综合物探方法在隐伏断层调查中的应用

程红涛，张海丰

（黄河勘测规划设计研究院有限公司， 郑州 450003）

本文以河南省某水库坝址区隐伏断层的探测为实例， 鉴于各种物探方法存在固有的条件性和多解性，且对隐伏断层判别的适用性及应用效果，本次以高密度电法为整体控制性方法， 采用高密度电法与电磁法（大地电磁法、瞬变电磁法）相结合的手段对地下隐伏断层的特征进行探测， 以避免单种物探方法的多解性和不确定性对隐伏断层造成误判。

1 探测区地质条件

坝址区位于太行山低山区的河流峡谷中， 左岸山体上部基岩出露，斜坡相对较缓，坡度在15°～45°之间；下部为Ⅰ级、Ⅱ级阶地，地形平缓。右岸山体基岩裸露，斜坡相对较陡，坡度40°～80°。 两岸斜坡均覆盖有低矮灌木。河谷内地形较平缓，为第四系地层所覆盖，左侧发育河漫滩，地表为林木，右侧基岩出露。

区域内地层结构简单，主要为古生界寒武系、奥陶系岩层及新生界第四系地层。寒武系、奥陶系岩层岩性以白云质灰岩、白云岩、灰岩等为主；第四系地层岩性主要为砾石、低液限黏土等，分布于山前斜坡、河流河床阶地上。

地下水主要分布于河床卵石层中和Ⅰ、Ⅱ级阶地底部底砾层中的松散堆积层孔隙水及少量分布于基岩表层的风化带、构造破碎带、节理裂隙密集带及岩溶溶洞、溶蚀沟缝中基岩裂隙水。

2 探测区构造发育可能性分析

坝址区区域上位于中朝准地台山西台隆南缘太行山拱断束内，整体为一宽缓的且长期发展、多次构造变形迭加的开阔大型复式背斜。 区内断裂比较发育，形成于燕山期，具多次长期活动的特点，距离最近的为南部与华北坳陷的分界断裂——焦作—商丘深断裂，距离坝址区约10km。

近场区地质构造资料显示， 坝址区附近断层构造较为发育， 坝址区范围内发育一条影响范围较小的断层F，地质测绘成果初步判断该断层从坝址区左坝肩附近呈隐伏状通过，具体位置并不明确。近坝址区下游地表出露有断层F的露头A，如图1，可以判断出该断层为正断层，走向为58°～68°，倾向为南东，倾角为80°～84°，断层宽1.0～5.0m，影响带宽5.0～10.0m，断层带充填物为断层角砾岩，多夹灰黄色泥质，有钙质胶结，露头表层为全强风化状态，断层上下盘岩体较破碎。

图1 物探方法布置图

左岸下部及河谷内均有第四系地层所覆盖，且坝址区河谷较宽，地表无断层F迹象，无法判断出是否在河床位置存在顺河方向的隐伏断层。 因此坝址区河床及左岸被第四系地层覆盖的位置有断层F、顺河方向隐伏断层发育的可能，是本次判别研究的重点。

河谷右岸奥陶系基岩裸露，地层连续，无断层构造行迹，远离库区一冲沟中发现断层F的另一地表露头，与近坝址区下游左岸露头A相连，可以初步确定该断层经过坝址区的大致范围， 只是地表为第四系地层所覆盖无法判别出具体位置。

地质测绘工作可直观的大致圈定断层的发育范围和延伸方向等地质特征，对地表有覆盖层的隐伏断层特性的了解就需要采用具体的勘察手段进行探测。

3 隐伏断层地球物理特征及技术思路

隐伏断层具有地表无出露且隐伏于覆盖层以下的特征，不过无论何种类型断层、何种地层条件，均会在岩层中顺断层破裂面的上下两盘发生明显的位移，使其原始岩层连续性被破坏，致使形成松散破碎或韧性的断层带及影响带，与其两侧岩土体间或两盘岩土体间存在一定程度的物理特性 （弹性、导电性、介电性、激电、密度、磁性等）差异［1］。 断层带及影响带物理特性表现为具有较低的地震波速、较明显的波阻抗差异、较低的电阻率、较大的介电常数、较低的密度（较大的孔隙度）等，不过也有小部分断层的断层角砾岩胶结较好， 比较完整，尤其糜棱岩重结晶后坚实致密，与围岩在电性、介电常数、弹性、密度等方面差异不大，不能形成明显物性异常。断层带及影响带的电性特征［2］、磁性特征［3］为选择电法物探提供了必要的物质基础及地球物理前提条件。

鉴于坝址区处于低山河谷内， 地形有一定的起伏，河床及左坝肩分布一定厚度的覆盖层，地层岩性主要为白云岩、 灰岩等硬质岩， 且附近没有高压电线、变电站等电磁干扰因素。本次坝址区探测时以高密度电法［4］为主，大地电磁法（EH4）［5］、瞬变电磁法［6］为辅的方法进行探测。 首先高密度电法进行前期探测，在此基础上采用大地电磁法、瞬变电磁法对异常区进行进一步验证和深度追踪， 这种组合方式可以充分体现出综合物探方法的高效、准确、优势互补、相互验证的技术优势。

