代县盆地可控音频大地电磁浅层电性结构探测

王立凤 陈小斌 赵国泽 詹 艳 汤 吉

(中国地震局地质研究所，北京 100029)

WANG Li-feng CHEN Xiao-bin ZHAO Guo-ze ZHAN Yan TANG Ji

(Insitute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

代县盆地可控音频大地电磁浅层电性结构探测

王立凤 陈小斌 赵国泽 詹 艳 汤 吉

(中国地震局地质研究所，北京 100029)

为研究代县盆地及其断裂的空间展布以及深部的延展情况，东南跨过五台山北麓断裂带，西北至恒山山前黄土丘陵区，布置了一条NW向穿过代县盆地的可控音频大地电磁(CSAMT)测深剖面，全长12.55km。共完成可控源音频大地电磁测点246个，观测频率为8533.333～1.333 333Hz。视电阻率、相位曲线具有明显的分段特征，每段内测点的曲线形态和视电阻率值变化不大，其分段与地貌特征有很好的对应关系。采用NLCG二维反演方法对该剖面进行了反演，获得该测区1km以上范围内的电性剖面。沿剖面自西向东可以划分出6个电性分区，电性边界带与五台山北麓断裂和恒山南麓断裂对应得很好。结果显示，五台山北麓断裂带由一组北倾的正断裂组成，呈阶梯状逐渐下降，倾向代县盆地;剖面没有完全通过恒山南麓断裂带，揭示了部分断裂带的特征，在薄层的低阻洪积物之下，断裂的下盘为高阻基岩，上盘为低阻冲洪积物，倾向SE;此外还发现代县盆地横向上与地貌相呼应，具有非均匀性，洪积倾斜平原下电阻率较低，冲积平原下电阻率稍大。CSAMT在代县盆地应用的结果表明，CSAMT法能给出断裂的构造位置、倾向以及发育规模等信息，为活动断裂探测提供可靠的基础资料。

可控音频大地电磁 电性结构 断裂 代县盆地

0 引言

可控源音频大地电磁法(Conrolled Source Audio-frequency Magnetotellurics，简称CSAMT)，是用地面的电偶极子或水平线圈作为可控的人工电磁波信号源(发射源)，在一定区域范围内接受由发射源产生的不同频率的电磁波信号，从而达到测深的目的。在远区测量相互正交的电、磁场切向分量，并计算视电阻率，在此种情况下数据处理解释方法与AMT法或者MT法一致(朴化荣，1990;何继善，1990;石昆法，1999)。

CSAMT法的场源信号强度和频率都是可控的，因此，它具有抗干扰能力强、受地形条件限制小、工作效率高等特点。自20世纪70年代中期起，CSAMT法得到实际应用，特别是自80年代以来，随着仪器和解释应用软件的发展，它在寻找地下水、油气等矿产资源勘探、地热探查、环境和工程勘探中起到了重要的作用(White et al.，2000;底青云等，2002;Pedersen et al.，2005;柳建新等，2008;安志国等，2008;龙作元等，2009;张家德等，2009)。此外，它在活断层探测中也取得了很好的效果(李帝铨等，2008，2010;董泽义等，2010;Asch et al.，2011)。

在地震行业科研专项“中国地震活动断层综合探察(Ⅰ):华北构造区”的支持下，我们在代县盆地开展了CSAMT探测，获得了该区的浅层电性结构，结果显示了主要断裂构造的位置、倾向及其规模。本文主要介绍该项工作取得的成果。

1 可控音频大地电磁探测

1.1 区域概况

代县盆地位于山西地堑系滹沱河断陷盆地(亦称为忻定盆地)的北段，为新生代拉张型断陷盆地。NE向五台山北麓断裂(简称五台山断裂)和NE向恒山南麓断裂(简称恒山断裂)构成其南北边界(任明达等，1982;徐锡伟等，1987;徐锡伟，1989;刘光勋等，1991)。五台山断裂比恒山断裂的规模大很多。五台山断裂全长85km，走向 NEE，倾向 NW，倾角55°～70°(徐锡伟，1989;刘光勋等，1991)，垂直错动强度较大，控制了盆地的主体地貌格局(图1)。恒山断裂带总体走向NE，沿着山前基岩断块山与黄土丘陵过渡地带延伸(郑文涛等，1991)。盆地四周由持续隆升的断块山地围绕，滹沱河由东北向西南横贯，测区发育冲积平原、冲洪积倾斜平原、黄土台地与丘陵、低山到中山等地貌(张世民，2007)。

图1 代县盆地及附近区域地貌略图Fig.1 The schematic geomorphologic map of Daixian Basin and its adjacent areas.

