可控音频大地电磁测深在城市隐伏断层探测中的应用

关艺晓，卢进添，何泰健，梅 荣，刘晓瑜，宗开红（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210046；2.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210046）



可控音频大地电磁测深在城市隐伏断层探测中的应用

关艺晓1,2，卢进添1,2，何泰健1,2，梅 荣1,2，刘晓瑜1,2，宗开红1,2
（1.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210046；2.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210046）

摘 要：为了给城市工程建设规划提供基础地质资料，需查明区内断裂的准确位置、产状、覆盖层厚度及空间展布以及深部断面。利用可控源音频大地电磁法（CSAMT）进行勘察工作，结合已知地质资料与地球物理资料，在测区内布设四条剖面，完成了剖面反演及综合解释，给出了区内断裂的准确位置、倾向及发育规模。结果表明：CSAMT法在隐伏活动断裂探测中应用是有效的，地质分析工作提供可靠的基础资料，可在城市隐伏断层探测中发挥重要作用。

关键词：城市地质；隐伏断层；地球物理探测；可控源音频大地电磁法；二维反演

断裂与地震和地质灾害紧密相关，对城市和工程安全直接造成危害和威胁[1,2]，现代城市地质工作中对隐伏断裂调查尤为重要。隐伏断裂是指地面无显示或出露不明显，且潜伏在地表以下的断层。这种断层可以是在其形成以后为新沉积物所覆盖，或者是断层被后来的侵位岩体占据，也可以是形成于地下深处没有切穿地表的断层。开展隐伏活动断裂的探测和评价，对减轻城市地震灾害具有重要意义。

由于断裂破坏了地层的连续性，造成地下岩石的物理性质发生变化，因此，在隐伏活动断裂探测中可以采用相应的地球物理方法进行探测[3～15]，如二、三维地震，微重力，直流电法，电磁法等。可控源音频大地电磁法（CSAMT）由于工作效率高、抗干扰能力强、探测深度大、分辨力高等优点，已广泛应用在城市隐伏活动断裂探测中[16～18]，并取得了较好的效果。

1　区域地质构造背景

此次工作位于镇江市大路镇附近，该区处于扬子陆块下扬子地块的东北部，并处于两个不同构造单元的交接部位，即北侧为苏北断坳盆地，南侧为宁镇隆起区。本区又位于宁镇隆起区东端埤城凸起，该凸起是由晚元古代至寒武纪地层组成的推覆构造体。

调查区区域地层属扬子地层区，下扬子地层分区镇江地层小区，发育从前震旦系到第四系地层。地表所见地层主要为：在平原区及山裙部分分布有大面积的第四系，第四系之下为晚白垩世浦口组。

区内火山岩活动强烈，主要表现为燕山晚期中酸性岩浆岩侵位，包括上党组酸性—碱性火山岩、圌山流纹质火山岩、潘家湾石英闪长斑岩。据航磁等值线平面图（图1(a)），区内磁异常变化范围在25～100nT，东北部为宽缓高磁异常区。研究区局部见点状高磁异常，主要分布在埤城—大港以东、姚桥大路西侧，走向为北北西，呈串珠状排列。点状异常在大路镇以西有最高值，达350nT；在埤城以东有较小的异常，其值为175nT。在航磁化极图中，串珠状异常中心点向北移，但异常走向走势不变（图1(b)）。依据该区在航磁图上的表现，推测该地存在一隐伏断裂。

图1　研究区航磁(a)与航磁化极(b)等值线平面图Fig.1 Contour maps of aero magnetic anomaly (a) and the reduction to the pole aero magnetic anomaly (b) in the study area

为查清区内大路—姚桥断裂空间位置及断裂延展性，从而为镇江市城市规划新城前期的区域地质调查提供可靠的基础资料，结合施工条件及勘探深度，采用CSAMT方法进行探测。

区内第四系、浦口组电阻率最低1～20Ωm；圌山组及上党组电阻率次之，约几十Ωm；震旦纪地层电阻率相对较高，其中陡山沱组上段电阻率最高；断裂构造电阻率总体较低。不同地层、断裂构造之间的电阻率差异是本区地球物理勘查的物理前提。

