基于音频大地电磁测深和高密度电法的城市隐伏断裂联合探测

陈 松，庞凯旋，陈长敬，赵信文，曾 敏，李小彬

(1.中国地质调查局 武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 430074)

1 引 言

随着城市的快速发展和市政建设步伐的加快，开展城市地质调查工作，查明未建成区或者建成区的地下空间、灾害评价、资源环境承载力等已经成为新一轮地质调查工作的趋势(张茂省等，2018；李学军，2011)[1,2]。隐伏断裂主要指无地质露头，埋藏在地表之下的断层、破碎带等地质异常体。在天然地震波在传播路径中，断裂带会加大地震波对地表建筑的损伤程度，隐伏断裂的存在会影响到城市工程建设的选址及生产活动过程中的安全问题(黄锦捷等，2018)[3]。因此在城市地质调查中，查明隐伏断裂的相关属性具有重要的生产和研究意义。

高密度电法因其较高的施工效率和勘探分辨率被广泛应用在地质调查中，是地球物理工作者研究活断层的主要方法。高密度电法成果图件清晰美观、反演精度高、可以准确地划定断层的位置与走向(程邈等，2011)[4]。该方法拥有偶极-偶极装置、温纳装置、三级装置、温斯装置等，不同的装置具有不同的分辨率。通过理论模型的正反演研究和应用实例论证，偶极-偶极装置对活动断层的分辨率最高(罗登贵等，2014)[5]，利用温纳和偶极两种装置探测隐伏断裂，探测结果与地震勘探结果非常一致(玄月等，2011)[6]。

音频大地电磁反演成果可以较好地刻画断裂的宽度深度、断盘的结构变化、地层变化，电阻率梯度陡变是判断断裂存在的一个重要标示(张晓永等，2011；高天等，2019)[7,8]。通过正、逆断层对应的地电模型正演模拟计算，生成数据开展一维、二维的反演研究，与实测数据拟断面结果进行对比分析，确定适用于对破碎带倾向进行定性、定量解释的技术手段(苗景春等，2013)[9]。

结合音频大地电磁和高密度电法可以在工程地质调查上确定断层的大致位置：音频大地电磁勘探深度大，但分辨率低；高密度电法分辨率高，但探测深度浅。利用两种方法的优点在查找隐伏断裂上有较强的实用性(易延伦等，2015；周琛杰，2017)[10,11]。

广州处于珠江三角洲隐伏断裂发育地区，因城市地下空间建设需要，高层建筑、地铁、高铁、地下管廊、通信电力等均需要避开可能存在的地质危险地段，因此为查明广州地区的隐伏断裂，该区的城市地质调查工作已经启动。城市周边干扰大，地球物理测线布置困难，对探测效果造成了一定的影响。为取得高质量的原始数据，需要合理选择测区位置避开强干扰，同时在数据采集及后期处理阶段也要选择合理的参数压制干扰。

本文的研究对象位于广州南部，属于新一轮城市地质调查的重点关注地区。针对测区内发育的隐伏断裂，采用分辨率较高的高密度电阻率法和音频大地电磁测深综合探测，在空间纵向上探测深度深浅结合，在横向上分辨率相互补充。通过综合分析反演电阻率空间展布形态，确定了最终的断层位置。研究工作中实测了2段数据，解译的断裂位置与地质推断的断裂比较吻合，同时，通过物探解译结果划分了几处新的隐伏断裂，对后期地质工作及城市开发提供了有意义的基础资料。

2 探测方法工作原理

2.1 高密度电法

高密度电法是一种阵列勘探方法，它是以地下目标体与围岩(土体)电阻率数值差异为基础，研究地下电性结构空间分布特征。现场数据采集时可以根据测线长度，把全部电极一次性布置完成，不用移动主控单元，具有数据采集密度大以及采集速度快的特点(谭大龙等，2011；龚术等，2016)[12,13]。在工作原理上高密度电法与电阻率测深法和电阻率剖面法相同，但高密度电法集合了两种方法的优点，测量的数据点更多，提供的地电信息量更大。

高密度电法有Dip-Dip(偶极-偶极)装置、Wenner(温纳)装置、Schlumb(斯伦贝谢)装置、Pole-Dip(单极-偶极)装置、Pole-Pole(单极-单极)装置。每种装置的信噪比和分辨率均不同：偶极-偶极装置的横向上分辨率最佳，但信噪比最差，在隐伏断裂、岩溶勘查中使用较多；温纳装置的信噪比最高，具有很好的垂向分辨率，但横向分辨率差，在地层分层、有一定背景干扰的环境下使用较多；Schlumb装置的信噪比和分辨率居于Wenner与Dip-Dip之间，一般属于Wenner和Dip-Dip装置的补充采集方案。实际工作中要根据探测目标和背景噪音选择合适的装置测量。