1.2 测线布置

为研究代县盆地及其断裂的浅部电性结构，布置了一条NW向穿过代县盆地的可控音频大地电磁测深剖面 (图2)，剖面从下庄起，N45°E方向布置，经上磨坊至水峪附近，长11.05km，此段为L1-1;受观测场地地形条件限制，主要是遇到与剖面相交的纵深约几十m的大沟，剖面向东偏移300m左右，并将剖面方向调整为N23°W，长1.5km，此段为L1-2。L1-1和L1-2剖面构成L1剖面(下庄—水峪剖面)，全长 12.55km，共完成可控源音频大地电磁测点246个(图3)，测点间距50m，测点以桩号定名，为25～12475号测点。L1剖面经过滹沱河，4075号点位于河上无法测量;测线经过铁路和108国道，使得5775、5825、5875和5925等4个测点无法测量。

图2 CSAMT剖面(黑色点线)以及发射电极(AB)位置图Fig.2 Location of the survey lines and and transmitter dipole(AB)for CSAMT exploration.

1.3 野外观测装置以及参数设置

本次野外施工采用标量CSAMT数据采集方式，观测装置示意图如图4。数据采集系统由V8多功能接收机(简称V8盒子)和RXU-3E辅助站组成;发射系统由30kVA的多功能发射机 TXU-30、控制器 RXUTMR以及30kW的发电机组成。辅助设备还有凤凰公司生产的AMT-30磁探头(频率范围从10 000Hz至0.1Hz)和不极化电极。

为了满足CSAMT远场观测，同时又能保证获得高信噪比资料，在施工之前，反复试验确定收发距、发射偶极的长度、发射电流和发射信号频率范围等相关工作参数。为了获得尽量深的地下结构，选择尽量低的观测频率进行观测，最终选择的频率为8，533.333 ～ 1.333 333Hz。CSAMT 法的有效探测深度既受频率的控制又受地下电阻率的限制，如使用远场解释方法，其收发距R也影响探测深度。为了尽量满足远场观测条件(图4)，最终选定 R为15km，AB长3.2km，确保从地表到地下1km的深度范围内探测结果可靠。

图3 L1测线测点分布图Fig.3 The sketch map showing the location of the CSAMT sites and the CSAMT line segment.

图4 标量CSAMT测量布置示意图Fig.4 Sketch of CSAMT scale measurement system.

2 资料处理与分析

尽管野外数据观测采用了各种手段以提高观测资料的质量，但个别数据还是受到不同程度的电磁干扰，数据出现飞点。本次采用仪器自带软件CMT-Pro获得了所有测点的视电阻率和相位曲线，该软件处理频谱叠加的过程中，将同一频率的多个频谱的数据进行筛选，保留优势频谱值，将因干扰产生的飞点给予剔除，使其不参与频谱的叠加，最终得到合理的视电阻率相位曲线。

视电阻率相位曲线数值和形态的变化，直观地反映了地下电性结构的变化。图5给出了整条剖面部分视电阻率和阻抗相位曲线。总体上看，沿剖面的视电阻率相位曲线具有如下特征:本次观测的视电阻率数据在频率＜10Hz范围，视电阻率曲线呈现45°向上冲或者急剧下掉，而相位曲线在数值上表现为快速衰减到零，其频率似乎更高一些，这种表现为典型的近场特征;受横穿剖面的108国道、铁路以及110kV变电所和多条高压输变线的影响，其周边数据1 000Hz以上高频资料信噪比较低;如不考虑近场资料以及受到干扰的高频资料，则具有较明显的分段性，每段内不同测点的视电阻率曲线形态相似、数值接近。

