高密度电阻率法在识别岩溶区断层结构特征中的应用

杨 妍 妨

(中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室, 广西 桂林 541004)

0 引 言

地质构造条件在岩溶发育过程中起到控制性作用, 石灰岩等可溶岩层之所以能透水含水、产生溶蚀, 主要原因就是其中发育断裂构造、存在各种构造裂隙[1-2]。断层使得完整岩石破碎、裂隙发育, 利于地下水渗入、流动, 岩溶作用加剧, 形成溶洞、地下河管道等岩溶形态; 大型的压性断层因发育断层泥或糜棱岩, 常造成区域性的水文地质条件差异; 断层还在一定程度上控制了岩溶塌陷的发育[3]。另外, 断层控制地下水的储水空间, 决定地下水的运移方向及富水带, 是地下水地球物理勘查的主要目标体[4-5]。如何准确、经济、快速确定断裂构造的空间展布特征, 是把握岩溶发育动态、丰富地质认识和提高找水准确率的关键[6]。

高密度电阻率法(electrical resistivity tomography, ERT)可对浅部150 m深度范围内地层结构进行较精细划分, 较真实地反映地质构造的本来面目, 获得高分辨率的地下介质结构和成分信息, 又因其采集便利、设备廉价、数据处理过程简单等优势[7-8], 被广泛应用于地质构造勘查[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、活动断层、岩溶管道等目标异常体, 对高密度电阻率法不同采集装置、电极距、场地条件下响应特征进行过大量深入的研究[9,17-21], 使不同异常体的异常特征得到直观形象认识, 且有效指导了实际工作中观测参数的选择、数据处理以及地质解释。但是, 针对岩溶区不同倾角断层和交叉断层进行正反演模拟并获取识别断层结构特征的工作及文献仍然少之又少。本文通过高密度电阻率法施伦贝格装置正反演模拟研究, 获得了碳酸盐岩中不同倾角断层和不同交角交叉断层的异常变化特征, 总结出识别断层顶部埋深、水平宽度、倾向、倾角和交叉断层空间结构特征的规律, 结果对高密度电阻率法勘查和识别地下地质构造, 判断目标体几何结构参数具有一定的借鉴和指导作用。

1 模型设计与模拟参数选取

1.1 模型设计

岩溶发育区表现出的地球物理性质与周围的差异, 是高密度电阻率法勘查的前提。通常来说, 完整质纯的灰岩或白云岩呈高阻特征, 电阻率一般大于5 000 Ωm; 覆盖型岩溶浅部呈低阻特征, 电阻率为200～1 000 Ωm[22]。断裂带内, 中小型张性断裂带本身结构疏松, 多被松散不规则的角砾岩、破碎岩填充, 压性、压扭性断裂经强烈挤压作用存在低阻断层泥、糜棱岩, 断层交叉部位岩石剧烈破碎, 极易富水。 总体来说， 断裂带具有相对低阻的特征。另外, 基岩山区找水的目标体为小断距或无断距的中小型张性断层, 即使存在断距, 按一般研究的深度考量(150 m以浅), 在同一岩性中断层两盘也无电阻率差异。由此, 建立和研究具有不同倾角的单条断层地电模型(图1)和不同交角的交叉断层地电模型(图2)的电性响应具有一定的代表性和现实意义。

图1 不同倾角断层地电模型Fig.1 Geoelectric model of faults with different dip angle

图2 不同交角的交叉断层地电模型Fig.2 Geoelectric model of cross faults with different angles

图1模型中, 低阻覆盖层厚10 m, 电阻率值取值300 Ωm; 下伏碳酸盐岩电阻率值5 000 Ωm, 其中发育有水平宽a0=20 m， 顶部埋深h0=10 m， 中心点水平位置x0=252.5 m， 倾角θ0分别为90°、76°、63°、45°、30°的断层, 断层带电阻率值为1 000 Ωm。图2模型中, 低阻覆盖层厚10 m, 电阻率值同为300 Ωm; 下伏碳酸盐岩电阻率值5 000 Ωm, 其中发育水平宽度均为20 m, 交角分别为α0=0°、54°、113°的交叉断层, a、b模型中两断层均位于排列230～250、325～345 m处, b模型断层交叉点位于287.5 m、深100 m处; c模型中断层位于排列177.5～197.5、365～385 m处, 交叉点在281.25 m、深80 m处。

