二、三维高密度电法在临汾龙祠地震台水准测量巨幅形变异常判别中的研究与应用

薛晓东，赵晋泉，曾金艳

（山西省地震局，太原 030002）

0 龙祠台地貌及地层

龙祠台及水准观测线处于临汾盆地西部席坊沟洪积扇上［1］（图1），海拔高程为502～515m，北部、西部较高，东南部较低，相对高差13 m。台站西部为侵蚀、溶蚀基岩山区，属罗云山中等隆起区，罗云山隆起区属区域鄂尔多斯断块隆起区的一部分，为中等强度隆起区，平均海拔1 200m 左右，山峰多在1 700m 以上，最高峰海拔达1 946m，形成侵蚀中山地貌。自新生代以来，该隆起区一直处于整体均匀、缓慢抬升状态，基岩裸露，由奥陶系、石炭系、二迭系地层组成，与东侧临汾断陷盆地的相对高差大于500m。隆起区内新构造差异运动较弱，分布在离石断裂的南段。离石断裂形成于中生代燕山运动，新生代以来尤其第四纪晚更新世以来活动趋于稳定。隆起区内无级以上地震发生。因此，罗云山隆起区是一相对稳定的新构造单元，不具备发生M≥6级地震的构造条件。台站附近该隆起内主要出露地层为奥陶系中统上马家沟组（02s）石灰岩，次为石炭系本溪组（C2b）“山西式铁矿”、铝质页岩等，石炭系太原组（C3t）黑色页岩、煤层等，均分布于罗云山断裂带中，岩层破碎。

基岩山以东为临汾盆地，两者以罗云山断裂为界。席坊沟洪积扇的中心位于席坊沟，扇顶海拔高530m，堆积物质主要为砂砾石，由扇顶向南北两侧海拔高程逐渐降低，台站位于扇南1km 处，堆积物主要为第四系全新统（Q4）褐黄色粉土，厚3～5m，水平层理明显，下部为第四系上更新统（Q3）褐黄土粉土、粉质粘土、砂砾石。在Bm3号水准观测点西部3m 处有一明显的黄土陡坎，走向NE40°左右，线性较强，高1～3m。龙祠台Bm1、Bm2号水准点位于基岩山区，Bm3、Bm4号点位于临汾盆地。

在龙祠台站附近分布有2条地裂缝［2］，一条分布于距边山30 m 处，走向40°左右，与罗云山断裂平行，长约1km。另一条地裂缝位于Bm3 号水准点东侧7m 处，断续延伸长约90m，是2009年Bm3点持续沉降以来形成的地裂缝，与Bm3点西部的隐伏断裂平行，该地裂缝开裂宽度为3～8 mm，地裂缝的开裂面向西倾斜，倾角70°～80°，与西部断裂在剖面上形成“Y”字型组合。

勘察区属龙祠泉域，龙祠泉为罗云山断裂带中的岩溶断层泉，受到距边山120 m 左右的断层控制，该断层与龙祠台站东部新发现的断层为同一条断层，泉水水位海拔高程为774m，龙祠台站地下水位海拔高程为775 m，高于龙祠泉1 m。位于Bm3点附近断层为地下水的主要疏水通道。

2 龙祠台附近断层

根据地貌及地层调查，龙祠台及水准观测线均位于罗云山断裂带上。

（1）罗云山断裂概况

图1 龙祠地震台水准点附近地质勘察工程布置及地形地质图

罗云山断裂沿临汾盆地西缘发育，北起万圣寺一带，经土门、峪里、尉村、范家庄至西硙口，总体走向NNE，在范家庄弧形转为NWW 向，全长120 km。该断裂是由一系列断层组成的复杂断裂带，它被3条NW 向断层分割成5 段，即土门以北段、土门－峪里段、峪里－尉村段、尉村－范家庄段和范家庄－西碨口段。

（2）龙祠台附近地表出露的断裂

图2 龙祠台Bm2号水准点山洞中的断裂错断第四纪中更新世地层（下部为由石灰岩组成的断层角砾）

龙祠台站位于罗云山断裂带土门－峪里段，由多条断层平行展布。台站边山出露的断裂为罗云山断裂带中的西部断裂，在龙祠台Bm2号山洞错断的最新地层为第四纪中更新世地层（图2），该断层沿边山展布，破碎带宽5～15m ，破碎带西侧均为石灰岩和角砾岩，角砾岩中仍有断层面展布，东侧的上部为第四纪中更新世的洪坡积物，为浅红色粉质粘土及砾石层，下部为石灰岩角砾组成的破碎带。

3 二、三维高密度电法对龙祠台附近隐伏断裂勘察

为了查明台站附近罗云山断裂的分布状况，本次勘察共布设二维高密度电阻率勘探测线4条，即D1、D2、D3和D4，共1 210m，根据二维高密度电阻率勘探测线的反演结果又布置了三维高密度电阻率勘探测线1条［3－4］，即D5。高密度电法勘探采用中装集团重庆奔腾地质仪器厂生产的WDA－1超级数字直流激电仪，电极距为5.5m。测线位置见图1。

3.1 二维高密度电阻率勘探

（1）测线D1长330m，方向140°，从2号水准点洞口开始，电极距5.5m。在3号水准点西3m 处出现一个明显的低阻异常（20～40Ω·m），倾向东，倾角约60°，低阻层西侧的下部高阻为奥陶系（02）石灰岩层，出现了一个明显的由高阻层组成的三角面，其东部均为低阻，从反演图的形态分析剖面中的低阻层为断裂（图3）。

