綜合地球物理方法在山前隱伏斷裂探測中的應用
——以巍山—長山南坡斷裂為例

趙建明, 李 明, 費書民, 張志相, 高嘉琳

(1. 河北省地震局唐山中心臺, 河北 唐山 063000; 2. 河北省地礦局第五地質大隊, 河北 唐山 063000;3. 河北明創地質勘查有限公司, 河北 唐山 063000)

0 引言

山前隱伏斷裂往往位于人口和建(構)筑較多區域,查明其具體位置和活動性,對評估研究區的潛在地震風險性及地震地質災害,具有十分重要的意義[1-3]。山前隱伏斷裂的探測條件往往非常復雜,其第四系覆蓋層較薄且厚度不等,地下地質條件復雜,地層傾角較陡,新老地層倒置,使得地球物理勘探工作更為困難。單一的地球物理方法在山前隱伏斷裂探測中往往會受到種種限制,為了獲得良好的探測結果,必須考慮這些要素,進而選擇正確的探測方法[4-6]。目前針對探測隱伏斷裂的地球物理方法很多,主要采用淺層地震勘探法、高精度電磁法、電阻率法和地質雷達探測等,不同的場地條件選擇采用不同的地球物理探測方法[7-11]。近年來,前人通過在一些區域開展隱伏活斷層探測研究工作,取得了較好的效果[12-14]。

巍山—長山南坡斷裂是著名的唐山斷裂帶組成斷裂之一,其斷續出露于巍山—長山南麓,向南延伸可能止于北西向西缸窟斷裂,呈NE向展布,全長21 km,控制著附近地區的地貌發育。在1976年唐山地震中沿斷裂附近震害相對較重,呈條帶狀展布[15-16]。該斷裂大部分出露于地表,但斷裂在馬家溝以南隱伏于第四系進入唐山市區,前人對其研究多限于馬家溝以北出露地表區域,針對斷裂隱伏段的展布與活動特征的研究報道尚屬少見。本文作者在城市區域性地震安全性評價工作中,以探測巍山—長山南坡斷裂為例,應用淺層地震勘探和高密度電法勘探等地球物理方法結合鉆孔資料,查明巍山—長山南坡斷裂隱伏段的準確位置和活動性,對該區域建設規劃、防震減災具有重要意義。

1 測區勘探條件

唐山市及附近地區地處燕山南緣和華北平原交界處,地形北高南低,巍山—長山是燕山南緣的低山,構成唐山南部沖洪積平原北界[17-21]。測區人口稠密,建筑物較多,道路及來往車輛密集,地形平坦。據區域地質資料,本區基巖地層自下而上有:奧陶系、石炭系、二疊系,第四系沖積層不整合于古生代地層之上。煤系地層由石炭系及二疊系下統所組成,屬瀉湖-障壁島沉積體系為主的含煤建造,以上石炭系趙各莊組、開平組和下二疊系大苗莊組為主要含煤層位。本區第四系地層與下伏煤系地層呈不整合接觸,厚度為10～30 m。底部為砂巖和泥巖互層,上部為黏土、粉質黏土及砂層,具有良好的波阻抗界面(圖1)。對測區地球物理特征研究后,我們開展高密度電法勘探、淺層地震勘探及鉆探驗證工作。

圖1 測區地質構造和物探測線位置圖Fig.1 Geological structure and location of geophysical prospecting lines in survey area

2 高密度電法勘探

近年來高密度電法勘探在隱伏斷層探測領域得到了廣泛應用,該方法具有野外施工便捷、自動采集、測點數據量大、裝置方式多、地下信息豐富、復雜地形地貌適應性較強等優勢[22-25]。目前運用現代計算機技術,進行二維甚至三維正演和反演計算,得到地下電阻率分布圖像,地質解譯可靠性和精度明顯提高。

在調查和考慮測區地層特性、地球物理特征及目的層埋深等情況下,對高密度電法勘探的裝置方式、野外采集參數和電極距大小等進行了試驗,根據試驗結果本次探測選擇靈敏度和觀測精度高的溫納工作方式采集數據,測線采用極距3.0 m,電極數120個,使用瑞典CRT高密度視電阻率成像與圖視系統反演軟件對資料進行二維反演計算,最后得到電阻率層析成像圖。