2　隐伏断层的地球物理探测

2.1 CSAMT方法和原理

可控源音频大地电磁法基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组，由此导出电场（Ex）、磁场（Hy）与视电阻率（ρs）的关系式[19～21]：

其中f代表频率。由（1）式可见，只要在地面上观测到两个正交的水平电磁场，就可获得地下的视电阻率，也称卡尼亚电阻率。

又根据电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式：

其中H代表探测深度、ρ代表地表电阻率、f代表频率。

从（2）式可见，当电阻率固定时，电磁波的传播深度（或探测深度）与频率成反比。高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深。据此可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。

CSAMT法使用可控制的人工场源，信号强度比天然场要大得多，因此可在干扰较强的城市、城郊等地区开展工作；由于是比值测量，因此可减少外来的随机干扰，并减少地形的影响；基于电磁波的趋肤深度原理，利用改变频率进行不同深度的电测深，大大提高了工作效率；横向分辨率高，可较敏感地“捕捉”到断裂构造，并能较准确地控制断裂的位置。

2.2 测线布设及参数选择

测量使用仪器设备为美国Zonge公司研制的GDP-32Ⅱ电法工作站，TM测量模式，赤道装置，每7个电场共用1个磁场。结合本区地质、施工条件，沿北东向平行布设四条剖面，方位61˚，自南向北测线编号为20、40、60、80（图2），点号自西向东增大并按实际距离编排，每条剖面长度在2.8km左右，共涉及204个物理点。

兼顾足够的勘探深度和观测信号的强度，全区CSAMT法采用1.2km的发射偶极距，收发距7～8km，测量偶极距50m，发射偶极布置在测区东南新桥镇附近。在本区考虑到探测目标较深，尽量利用中低频段，频率选择为1～8192Hz。

2.3 提高观测数据质量的方法

为了确保发射的信号强度，有效压制干扰信号，提高观测数据的质量，尽可能地提高供电电流强度，低频段最大供电电流达25A。电场测量采用不极化电极，保证接地电阻小于2kΩ，电极极差小于2mV。磁棒埋设时与发射电极垂直，保证水平放置。工作区内有较多高压线、民用电线、通讯电缆和公路，具有较强的电磁干扰，这些电磁干扰源的频率范围较宽，根据电磁干扰信号的影响与距离平方成反比，在数据采集时遇到高压线、民用电线、通讯电线和公路时，采用了偏离30～50m距离的方法，明显减小了电磁干扰的影响。

图2　CSAMT隐伏断层探测实际测线布置图Fig.2 Location of the survey lines for CSAMT exploration

3　数据处理与资料解释

野外资料采集完成后，数据处理使用Zonge公司的配套软件，二维反演是在定性分析和地质资料分析的基础上进行的[22]，图3为大路～姚桥断裂在80线、60线、40线、20线二维反演解译断面图。

80号测线CSAMT综合剖面图中，浅部0～100m范围内电阻率较低，为第四系的反映；1450点附近以西，中深部电阻率较高，等值线密集，以东则电阻率较低，两者之间存在明显的电阻率分界线；断盘西侧400m以深，结合地质物性，高阻区域为老地层，依次为灯影组、陡山沱组上段、陡山沱组下段的反映，倾向北东，端盘东侧100m以浅低阻区为白垩系浦口组的反映，深部为侏罗系地层的综合反映。

60号测线浅部0～100m范围内电阻率较低，为第四系的反映，1400点附近以西中深部电阻率较高，等值线密集，以东电阻率较低，存在明显的电阻率分界线，在1700点附近中深部为漏斗状低阻异常带。断盘西侧下盘500m以深为震旦系地层。断盘东侧浅部的大片低阻区为白垩系浦口组的反映，以下为圌山组和上党组与深部侏罗系地层的综合反映。

40号测线浅部0～200m范围内电阻率较低，为第四系的反映，1350点附近以西中深部电阻率较高，等值线密集，以东电阻率较低，存在明显的电阻率分界线，并略微向北东方向倾，断裂下盘400m以深为震旦系地层，浅部的大片低阻区为白垩系浦口组的反映，以下为圌山组和上党组，深部为侏罗系地层反映。

