综合物探在隐伏断层勘察中的应用——以四川省宜宾县为例

田府川余，张 刚，周亚东，葛凯波，张新海，张文广

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010;2.四川省地震局，四川 成都 610000)

1 引 言

宜宾市是川南地区重要的经济中心，也是国家“西气东输”重要的战略城市，研究该地区的断层特征对城市安全建设具有重要意义。城市内断层受到地壳运动、人类工程活动的影响等原因，其原有地表特征被大大改变，从而成为隐伏断层。在以往的断层调查中钻探是最直接的手段，但一方面由于钻探的施工成本较大，施工不便；另一方面在钻探过程中会产生较大的噪音及造成环境的破坏，因此钻探只能作为辅助手段，而无损的地球物理技术可作为主要方法。断层由于其特殊性，在两盘岩体中存在一定的物性差异(密度、速度、磁性、电性)，这些物性差异是进行地球物理勘探的基础。电阻率成像法及地震反射波法因在城市环境中具有较高的抗干扰性而被广泛地应用于城市断层追踪定位。王志鹏等[1]研究得到电阻率成像法对探测断层具有一定的有效性和准确性；范尧等[2]采用综合地球物理方法在复杂断层区中的研究具有良好的应用效果；徐明才等[3]利用地震反射波法探测了太行山山前断裂的活动特征；王小明等[4]利用地震反射波法探查出了城市地下断层构造；国外学者也利用物探方法对活动断层进行了许多研究，Suski等[5]利用电成像技术对危拉马拉中部城市化地区的活动断层进行定位与研究；Okay等[6]利用地震反射波法对土耳其西北部马尔马拉海活动断层进行了研究。在前人的基础上，为了避免单一地球物理方法调查结果的多解性，本次研究采用电阻率成像法与地震反射波法联合勘探，确定断层的位置和特征，查明场地内地层情况，并结合钻探资料为宜宾县城的建设提供依据。

2 研究区地质背景

研究区位于四川盆地南部的宜宾市宜宾县，北距宜宾菜坝机场10 km，南部紧邻金沙江水道，可与岷江水道和金沙江水道相连。研究区在大地构造位置上属于川东、川中褶皱带，位于稳定的扬子陆块，其西边为复杂的松潘甘孜地块(图1)。研究区东部地区与西部地区新构造运动具有明显差异:其所处的四川盆地第四纪以来抬升较为缓慢，构造结构简单，板块活动性较弱；其西部地区为青藏高原东缘，受到四川盆地的阻挡，第四纪以来，青藏高原快速隆起，该区域出现大量的断层带，同时也成为地震的活跃地带[7-9]。

图1 研究区构造背景Fig.1 Tectonic background of the study area

研究区属于山地丘陵地貌，地势整体北高南低，海拔高度在260～450 m之间。场地内第四系发育，分布广泛，主要以冲洪积类型为主。主要出露基岩为侏罗系中统沙溪庙组(J2s)及侏罗系上统遂宁组岩组(J3s)(图2)。其中侏罗系上统遂宁组岩组岩层主要分布在宜宾县城城北新城一带地区，侏罗系中统沙溪庙组岩层分布于县城北部。岩性多为砂岩、泥岩、砂质泥岩。在研究区附近有北西向断层构造，属于柏树溪断层的分支,在城区范围内并未有出露现象。

图2 研究区地质图Fig.2 Geological map of Yibin

地震的发生是断层活动性的重要体现。研究区在2009年前处于地震平静期，2009年以来，地震活动性明显增加，具体见中国地震台网的数据(图3)：截至2019年12月，该地区共发生0～1.9级地震26 451次，2～2.9级地震1 987次，3～3.9级地震210次，4～4.9级地震47次，5级以上地震12次，表明该断层现今活动性明显增强。断层活动不仅会造成地震的发生，还会引发次生灾害，因此，对柏树溪断层的勘探变得十分重要。

图3 研究区1995～2019年度地震台网记录的数据Fig.3 Annual earthquake frequency map of Yibin City from 1995 to 2019

3 方法及野外数据采集与处理

3.1 电阻率成像法(ERT)