1.2 模拟参数选择

高密度电阻率法众多测量装置中, 施伦贝格装置综合探测效果最好[23], 采集的野外数据能较完整地反映地下电性分布, 能较好地体现断裂构造的空间结构特征。本次正反演计算中, 选择施伦贝格装置, 电极数120个, 电极距5 m, 测线垂直于断层的走向方向布置, 排列位于0～595 m。正演计算采用Geotomo Software的RES2DMOD(ver.3.01)软件, 计算方法为有限差分法,X方向网格剖分为电极距的一半,Y方向上网格间距逐渐增大, 模型隔离系数48。将正演数据添加0.1%随机噪声导入RES2DINVx32(ver.3.71.111)进行反演计算, 方法为光滑约束的非线性最小二乘法。正演结果和反演结果分别使用一致的网格化间隔、色标、电阻率间隔等参数绘出, 便于结果的对比分析。

2 模拟结果分析

2.1 不同倾角断层

正演结果如图3a所示, 断层倾角从90°逐渐减小到30°时, 视电阻率等值线在断层部位一致向下弯曲, 均显示为等值线下凹形成似“V”状, 这是断层的反映, 但倾角的差别在此毫无体现。表层层状介质的界面显示为过渡面, 界面并不明显, 判断不出电性层数。所以在处理数据时需要参考原始拟断面, 但是不可将其作为主要解释依据。

反演结果(图3b)中, 因模型设计的断层与低阻覆盖层、围岩之间存在明显的电性差异, 可较好地分辨出模型的不同部位, 并且因浅表覆盖层位于排列数据高密度覆盖部位、高阻围岩为巨厚电性层, 两者反演电阻率值与模型设计的300 Ωm和5 000 Ωm相一致。对于不同倾角的目标断层而言, 因受到体积效应的影响, 断层部位的反演电阻率值均较模型设计偏大, 在反演结果中显示为以电阻率等值线密集带为界的带状相对低阻异常。所有的反演结果中, 不同倾角断层都存在水平岩性界面形成的水平电阻率等值线密集带，在断层顶部位置出现明显下凹、断层上盘出现不同倾斜程度的近似“S”形电阻率等值线密集带两个明显特征, 由此尝试获取断层的几何结构特征: 水平电阻率等值线密集带在断层顶部位置的左右两个下凹点A、B,其埋深一致、水平位置相异,根据A、B点埋深获取断层顶部埋深,A、B点水平位置相减(xB-xA)计算断层水平宽度,进而计算出中心点水平位置;断层上盘不同倾斜程度的近似“S”形电阻率等值线密集带是断层不同倾角的反映,该“S”存在C、D2个拐点,将B、C连线即可获得断层破碎带的上边界,同时也获取了断层的大致倾角。

图3 不同倾角断层正(a)、反(b)演结果Fig.3 Forward(a) and inversion(b) results of different dip angle faults

与模型设计相比(表1), 因方法对低阻较为敏感、且断层顶部处于此排列条件下数据覆盖密度高的部位, 反演结果能可靠分辨断层顶部埋深; 对于断层水平宽度和中心点水平位置而言, 断层异常的水平宽度随倾角的减小而增大, 中心点水平位置呈现出向倾向方向移动的趋势, 结果可准确识别此变化; 特别值得注意的是, 不同倾斜程度的断层异常, 其倾角均较实际偏大, 其中高角度断层情况下异常倾角比实际倾角大1°～3°, 低倾角断层情况下异常倾角则比实际倾角偏大8°左右, 推断倾角时应十分注意。此外, 不管断层倾角多大, 断层下盘高阻区因受上部低阻破碎带的屏蔽作用, 均显示成相对低阻, 并与高阻围岩以竖直密集的电阻率等值线带为边界, 这很容易误将其解释为断层破碎带的下盘边界, 所以若直接根据反演结果推断断层的分布范围会引起很大误差。

表1 断层反演解释结果与模型设计参数差异Table 1 Differences between inversion interpretation results and model design parameters

总的来说, 在排列可勘探深度内, 高密度电阻率法施伦贝格装置的反演结果可以较为准确地判断出断层顶部埋深、水平宽度、中心点水平位置以及倾向, 获得大致倾角, 但在野外数据的反演解释和地质调查工作中均需注意异常倾角通常比实际倾角大的影响。

