綜合地球物理方法在山前隱伏斷裂探測中的應(yīng)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(zhì)大隊, 河北 唐山 063000;3. 河北明創(chuàng)地質(zhì)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(gòu))筑較多區(qū)域,查明其具體位置和活動性,對評估研究區(qū)的潛在地震風(fēng)險性及地震地質(zhì)災(zāi)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(fù)雜,其第四系覆蓋層較薄且厚度不等,地下地質(zhì)條件復(fù)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(jié)果,必須考慮這些要素,進(jìn)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(zhì)雷達(dá)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(qū)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(xù)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(qū)的地貌發(fā)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(jìn)入唐山市區(qū),前人對其研究多限于馬家溝以北出露地表區(qū)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(qū)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(yīng)用淺層地震勘探和高密度電法勘探等地球物理方法結(jié)合鉆孔資料,查明巍山—長山南坡斷裂隱伏段的準(zhǔn)確位置和活動性,對該區(qū)域建設(shè)規(guī)劃、防震減災(zāi)具有重要意義。

1 測區(qū)勘探條件

唐山市及附近地區(qū)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(gòu)成唐山南部沖洪積平原北界[17-21]。測區(qū)人口稠密,建筑物較多,道路及來往車輛密集,地形平坦。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,本區(qū)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(tǒng)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(qū)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(zhì)黏土及砂層,具有良好的波阻抗界面(圖1)。對測區(qū)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(qū)地質(zhì)構(gòu)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,該方法具有野外施工便捷、自動采集、測點數(shù)據(jù)量大、裝置方式多、地下信息豐富、復(fù)雜地形地貌適應(yīng)性較強等優(yōu)勢[22-25]。目前運用現(xiàn)代計算機技術(shù),進(jìn)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(zhì)解譯可靠性和精度明顯提高。

在調(diào)查和考慮測區(qū)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(shù)和電極距大小等進(jìn)行了試驗,根據(jù)試驗結(jié)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(shù)據(jù),測線采用極距3.0 m,電極數(shù)120個,使用瑞典CRT高密度視電阻率成像與圖視系統(tǒng)反演軟件對資料進(jìn)行二維反演計算,最后得到電阻率層析成像圖。

測線布設(shè)在柏油路西側(cè)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(jié)合測區(qū)地層資料,表層視電阻率受公路路基雜填土、細(xì)砂及黏土的影響,電性特征呈中阻反映,中間部分為強風(fēng)化和中風(fēng)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(cè)電性分區(qū)特征明顯,180 m以北電阻率值增高明顯,電阻率曲線明顯發(fā)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(zhǔn)確探測斷裂的產(chǎn)狀。由此可見,由于測區(qū)探測條件的復(fù)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(xiàn)斷裂位置、產(chǎn)狀等信息。在其基礎(chǔ)上,進(jìn)行了淺層地震反射探測等工作來進(jìn)一步確定斷裂的位置和產(chǎn)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(guān)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(zhǔn)確判斷隱伏斷裂的位置、產(chǎn)狀和上斷點埋深等特點[26-28]。野外工作觀測系統(tǒng)的選取是整個淺層地震勘探工作中關(guān)鍵性環(huán)節(jié),觀測系統(tǒng)的合理與否直接關(guān)系到勘探成果的可靠性。野外工作觀測系統(tǒng)主要包括最佳偏移距、道間距、覆蓋次數(shù)、測線布設(shè)方向和采集道數(shù)、可控震源及地震儀器采集參數(shù)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(diào)查地區(qū),地表結(jié)構(gòu)復(fù)雜,覆蓋層橫向變化大。根據(jù)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(tǒng),具體參數(shù)見表1所列。測線所有激發(fā)和接收點均位于開平區(qū)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(jìn)行黏合。

表1 觀測系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)

使用加拿大驕佳地震處理軟件進(jìn)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(jù)數(shù)據(jù)處理時獲得的速度分析結(jié)果及不同反射界面的雙回程反射時間,可以得出相應(yīng)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(gòu)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(xiàn)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(cè)存在的整體時間落差約40 ms,且在錯斷處出現(xiàn)了產(chǎn)狀的突變。在圖3(b)中T1反射波組對應(yīng)的基巖界面埋藏深度約在15～25 m左右。我們根據(jù)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(xiàn)為正斷層性質(zhì),斷裂位置與高密度電法推斷的斷裂位置吻合。

4 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)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(jié)果的驗證也是取得斷裂存在證據(jù)的必經(jīng)之路[31-32]。為進(jìn)一步對巍山—長山南坡斷裂的準(zhǔn)確位置和活動性進(jìn)行研究、驗證淺層地震勘探和高密度電法勘探結(jié)果的有效性,在地球物理勘探測線重合布設(shè)了1條跨斷層的鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面(圖4),對斷裂進(jìn)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(lián)合地質(zhì)剖面。根據(jù)鉆孔揭露,第四系厚度18.8～22.3 m,區(qū)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(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粗砂等。鉆孔中灰色地層的大量出現(xiàn),說明測區(qū)至少經(jīng)歷了三次長時間的還原沉積環(huán)境。根據(jù)地層的埋藏條件、巖性特征和物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),從上至下劃分為十五個工程地質(zhì)層,我們從ZK4鉆孔中選擇5個代表主要標(biāo)志層的樣品,進(jìn)行年代測定,5個樣品呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)果與高密度電法勘探和淺層地震勘探的推測結(jié)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(lián)合地質(zhì)剖面Fig.5 Composite drilling geological section of the Weishan-Changshan south slope fault

根據(jù)區(qū)域年代地層資料、巖性特征和樣品年代測試結(jié)果,認(rèn)為第1層和第2層為全新統(tǒng);第9層紫色黏土相當(dāng)于唐山地區(qū)中更新世紅黏土,且其上第8層與第7層之間水動力環(huán)境和氣候環(huán)境上存在著明顯的差異,故第3～7層屬上更新統(tǒng),第8層及以下的第四系屬中更新統(tǒng)。綜合分析認(rèn)為,斷裂錯動的最新地層為中更新統(tǒng)中下部,中更新統(tǒng)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(jié)論與討論

本文應(yīng)用高密度電法勘探和淺層地震勘探等地球物理方法結(jié)合鉆孔資料,探討了在山前等復(fù)雜地區(qū)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(zhǔn)確位置和活動性進(jìn)行了研究,確定了斷層的準(zhǔn)確位置和產(chǎn)狀等。研究結(jié)果表明,巍山—長山南坡斷裂在唐山市區(qū)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(qū)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(zhǔn)確探測斷裂的產(chǎn)狀。在山前地區(qū),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(xiàn)斷裂位置、產(chǎn)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(zhì)以及特征,為鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面工作提供地球物理學(xué)依據(jù)。同時在綜合地球物理方法認(rèn)識指導(dǎo)下的鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面能夠取得直接證據(jù)以驗證地球物理勘探結(jié)果的正確性。

實踐表明,在山前等地質(zhì)地貌復(fù)雜地區(qū),第四系覆蓋層較薄且厚度不等,地下地質(zhì)條件復(fù)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(jié)合鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面驗證,可提高地質(zhì)解釋的可靠性和準(zhǔn)確性,避免單一的地球物理方法的多解性,有效探測復(fù)雜地質(zhì)情況下隱伏的斷裂,具有較強的實用性及推廣性。