3.1.1 ERT野外数据采集

ERT(Electrical Resistivity Tomography)可以根据地下结构电性差异的不同，研究人为外加电场作用下，地下结构体中电流的分布规律，其最主要的优势就是可以自动化、智能化并快速采集到大量原始数据，同时又可以通过改变地表不同电极距的设置从而采集到地下不同地点、不同深度的电阻率值，断层两盘岩体存在的显著电性结构差异是ERT识别断层的判断依据[11,12],ERT数据反演结果可以很好地反映地层横向上的电阻率变化特征。常用的测量方法有微分γ、偶极β以及温纳α，本次工作区域处于城市之中，环境干扰较多，因此选用信噪比较高的温纳α方式[13]。由于地表的介质物性条件存在差异，在进行正式施工前，必须到现场踏勘合理布置测线，以及通过实验选择最佳的电极距、工作条件及工作参数，确保仪器设备性能满足规程要求及数据采集的质量[14]。

本文根据已有的地质资料结合地表情况，为有效控制断层在研究区的分布情况，在与断层走向垂直的方向布置四条NE走向的高密度测线(Z1～Z4)，在本次研究中，采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2型60道电法仪,测量电压由变压器输出，输出电压为180 V,测线具体参数见表1，分布位置见图4。

表1 高密度电法数据采集参数

图4 测线布置Fig.4 Survey line location of the different geophysical methods

3.1.2 ERT数据处理与解释

在数据处理方面，首先对高密度电法的数据进行一致性质量检验，并且对获得的数据重新排列后剔除异常点，再使用瑞典RES2D1NV软件基于准牛顿最优化非线性最小二乘法的新算法进行反演，同时在反演中加入地形数据，从而降低人为误差[15]，图5是对Z1～Z4四条测线进行反演得到的二维剖面图，RMS误差分别为15.8 %、13.5 %、13.2 %和18.2 %，均在合理范围内。

Z1测线位于场地外G85渝昆高速收费站附近，测线沿着170°方向布置；Z2测线位于柏溪车站附近河沟一侧，沿着40°方向布置，Z1与Z2之间的距离约为300，岩性相似，整体地形较为平坦。Z3测线位于金沙江畔绿化带上，测线沿83°方向布置；Z4测线位于金沙江畔绿化带上，测线沿102°方向布置，Z3和Z4之间的距离约为100 m，具有相似的岩性和不同厚度的覆盖层。

如图5所示，Z1浅部范围分布着5 m左右的中阻层，该部分为地表杂填土，以卵石为主，夹杂部分垃圾，从而电阻显示相对较高；在横向10～100 m范围内，存在部分低阻区，根据前期的调查情况，可推断为粉质黏土层表现出的低阻特征；在横向70～130 m位置，深部显示的电性结构为高阻区，推断其为下伏基岩，岩性主要为泥岩和砂岩。Z2在横向100～210 m段显示为浅部杂填土的中阻特征，其下部表现为密实卵石层的高阻特征；在横向50～100 m范围内出现了部分的低阻区，该部分显示了第四系底部的卵石层及风化基岩等特征；在横向150～295 m电性结构较为简单，显示了浅部高阻的卵石层以及深部低阻的风化泥岩层。研究区位于金沙江附近，在含水和潮湿的条件下，泥岩的电阻率低于正常值；在剖面150 m处，Z1和Z2的电阻率均出现了非常明显的错断和不连续，判断该处异常是由断层引起的。Z3可以分为三层，即浅部中阻特征的杂填土、中部高阻特征的卵石层以及深部相对低阻的基岩层，该条测线位于金沙江附近，地层物质较为松散，受到河水影响较大，地下水含量相对较高，因此在该处电阻率表现为相对低阻。Z4浅部主要为黏土填充含水量相对较高，从而显示低阻特征；在中部是以卵石为主的高阻区域；在其深部为风化泥岩、砂岩层。其风化程度较强，且富水性较好，因此该部分整体电阻率特征显示为相对低阻。结合Z3和Z4的电阻率特性推断，基岩埋深40 m左右，在整个测线覆盖范围内，并没有出现明显的电阻率错断和不连续，因此可以判断该范围内没有断层通过。

图5 Z1～Z4二维剖面反演Fig.5 2D resistivity inverse sections of the ERT profile Z1～Z4 carried out in the work field

