白龙江流域隐伏活断层的综合地球物理勘探

2022-10-11谢兴隆王高峰李秋辰叶振南马雪梅

地震工程学报 2022年5期

谢兴隆,王高峰,李秋辰,牛雪,叶振南,马雪梅

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定 071051)

0 引言

白龙江流域是我国四大地质灾害高发区之一,自20世纪80年代以来,由于本区构造分布独特且活动频繁,断裂十分发育,众多学者对白龙江流域的构造运动及影响进行了大量研究。Scheidegger[1]等认为白龙江流域武都地区滑坡与泥石流的分布与新构造应力场相关;孟新民等[2]指出区域性深大断裂及其部分段落和正在活动着的密集发育的次级断裂,是滑坡泥石流分布格局的控制因素;李淑贞等[3]利用ArcGIS缓冲区分析发现在断裂2.5 km范围内滑坡数量占滑坡总数的70.6%;总之,大量研究表明断裂构造活动在白龙江流域滑坡泥石流形成过程中起着重要的作用[4-7],目前白龙江流域新构造活动强烈[8-10],为滑坡泥石流活跃期。

虽然针对白龙江流域的断裂活动性及其影响已有较多研究,但大多数是基于区域性断裂带的统计性研究,其中很多断层性质并不明确,尤其那些是没有露头遥感难以解译的隐伏活断层。地球物理方法在隐伏断层探测中具有不可替代的作用,尤其是地震反射法在断层定位及性质的判定上具有较高精度,有效解决了一些复杂断裂带的地学问题[11-13],但单一的物探方法存在着多解性问题,开展综合物探方法研究已经成为隐伏活断层勘查的主攻方向,目前已有不少成功案例[14-16]。

近年来,笔者依托多个中国地质调查项目在甘肃南部白龙江流域开展了大量的地球物理勘查工作,针对白龙江流域隐伏活断层,形成了一套行之有效的、适用于白龙江流域隐伏活断层勘查的综合物探方法,该方法不仅查明了断层的性质,还证实了断层的活动性。本文的研究成果从一个新的角度客观清晰地展示了白龙江流域隐伏活断层的发育特点,使用的综合物探思路及总结出的隐伏活断层的地球物理特征对其他地区断层勘查亦有一定的借鉴意义。

1 区域构造背景

白龙江流域及其邻区位于川青藏高原东北缘的南北地震带和昆仑—秦岭构造带等多组深大断裂的交汇复合部位,为龙门山和六盘山晚新生代挤压隆起构造区之间的过渡地带,也是青藏、华南和华北三大Ⅰ级活动地块区的交汇部位,涉及祁连、柴达木、昆仑、华南和鄂尔多斯等五个活动地块,为不同方向、不同性质活动断裂之间构造转换的关键地区,因此本区新构造活动极为强烈,白龙江流域主要活动构造分布如图1所示。

图1 白龙江流域活动构造分布(据苏琦等修改,2016)Fig.1 Distribution of active tectonics in Bailong River Basin

本区新构造运动是老构造运动的继续,而新构造是在老构造的基础上发生和发展的,根据现有地震资料,区内主要断裂大都具有明显的活动性,主要区域性断裂构造有王家坝—江洛—娘娘坝断裂带、白龙江断裂带、益哇—舟曲—石峡—江洛断裂带、紫柏山断裂带、松柏—何家坝—梨评断裂带、马家磨—沙尕里—魏家坝等,但由于第四系地层分布范围及厚度较小,故新构造运动对新地层的切割表现不明显。

2 综合物探方法

单一的物探方法,往往仅仅了解目标体的某一种物理性质差异,具有一定的局限性和多解性。因此,在地球物理中,采用综合物探方法,利用目标体的多种物理性差异,来综合判断,综合解释,有效地减少物探中的多解性问题。经过大量试验证明,白龙江流域采用高密度电法、地震反射法、地震折射层析法三种方法相互配合的综合物探技术可以有效查明隐伏活断层的性质。

2.1 高密度电法

高密度电法[17]属直流电法的一种,高密度电法是以岩、土介质导电性差异为基础,研究人工施加稳定电流场的作用下地下传导电流分布规律的一种物探方法。高密度与传统的电阻率法相比,成本低,效率高,信息丰富,解释方便。白龙江流域地形起伏大,高密度主要优势在于布设方便,地形校正简单而且信息丰富。但同时高密度电法缺点也较为突出,勘探深度受测线长度控制;勘探精度随着深度下降,分层能力逐渐变差;在复杂地质环境下存在着严重的多解性问题,需要借助其他方法减少多解性、提高解译精度。

2.2 地震反射法

地震反射波法是利用地震反射波进行人工地震勘探的方法,测量结果能较准确地确定界面的深度和形态,圈定局部构造,尤其在活断层的勘查中起到了无可替代的作用[18]。白龙江流域覆盖层与基岩面存在明显的波阻抗差异,有较强的反射界面,地震反射法可以清楚地判断活动断层发生的位置,埋深等性质。受地形、震源能量等因素影响,浅层地震反射法在山区一直效果不佳,本文所涉及的地震反射法采取了小道距、多叠加、高覆盖的工作方式,加上后期精细的静校正,取得了较好效果。考虑到山区复杂的工作条件,本次震源选用较为灵活的锤击方式。