分析满足远场观测条件且未受电磁干扰频段1000～10Hz的视电阻率曲线特征表明，L1剖面自西向东分成6段(图3)。图5给出了每段的典型视电阻率、相位曲线。各段视电阻率相位曲线的特点分述如下:

西部相对高阻段(L1A) 该段测点位于恒山山地边缘，山前黄土丘陵区。包括L1-2的12475～11025号测点和L1-1的11025～9975号测点，视电阻率曲线整体呈现高—低—高的曲线形态，从高频近百Ω·m逐渐降低至100Hz的20～30Ω·m左右，之后逐渐增大。说明表层薄薄的高阻层下为低阻层，低阻层下存在高阻层。

西部相对低阻段(L1B) 该段测点位于山前洪积倾斜平原上，包括L1-1的9925～6475号测点，视电阻率从高频的50Ω·m到低频逐渐变小，到20Hz视电阻率可达到20Ω·m左右，相位从高频到低频逐渐增大。说明电阻率相对较大的表层下存在低阻层。

中部相对高阻段(L1C) 该段包括L1-1的6425～3025号测点，视电阻率从高频到低频数值变化不大，在50Ω·m左右。说明从浅到深电阻率的变化不大。

东部相对高阻过渡段(L1D) 该段包括L1-1的2975～1725号测点，视电阻率从高频到低频数值变化不大，在100Ω·m左右。说明从浅到深电阻率的变化不大。该段为距离铁路以及108国道最近的一段，资料受到严重的干扰，频率1000Hz以上的资料信噪比较低。

东部低阻过渡段(L1E) 该段包括L1-1的1325～225号测点，视电阻率从高频200Ω·m逐渐减小到10Hz的约30Ω·m，相位随着频率的降低而增大。说明表层的相对高阻层下存在低阻层。

东部相对高阻段(L1F) 该段位于五台山的山坡上，仅仅包括L1-1的175、125、75、25号等4个测点，这4个测点位于山坡上，整体视电阻率在几百甚至上千Ω·m，随着频率的降低视电阻率逐渐增大，且越进入山里视电阻率值越大。说明该段整体表现为高阻。

3 数据反演

由于CSAMT受到场源效应的影响，一部分资料不满足远场观测条件，该部分资料不能利用相对成熟的AMT或者MT的资料处理以及反演方法。为此，在进行资料反演之前，要将不满足远场观测条件的资料进行剔除(图6)。本文的资料处理、反演解释在MT-pioneer软件系统(陈小斌等，2004)完成。首先对观测数据进行一维反演，结合一维反演结果，对于不能拟合的频点进行删除使其不参与反演。此外采用Rhoplus一维反演拟合，对部分测点资料的合理性进行校正。主要是针对不满足远场观测条件的相对低频段的飞点，在做反演拟合时，既可以同时输入视电阻率和相位曲线，又可以只利用视电阻率或者相位资料进行反演拟合。因此，对于相位稳定而视电阻率发散的频点，可以利用相位数据对视电阻率数据进行校正，反之亦可。进而可以利用Rhoplus对曲线进行圆滑。利用上述方法进行数据的编辑工作，并不是一次完成，而是一个反复反演筛选的过程，还需要与二维反演交替进行。根据反演拟合情况以及模型合理性方面综合考虑，对数据进行多次编选，最终确定二维反演所使用的数据，通过二维反演得到较为可信的反演结果。

在二维反演解释中，使用目前通常采用的非线性共扼梯度法(NLCG)。由于本次CSAMT观测剖面垂直于地质构造布置，其观测数据满足TM极化模式，因此采用TM模式对全部观测数据进行二维反演。为了保证模型的响应能很好地拟合实测的真实值，给视电阻率添加了3%的标准误差。

网格的设计直接影响着反演的精度，本次反演采用MT-pioneer软件中自动构建二维反演测点中心网格(陈小斌等，2009)和手工编辑相结合的方法设计网格，使网格间距变化不大，且具有一定的光滑性，最终确定L1测线水平网格251个，垂直网格181个(CSAMT是等间距施工的，在网格设置中按照电极距设置横向网格即可)。

在反演过程中，初始模型对于大地电磁反演结果也是至关重要的。选定不同电阻率的均匀半空间作为初始模型，对比反演拟合情况和模型光滑度。本文通过初始模型的反演试验，最终选择初始模型为80Ω·m的均匀半空间。

图6 12175号测点视电阻率和相位曲线预处理示意图Fig.6 Schematic diagram showing the pretreatment of apparent resistivity and phase curves of site 12175.

