綜合物探方法在隱伏斷層調查中的應用

程紅濤，張海豐

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司， 鄭州 450003）

本文以河南省某水庫壩址區隱伏斷層的探測為實例， 鑒于各種物探方法存在固有的條件性和多解性，且對隱伏斷層判別的適用性及應用效果，本次以高密度電法為整體控制性方法， 采用高密度電法與電磁法（大地電磁法、瞬變電磁法）相結合的手段對地下隱伏斷層的特征進行探測， 以避免單種物探方法的多解性和不確定性對隱伏斷層造成誤判。

1 探測區地質條件

壩址區位于太行山低山區的河流峽谷中， 左岸山體上部基巖出露，斜坡相對較緩，坡度在15°～45°之間；下部為Ⅰ級、Ⅱ級階地，地形平緩。右岸山體基巖裸露，斜坡相對較陡，坡度40°～80°。 兩岸斜坡均覆蓋有低矮灌木。河谷內地形較平緩，為第四系地層所覆蓋，左側發育河漫灘，地表為林木，右側基巖出露。

區域內地層結構簡單，主要為古生界寒武系、奧陶系巖層及新生界第四系地層。寒武系、奧陶系巖層巖性以白云質灰巖、白云巖、灰巖等為主；第四系地層巖性主要為礫石、低液限黏土等，分布于山前斜坡、河流河床階地上。

地下水主要分布于河床卵石層中和Ⅰ、Ⅱ級階地底部底礫層中的松散堆積層孔隙水及少量分布于基巖表層的風化帶、構造破碎帶、節理裂隙密集帶及巖溶溶洞、溶蝕溝縫中基巖裂隙水。

2 探測區構造發育可能性分析

壩址區區域上位于中朝準地臺山西臺隆南緣太行山拱斷束內，整體為一寬緩的且長期發展、多次構造變形迭加的開闊大型復式背斜。 區內斷裂比較發育，形成于燕山期，具多次長期活動的特點，距離最近的為南部與華北坳陷的分界斷裂——焦作—商丘深斷裂，距離壩址區約10km。

近場區地質構造資料顯示， 壩址區附近斷層構造較為發育， 壩址區范圍內發育一條影響范圍較小的斷層F，地質測繪成果初步判斷該斷層從壩址區左壩肩附近呈隱伏狀通過，具體位置并不明確。近壩址區下游地表出露有斷層F的露頭A，如圖1，可以判斷出該斷層為正斷層，走向為58°～68°，傾向為南東，傾角為80°～84°，斷層寬1.0～5.0m，影響帶寬5.0～10.0m，斷層帶充填物為斷層角礫巖，多夾灰黃色泥質，有鈣質膠結，露頭表層為全強風化狀態，斷層上下盤巖體較破碎。

圖1 物探方法布置圖

左岸下部及河谷內均有第四系地層所覆蓋，且壩址區河谷較寬，地表無斷層F跡象，無法判斷出是否在河床位置存在順河方向的隱伏斷層。 因此壩址區河床及左岸被第四系地層覆蓋的位置有斷層F、順河方向隱伏斷層發育的可能，是本次判別研究的重點。

河谷右岸奧陶系基巖裸露，地層連續，無斷層構造行跡，遠離庫區一沖溝中發現斷層F的另一地表露頭，與近壩址區下游左岸露頭A相連，可以初步確定該斷層經過壩址區的大致范圍， 只是地表為第四系地層所覆蓋無法判別出具體位置。

地質測繪工作可直觀的大致圈定斷層的發育范圍和延伸方向等地質特征，對地表有覆蓋層的隱伏斷層特性的了解就需要采用具體的勘察手段進行探測。

3 隱伏斷層地球物理特征及技術思路

隱伏斷層具有地表無出露且隱伏于覆蓋層以下的特征，不過無論何種類型斷層、何種地層條件，均會在巖層中順斷層破裂面的上下兩盤發生明顯的位移，使其原始巖層連續性被破壞，致使形成松散破碎或韌性的斷層帶及影響帶，與其兩側巖土體間或兩盤巖土體間存在一定程度的物理特性 （彈性、導電性、介電性、激電、密度、磁性等）差異［1］。 斷層帶及影響帶物理特性表現為具有較低的地震波速、較明顯的波阻抗差異、較低的電阻率、較大的介電常數、較低的密度（較大的孔隙度）等，不過也有小部分斷層的斷層角礫巖膠結較好， 比較完整，尤其糜棱巖重結晶后堅實致密，與圍巖在電性、介電常數、彈性、密度等方面差異不大，不能形成明顯物性異常。斷層帶及影響帶的電性特征［2］、磁性特征［3］為選擇電法物探提供了必要的物質基礎及地球物理前提條件。

鑒于壩址區處于低山河谷內， 地形有一定的起伏，河床及左壩肩分布一定厚度的覆蓋層，地層巖性主要為白云巖、 灰巖等硬質巖， 且附近沒有高壓電線、變電站等電磁干擾因素。本次壩址區探測時以高密度電法［4］為主，大地電磁法（EH4）［5］、瞬變電磁法［6］為輔的方法進行探測。 首先高密度電法進行前期探測，在此基礎上采用大地電磁法、瞬變電磁法對異常區進行進一步驗證和深度追蹤， 這種組合方式可以充分體現出綜合物探方法的高效、準確、優勢互補、相互驗證的技術優勢。