測線布設在柏油路西側的綠化帶上,電阻率層析成像剖面如圖2所示。從電性特征上分析,該剖面整體電性特征呈中阻-低阻-高阻反映,結合測區地層資料,表層視電阻率受公路路基雜填土、細砂及黏土的影響,電性特征呈中阻反映,中間部分為強風化和中風化的砂巖和泥巖層,電性特征呈低阻反映,底部為基巖地層,電性特征呈高阻反映。基于上述分析,在180 m兩側電性分區特征明顯,180 m以北電阻率值增高明顯,電阻率曲線明顯發生錯動變化,推測為正斷層反映,高角度S傾。

圖2 巍山—長山南坡斷裂的電阻率層析成像剖面Fig.2 Resistivity tomography section of the Weishan-Changshan south slope fault

高密度電法勘探方法由于其自身的局限性,未能準確探測斷裂的產狀。由此可見,由于測區探測條件的復雜性和反演的多解性,采用單一的地球物理勘探方法并不能較好展現斷裂位置、產狀等信息。在其基礎上,進行了淺層地震反射探測等工作來進一步確定斷裂的位置和產狀等信息。

3 淺層地震勘探

淺層地震勘探是一種有效和可靠的探測隱伏斷裂的地球物理方法,目前主要采用的是反射波法。近年來,該方法在城市活斷層探測工作中起到了關鍵性的作用,具有探測深度大,分辨率高、探測精度高,能夠較為準確判斷隱伏斷裂的位置、產狀和上斷點埋深等特點[26-28]。野外工作觀測系統的選取是整個淺層地震勘探工作中關鍵性環節,觀測系統的合理與否直接關系到勘探成果的可靠性。野外工作觀測系統主要包括最佳偏移距、道間距、覆蓋次數、測線布設方向和采集道數、可控震源及地震儀器采集參數的確定等[29-30]。通過獲得的電阻率層析成像剖面資料可以看出,在此次山前隱伏斷裂調查地區,地表結構復雜,覆蓋層橫向變化大。根據以上特點,通過野外試驗工作,確定了野外采集工作的最佳觀測系統,具體參數見表1所列。測線所有激發和接收點均位于開平區新開路上的柏油路上,為了保證檢波器能夠有效地接收地震波,采用石膏對檢波器和路面之間進行黏合。

表1 觀測系統和地震數據采集參數

使用加拿大驕佳地震處理軟件進行資料處理,最后得到地震反射剖面,地震反射剖面如圖3所示。根據數據處理時獲得的速度分析結果及不同反射界面的雙回程反射時間,可以得出相應地層反射界面的埋深。從地震反射剖面可以看出巍山—長山南坡斷裂構造特征非常清楚,其信噪比和可靠性較高。在圖3(a)地震反射時間剖面中可以看到僅有一組明顯的反射波組T1,T1反射波組來自基巖界面,該波組在CDP382左右處出現明顯錯斷。錯斷分界點以南反射波組雙回程時間在100 ms左右;以北雙回程時間在60 ms左右,南北兩側存在的整體時間落差約40 ms,且在錯斷處出現了產狀的突變。在圖3(b)中T1反射波組對應的基巖界面埋藏深度約在15～25 m左右。我們根據以上特征,推測該地震反射剖面存在一條S傾的斷裂,傾角約78°,斷距約3 m,總體表現為正斷層性質,斷裂位置與高密度電法推斷的斷裂位置吻合。