NLCG反演中正则化因子的选择对结果的好坏尤为重要，为此通过多个数值的正则化因子的反演结果的比对，选取不同的正则化因子值，实施二维反演计算，勾勒出拟合均方差对模型约束目标函数的平方根的曲线(此曲线简称为L曲线)，L曲线的转折点即为拟合程度和模型粗糙度折中的最佳正则化因子。经过分析，最终正则化因子确定为100。

4 电性结构分析

经过一系列的模型测试，确定了最优化二维反演参数，对沿剖面的观测数据进行了反演，经过58次迭代，拟合均方根误差RMS达到1.94，得到了该剖面的电性结构图像 (图7)。从二维电性剖面来看，横向上，在1km以上的范围内，存在2个大的电性分界带F1、F2和次一级的电性陡变带F3，将这个剖面分成6个电性分区。这3个电性分界带的特征如下:

F1位于L1D和L1E段之下，与五台山断裂带相对应。与L1D和L1E段的电性分界面相对应，显示为一系列阶梯式下降的正断层，且只有最东侧的断裂从地表一直贯穿到1km深度，其余几条都未贯穿地表。该带内电性结构复杂，其东侧电阻率总体在500Ω·m以上，该带西侧电阻率在20Ω·m左右。分界带向NW倾斜，倾角在70°左右。

F2位于L1A和L1B段之间，恒山断裂带东侧。该带在＜300m的层位表现不明显。在＞300m的层位，两侧电性差异显著。东侧一直延伸到1km的低阻，电阻率最低达到几Ω·m，西侧300m至1km处电阻率在几百Ω·m以上。结合地质资料，F1应为恒山断裂带的一部分。分界带向SE倾斜，倾角在50°左右。

F3位于6425和6475号测点之下，L1B和L1C段之间，该带在＜100m的层位表现不明显，＞100m两侧电性有一定差异，东侧电阻率在20Ω·m左右，西侧电阻率在5Ω·m左右。由于两个分区之间的电性差异较小，分界带的产状不是很明显。

6个电性分区(图7)的特征如下:

(1)西部相对高阻段(L1A)。该段测点位于恒山山地边缘，表层低阻层从西向东侧逐渐增厚，在该层之下存在几百Ω·m以上的高阻体。

(2)西部相对低阻段(L1B)。该段测点位于山前洪积倾斜平原上，表层电阻率在20Ω·m左右，厚度约300m，其下低阻层一直延伸到1km，电阻率在几Ω·m左右。

(3)中部相对高阻段(L1C)。该段位于河流冲积平原上。从地表到1km范围内电阻率为20～40Ω·m，整体变化不大。

(4)东部相对高阻段(L1D)和东部相对低阻段(L1E)。即为F1带，与五台山断裂带相对应。L1D测点位于山前洪积倾斜平原上，电阻率50Ω·m左右，并存在2个小的相对高阻中心。L1E接近五台山区，表层的相对高阻层从东向西逐渐增厚，其下存在一个电阻率小于十几Ω·m的低阻层。

(5)东部相对高阻段(L1F)。该段位于五台山的山坡上，1km范围内表现为千Ω·m以上的高阻体。

5 认识与结论

(1)本剖面通过多个村庄，108国道和铁路横穿剖面，距剖面垂直距离5km左右有一个110kV的变电所，还有多条高压线穿过，虽电磁干扰比较严重，CSAMT探测仍取得了较好的效果。