2.2 不同交角的交叉断层

正演结果(图4a)中, 断层顶部埋深位置的视电阻率等值线竖直向下弯曲, 指示着断层的存在, 但在视觉上易误判为两条竖直断层, 而不是交叉断层。表层层状介质的界面显示为过渡面, 界面并不明显, 不易判断电性层数。这同样说明， 在处理数据时需要参考原始拟断面, 但不可将其作为主要解释依据。

模型中的第四系覆盖层埋深浅且位于此排列条件下数据覆盖密度高的部位, 高阻碳酸盐岩围岩则为巨厚电性层, 因而两者反演的电阻率值和埋深均与模型设计一致, 能被可靠分辨出其发育特征。

反演结果(图4b)显示, 交角α0为0°的平行断层, 断层两侧等值线密度接近并呈现对称特征, 断层之间的高阻体可被可靠分辨; 交角为54°的交叉断层由两条倾角63°的断层组成, 两断层在与覆盖层界面处的发育位置和水平宽度均可准确识别, 但随着深度的增加, 深处交叉部位则因分辨率降低和体积效应的影响而形成连片低阻异常, 无法直观判断出交叉部位的位置和范围, 其上高阻体因形成明显的高阻圈闭异常而能够被准确定位; 当交角增加到113°时, 反演结果同样无法直观识别交叉部位的范围和埋深, 交叉部位之上的高阻体也形成明显的高阻圈闭异常。

图4 不同交角的交叉断层正(a)、反(b)演结果Fig.4 Forward (a)and inversion(b) results of cross faults with different angles

交叉断层是不同倾角断层的组合, 因而在反演结果中同样存在水平岩性界面形成的水平电阻率等值线密集带在断层顶部位置出现明显下凹、断层上盘出现不同倾斜程度的近似“S”形电阻率等值线密集带两个明显特征, 由此可获取交叉断层的几何结构参数。 与上述单条倾斜断层类似, 先根据水平密集电阻率等值线在断层顶部的明显下凹特征, 确定A、B点和A′、B′点;相向而倾的两条断层上盘形成了明显的高阻圈闭异常,该异常区以弯曲密集电阻率等值线与断层部位为界,均存在拐点C和C′,分别连线A、B、C点和A′、B′、C′点,通过断层上盘边界BC和B′C′的交点J即可获得断层交叉部位的顶部埋深和水平位置,∠CJC′为断层异常的交角。与模型设计相比(表2), 不同交角的断层, 交叉部位的水平位置能可靠分辨; 随着交叉角度的增大, 因方法对低角度断层倾角存在8°左右的误差, 导致交叉部位异常的埋深和交角明显偏离原始模型。考虑到交叉部位其上高阻体均能形成明显的高阻圈闭异常, 在实际工作中可根据高阻夹块位置和其下连片相对低阻来大致确定交叉部位, 确定井位, 但在设计钻孔深度时需要特别注意。

表2 交叉断层反演解释结果与模型设计参数差异

3 实例验证

采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-4型仪器, 在鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩类为主的地质背景区内开展高密度电阻率法勘查(图5), 探测剖面的地质结构特征, 获取以断层为主的地下水有利赋存部位。工作区以裸露型岩溶为主, 出露地层为寒武系三山子组沉积岩, 岩性由白云岩、竹叶状灰岩等组成。测线范围内地势较为平坦, 场地通视条件良好。野外使用施伦贝格装置, 电极数80个, 电极距5 m, 最大隔离系数38, 使用RES2D软件进行最小二乘反演。

反演结果(图5b)显示, 剖面形态复杂、无明显层状, 电阻率在50～1 000 Ωm左右。沿剖面方向, 浅部断续分布0～5 m厚的低阻薄层, 指示表层岩溶带的存在; 剖面130 m、深度35 m处存在圈闭低阻异常区, 其上完整高阻区被两侧低阻带隔开, 推测该处发育溶洞。根据正反演模拟结果可知, 断层在反演结果中显示为以电阻率等值线密集带为界的带状相对低阻异常, 由此推测溶洞以浅发育断层F1、裂隙发育带且岩石破碎程度高。同时, 因交叉断层的交叉部位在剖面深部形成连片低阻异常, 剖面210、320 m处显示连片带状相对低阻异常区, 推断是反向而倾的交叉断层F2、F3的综合响应, 其中F3断层规模较大、埋藏深。由于溶洞和F3处电阻率低于50 Ωm且岩石破碎程度较高, 推测为泥质填充。