2.3 地震折射层析法

地震折射层析成像是基于对初至波进行射线追踪反演,构建相应的速度层析成像图,由此确定地质体中速度异常。与传统的地震折射法相比,地震折射层析法最大的优点是,在速度横向不均匀、下覆地层起伏变化较大,或者速度渐变、存在起伏透射地形的地质情况下,都可以给出较好的反演结果[19]。白龙江流域断层发育,折射层析结果可以减小断层影响,较好地反映基岩面起伏变化形态及松散覆盖物厚度。与地震反射法一样,地震折射层析也采用的锤击震源,反演结果为纵波(P波)速度。

2.4 综合物探思路

综合物探思路如图2所示。三种手段分别依靠电阻率、纵波速度、波阻抗三种物性差异进行综合勘查,提高了该区域隐伏活断层的勘探准确性和精度。地震反射法主要探明隐伏活断层的地层结构与断层性质;高密度电法主要查明断层活动性及发育规模;地震折射层析法主要查明基岩埋深与强风化层厚度。三种方法相互参考,相互验证,最终确定隐伏活断层的性质。

图2 综合物探思路图Fig.2 The mind map of comprehensive geophysical prospecting

需要说明的是,地震反射法主要反映断层的垂向错断情况,但无法对断层附近岩层的破碎程度进行直观表达。白龙江流域的活动断层除了垂向活动外,还表现出明确的走滑性质,这就使得断裂造成的基岩破碎宽度更大,造成相应的电阻率异常更为突出,从而为高密度电法进行活动断层发育规模的描述奠定了物性基础。我们对三种方法在山区工作中的地形要求、施工难度、浅部精度、分层能力及勘探深度等要素也进行了对比分析,具体见参考文献20。白龙江流域属于西秦岭侵蚀—剥蚀构造山地,地形地貌变化剧烈,非常不利于物探施工及后期处理,为了得到良好的处理结果,三种方法都需进行详细的高程记录。

3 实例分析及讨论

白龙江流域断层发育,按照断层富水性可以分为含水断层与非含水断层,两类断层的地球物理特征有相似点也有区别,这两类断层在整个流域具有广泛的代表性,因此选出两组实例分别进行说明。示例点选取位置如图3所示,含水断层示例位于石门乡(武都西北方向),另一示例位于汉王镇的马坝村(武都东南方向),根据图3可知,示例点离区域构造都很近。

图3 示例点位置图Fig.3 The location map of samples

3.1 非含水断层

马坝村泥石流沟扇位于白龙江左岸,地球物理勘查测线主要沿着泥石流沟扇纵向布设,高密度测线与地震测线起点位置相同、方向一致,测线位置如图4所示。高密度采用温纳α装置、电极距5 m进行野外数据采集;地震反射采用偏移距30 m、炮间距5 m、道间距5 m、24道滚动采集,覆盖次数为12次;地震折射层析除利用部分地震反射数据外,另补充48道定排列(道间距仍为5 m)采集其他数据。

图4 马坝物探测线布置图Fig.4 Layout of geophysical survey lines in Maba

由冲沟断面可知表层为第四系冲洪积碎石土,碎石土块径较大、磨圆度差,结合区域背景基岩确定为泥盆系千枚岩。根据综合物探结果分析,该测线地层物性特征为:碎石土表现为超高阻低速,电阻率100～1 500 Ω·m,速度400～1 000 m·s-1;下部含碎石黏土表现为低阻中速,电阻率10～150 Ω·m,速度900～1 500 m·s-1;强风化基岩(泥盆系千枚岩)表现为高阻中高速,电阻率200～700 Ω·m,速度1500～2 500 m·s-1;弱风化基岩(泥盆系千枚岩)表现为高阻高速,电阻率300～800 Ω·m,速度在2 500 m·s-1以上。

高密度的反演结果如图5所示,呈现出明显的三层结构,与折射层析对比可知,上两层均为松散覆盖物。表层卵砾石土中的卵砾块径较大、渗水性强,表现为高阻特征,平均厚度约为10 m。下部含碎石黏土电阻率较低,随着冲沟方向逐渐变厚,平均厚度约为35 m。高密度电法中显示下伏基岩面起伏没有突变,难以明确断层性质。

图5 马坝电阻率反演剖面图Fig.5 Inversion section of resistivity in Maba

地震反射结果如图6所示。地震反射较好的刻画出了基岩起伏变化及断层性质,基岩埋深整体变化趋势与高密度电法及折射层析结果较为一致。马坝沟扇体断层较为发育,均表现为逆断层形态,断层视倾角为50°～80°,将剖面中探明的五条断层分别命名为F1～F5。