(2)1000～10 000Hz频率范围内的资料受铁路、公路以及变电所、高压线干扰比较严重，但只要离开这些比较强的电磁干扰200m以上距离，即能获得较高信噪比的资料。

(3)研究发现，2条剖面的视电阻率和相位曲线具有明显的分段特征。通过对下庄-水峪剖面(L1线)二维反演，获得了代县盆地1km以上的电性结构，该结构也表现出和实测曲线相类似的分段特性。二维反演剖面揭示五台山北麓断裂带由一组断裂组成，呈阶梯状下降、向代县盆地倾斜的特征。剖面没有完全通过恒山南麓断裂带，揭示了部分断裂带的特征，在薄层的低阻洪积物之下，断裂的下盘为高阻基岩，上盘为低阻冲洪积物，倾向SE;此外发现代县盆地横向是非均匀的，与地貌相呼应，洪积倾斜平原之下对应相对低阻体，冲积平原下的电阻率稍大。

(4)CSAMT探测可以获得测区内断裂的位置、产状以及覆盖层厚度等信息，但关于断层的活动性，需要结合地震地质资料进一步确定。

致谢 野外工作得到了恒达新创(北京)地球物理技术有限公司周志明、山西省地震局以及代县地震台的工作人员的大力支持，地质解释工作得到徐锡伟、虢顺民、张兆民三位研究员的帮助，在此一并表示衷心感谢。感谢审稿人提出的宝贵意见。

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CSAMT EXPLORATION TO SHALLOW ELECTRIC STRUCTURE BENEATH THE DAIXIAN BASIN

The Daixian Basin，a typical asymmetric half-graben basin，lies in the northern Shanxi Fault zone.It is bounded by the northeast trending Wutaishan northern piedmont fault zone and Hengshan southern piedmont fault zone.To investigate the shallow electric structures beneath this basin and the boundary faults，a CSAMT profile was applied which runs northwesterly through the basin.CSAMT data were recorded at 246 locations along the 12.55km-long profile.At each location data were recorded from 8533.333 to 1.333333Hz and processed to give estimates of apparent resistivity and phase.The profile is through the Wutaishan Fault in the southeast and arrives at the Hengshan piedmont loess hilly region in the northwest.Some data are of low signal-to-noise ratio due to ractive noises from power lines，pipelines，railways，highways and power substations.But useful data can be acquired 200meters away from the interference sources.The curves of apparent resistivity and phase have an obvious segmentation character.The shape of the curve of each section is consistent to the adjacent section and the segmentation shows good correlation with geomorphologic features.NLCG inversion was performed on the CSAMT data along this profile to reveal the electric structure within the depth of 1km from the surface in the basin.The result shows that the Wutaishan northern piedmont fault zone consists of a set of north-dipping normal faults which decline down stepwise，verging toward the Daixian Basin.Because the CSAMT profile does not run through the whole Hengshan southern piedmont fault zone，only partial features of it are revealed，i.e.the southeast-dipping high-resistivity foot wall bedrock and low-resistivity hanging wall alluvial deposits are underlain by thin-bed low-resistivity flood deposits.Besides，it is found that the Daixian Basin is laterally inhomogeneous，corresponding to its topography，where the tilting alluvial-flood plain is underlain by low-resistivity layer and the resistivity below the alluvial plain is slightly higher.The application of CSAMT to the Daixian Basin indicates that this method can be used to determine the location，dip and size of faults，and provide reliable basic data for survey of active faults.

controlled source audio-frequency magnetotellurics(CSAMT)，electric structure，fault，Daixian Basin

P631.3+25

A

0253-4967(2011)04-0928-10

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.016

2011-10-25收稿，2011-11-30改回。

地震行业科研专项“中国地震活动断层探察-华北构造区”(200908001)资助。

WANG Li-feng CHEN Xiao-bin ZHAO Guo-ze ZHAN Yan TANG Ji

(Insitute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

王立凤，女，1973年出生，2001年在中国地震局地质研究所获得固体地球物理学专业硕士学位，助理研究员，主要从事电磁方法和应用研究，电话:010-62009011，E-mail:wanglif309@sina.com