综合物探技术在断裂勘察中的应用与研究

季凇达

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 引 言

断裂勘察是铁路勘察工作中的一项专题工作[1]，而针对一些地质资料缺失的隐伏断层，常规的地质调查和钻探工作难以较准确地查明断裂位置和破碎带分布范围，具有一定规模的断裂则会严重影响铁路的建设和运营安全，甚至影响到线路选址，造成设计变更。因此，断裂勘察一直是铁路勘察工作的重点和难点[2]。

物探技术是断裂勘察的主要手段，具有方法灵活、工作高效等特点[3]。结合断裂的地质地貌和地球物理前提，应用多种物探方法进行综合勘察，可进一步精确判断断裂的位置和走向，以较小的成本得到较精确的勘察成果，能够减少地质钻探工作量，节约勘察成本[4]。

物探技术中，天然源大地电磁法、电阻率测深法和电阻率联合剖面法是有效的断裂勘察手段[5]。天然源大地电磁法勘探深度较大，能反映断裂深部的结构形态，可有效圈定断裂的位置与范围[6]；电测深法则反映地质体垂向电性变化[7]，对断层、岩性界面浅部形态具有较高的分辨率，可准确追踪断裂的位置和走向；电阻率联合剖面法反映地质体横向电性变化[8]，可描述横向构造，划分断裂破碎带的边界。依据以上三种方法在断层勘察中的特点和优势，本次工作综合应用该三种方法，取长补短，互相对比验证，可精确查明断裂带的位置和走向，并进一步划分断裂破碎带边界。

2 方法原理

2.1 天然源大地电磁法

天然源大地电磁法是目前应用比较广泛的电磁类方法之一[9]，其根据天然大地电磁场入射到地下时，一部分被地下介质吸收，而另一部分反射到地面[10]，并携带有地下介质的电磁场信息，通过采集这些不同频率的电磁场信息，进而达到探测地下不同深度地质体结构的目的[11]。大地电磁法的探测深度较深，可有效反映出断层破碎带的深部电性结构，是断裂勘察的常用勘察手段，其计算公式如下：

(1)

(2)

其中，ρa为视电阻率(Ω·m)；Ex与Hy为互相垂直的水平电场(V/m)和水平磁场(A/m)[12];f为频率(Hz)。式(1)中视电阻率ρa由水平电磁场Ex、Hy和勘察周期T决定。式(2)为探测深度的经验公式，勘察深度h将随视电阻率ρa与频率f改变而变化[13]。

2.2 直流电测深法

直流电测深法是一种重要且应用广泛的地球物理方法[14]，通过获得断层破碎带的电性特征，进而判断断层破碎带范围和断层走向，也是断裂勘察的常规手段。电测深法通常采用对称四极测量装置[15]，如图1所示。通过向供电电极AB提供电流I，测量电极MN之间产生电势差ΔUMN，从而获得测点O的视电阻率值ρ，计算公式如下：

图1 对称四极装置Fig.1 Symmetrical quadrupole device

(3)

2.3 电阻率联合剖面法

3 应用实例

3.1 地质概况和地球物理条件

测区位于山西省五台县忻定盆地东南部，断裂走向和位置基本继承了燕山期挤压断褶带的构造，新的断面是在老断裂的基础上发展起来，但活动断裂地表出露位置不是沿山前基岩老断面，而是在老断面以北，形成阶梯状正断层，逐步向盆地方向发展，是新近纪以来形成的一条以张性倾滑为主的断裂。

该区域主要发育元古界白云岩、紫红色砂岩，为硬质岩，上覆第四系黄土和黏土，较松散，断裂分布于基岩与黄土之间，在地貌上表现为断错三角面和断错陡坎，断裂通过的紫红色砂岩较破碎，破碎带内物质松散。覆盖层、断层破碎带、较完整基岩之间的物性区别较大，存在一定的电性差异，满足开展地球物理勘探的前提条件。

