综合物探技术在北京山前平原隐伏断层探测中的应用

赵 勇，王志辉，罗水余，黄力军

（1.北京市地质调查研究院, 北京 100195；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000）

综合物探技术在北京山前平原隐伏断层探测中的应用

赵 勇1，王志辉1，罗水余2，黄力军2

（1.北京市地质调查研究院, 北京 100195；2.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000）

复杂地质隐伏断层探测是地球物理勘测难点之一。本文介绍了高密度电法、浅层地震反射波法、可控源音频大地电磁测深法在北京山前平原隐伏断层综合探测的应用。在北京山前平原复杂地形条件下，综合物探技术方法对隐伏断层的探测具有可靠和成果直观的特点。

隐伏断层；高密度电法；浅层地震反射波法；CSAMT

0 引言

北京平原隐伏断裂较发育，查明其空间位置，对保证城市重要建筑工程安全是十分必要的。

隐伏断层探测难度较高，在城市开展隐伏断层探测，地球物理探测是重要的工作方法，主要有高密度电法、浅层地震勘探、可控源音频大地电磁测深法等可以得到较好的效果，有效性已被众多实例所证实[1-14]。

本项研究工作区位于北京山前平原，房山区岳各庄镇，地形较为复杂，本文通过高密度电法、浅层地震勘探与CSAMT综合物探技术和综合分析解释的思路，使各方法成果相互验证，提高物探资料解释的精度和可靠性，从而达到探测隐伏断层的目的。

1 探测方法技术及特点

1.1 高密度电法

高密度电法是以岩石、矿物的电性差异为基础的一种电法勘探方法，适合于浅层/超浅层探测。该方法与浅层地震勘探相配合，可以提高浅层地震勘探在某些特殊部位解释的可靠性。

1.2 浅层地震反射波法

浅层地震勘探是通过人工激发所产生的地震波在地壳内传播，当遇到弹性介质不同的分界面时，在界面上引起反射，利用地震仪将反射的地震波接受并记录下来，通过对地震反射波资料进行处理和解释，来确定地下界面的形态和构造特征情况。

在地震反射波资料数据处理中，为了尽可能获得最佳的叠加效果,最大限度地提高信噪比和分辨率,需做相应的处理，即预处理（剔除非相干性较强的记录道）、提高分辨率处理、静校正处理、速度分析、动校正拉伸的波形畸变切除、叠加、叠后去噪和偏移处理等。经处理后输出的叠加时间剖面是地质解释的基础资料,它所反映的波组特征等信息是判定断层的依据。

1.3 可控源音频大地电磁测深法

可控源音频大地电磁法是一种频率域电磁测深方法。它用地面偶极子或水平线圈作为人工信号源来产生可控的电磁波信号,通过接收不同频率的电磁波信号以达到测深的目的[15-19]。

本次勘探采用赤道偶极装置进行测量, 计算出阻抗电阻率和阻抗相位后，联合反演计算可控源电磁测深反演电阻率参数，利用反演电阻率进行地质推断解释。

2 综合物探法参数选取和方法验证

2.1 综合物探方法试验

为了确定各方法在工区的最佳采集参数，我们在工区内分别对各物探方法行了一系列的相关试验，为后续勘察工作中参数的设置提供一定依据，以指导探测工作高效有序地进行。

(1) 高密度电法参数选择

本次高密度电法勘查采用的是美国AGI公司生产SuperSting R8 IP 8 channel Memory Earth Resistivity and IP Meter。仪器的主要优点是灵敏度高，自动化程度高，施工方便，比常规仪器测量的数据量大和效率高。

高密度电法主要进行了以下3项试验内容∶ ①电极距和记录层数的选择∶探测深度和对地层厚度分辨率与电极距、数据记录层数密切相关，根据目标异常地质体的可能埋深、大小，拟采用3m电极距和最小9层记录层数。②多种采集方式对比试验∶ 同一条测线，分别采用对称四极、三极和偶极-偶极装置方式采集数据，处理后对比发现，对称四极方式具有较好的分层效果，且垂直方向反映较灵敏，因此对称四极装置作为本次电法勘探工作的主要方法。

通过上面的试验工作确定此次高密度电法工作的参数为∶供电电压∶ 12V或者24V电瓶供电；装置类型∶ AGI仪器对称四极装置；电极距∶3m；记录层数∶9～16层。

(2) 浅层地震反射波法参数选择

浅层地震勘探采用中间放炮128道接收，16次覆盖观测系统。

浅层地震勘探主要进行了以下试验∶ ①震源激发效果试验，以确定合适的激发方式和激发位置。②仪器因素，美国I/O公司 IMAGE SYSTEM遥测数字地震仪，主要是对仪器的前放增益和采样率进行设置。③接收因素试验，采用60Hz检波器扎堆接收，要求插准、插直、插牢。④工区干扰源调查，用于确定干扰源，避开干扰因素，为后期滤波处理提供指导；

