综合地球物理方法在山前隐伏断裂探测中的应用——以巍山—长山南坡断裂为例

赵建明, 李 明, 费书民, 张志相, 高嘉琳

(1. 河北省地震局唐山中心台, 河北 唐山 063000; 2. 河北省地矿局第五地质大队, 河北 唐山 063000;3. 河北明创地质勘查有限公司, 河北 唐山 063000)

0 引言

山前隐伏断裂往往位于人口和建(构)筑较多区域,查明其具体位置和活动性,对评估研究区的潜在地震风险性及地震地质灾害,具有十分重要的意义[1-3]。山前隐伏断裂的探测条件往往非常复杂,其第四系覆盖层较薄且厚度不等,地下地质条件复杂,地层倾角较陡,新老地层倒置,使得地球物理勘探工作更为困难。单一的地球物理方法在山前隐伏断裂探测中往往会受到种种限制,为了获得良好的探测结果,必须考虑这些要素,进而选择正确的探测方法[4-6]。目前针对探测隐伏断裂的地球物理方法很多,主要采用浅层地震勘探法、高精度电磁法、电阻率法和地质雷达探测等,不同的场地条件选择采用不同的地球物理探测方法[7-11]。近年来,前人通过在一些区域开展隐伏活断层探测研究工作,取得了较好的效果[12-14]。

巍山—长山南坡断裂是著名的唐山断裂带组成断裂之一,其断续出露于巍山—长山南麓,向南延伸可能止于北西向西缸窟断裂,呈NE向展布,全长21 km,控制着附近地区的地貌发育。在1976年唐山地震中沿断裂附近震害相对较重,呈条带状展布[15-16]。该断裂大部分出露于地表,但断裂在马家沟以南隐伏于第四系进入唐山市区,前人对其研究多限于马家沟以北出露地表区域,针对断裂隐伏段的展布与活动特征的研究报道尚属少见。本文作者在城市区域性地震安全性评价工作中,以探测巍山—长山南坡断裂为例,应用浅层地震勘探和高密度电法勘探等地球物理方法结合钻孔资料,查明巍山—长山南坡断裂隐伏段的准确位置和活动性,对该区域建设规划、防震减灾具有重要意义。

1 测区勘探条件

唐山市及附近地区地处燕山南缘和华北平原交界处,地形北高南低,巍山—长山是燕山南缘的低山,构成唐山南部冲洪积平原北界[17-21]。测区人口稠密,建筑物较多,道路及来往车辆密集,地形平坦。据区域地质资料,本区基岩地层自下而上有:奥陶系、石炭系、二叠系,第四系冲积层不整合于古生代地层之上。煤系地层由石炭系及二叠系下统所组成,属泻湖-障壁岛沉积体系为主的含煤建造,以上石炭系赵各庄组、开平组和下二叠系大苗庄组为主要含煤层位。本区第四系地层与下伏煤系地层呈不整合接触,厚度为10～30 m。底部为砂岩和泥岩互层,上部为黏土、粉质黏土及砂层,具有良好的波阻抗界面(图1)。对测区地球物理特征研究后,我们开展高密度电法勘探、浅层地震勘探及钻探验证工作。

图1 测区地质构造和物探测线位置图Fig.1 Geological structure and location of geophysical prospecting lines in survey area

2 高密度电法勘探

近年来高密度电法勘探在隐伏断层探测领域得到了广泛应用,该方法具有野外施工便捷、自动采集、测点数据量大、装置方式多、地下信息丰富、复杂地形地貌适应性较强等优势[22-25]。目前运用现代计算机技术,进行二维甚至三维正演和反演计算,得到地下电阻率分布图像,地质解译可靠性和精度明显提高。

在调查和考虑测区地层特性、地球物理特征及目的层埋深等情况下,对高密度电法勘探的装置方式、野外采集参数和电极距大小等进行了试验,根据试验结果本次探测选择灵敏度和观测精度高的温纳工作方式采集数据,测线采用极距3.0 m,电极数120个,使用瑞典CRT高密度视电阻率成像与图视系统反演软件对资料进行二维反演计算,最后得到电阻率层析成像图。