3.2 方案制定和测线布置

针对该断裂的成因和特点，制定了先采用大地电磁法大范围勘察，圈定断裂破碎带大致位置，缩小勘察范围，再采用电阻率测深法和电阻率联剖法进一步精细化勘察，进而确定断裂破碎带的中心位置和破碎带边界的综合物探勘察方案。

根据现场地形特点，在断裂与线位相交的区域范围内布设3条大地电磁法测线，分别为距离线路右侧200 m的测线AMT-Ⅰ、线位主测线AMT-Ⅱ和距离线路左侧100 m的测线AMT-Ⅲ，每条测线长800 m。结合大地电磁法的勘察成果，为进一步确定断裂破碎带的中心位置和两侧边界，在主线位上布设一条电阻率测深测线DS -Ⅰ，长560 m。在3条大地电磁法测线的电性异常位置附近，分别布设了3条电阻率联剖法测线，分别为DP-Ⅰ、DP-Ⅱ和DP-Ⅲ，测线长度300～500 m。具体测线分布图如图3所示。

图3 测线分布Fig.3 Distribution map of survey line

3.3 数据采集

本次工作中天然源音频大地电磁法采用加拿大Phoenix公司生产的V5-2000大地电磁仪器开展工作，工作最小频率为11.2 Hz，最高频率10 400 Hz，单点采集，点距为25 m，采集时间30 min；电阻率测深法和联剖法采用国产电法仪WDJD-4，电阻率测深法工作方式为对称四极，勘察点距20 m，加密点距10 m，最大供电极距为300 m，测量极距为5 m；联剖法的供电极距为100 m，测量极距为5 m，测量点距为5 m。

3.4 数据处理

大地电磁法数据处理首先要进行预处理，包括编辑道头、傅里叶变换——将时间序列数据转化成频率域数据、互功率谱计算等[19]；然后进行数据去噪和静校正；最后进行反演计算和成图。直流电测深法则要确定经验系数，先结合量板法进行解译，再结合钻孔资料对解译成果进行层位标定，最后计算成图。电阻率联合剖面法需要进行剔除坏点和曲线分析[20]，分析曲线类型，根据曲线的交点和变化趋势判断断层的位置和走向。该工区地形平坦，物探成果可忽略地形影响。3种方法的详细处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程Fig.4 Data processing flow chart

3.5 解释原则

大地电磁法资料解释原则：推断断层位置主要以视电阻率值差异及等值线疏密进行判断，断层构造区域，岩石往往破碎,风化强度较高，多为含水，电阻率等值线发生突变、扭曲、呈现低阻凹陷或高低阻界面。

电测深法资料解释原则：以电阻率剖面进行分析，重点分析电阻率等值线形态剧烈变化、陡立、高低阻分界的位置。

电联剖法资料解释原则：同一地质体的联剖曲线出现交点、变化剧烈，发生突变，或根据曲线斜率最大的位置进行判断。

4 成果分析

4.1 主测线综合物探成果分析

4.1.1 天然源大地电磁法成果分析

天然源大地电磁AMT-Ⅱ为主线位测线，成果如图5所示。在测线里程540处存在明显的电性界限，电阻率等值线下凹，其左侧小号点以中高阻为主，中深部电阻率变化较大，自上而下的中高阻条带多次分布，且在测线里程50附近存在岩性界限。右侧以低阻为主，电阻率变化不大，横向变化较小，推断断层位置在测线540附近。

图5 AMT-Ⅱ天然源大地电磁法剖面成果Fig.5 Results of AMT-Ⅱnatural source magnetotelluric method section

4.1.2 电测深法成果分析

电测深DS-Ⅰ为主线位测线，在测线里程470～620电阻率等值线横向变化较大，等值线陡立，由小里程到大里程向下倾斜。其左侧小号点以中高阻为主；右侧以中低阻为主，电阻率相对较低，电阻率等值线有起伏，横向变化略大，往大里程方向电阻率曲线逐渐平顺。推断470～620处为断层破碎影响带范围，该断层为正断层。根据电阻率曲线的变化形态，结合地质资料，推断地层的土石界线(蓝线)与岩石强弱风化界线(黄线)，如图6所示。

