右的誤差, 導(dǎo)致交叉部位異常的埋深和交角明顯偏離原始模型。考慮到交叉部位其上高阻體均能形成明顯的高阻圈閉異常, 在實際工作中可根據(jù)高阻夾塊位置和其下連片相對低阻來大致確定交叉部位, 確定井位, 但在設(shè)計鉆孔深度時需要特別注意。

表2 交叉斷層反演解釋結(jié)果與模型設(shè)計參數(shù)差異

3 實例驗證

采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-4型儀器, 在魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖類為主的地質(zhì)背景區(qū)內(nèi)開展高密度電阻率法勘查(圖5), 探測剖面的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征, 獲取以斷層為主的地下水有利賦存部位。工作區(qū)以裸露型巖溶為主, 出露地層為寒武系三山子組沉積巖, 巖性由白云巖、竹葉狀灰?guī)r等組成。測線范圍內(nèi)地勢較為平坦, 場地通視條件良好。野外使用施倫貝格裝置, 電極數(shù)80個, 電極距5 m, 最大隔離系數(shù)38, 使用RES2D軟件進行最小二乘反演。

反演結(jié)果(圖5b)顯示, 剖面形態(tài)復(fù)雜、無明顯層狀, 電阻率在50～1 000 Ωm左右。沿剖面方向, 淺部斷續(xù)分布0～5 m厚的低阻薄層, 指示表層巖溶帶的存在; 剖面130 m、深度35 m處存在圈閉低阻異常區(qū), 其上完整高阻區(qū)被兩側(cè)低阻帶隔開, 推測該處發(fā)育溶洞。根據(jù)正反演模擬結(jié)果可知, 斷層在反演結(jié)果中顯示為以電阻率等值線密集帶為界的帶狀相對低阻異常, 由此推測溶洞以淺發(fā)育斷層F1、裂隙發(fā)育帶且?guī)r石破碎程度高。同時, 因交叉斷層的交叉部位在剖面深部形成連片低阻異常, 剖面210、320 m處顯示連片帶狀相對低阻異常區(qū), 推斷是反向而傾的交叉斷層F2、F3的綜合響應(yīng), 其中F3斷層規(guī)模較大、埋藏深。由于溶洞和F3處電阻率低于50 Ωm且?guī)r石破碎程度較高, 推測為泥質(zhì)填充。

為將模擬結(jié)果用于指導(dǎo)野外地質(zhì)解釋, 提高方法探測巖溶地區(qū)斷層結(jié)構(gòu)特征的準(zhǔn)確率, 可先根據(jù)反演結(jié)果初步建立地電模型, 對其進行再反演, 當(dāng)再反演結(jié)果與原反演結(jié)果相一致時, 此模型便為最終解釋結(jié)果。

首先, 根據(jù)正反演模擬獲取斷層幾何結(jié)構(gòu)特征的方法, 確定斷層F1、F2、F3及裂隙發(fā)育帶的幾何結(jié)構(gòu)特征, 在圖5b中, 由淺表水平方向電阻率等值線密集帶下凹, 確定A、B點, 由此獲取3條斷層的頂部埋深, 并計算水平寬度、中心點水平位置; 再根據(jù)斷層上盤的彎曲電阻率等值線確定拐點C, 連線BC, 便可確定斷層上盤邊界和大致傾角; 對于溶洞, 可根據(jù)低阻圈閉異常大致圈出范圍, 確定幾何參數(shù)(表3)。

表3 推斷地質(zhì)體幾何特征Table 3 Inferred geometric features of geological bodies

圖5 高密度電阻率勘查結(jié)果Fig.5 Exploration results of electrical resistivity tomography

由前文模擬結(jié)果知, 表層巖溶帶埋深淺且位于排列數(shù)據(jù)高密度覆蓋部位, 反演的電阻率值與實際值相差甚小, 因而取值為50 Ωm; 高阻圍巖可視為巨厚層, 反演結(jié)果可準(zhǔn)確反映其電阻率, 取值1 000 Ωm。發(fā)育于高阻圍巖中的斷層F1、F2, 因受到體積效應(yīng)的影響, 反演電阻率較實際值偏大, 所以將電阻率取值為200 Ωm。斷層F3與溶洞或為泥質(zhì)填充, 賦予泥質(zhì)填充的電阻率值為10 Ωm。由此建立剖面地電模型(圖6a)。在對地電模型進行正演計算的結(jié)果上添加0.1%隨機噪聲進行反演計算, 其反演計算結(jié)果(圖6b)與實測結(jié)果(圖5b)之間差別極小。最終根據(jù)表3和地電模型圖6a, 確定高密度電阻率探測剖面的最終地質(zhì)解釋成果(圖7)。

圖6 推斷地電模型(a)及其反演結(jié)果(b)Fig.6 Inferred geoelectric model(a) and its inversion(b) results

圖7 最終地質(zhì)解釋結(jié)果Fig.7 Final geological interpretation profile

為驗證實際效果, 在剖面150 m處進行激電測深和鉆探。在激電測深曲線(圖8)中, 視電阻率值總體小于500 Ωm, 呈上升趨勢, 其中在AB/2=5 、28 m處出現(xiàn)低阻異常, 與高密度剖面150 m處存在表層巖溶帶、裂隙發(fā)育帶和F1斷層的結(jié)果一致; 在高密度剖面深度65 m內(nèi), 14 m

圖8 1號激電測深點曲線Fig.8 No.1 IP curves

4 結(jié)論與建議

采用高密度電阻率法施倫貝格裝置對巖溶區(qū)不同傾角斷層和交叉斷層的正反演模擬及應(yīng)用研究表明:

(1)在排列可勘探深度內(nèi), 斷層在反演結(jié)果中顯示為以電阻率等值線密集帶為界的帶狀相對低阻異常。不同傾角斷層的反演結(jié)果都存在水平巖性界面形成的水平電阻率等值線密集帶在斷層頂部位置出現(xiàn)明顯下凹、斷層上盤出現(xiàn)不同傾斜程度的近似“S”形電阻率等值線密集帶兩個明顯特征。根據(jù)水平電阻率等值線密集帶在斷層頂部位置形成的下凹點水平和垂向位置, 可準(zhǔn)確計算斷層頂部埋深、水平寬度和中心點水平位置; 根據(jù)不同傾角斷層上盤形成的不同傾斜程度近似“S”形電阻率等值線密集帶, 可獲得斷層破碎帶的上邊界和斷層大致傾角, 但反演的傾角較實際傾角偏大, 且實際傾角越小反演傾角偏大越多, 對傾角為30°時達到8°左右的誤差, 反演解釋時需特別注意。

(2)交叉斷層是不同傾角斷層的組合, 反演結(jié)果仍可通過水平巖性界面形成的水平電阻率等值線密集帶下凹特征, 分別判斷兩條斷層的頂部埋深; 但交叉部位因分辨率降低和體積效應(yīng)的影響, 形成連片低阻異常, 較難定量判斷其范圍。因交叉部位其上高阻體均能形成明顯的高阻圈閉異常, 在實際工作中可根據(jù)高阻夾塊位置和其下連片相對低阻來大致確定交叉部位, 確定井位, 但在設(shè)計鉆孔深度時需要特別注意。