图3 测线D1高密度电法反演剖面图

（2）测线D2长330m，方向110°，从龙祠台北围墙开始，电极距5.5m。在125m 水渠边处出现一个明显的低阻异常（20～40Ω·m），倾向东，倾角约60°，与1测线形态一致，从反演图的形态分析剖面中的低阻层为断裂（图4）。

图4 测线D2高密度电法反演剖面图

（3）测线D3长330m，方向140°，从龙祠台南围墙开始，电极距5.5m。在115m 处出现一个明显的低阻异常，与1测线形态一致，从反演图的形态分析剖面中的低阻层为断裂（图5）。

（4）测线D4长220m，方向140°，从工作区北部边山起，电极距5.5m，从反演图的形态分析电阻值近水平，未发现断裂（图6）。

图5 测线D3高密度电法反演剖面图

图6 测线D4高密度电法反演剖面图

3.2 三维高密度电阻率勘探

测线D5以3号水准点为中心，电极距5.5m，X 轴长约为55m，Y 轴长约为66m，测深19.1m。布线方式见图7，反演图见图8～图10。

图7 三维高密度电法勘探电缆及电极排列示意图

图8、图9为X－Z切面图，由各方向切面图可看出，揭露的电性特征比较明显，在6号断面（即Y距离27.5～33.0m）范围内出现桔黄色高阻点，可清楚地判断出是由于Bm3号水准点形成的高阻点。图10为水平切面图，从图上可以看出，在测试深度范围内断层沿Y 轴贯穿测网，断层沿走向、倾向形成的低阻异常也非常明显，并反映了断层在不同高度的位置及形态。可以明显看出断层的上断点已接近地表。

3.3 二、三维高密度电阻率勘探反演小结

二维高密度电阻率勘探测线D1～D3所确定的断层位置距边山125 m 左右，三点位于一条直线上，走向40°，断层倾向130°，倾角60°～70°。从三维高密度电阻率勘探测线D5反演图中可清楚地看到Bm3号水准点形成的高阻点及断层沿走向、倾向形成的低阻异常，并反映了断层在不同高度的位置及形态，表明断层的上断点已接近地表。

综合二、三维高密度电阻率勘探反演结果，可以得出断层下盘基岩埋深为46～55m，基岩之上为上更新统－全新统松散堆积物。上盘测试深度内（55.6m）未见基岩，均为上更新统－全新统松散堆积物。断层上断点已近地表，埋深约2～3m。断层带的上部为含水的土体，下部为富含饱和水的松散层，地下水位埋深约35～40m。

图8 三维高密度电法勘探沿Y 轴切片反演图

图9 三维高密度电法勘探沿Y 轴切片反演图

图10 三维高密度电法勘探水平切片反演图

4 Bm3号水准点巨幅沉降的原因分析

（1）根据三维电法勘探结果，初步认为，Bm3号水准点位于山前洪积扇中缘，地层岩性主要为全新世黄褐色亚砂土，该土层具有湿陷性，下部存在砂卵石。

（2）在Bm3点的下方11～19.1m（测试深度）处发现一明显低阻体，据分析，该低阻体电阻值约为20Ω，比周围的电阻值低20Ω。经分析认为，该低阻体比周边土层的含水量高。

（3）根据二维电法勘探结果，认为在Bm3点下方有一正断层，该断层为罗云山断裂带的东部断裂，上断点接近地表，为全新世活动断裂，下部有一低阻体，35m 以下为一个地下水的疏水通道，为断层岩溶水，断层的活动改变了原来稳定的储水构造，并导致了土体疏松，使上部土层结构遭到破坏，地下水的潜蚀作用增强带走了部分土体，而引起地面沉降。

5 结论

（1）高密度电法对地下电结构具有高分辨率，是研究浅层地质结构行之有效的方法，三维高密度电法具有比二维高密度电法更高的勘探精度，但由于三维高密度电法测量时间和反演运算时间长等原因，其应用受到影响。将二维高密度电法与三维高密度电法结合使用，才能取得更好的勘探效果。同时，由于某些勘查工程受地质地形影响较大，在一定程度上影响勘探测量的精度，所以，结合勘察区域的地质及其它资料，勘探的准确度会更高。

（2）Bm3 号水准点位于罗云山断裂带上，该点及其附近产生的巨幅形变是活动断裂活动与地下水共同作用的结果。断层的活动改变了原来稳定的储水构造，并导致了土体疏松，使上部土层结构遭到破坏，地个水的潜蚀作用增强带走了部分土体，而引起地面沉降。

［1］ 赵晋泉.龙祠台地形变地震地质勘探［R］.山西：山西临汾形变异常调查工作暨震情研讨会，2010.

［2］ 董东林，姜振泉.析临汾地裂缝之地质成因［J］.中国矿业大学学报，2002，（1）：34－38.

［3］ 黄杰.高密度电法在覆盖层厚度探测中的应用［J］.内蒙古石油化工，2009（4）：19－20.

［4］ 孟凡月，曹均锋，李光.电阻率层析成像技术在地震安全性评价中的应用［J］.华北地震科学，2012，30（2）：52－55.