通过对ERT 4条测线的二维剖面进行解释和分析，可以发现4条测线总体电阻率差异较小。Z1与Z2的电性结构具有明显的分区特性，电阻率成层较差，2条测线内均观测到有断层通过；Z3和Z4电阻率结构特征较为简单，并且具有明显的成层性，并没有断层通过的迹象；同时，根据4条剖面的电阻率图可以发现，第四系覆盖层厚度总体表现为南厚北薄。本文通过ERT的结果初步判断了断层在场地内的分布情况为NW向分布，为进一步查明断层的分布情况，再在研究区布置D1,D2两条NE走向的地震测线，测线长度分别为1.00 km和0.40 km，具体参数见表2，关系位置见图4。

表2 地震反射波法数据采集参数

3.2 地震反射波法

3.2.1 地震反射波法野外数据采集

地震反射波法通过人工激发向地下发射地震波，地震波在不同的介质中发生反射，通过对反射波的分析可以得到地下断层的分布情况,具有较高的纵向分辨率。地震反射波法既可以提供地下图像，又可以提供工程施工中的相应设计参数[16-18]，对波阻抗界面反应灵敏，在断层附近，反射波同相轴会发生错断，这就可以用来测定断层错动带[19,20]，本次研究采用的是加拿大生产的ARIES数字地震仪。

3.2.2 地震反射波法数据处理与解释

对于地震数据的解释是在GeoFrame4.5专用地震解释工作站上进行的，主要采用了折射静校正、地表一致性反褶积、常速扫描、剩余静校正、叠后去噪和偏移等主要处理模块[21]，这些处理过程使得到的时间剖面整体分辨率较高，有效波频带范围宽，干扰消除较彻底，反射波层次清楚，两条测线都取得了较好的处理成果。图6，图7是测线D1得到的成果图，图8，图9是测线D2得到的成果图。

从图6可以看出,地震时间剖面信噪比较高，反射波组连续性较好，反射波错断特征较为明显。将图6分为5个反射界面T1、T2、T3、T4和T5。

图6 D1时间叠加剖面Fig.6 Detail of seismic section D1

图7 D1地质解释Fig.7 Geological interpretation map of D1

1)T1波：为第四系底界面的反射波，该反射波能量较强；

2)T2波：为第四系底界面之下最近基岩层的反射波，位于柏树溪断层上盘区，显示为2～3组强相位，反射波能量强，推断为侏罗纪中统基岩层反射波，与上层第四系呈现明显的角度不整合；

3)T3波：为柏树溪断层上盘区基岩层内的反射波，推断为侏罗纪中统反射波，受到上覆地层对能量的吸收作用，该组反射波显示为一个较弱相位，但是仍明显地显示了在柏树溪断层上盘区的地层特征。

4)T4波：为柏树溪断层下盘区基岩层的反射波，推断为侏罗纪上统反射波，显示为1～2组强相位，局部能量较大；

5)T5波：为侏罗纪上统基岩层内的反射波，反射波能量强，频率较高，连续性较好。

在桩号CDP600处，同相轴发生了明显的错断、扭曲。排除干扰因素，可以推断该处异常是由断层引起的。根据地震反射波的产状特点，可以发现断层发育于中生代地层中，具有明显的逆冲断层性质，视倾向SW，上断点埋深约51 m。该断点位于第四系底界面之下，因此推断其为第四系之前的活动断层。

D2测线靠近金沙江，第四系大量发育河道卵石与漂砾，潜水位比较深，对可控震源激发的地震波能量有较大吸收，导致对深部地层的反射波能量偏弱。从测试结果(图8，图9)可以看出，该条地震测线的时间剖面图信噪比一般，反射波组连续性总体较好，共解释了3个反射界面T1、T2和T3。从整体上看，该条地震测线反射波组连续性总体较好，没有出现明显的错断，因此可以判断该条测线范围内并没有断层穿过；D2测线范围内第四系覆盖层厚度大约为40 m，下覆基岩层连续性较好。

图8 D2时间叠加剖面Fig.8 Detail of seismic section D2

图9 D2地质解释Fig.9 Geological interpretation map of D2

地震探测结果发现只在D1测线上有明显异常，结合地震探测成果同时考虑现场施工，本文再在D1测线上由SW-NE方向分别布设5个钻孔(G1～G5)加以验证，钻孔间距15～20 m，具体参数见表3，钻孔布置见图4。