20号测线浅部0～100m范围内电阻率较低，为第四系的反映，1300点附近存在明显的电阻率分界线，测点西中深部电阻率较高，等值线密集，测点东电阻率较低，并略微向北东方向倾，1450点附近中深部为漏斗状低阻异常带，倾向北东。对比80线、60线、40线测线，20线西侧的高阻异常未完整反映。断裂下盘300m以深为震旦系地层，依据电阻率分布特征和地层电阻率差异推测，300m以深为老地层，倾向北东，倾角较大。

总体而言4条剖面线电阻率分布特点类似，推测断裂顶部在地面投影位置均在1400点附近，20线到80线西侧异常整体有向深部延伸的趋势，推测断裂下盘的震旦系地层倾向角度小于测线方向（N60E），地层自南向北向深部延伸。

4　结语

此次工作说明CSAMT 法在隐伏断层探测中的应用是有效的。但在城市及周边地区施工，电磁干扰较大，野外施工时要采取合理的技术措施，对高压电线、通讯电缆等干扰应尽量远离，以保证采集数据的质量。本次工作较准确地确定了断裂的位置、产状和基岩的埋深，为规划新城前期区域地质调查提供了可靠的基础资料。但CSAMT 工作还无法对断裂的活动性进行评价，应进一步开展地震和钻探工程，进行更深入的研究。

参考文献(References)

[1] 邓起东.城市活动断裂探测和地震危险性评价问题[J].地震地质,2002,24(4):601-605.Deng Q D.Exploration of active faults and their seismic hazard assessments[J].Seismology and Geology,2002,24(4):601-605.

[2] 杨建刚.工程物探方法在上海城市建设与管理中的应用[J].上海地质,2006,27(4):14-18.Yang J G.The application of engineering-physical geography on city construction and management in Shanghai[J].Shanghai Geology,2006,27(4):14-18.

[3] 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.Deng Q D,Xu X W,Zhang X K,et al.Methods and techniques for surveying and prospecting active faults in urban areas[J].Earth Science Frontiers,2003,10(1):93-104.

[4] 吴建平.城市地震活断层探测的地球物理方法[J].国际地震动态,2001,(8):2-16.Wu J P.Geophysical methods of seismically active fault detection in cities[J].Recent Developments in World Seismology,2001,(8):2-16.

[5] 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):606-608.Fang S M,Zhang X K,Liu B J,et al.Geophysical methods for the exploration of urban active faults[J].Seismology and Geology,2002,24(4):606-608.

[6] 刘万恩.高密度电法探测基岩起伏和隐伏断裂中的应用[J].上海地质,2007,28(3):51-53.Liu W E.The application of exploring bedrock relief and embedded fracture via high-density resistivity method[J].Shanghai Geology,2007,28(3):51-53.

[7] 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.Wu Z Q,Liu Y S,Liu B J,et al.Application of geophysical method to the precise positioning of urban seismic mobile moving fault[J].Progress in Geophysics,2005,20(2):528-533.

[8] 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(S1):109-114.Li Z X,Zeng Z F,Li E Z,et al.The function of geophysical method in active fault detection and discuss of combining methods[J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2005,35(S1):109-114.

[9] 钟慧智,王家林,陈冰.综合物探方法在松辽盆地北部基底结构研究中的应用[J].上海地质,1995,16(4):33-40.Zhong H Z,Wang J L,Chen B.Study on the basement structure of Song-Liao basin by comprehesive geophysical interpretation[J].Shanghai Geology,1995,16(4):33-40.

[10] 杜良,葛宝,朱丽丽,等.综合物探技术在隐伏断层探测中的研究与应用[J].工程勘察,2012,(1):81-85.Du L,Ge B,Zhu L L,et al.The research and application of comprehensive geophysical exploration technique to buried fault detection[J].Geotechnical Investigation &Surveying,2012,(1):81-85.

[11] 徐明才,高景华,刘建勋,等.应用于城市活断层调查的地震方法技术[J].中国地震,2005,21(1):17-23.Xu M C,Gao J H,Liu J X,et al.Application of the seismic method to detecting active faults[J].Earthquake Research in China,2005,21(1):17-23.

[12] 夏训银,左万宝,张进国,等.三维地震在城市活断层探测中的应用[J].勘察科学技术,2010,(1):58-61.Xia X Y,Zuo W B,Zhang J G,et al.Application of threedimensional seismic method in urban active faults detection[J].Site Investigation Science and Technology,2010,(1):58-61.