图6 马坝地震反射剖面图Fig.6 Section of seismic reflection in Maba

地震折射层析结果如图7所示。地震折射层析展示的第四系松散覆盖物的厚度与高密度电法较为一致。折射层析分层能力较强,结合折射射线路径与速度梯度变化,强风化基岩与弱风化基岩分界面较为明显,强风化基岩厚度约为12 m。折射层析结果进一步补充了高密度与地震反射在测线400～500 m处的勘探盲区。

图7 马坝折射层析剖面图Fig.7 Section of refraction tomography in Maba

高密度电法反演剖面信息丰富,借助地震反射与折射层析结果明确了基岩起伏面的变化及断层的异常响应特征。地震反演剖面中识别出的断层F3～F5与高密度剖面中高阻异常条带在倾向、倾角、位置均有较好的对应关系,可以明确为断层影响。这说明断层在第四系覆盖层形成后仍在活动,断层的持续活动造成第松散覆盖物内部松动,产生较多空隙,电阻率变大表现为相对高阻。相对高阻条带反映了断层发育规模及活动性,我们以电阻率高阻条带的宽度来估算活动断层的影响宽度,并类比得出F1、F2的影响宽度,最终得出各断层的性质如表1所列。

表1 马坝测线断层参数表Table 1 Fault parameters obtained from survey lines in Maba

3.2 含水断层

石门沟口位于白龙江右岸,距离石门乡约0.7 km。地球物理勘查测线主要沿着泥石流沟扇纵向布设,地震测线起点位于高密度测线的120 m处,高密度测线起点东距白龙江约为80 m,具体位置如图8所示。高密度采用温纳α装置、电极距5 m进行野外数据采集;地震反射采用偏移距30 m、炮间距3 m、道间距3 m、24道滚动采集,覆盖次数为12次;地震折射层析除利用部分地震反射数据外,另补充72道定排列(道间距仍为3 m)采集其他数据。

图8 石门测线布置图Fig.8 Layout of geophysical survey lines in Shimen

石门扇体附近有较多断面,表层主要为第四系冲洪积卵砾石土,卵砾石含量较高、具有一定的磨圆度,结合区域背景基岩确定为志留系千枚岩。根据综合物探结果分析,该测线地层物性特征为:卵砾石土表现为超高阻低速,电阻率200～2 000 Ω·m,速度300～1 200 m·s-1;强风化基岩(志留系千枚岩)表现为高阻中高速,电阻率150～800 Ω·m,速度1 500～2 000 m·s-1;弱风化基岩(志留系千枚岩)表现为高阻高速,电阻率300～1 000 Ω·m,速度在2 000 m·s-1以上。

高密度成果剖面如图9所示。第四系盖层厚度变化幅度不大,平均厚约30 m。由于本区地质特性复杂,仅仅依靠高密度电法反演结果较难合理解释异常区,因此结合地震反射与折射结果确定基岩起伏面。

图9 石门高密度反演成果剖面图Fig.9 Section of high-density resistivity inversion in Shimen

地震反射剖面如图10所示。地震反射剖面清晰地揭示了测线下方的地质结构,覆盖层厚度变化较小,基岩起伏面中间略微凸起,与折射层析结果一致。本剖面中揭示断层两条,分别命名为F1、F2。断层F1表现为逆断层,视倾角约为60°,基岩顶界面处的垂直断距约为8 m,断层发育规模较大。断层F2表现为逆断层,视倾角约为75°,基岩顶界面处的垂直断距约为2 m,断层发育规模较小。

图10 石门地震反射剖面图Fig.10 Section of seismic reflection in Shimen

地震折射层析结果如图11所示。折射层析结果对断层反应不敏感,但对地层结构有较为清晰地展示。

图11 石门折射层析剖面图Fig.11 Section of refraction tomography in Shimen

地震剖面揭示的断层F1、F2与高密度电法中的低阻条带在发育位置、倾角均具有较好的对应关系,因此确定低阻异常为断层活动所致。低阻条带下部电阻率最低,富水性最好,且与白龙江水面海拔有较好的对应关系,推测为断层的活动使得白龙江与断层破碎带相连通,江水进入断层破碎带表现为低阻异常。电阻率低阻条带延伸至第四系卵砾石土中,且连续性较好,说明断层在冲洪积卵砾石土形成后仍处于活动状态。最终得出各断层的性质如表2所列。

表2 石门测线断层参数表Table 2 Fault parameters obtained from survey lines in Shimen

3.3 地球物理特征及讨论

地震反射法、高密度电法、折射层析法三种地球物理方法分别以波阻抗差异、电性差异、纵波速度差异为物性基础,其对应的地球物理特征分别表现为同相轴变化、电性异常及速度异常,白龙江流域隐伏活断层对应的地球物理特征如表3所列。采用有针对性的地震采集、处理技术得到的地震反射剖面上的同相轴出现明显错断、分叉、扭曲等断层异常,可以较好地刻画断层性质。由于断层在第四系覆盖物形成后仍处于活动状态,高密度电法剖面在覆盖层或基岩出现电性异常条带,异常条带的性质与断层含水性、基岩岩性、覆盖层类型相关。折射层析分层效果较好,但对断层反映不明显,速度剖面上出现不太明显的低速凹陷异常。