4 物探成果解译

采用高密度电法探测时，测线长度涵盖坝址区河床及左岸整个覆盖层范围 （因右岸岩石裸露无断层发育），坝轴线（测线B1）、坝轴线下游（测线B2）、坝轴线上游（测线B3）各布设一条探测线；左岸采用大地电磁法（EH4）探测，坝轴线（测线E1）、坝轴线上游（测线E2）及坝轴线下游（测线E3）各布设一条探测线，坝轴线（测线E1）探测线延伸至河床；采用瞬变电磁法探测河床处隐伏断层，垂直河床布设坝址（测线S1）、坝址下游（测线S2）及坝址上游（测线S3）3条探测线。 3种物探方法探测线布设位置如图1。

高密度电法探测成果如图2～图4， 解译可知，测线B1、测线B2、测线B3均显示出覆盖层分布从左到右逐渐变厚，电阻率值低于500Ω·m，基岩面起伏较大，基岩视电阻率一般高于500Ω·m，其中B11区、B12区、B31区附近均存在一低阻槽， 结合区域资料及地质测绘成果， 推测此3处为断层带及影响带；B21区、B22区略显异常， 但低阻槽并不明显；B12区、B22区附近覆盖层厚度较大， 出现低阻的原因疑是受覆盖层厚度大的影响。 根据视电阻率等值线特征和地质资料， 推测B11区、B31区可能为断层带及影响带，B12区、B22区需要结合大地电磁法（EH4）探测成果综合解译，各异常区平面位置如图5。

图2 B1测线视电阻率拟断面图

图3 B2测线视电阻率拟断面图

图4 B3测线视电阻率拟断面图

图5 物探方法解译成果图

大地电磁法（EH4）探测成果见图6～图8，解译可知，整体上可以看出测线处覆盖层厚薄不均，从左到右逐渐变厚，电阻率值低于500Ω·m，与高密度电法所测覆盖层分布规律一致。其中E11区、E21区均处于左岸， 与高密度电法所显示的B11区、B21区、B31区低阻区一致，基岩电阻率值一般高于500Ω·m，根据电阻率等值线特征和地质资料， 基岩中形成了明显的低阻区，推测为一条断层，编号为断层F1，走向约为66°，倾角68°～82°；E12区位于河谷内，与高密度电法所测出的B12区、B22区异常区相符，可推测为一条隐伏断层，各异常区平面位置如图5。

图7 E2测线电阻率剖面图

图8 E3测线电阻率剖面图

瞬变电磁法探测成果如图9～图11，解译可知，因受地表水体及地下水的影响整体电阻率值明显较低。 测线S1成果图中S11区、S2测线成果图中S21区、S3测线成果图中S31区均存在低阻槽，电阻率等值线特征明显，基岩中形成了明显的低阻区，电阻率一般低于20Ω·m，推测为断层带及影响带。结合高密度电法成果的异常区B12区、B22区，大地电磁法成果的低阻区E12区，S11区、S12区、S22区推测为断层带及影响带通过位置， 该断层编号为断层F2；S21区虽然存在低阻槽， 但结合大地电磁法测线E1在该位置所显示的特征，可以排除该区断层的可能性，各异常区平面位置如图5。

图9 S1测线电阻率-深度剖面图

图10 S2测线电阻率-深度剖面图

图11 S3测线电阻率-深度剖面图

5 针对断层的综合解译结果

根据探测区工程地质条件及构造特征， 结合高密度电法、大地电磁法（EH4）、瞬变电磁法探测结果，可以判别出坝址区左岸发育一条断层F1，河谷发育一条断层F2，如图5。

首先对于左岸断层F1， 工程地质测绘结果显示出左岸坝址区下游有断层F露头A，高密度电法、大地电磁法也探测出B11区、B21区、B31区、E11区、E21区、E31区为异常区，基岩中形成明显的低阻区，断层特征明显，应与断层F应为同一条断层。综合得出，断层F1走向58°～68°，倾向南东，倾角62°～84°，断层带宽1～5m， 影响带宽5～10m， 断层带充填物为断层角砾岩，多夹灰黄色泥质，有钙质胶结，断层上下盘岩体较破碎，露头表层为全强风化状态。

再者河谷处推测断层F2，该断层处覆盖层厚度较大，地表无行迹，应为一条顺河方向上的隐伏断层，高密度电法、瞬变电磁法探测结果可以判别，其异常区分别为B12区、B22区、S11区、S22区、S31区，同时大地电磁法也探测出E12异常区，总体来看，可以判别出该断层的产状特征，走向70°～80°，倾向北西，倾角70°～90°，其他特征需采用钻探手段进一步探测。

6 结语

（1）采用综合物探方法对坝址区隐伏断层进行探测判别。左岸断层F1是通过高密度电法、大地电磁法两种物探方法综合解译得出， 同时结合了工程地质测绘资料，从而确定了该断层的位置、类型、产状及其断层带特征；右岸断层F2隐伏于深厚覆盖层以下，通过高密度电法、瞬变电磁法、大地电磁法综合解译判别，得出了该断层位置及其产状。

（2）两处断层的成功解译显示出多种物探方法相互印证的必要性， 避从而免了单一物探方法的多解性和不确定性对隐伏断层位置的误判，为坝址、坝型的选择提供了依据， 同时为多种物探方法联合探测的应用及方法探索提供了借鉴意义， 为进一步采用钻探手段查明隐伏断层F1、F2的性质奠定了基础。