测线布设在柏油路西侧的绿化带上,电阻率层析成像剖面如图2所示。从电性特征上分析,该剖面整体电性特征呈中阻-低阻-高阻反映,结合测区地层资料,表层视电阻率受公路路基杂填土、细砂及黏土的影响,电性特征呈中阻反映,中间部分为强风化和中风化的砂岩和泥岩层,电性特征呈低阻反映,底部为基岩地层,电性特征呈高阻反映。基于上述分析,在180 m两侧电性分区特征明显,180 m以北电阻率值增高明显,电阻率曲线明显发生错动变化,推测为正断层反映,高角度S倾。

图2 巍山—长山南坡断裂的电阻率层析成像剖面Fig.2 Resistivity tomography section of the Weishan-Changshan south slope fault

高密度电法勘探方法由于其自身的局限性,未能准确探测断裂的产状。由此可见,由于测区探测条件的复杂性和反演的多解性,采用单一的地球物理勘探方法并不能较好展现断裂位置、产状等信息。在其基础上,进行了浅层地震反射探测等工作来进一步确定断裂的位置和产状等信息。

3 浅层地震勘探

浅层地震勘探是一种有效和可靠的探测隐伏断裂的地球物理方法,目前主要采用的是反射波法。近年来,该方法在城市活断层探测工作中起到了关键性的作用,具有探测深度大,分辨率高、探测精度高,能够较为准确判断隐伏断裂的位置、产状和上断点埋深等特点[26-28]。野外工作观测系统的选取是整个浅层地震勘探工作中关键性环节,观测系统的合理与否直接关系到勘探成果的可靠性。野外工作观测系统主要包括最佳偏移距、道间距、覆盖次数、测线布设方向和采集道数、可控震源及地震仪器采集参数的确定等[29-30]。通过获得的电阻率层析成像剖面资料可以看出,在此次山前隐伏断裂调查地区,地表结构复杂,覆盖层横向变化大。根据以上特点,通过野外试验工作,确定了野外采集工作的最佳观测系统,具体参数见表1所列。测线所有激发和接收点均位于开平区新开路上的柏油路上,为了保证检波器能够有效地接收地震波,采用石膏对检波器和路面之间进行黏合。

表1 观测系统和地震数据采集参数

使用加拿大骄佳地震处理软件进行资料处理,最后得到地震反射剖面,地震反射剖面如图3所示。根据数据处理时获得的速度分析结果及不同反射界面的双回程反射时间,可以得出相应地层反射界面的埋深。从地震反射剖面可以看出巍山—长山南坡断裂构造特征非常清楚,其信噪比和可靠性较高。在图3(a)地震反射时间剖面中可以看到仅有一组明显的反射波组T1,T1反射波组来自基岩界面,该波组在CDP382左右处出现明显错断。错断分界点以南反射波组双回程时间在100 ms左右;以北双回程时间在60 ms左右,南北两侧存在的整体时间落差约40 ms,且在错断处出现了产状的突变。在图3(b)中T1反射波组对应的基岩界面埋藏深度约在15～25 m左右。我们根据以上特征,推测该地震反射剖面存在一条S倾的断裂,倾角约78°,断距约3 m,总体表现为正断层性质,断裂位置与高密度电法推断的断裂位置吻合。