通过以上试验内容确定浅层地震勘探参数如下∶ 勘探方式∶ 反射波法；震源类型∶MiniVib T15000车载可控震源；接收道数∶128道；观测系统∶16次覆盖； 道间距∶4m；炮间距∶16m；采样间隔∶0.5ms；记录长度∶ 1s；检波器：60Hz检波器。

(3) 可控源音频大地电磁测深法参数选择

本次野外工作使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪。其性能指标为工作频率0.007～8192Hz，工作温度-20℃～60℃，工作湿度5%～100%，时钟稳定度＜5×10-10/24h，输入阻抗10MΩ/DC，动态范围190dB，最小检测信号电压0.03μv、相位±0.1mard（毫弧度），最大输入信号电压±32V，自动补偿电压±2.25V(自动)，增益1/8-65536(自动)。本次工作采用赤道偶极装置，点距50米，供电电极距AB～1000m，测量电极距MN=50m，收发距r=5800～7300m。

3 综合物探方法的应用

工作区为北京山前平原地带，被第四系松散沉积物所覆盖，下伏基岩为蓟县系雾迷山组白云岩、白垩系砂砾岩。根据区域地质资料及前人工作,结合工区地形和构造特点，由西向东布置wt3测线（综合测线起点定于可控源测线起始位置）。wt3线综合物探解释结果见图1。通过各物探成果剖面可以看出，同一测线不同物探方法成果图上隐伏断层均有明显的异常显示。

高密度电法剖面（距综合测线起点440m）呈现鲜明的特点：浅部高阻，高阻层深度8～15m左右，中深部间有一层低阻层，深度在15m以下，地层横向大体连续地层西高东低；在桩号150～156m处有错断和相对高阻通道，呈现向深部延伸的长椭圆状低阻区(见图1(a))，推断为F1断层反应。

浅层地震在测线 296～304m处（距综合测线起点300m）时间剖面上有明显同相轴错断的迹象，反射波特征清楚、波组或波系之间关系稳定(见图1(b))，推测此处为F1断层隐伏段经过位置。

在可控源音频大地电磁测深断面图中，电阻率等值线浅部较为平缓，略向东倾斜，推测岩层界面倾向东。在断面590～600m（点位23～24之间）处电阻率等值线明显不连续，异常与浅层地震法、高密度电法探测的位置基本吻合。在断面图左侧据区域地质资料综合分析，深部应为基岩不连续界面，这与地下构造面连通情况有关，因此该处450～650m是对F1断裂带的反应(见图1(c))。

同样对F2断层的探测，三种方法的异常反映也均较为明显，其中浅层地震剖面与可控源断面图很好地验证这一点。

通过以上综合研究，测线595～604m为断层F1隐伏段经过的位置，断层埋深在9～10m，断层倾向为南东向，倾角75°。测线740～749m处为F2断层隐伏段经过的位置，断层埋深12m以内。

图 1 wt3 线综合物探解释结果

4 钻孔验证

为了验证上述综合物探解译成果,在测线上布置了钻孔ZK2、ZK3和ZK4-1，相对位置见图1,综合柱状剖面图见图2。从图2可知,断层下盘的钻孔ZK2在地下约9.1m处见基岩,断层上盘的钻孔ZK3在约40.6m的终孔深度内仍未见基岩,由此可知，ZK2 与ZK3之间存在一断层。钻孔3、4-1岩芯岩性以河流相粉砂、粘土、砂砾石和砾石层为主,钻孔之间存在渐变的地表陡坎，落差约3m。经孔3与孔4-1地层划分与对比发现，其同层标志层厚度差异较明显，即孔3层（8）与4-1孔层（6）对比，二者均为浅紫色砂砾石层，砾石成分为安山岩，角闪岩与白云岩。分别在孔3、4-1终孔40.6m、85.0m处仍未见底，其顶部落差约2m。可见隐伏断层F2存在。通过此钻孔资料，进一步验证了隐伏断层的存在，说明此次物探资料的解释结果可靠性较高。

图2 钻孔联合地质剖面图

5 结论与讨论

此次物探工作成功探测到了F1、F2隐伏断层的位置，对指导重要建筑设施和地下管线等的合理布局起到一定作用，通过分析总结，对综合物探方法在隐伏断层探测方面有了更深入认识。

(1)在城市开展隐伏断层的探测，综合物探技术方法明显优于单一物探方法，丰富了对异常地质体信息的提取手段，提高了解译精度与可靠度。

(2)通过工程实例的应用研究，综合物探解译联合剖面方法能够提供较准确的隐伏断层位置、总体形态和产状参数，其结果得到联合钻孔的验证，为今后进一步改进技术方法提供了工程应用的依据。同时也为开展隐伏活动断层的研究提供借鉴。

[1] 方盛明,张先康,刘保金,等.探测大城市活断层的地球物理方法[J].地震地质, 2002,24(4).