为将模拟结果用于指导野外地质解释, 提高方法探测岩溶地区断层结构特征的准确率, 可先根据反演结果初步建立地电模型, 对其进行再反演, 当再反演结果与原反演结果相一致时, 此模型便为最终解释结果。

首先, 根据正反演模拟获取断层几何结构特征的方法, 确定断层F1、F2、F3及裂隙发育带的几何结构特征, 在图5b中, 由浅表水平方向电阻率等值线密集带下凹, 确定A、B点, 由此获取3条断层的顶部埋深, 并计算水平宽度、中心点水平位置; 再根据断层上盘的弯曲电阻率等值线确定拐点C, 连线BC, 便可确定断层上盘边界和大致倾角; 对于溶洞, 可根据低阻圈闭异常大致圈出范围, 确定几何参数(表3)。

表3 推断地质体几何特征Table 3 Inferred geometric features of geological bodies

图5 高密度电阻率勘查结果Fig.5 Exploration results of electrical resistivity tomography

由前文模拟结果知, 表层岩溶带埋深浅且位于排列数据高密度覆盖部位, 反演的电阻率值与实际值相差甚小, 因而取值为50 Ωm; 高阻围岩可视为巨厚层, 反演结果可准确反映其电阻率, 取值1 000 Ωm。发育于高阻围岩中的断层F1、F2, 因受到体积效应的影响, 反演电阻率较实际值偏大, 所以将电阻率取值为200 Ωm。断层F3与溶洞或为泥质填充, 赋予泥质填充的电阻率值为10 Ωm。由此建立剖面地电模型(图6a)。在对地电模型进行正演计算的结果上添加0.1%随机噪声进行反演计算, 其反演计算结果(图6b)与实测结果(图5b)之间差别极小。最终根据表3和地电模型图6a, 确定高密度电阻率探测剖面的最终地质解释成果(图7)。

图6 推断地电模型(a)及其反演结果(b)Fig.6 Inferred geoelectric model(a) and its inversion(b) results

图7 最终地质解释结果Fig.7 Final geological interpretation profile

为验证实际效果, 在剖面150 m处进行激电测深和钻探。在激电测深曲线(图8)中, 视电阻率值总体小于500 Ωm, 呈上升趋势, 其中在AB/2=5 、28 m处出现低阻异常, 与高密度剖面150 m处存在表层岩溶带、裂隙发育带和F1断层的结果一致; 在高密度剖面深度65 m内, 14 m

图8 1号激电测深点曲线Fig.8 No.1 IP curves

4 结论与建议

采用高密度电阻率法施伦贝格装置对岩溶区不同倾角断层和交叉断层的正反演模拟及应用研究表明:

(1)在排列可勘探深度内, 断层在反演结果中显示为以电阻率等值线密集带为界的带状相对低阻异常。不同倾角断层的反演结果都存在水平岩性界面形成的水平电阻率等值线密集带在断层顶部位置出现明显下凹、断层上盘出现不同倾斜程度的近似“S”形电阻率等值线密集带两个明显特征。根据水平电阻率等值线密集带在断层顶部位置形成的下凹点水平和垂向位置, 可准确计算断层顶部埋深、水平宽度和中心点水平位置; 根据不同倾角断层上盘形成的不同倾斜程度近似“S”形电阻率等值线密集带, 可获得断层破碎带的上边界和断层大致倾角, 但反演的倾角较实际倾角偏大, 且实际倾角越小反演倾角偏大越多, 对倾角为30°时达到8°左右的误差, 反演解释时需特别注意。

(2)交叉断层是不同倾角断层的组合, 反演结果仍可通过水平岩性界面形成的水平电阻率等值线密集带下凹特征, 分别判断两条断层的顶部埋深; 但交叉部位因分辨率降低和体积效应的影响, 形成连片低阻异常, 较难定量判断其范围。因交叉部位其上高阻体均能形成明显的高阻圈闭异常, 在实际工作中可根据高阻夹块位置和其下连片相对低阻来大致确定交叉部位, 确定井位, 但在设计钻孔深度时需要特别注意。