4 钻孔联合地质剖面勘探和综合解释

高密度电法勘探和浅层地震勘探两种方法可以互相补充和验证,但钻探对地球物理勘探结果的验证也是取得断裂存在证据的必经之路[31-32]。为进一步对巍山—长山南坡断裂的准确位置和活动性进行研究、验证浅层地震勘探和高密度电法勘探结果的有效性,在地球物理勘探测线重合布设了1条跨断层的钻孔联合地质剖面(图4),对断裂进行更精确的定位,以弥补地球物理勘探勘探的不足。该钻孔剖面长度为4.8 m,由5个孔深为24.8～28.0 m的钻孔组成,相邻孔距为7.5～19.8 m。图4为钻孔联合地质剖面。根据钻孔揭露,第四系厚度18.8～22.3 m,区域资料显示基岩为二叠系砂岩、泥岩,第四系主要为Q2～Q4沉积的填土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂等。钻孔中灰色地层的大量出现,说明测区至少经历了三次长时间的还原沉积环境。根据地层的埋藏条件、岩性特征和物理力学性质指标,从上至下划分为十五个工程地质层,我们从ZK4钻孔中选择5个代表主要标志层的样品,进行年代测定,5个样品呈现从浅部到深部越来越老的正常年龄趋势。钻探资料证实了在地球物理勘探反演剖面上反映的地表结构复杂,覆盖层横向变化大。由图5可见:钻孔ZK2、ZK3、ZK4基岩顶面大体水平,ZK1、ZK5基岩埋深大体一致,而ZK1、ZK4之间基岩埋深相差近3 m,且ZK2、ZK3、ZK4缺失第11、12层,因此,ZK1、ZK4之间存在断层,上断点埋深约19 m,且基岩埋深自S往N有逐渐变浅的趋势,该结果与高密度电法勘探和浅层地震勘探的推测结论吻合较好。

图4 巍山—长山南坡断裂地球物理勘探测线及 钻孔布置图Fig.4 Layout of geophysical exploration survey lines and boreholes in the Weishan-Changshan south slope fault

图5 巍山—长山南坡断裂钻孔联合地质剖面Fig.5 Composite drilling geological section of the Weishan-Changshan south slope fault

根据区域年代地层资料、岩性特征和样品年代测试结果,认为第1层和第2层为全新统;第9层紫色黏土相当于唐山地区中更新世红黏土,且其上第8层与第7层之间水动力环境和气候环境上存在着明显的差异,故第3～7层属上更新统,第8层及以下的第四系属中更新统。综合分析认为,断裂错动的最新地层为中更新统中下部,中更新统上部及以上地层未被错动,因此,巍山—长山南坡断裂的隐伏段为中更新世断裂,晚更新世以来不活动。

5 结论与讨论

本文应用高密度电法勘探和浅层地震勘探等地球物理方法结合钻孔资料,探讨了在山前等复杂地区的隐伏断裂的探测方法,并以探测巍山—长山南坡断裂为例,对巍山—长山南坡断裂的隐伏段的准确位置和活动性进行了研究,确定了断层的准确位置和产状等。研究结果表明,巍山—长山南坡断裂在唐山市区的隐伏段为S倾的正断层,倾角约78°,断距约3 m,上断点埋深约19 m;该断裂在唐山市区的隐伏段为中更新世断裂,晚更新世以来不活动。

高密度电法勘探方法由于其自身的局限性,未能准确探测断裂的产状。在山前地区,因第四系覆盖层较薄且厚度不等,浅层地震反射法仅在基岩界面处有一组明显的反射波组。 基岩界面以上的第四系部分反射信号弱,有效反射不清楚。由此可见,采用单一的地球物理勘探方法并不能较好展现断裂位置、产状等信息。综合地球物理勘探方法能够较好地查明断裂的位置、性质以及特征,为钻孔联合地质剖面工作提供地球物理学依据。同时在综合地球物理方法认识指导下的钻孔联合地质剖面能够取得直接证据以验证地球物理勘探结果的正确性。

实践表明,在山前等地质地貌复杂地区,第四系覆盖层较薄且厚度不等,地下地质条件复杂,地层倾角较陡,新老地层倒置,采用综合地球物理勘探方法具有较高的互补性,结合钻孔联合地质剖面验证,可提高地质解释的可靠性和准确性,避免单一的地球物理方法的多解性,有效探测复杂地质情况下隐伏的断裂,具有较强的实用性及推广性。