表3 地质钻孔采集参数

3.3 钻孔资料

通过跨断层的钻孔联合剖面(图10)可以发现，地表卵石层与下伏基岩呈现角度不整合接触，厚度约为50.1～53.2 m；卵石层底部基岩发育有0.8～1.2 m的强风化壳，岩性以砂岩为主，下部中风化基岩主要为泥岩和泥质砂岩。钻孔G1～G5在断层上盘揭露的基岩面皆为强风化泥岩，而在下盘G4孔基岩面则为中风化的泥质砂岩，出现了岩性不连续的现象，因此判断该层为断层所在位置。钻孔揭露的基岩，产状特征表现为一单斜构造，与地震反射勘探的解释成果一致。

图10 钻孔联合剖面Fig.10 Revealed results of verticalboreholes

图11为钻孔G4钻探结果，G4孔揭露的断层破碎带，岩性为泥岩，红褐色，中风化，泥质结构，中层状构造，钙质胶结；顶部覆盖全新世残积层，岩层受挤压后极为破碎，节理发育，节理面含次生矿物、镜面光泽感较强；断面呈紧闭状，破碎带宽约1 m，主要由挤压劈理带、挤压透镜体、断层角砾等组成，挤压揉皱现象明显，断面光滑平直，沿断面有紫红色断层泥产出，未见明显的错动；该层的揭露可作为判别断层的重要标志层。通过钻孔联合剖面及G4钻孔图可以判断，柏树溪断层上断点位于G4和G5之间，上断点埋深约50.47 m，断层仅错断红褐色基岩并未切穿新生界，因此可以确定为早中更新世活动断层。根据地震结果以及剖面对比，最终可以确定柏树溪断层为NW～SE走向，倾向为SW，根据钻孔揭露镜面及挤压痕迹显示断层倾角为25°～40°之间。

图11 G4断层破碎带钻探结果Fig.11 Revealed results of G4

4 讨 论

在此次项目调查中，本文采用电阻率成像法、地震反射波法及地质钻探联合的勘探方法对研究区内的地质情况及断层性质进行了详细的研究，确定了地层分布概况并对断层的性质有了更为详细的了解。虽然采用电成像法及地震反射波法联合勘探的方法解决了所涉及的问题，但仍有一些问题需要进行研究：

1)地震反射波法在断层勘探中具有较好的效果，但是研究区位于金沙江附近，表浅层含有较厚的卵、砾石及松散沙层，使地震能量波损失较多。

2)本次电阻率成像法确定了断层的位置，同时也查明了地层分布情况，但是受到城市建筑及地形条件的影响，电阻率成像法的电极距较大，并且不同地段基岩风化程度和地下水埋深不同，导致电性结构的解释存在一定的差异。

图12 研究区内断层分布Fig.12 Distribution of concealed faults in the study area

5 结 论

本文利用电阻率成像法和地震反射波法联合勘探，最后再利用地质钻探验证，对宜宾县内断层分布情况及断层的性质进行了研究和讨论，最终得出以下结论：

1)查明了断层分布。首先利用电阻率成像技术布置了4条测线(Z1～Z4)，圈定了断层在研究区内的分布情况大致为NW向分布；为进一步确定断层分布情况，再沿NE向布设了2条地震测线D1、D2，结果只在D1测线上显示明显异常，进一步确定了断层的分布情况为NE向；最后利用钻孔(G1～G5)在地震测线D1上进行验证，查明了柏树溪断层为逆冲型断层，走向为NW～SE，倾向SW，倾角25°～40°(图10)。

2)查明了断层的性质。结合两种物探方法得到的数据结果与钻孔验证的数据结果对该断层的性质进行进一步分析。根据地震测线的数据判断上断点埋深51 m左右，该断点位于第四系底界面之下，推断其为第四系之前的活动断层，最终钻孔数据也验证了此结论，并进一步表明该断层仅错断，红褐色基岩并未切穿新生界，因此可以确定该断层为早中更新世活动断层；由4条电阻率测线判断覆盖层厚度总体特征为南厚北薄，基岩埋深大约40 m，主要以卵石、粉土及粉质黏土为主。

3)该断层位于宜宾县城内，本文可为宜宾县城市建设规划提供依据。