4 鉆孔聯合地質剖面勘探和綜合解釋

高密度電法勘探和淺層地震勘探兩種方法可以互相補充和驗證,但鉆探對地球物理勘探結果的驗證也是取得斷裂存在證據的必經之路[31-32]。為進一步對巍山—長山南坡斷裂的準確位置和活動性進行研究、驗證淺層地震勘探和高密度電法勘探結果的有效性,在地球物理勘探測線重合布設了1條跨斷層的鉆孔聯合地質剖面(圖4),對斷裂進行更精確的定位,以彌補地球物理勘探勘探的不足。該鉆孔剖面長度為4.8 m,由5個孔深為24.8～28.0 m的鉆孔組成,相鄰孔距為7.5～19.8 m。圖4為鉆孔聯合地質剖面。根據鉆孔揭露,第四系厚度18.8～22.3 m,區域資料顯示基巖為二疊系砂巖、泥巖,第四系主要為Q2～Q4沉積的填土、粉質黏土、粉土、細砂、中砂、粗砂等。鉆孔中灰色地層的大量出現,說明測區至少經歷了三次長時間的還原沉積環境。根據地層的埋藏條件、巖性特征和物理力學性質指標,從上至下劃分為十五個工程地質層,我們從ZK4鉆孔中選擇5個代表主要標志層的樣品,進行年代測定,5個樣品呈現從淺部到深部越來越老的正常年齡趨勢。鉆探資料證實了在地球物理勘探反演剖面上反映的地表結構復雜,覆蓋層橫向變化大。由圖5可見:鉆孔ZK2、ZK3、ZK4基巖頂面大體水平,ZK1、ZK5基巖埋深大體一致,而ZK1、ZK4之間基巖埋深相差近3 m,且ZK2、ZK3、ZK4缺失第11、12層,因此,ZK1、ZK4之間存在斷層,上斷點埋深約19 m,且基巖埋深自S往N有逐漸變淺的趨勢,該結果與高密度電法勘探和淺層地震勘探的推測結論吻合較好。

圖4 巍山—長山南坡斷裂地球物理勘探測線及 鉆孔布置圖Fig.4 Layout of geophysical exploration survey lines and boreholes in the Weishan-Changshan south slope fault

圖5 巍山—長山南坡斷裂鉆孔聯合地質剖面Fig.5 Composite drilling geological section of the Weishan-Changshan south slope fault

根據區域年代地層資料、巖性特征和樣品年代測試結果,認為第1層和第2層為全新統;第9層紫色黏土相當于唐山地區中更新世紅黏土,且其上第8層與第7層之間水動力環境和氣候環境上存在著明顯的差異,故第3～7層屬上更新統,第8層及以下的第四系屬中更新統。綜合分析認為,斷裂錯動的最新地層為中更新統中下部,中更新統上部及以上地層未被錯動,因此,巍山—長山南坡斷裂的隱伏段為中更新世斷裂,晚更新世以來不活動。

5 結論與討論

本文應用高密度電法勘探和淺層地震勘探等地球物理方法結合鉆孔資料,探討了在山前等復雜地區的隱伏斷裂的探測方法,并以探測巍山—長山南坡斷裂為例,對巍山—長山南坡斷裂的隱伏段的準確位置和活動性進行了研究,確定了斷層的準確位置和產狀等。研究結果表明,巍山—長山南坡斷裂在唐山市區的隱伏段為S傾的正斷層,傾角約78°,斷距約3 m,上斷點埋深約19 m;該斷裂在唐山市區的隱伏段為中更新世斷裂,晚更新世以來不活動。

高密度電法勘探方法由于其自身的局限性,未能準確探測斷裂的產狀。在山前地區,因第四系覆蓋層較薄且厚度不等,淺層地震反射法僅在基巖界面處有一組明顯的反射波組。 基巖界面以上的第四系部分反射信號弱,有效反射不清楚。由此可見,采用單一的地球物理勘探方法并不能較好展現斷裂位置、產狀等信息。綜合地球物理勘探方法能夠較好地查明斷裂的位置、性質以及特征,為鉆孔聯合地質剖面工作提供地球物理學依據。同時在綜合地球物理方法認識指導下的鉆孔聯合地質剖面能夠取得直接證據以驗證地球物理勘探結果的正確性。

實踐表明,在山前等地質地貌復雜地區,第四系覆蓋層較薄且厚度不等,地下地質條件復雜,地層傾角較陡,新老地層倒置,采用綜合地球物理勘探方法具有較高的互補性,結合鉆孔聯合地質剖面驗證,可提高地質解釋的可靠性和準確性,避免單一的地球物理方法的多解性,有效探測復雜地質情況下隱伏的斷裂,具有較強的實用性及推廣性。