[13] 雷芬丽,许平.基于小波变换的测井多尺度分层研究[J].上海国土资源,2015,36(1):76-79.Lei F L,Xu P.Demarcation of stratigraphy using multi-scale well logging based on wavelet transform[J].Shanghai Land &Resources,2015,36(1):76-79.

[14] 赵成斌,刘保金,姬继发,等.综合物探方法在地质灾害调查中的应用研究[J].物探与化探,2001,25(6):464-468.Zhao C B,Liu B J,Ji J F,et a1.The application of integrated geophysical techniques to the investigation of geological hazards[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2001,25(6):464-468.

[15] 易兵,曾昭发,李恩泽,等.电法探测城市活断层的应用[J].吉林大学学报(地球科学版),2005,35(S1):115-118.Yi B,Zeng Z F,Li E Z,et a1.The survey and research for active faults in city by electrical prospecting[J].Journal of Jilin University (Earth Science Edition),2005,35(S1):115-118.

[16] 董泽义,汤吉,周志明,等.可控源音频大地电磁法在隐伏活动断裂中的应用[J].地震地质,2010,32(3):442-452.Dong Z Y,Tang J,Zhou Z M,et al.Application of CSAMT to buried active faults investigation[J].Seismology and Geology,2010,32(3):442-452.

[17] 李谛全,底青云,王光杰,等.CSAMT探测断层在北京新区规划中的应用[J].地球物理学进展,2008,23(6):1963-1969.Li D Q,Di Q Y,Wang G J,et al.Fault detection by CSAMT and its application to new district planning in Beijing[J].Progress in Geophysics,2008,23(6):1963-1969.

[18] 夏训银,李毅,王身龙,等.CSAMT在城市隐伏断层探测中的应用[J].物探与化探,2013,37(4):667-669.Xia X Y,Li Y,Wang S L,et al.The application of CSAMT exploration to detecting buried concealed faults[J].Geophysical &Geochemical Exploration,2013,37(4):667-669.

[19] 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.He J S.Controlled Source Audio-frequency Magneto Telluric[M].Changsha:Central South University of Technology Press,1990.

[20] 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.Shi K F.Theory and Application of CSAMT Method[M].Beijing:Science Press,1999.

[21] 朴化荣.电磁测深原理[M].北京:地质出版社,1990.Piao H R.Principle of Electromagnetic Sounding[M].Beijing:Geological Press,1990.

[22] 霍凤斌,李振鹏,徐发,等.地震波场的高阶交错网格有限差分模拟[J].上海国土资源,2014,35(1):97-100.Huo F B,Li Z P,Xu F,et al.High-order staggered-grid finitedifference simulation of the seismic wave field[J].Shanghai Land &Resources,2014,35(1):97-100.

The application of CSAMT exploration to detecting buried faults in city

GUAN Yi-Xiao1,2,LU Jin-Tian1,2,HE Tai-Jian1,2,MEI Rong1,2,LIU Xiao-Yu1,2,ZONG Kai-Hong1,2
(1.Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster,Ministry of Land and Resources of China,Jiangsu Nanjing 210046,China;2.Geological Surνey of Jiangsu Proνince,Jiangsu Nanjing 210046,China)

Abstract:In order to provide basic geological information and geophysical studies for urban construction plans,it is necessary to identify the precise location of faults as well as their occurrence,thickness and the extension each fault.In this work,we used controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT) method for the exploration of buried active faults.The authors arranged four CSAMT profiles in the study area and obtained inversion results and a comprehensive explanation of four profiles.This method can reveal the location,dip,and size of faults in the survey area.The results show that the CSAMT is effective in buried faults detection.This method has become an important geophysical tool in buried fault detection and plays an increasingly important role in the exploration of active faults in urban areas.

Key words:city geology;buried fault;geophysical exploration;controlled source audio-frequency magneto telluric (CSAMT);2D inversion

基金项目:中国地质调查局地质调查项目“长江三角洲重点地区三维地质调查”(1212011220252)

作者简介:关艺晓(1983-),女,硕士,工程师,主要从事地球物理探测分析研究.

修订日期:2015-12-28

收稿日期:2015-11-23

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.021

中图分类号：P631.3+25

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0090-04

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