[2] 邓起东,徐锡伟,张先康,等.城市活动断裂探测的方法和技术[J].地学前缘, 2003,10(1)∶93～104.

[3] 吴子泉,刘元生,刘保金,等.地球物理方法在城市地震活动断层精确定位中的应用[J].地球物理学进展,2005,20(2)∶528～533.

[4] 吕玉增,阮百尧.高密度电法工作中的几个问题研究[J].工程地球物理学报,2005,2(4)∶ 264～268．

[5] 李征西,曾昭发,李恩泽,等.地球物理方法探测活动断层效果和方法最佳组合分析[J].吉林大学学报(地球科学版), 2005,35∶2～16.

[6] 余中元,杨金山,刘 双,等.地球物理方法在城市活断层探测中的应用研究—以哈尔滨城市活断层探测项目为例[J].工程地球物理学报2008, 5(4)∶428～434

[7] 易兵,曾昭发,薛建,等.地球物理方法对城市活断层的探测与研究.[J].地球物理学进展,2008,23(2)∶599～604.

[8] 卢造勋.城市活断层探测中的地球物方法[J].东北地震研究,2009,25(2)∶1～7.

[9] 吾守艾力•肉孜.城市活断层探测地球物理方法与危险性评价[J].地质学报,2010,30(2)∶232～236.

[10] 姚 琳.地球物理勘探在活断层探测中的应用[J].中国西部科技.2010, 9(25)∶57～43

[11] Suzuki K, Toda S, Kusunoki K, et al. Case studies ofelectrical and electro-magnetic methods applied to mapping active faults beneath the thick Quaternary [J]. Engineering Geology, 2000,56∶ 29-45.

[12] Unsworth M, et al. High-resolution electromagnetic imaging of the San Andreas fault in central California [J]. J. Geophys.Res, 1999,104∶1131-1150.

[13] 孟 琪,王亚会,吴明大.电阻率层析成像法在辽阳活断层探测中的应用[J].防灾减灾学 报.2010,26(2)∶15～19.

[14] 酆少英,龙长兴,高锐,等.高分辨折射和浅层反射地震方法在活断层探测中的联合应用.地震学报, 2010,32(6)∶718～724.

[15] 何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙∶中南工业大学出版社,1990.

[16] 石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京∶科学出版社,1999.

[17] 吴璐萍,石昆法.可控源音频大地电磁法在地下水勘查中的应用研究[J].地球物理学报,1996,39(5)∶712～717

[18] 底青云,石昆法,王妙月,等.CSAMT法和高密度电法探测地下水资源[J].地球物理学进展,2001,16(3)∶53～54.

[19] 刘延忠,冯辉.在城市地质工作中应重视一种新型电磁法——可控源音频大地电磁法的应用[J].城市地质,2006, 1(1)∶41～48.

The Application of Comprehensive Geophysical Exploration Technique to Buried Fault Detection in Piedmont Plain of Beijing

ZHAO Yong1,WANG Zhihui1，LUO Shuiyu2，HUANG Lijun2

（1.Beijing Institute of Geological Survey, Beijing 100195; 2.Institute of Geophysical and Geochemical Exploration of CAGS, Langfang 065000）

The detection of buried fault in complex geological environment is one of the difficulties in geophysical survey．This paper gives the application examples of three geophysical exploration methods to reveal buried fault comprehensively in piedmont plain of Beijing．These methods include high-density resistivity method，shallow seismic refl ection method and CSAMT measurement．The exploration results of the three methods are analyzed to reveal the buried fault through the drilling data verification．The detection results show that integrated geophysical exploration methods in complex topographical conditions in buried fault detection have great superiority such as reliability, convenience and intuitiveness etc．The combining method of geophysical methods can be used for reference in active buried fault detection in China.

Buried fault；High-density resistivity method；Shallow seismic reflection wave method；CSAMT

P631

A

1007-1903（2013）02-0038-04

北京市平原区活动断裂监测专项地质调查项目(批准号∶政府办文第30939号)资助。

赵 勇，男（1983－ ），硕士，工程师，主要从事城市地质与活动断裂研究工作。E-mail：zhaoyong3068@163.com。