图6 电测深法剖面成果Fig.6 Results of electrical sounding profile

4.1.3 电联剖法成果分析

图7 DP-Ⅱ电联剖曲线成果Fig.7 Results of DP-Ⅱelectrical cross section curve

4.1.4 主测线综合分析

结合天然源大地电磁法、电测深法、电联剖法的综合物探成果推断：断层破碎带中心在线路中测线的540位置，两侧破碎带边界分别在475和620位置，三种方法的成果异常位置对应一致，相互对比验证，成果准确、可靠。

4.2 右偏200 m测线综合物探成果分析

天然源大地电磁测线AMT-Ⅰ成果如图8所示。在测线里程275处存在明显的电性界限，等值线下凹、陡立，其左侧小号点以中高阻为主；右侧以低阻为主，电阻率变化不大，根据电阻率曲线变化形态和趋势，结合地质资料，推断出土石界线(蓝线)，在里程50处，电阻率等值线下凹，推断为岩性分界线B1。联合剖面法测线DP-Ⅰ成果如图9所示，在测线里程185、275、400处分别存在电剖面曲线交叉或同步急剧下降等现象；结合两种物探方法综合推断275为断层破碎带中心，185和400为断层破碎带边界。该断层的形态与主测线断层形态一致，推断为同一条断层。

图8 AMT-Ⅰ天然源大地电磁法剖面成果Fig.8 Results of AMT-Ⅰnatural source magnetotelluric method section

图9 DP-Ⅰ电联剖曲线成果Fig.9 Results of DP-Ⅰelectrical cross section curve

4.3 左偏100 m测线综合物探成果分析

天然源大地电磁测线AMT-Ⅲ成果如图10所示，在测线里程600处存在明显的电性界限，其左侧小号点以中高阻为主；右侧以低阻为主，在里程75处，电阻率等值线下凹，推断为岩性分界线B1，根据电阻率曲线变化形态，结合地质资料，推断土石界线(蓝线)。联合剖面法测线DP-Ⅲ如图11所示，在测线里程540、600、680处存在同步急剧下降现象；结合两种物探方法综合推断600为断层破碎带中心，540和680为断层破碎带边界，其电性特征与主测线和右偏200 m测线断层形态一致，推测为同一条断层。

图10 AMT-Ⅲ天然源大地电磁法剖面成果Fig.10 Results of AMT-Ⅲnatural source magnetotelluric method section

图11 DP-Ⅲ电联剖曲线成果Fig.11 Results of DP-Ⅲelectrical cross section curve

4.4 综合推断

结合3种物探方法得到综合推断：活动断裂自东北向西南，倾角为60°的正断层，断层中心自上至下在测线上的位置依次为275、540、600；断层左侧边界自上至下在测线上的位置依次为400、620、680；断层右侧边界自上至下在测线上的位置依次为185、475、540；断层中心与线位在540位置相交，且破碎带影响范围为475～620。其综合平面成果如图12所示。

图12 综合平面成果Fig.12 Comprehensive plane results

4.5 钻孔验证

为进一步验证断裂位置和破碎带范围，沿线布设验证钻孔，其多个钻孔取芯中含有断层角砾和断层泥，如图12中的钻孔标识所示，与圈定的断裂位置和断裂破碎带范围吻合，验证了综合物探技术推断断裂位置、划分破碎带范围的准确性和高效性。

5 结 论

1)针对地质资料较少、出露不明显的断裂勘察，本文采用了天然源大地电磁、电测深和电联剖相结合的综合物探技术，准确判断出了断层位置和走向，精确圈定了破碎带范围，为铁路的线路规划，规避风险提供了准确、丰富的地质依据。

2)断裂勘察应充分结合地球物理前提和地质条件，选择适宜的综合物探技术，可有效划分地质单元，圈定断裂破碎带中心和范围，其多元化的物探成果，取长补短、相互验证，可进一步提高勘探精度和勘探效率。本次综合物探技术在活动断裂勘察中的成功应用，对类似的铁路勘察工作具有一定的指导作用和借鉴意义。