4 物探成果解譯

采用高密度電法探測時，測線長度涵蓋壩址區河床及左岸整個覆蓋層范圍 （因右岸巖石裸露無斷層發育），壩軸線（測線B1）、壩軸線下游（測線B2）、壩軸線上游（測線B3）各布設一條探測線；左岸采用大地電磁法（EH4）探測，壩軸線（測線E1）、壩軸線上游（測線E2）及壩軸線下游（測線E3）各布設一條探測線，壩軸線（測線E1）探測線延伸至河床；采用瞬變電磁法探測河床處隱伏斷層，垂直河床布設壩址（測線S1）、壩址下游（測線S2）及壩址上游（測線S3）3條探測線。 3種物探方法探測線布設位置如圖1。

高密度電法探測成果如圖2～圖4， 解譯可知，測線B1、測線B2、測線B3均顯示出覆蓋層分布從左到右逐漸變厚，電阻率值低于500Ω·m，基巖面起伏較大，基巖視電阻率一般高于500Ω·m，其中B11區、B12區、B31區附近均存在一低阻槽， 結合區域資料及地質測繪成果， 推測此3處為斷層帶及影響帶；B21區、B22區略顯異常， 但低阻槽并不明顯；B12區、B22區附近覆蓋層厚度較大， 出現低阻的原因疑是受覆蓋層厚度大的影響。 根據視電阻率等值線特征和地質資料， 推測B11區、B31區可能為斷層帶及影響帶，B12區、B22區需要結合大地電磁法（EH4）探測成果綜合解譯，各異常區平面位置如圖5。

圖2 B1測線視電阻率擬斷面圖

圖3 B2測線視電阻率擬斷面圖

圖4 B3測線視電阻率擬斷面圖

圖5 物探方法解譯成果圖

大地電磁法（EH4）探測成果見圖6～圖8，解譯可知，整體上可以看出測線處覆蓋層厚薄不均，從左到右逐漸變厚，電阻率值低于500Ω·m，與高密度電法所測覆蓋層分布規律一致。其中E11區、E21區均處于左岸， 與高密度電法所顯示的B11區、B21區、B31區低阻區一致，基巖電阻率值一般高于500Ω·m，根據電阻率等值線特征和地質資料， 基巖中形成了明顯的低阻區，推測為一條斷層，編號為斷層F1，走向約為66°，傾角68°～82°；E12區位于河谷內，與高密度電法所測出的B12區、B22區異常區相符，可推測為一條隱伏斷層，各異常區平面位置如圖5。

圖7 E2測線電阻率剖面圖

圖8 E3測線電阻率剖面圖

瞬變電磁法探測成果如圖9～圖11，解譯可知，因受地表水體及地下水的影響整體電阻率值明顯較低。 測線S1成果圖中S11區、S2測線成果圖中S21區、S3測線成果圖中S31區均存在低阻槽，電阻率等值線特征明顯，基巖中形成了明顯的低阻區，電阻率一般低于20Ω·m，推測為斷層帶及影響帶。結合高密度電法成果的異常區B12區、B22區，大地電磁法成果的低阻區E12區，S11區、S12區、S22區推測為斷層帶及影響帶通過位置， 該斷層編號為斷層F2；S21區雖然存在低阻槽， 但結合大地電磁法測線E1在該位置所顯示的特征，可以排除該區斷層的可能性，各異常區平面位置如圖5。

圖9 S1測線電阻率-深度剖面圖

圖10 S2測線電阻率-深度剖面圖

圖11 S3測線電阻率-深度剖面圖

5 針對斷層的綜合解譯結果

根據探測區工程地質條件及構造特征， 結合高密度電法、大地電磁法（EH4）、瞬變電磁法探測結果，可以判別出壩址區左岸發育一條斷層F1，河谷發育一條斷層F2，如圖5。

首先對于左岸斷層F1， 工程地質測繪結果顯示出左岸壩址區下游有斷層F露頭A，高密度電法、大地電磁法也探測出B11區、B21區、B31區、E11區、E21區、E31區為異常區，基巖中形成明顯的低阻區，斷層特征明顯，應與斷層F應為同一條斷層。綜合得出，斷層F1走向58°～68°，傾向南東，傾角62°～84°，斷層帶寬1～5m， 影響帶寬5～10m， 斷層帶充填物為斷層角礫巖，多夾灰黃色泥質，有鈣質膠結，斷層上下盤巖體較破碎，露頭表層為全強風化狀態。

再者河谷處推測斷層F2，該斷層處覆蓋層厚度較大，地表無行跡，應為一條順河方向上的隱伏斷層，高密度電法、瞬變電磁法探測結果可以判別，其異常區分別為B12區、B22區、S11區、S22區、S31區，同時大地電磁法也探測出E12異常區，總體來看，可以判別出該斷層的產狀特征，走向70°～80°，傾向北西，傾角70°～90°，其他特征需采用鉆探手段進一步探測。

6 結語

（1）采用綜合物探方法對壩址區隱伏斷層進行探測判別。左岸斷層F1是通過高密度電法、大地電磁法兩種物探方法綜合解譯得出， 同時結合了工程地質測繪資料，從而確定了該斷層的位置、類型、產狀及其斷層帶特征；右岸斷層F2隱伏于深厚覆蓋層以下，通過高密度電法、瞬變電磁法、大地電磁法綜合解譯判別，得出了該斷層位置及其產狀。

（2）兩處斷層的成功解譯顯示出多種物探方法相互印證的必要性， 避從而免了單一物探方法的多解性和不確定性對隱伏斷層位置的誤判，為壩址、壩型的選擇提供了依據， 同時為多種物探方法聯合探測的應用及方法探索提供了借鑒意義， 為進一步采用鉆探手段查明隱伏斷層F1、F2的性質奠定了基礎。