本文选用美国AGI/R8多通道高密度电法仪，偶极-偶极装置测量时最高可以用8个通道同时工作，大大提高了工作效率。

2.2 音频大地电磁法

该方法理论是基于电磁波的传播理论，通过Maxwell方程组，推导得到电场E、磁场H与电阻率ρ的关系式(吴璐苹等，1996；许广春等，2008)[14,15]：

(1)

其中,f为频率(Hz)；Hx为电场强度(mV/km)；Hy为磁场强度(nT)。

式(1)说明通过测量地面上的电场和磁场即可得到卡尼亚视电阻率，进一步反演地下空间真实电阻率即可达到勘探目的。

音频大地电磁勘探深度可以表示为：

(2)

其中，h为探测深度(m)；ρ为电阻率(Ω·m)；f为频率(Hz)。

式(2)说明如果电阻率值不变，电磁波的勘探深度h与其频率f为反比关系，改变电磁波的频率值可以改变勘探深度。

实际测量过程中装置布设如图1所示。

图1 音频大地电磁法装置布设

高密度电法具有较高的数据点密度，且电极间距可在1～10 m间根据探测精度进行变换，适应性强，探测分辨率高。常规高密度电法采用12 V电瓶供电，实际工作中供电电流一般在几百毫安至一千毫安，有效探测深度通常低于100 m。相比之下，音频大地电磁测深弥补了高密度电法探测深度浅的问题。EH4采用高频磁棒，有效探测深度往往能达到500 m，具有较高的分辨率。同时，该方法采用点测方式，实际工作中操作灵活方便，对于高密度电法电缆难以跨越的河流、路障等，EH4可以开展长剖面测量。本文音频大地电磁测深使用Geometrics公司生产的EH4连续电导率成像系统，该系统可以分别采集1频段10 Hz～1 kHz、7频段1～92 kHz以及4频段500 Hz～3 kHz三个频段的数据。本次工作中三个频段的数据均采集使用。

3 研究区地质与地球物理特征

研究区内主要发育有第四系灯笼沙组的耕植土、黏土、砂砾层，基岩发育的主要为白垩纪花岗岩、侏罗纪二长花岗岩。该区发育有多条北西向主断裂(图2)，断裂呈现北东倾向，同时主断裂伴随一定数量的次生断裂发育，次生断裂未在地质层面确定发育，需要地球物理工作进一步查明。

图2 研究区综合测线布置

研究区内表层发育黏土层的电阻率值一般较小，在100～500 Ω·m左右，而下伏岩体多为不同风化程度的花岗岩，电阻率值一般较大，主要集中在1 000 Ω·m以上，新鲜的花岗岩电阻率值更大，可见表层黏土层与下伏基岩或者目标体电阻率数值上差异大。如果研究的目标体为破碎带，在孔隙水的渗透浸染下，破碎带的电阻率一般明显低于周围岩体的电阻率。因此，采用高密度电法及音频大地电磁测深2种方法探测隐伏断裂具有明显的物性基础。

4 数据处理方法

高密度电法数据处理包括前期数据噪声压制、后期正反演参数调试、成果文件输出与制图，其中噪声压制主要针对最小电压、最大重复误差及最小视电阻率值方面不符合预设范围的数据。本文高密度电法数据正演选择有限单元方法，选择狄里克莱边界条件，层厚递增系数为1.1。反演方法采用圆滑模型反演，迭代次数一般控制在5次以内，拟合误差限制在5 %以内，对个别造成总体拟合误差较大的点剔除处理，再反复迭代直至符合满意的结果。

电磁法勘探方法易受到外界电磁场的干扰，数据出现跳点，造成视电阻率曲线形态差。在获得了可信的音频大地电磁原始数据后，需要对数据进行预处理，步骤主要有去噪与静态校正。依据地质构造与地形起伏情况，判断静态效应及其严重程度，进一步对视电阻率曲线形态进行静校正(张振宇等，2012；张军，2015)[16,17]。

EH4采集的原始数据是以*.Z、*.PAR等文件格式存储，数据处理过程主要包括4个阶段：

1)利用EH4自带程序或软件(IMAGEM或EMAGEM-2D)输出数据，保存为TM或TE模式(ρxy或ρyx电阻率及对应的相位格式)。

2)SCS2D软件数据格式准备。SCS2D数据处理前，需要准备3个文件，分别为*.STN(点位信息文件)、*.MDE(状态信息文件)、*.AVG(数据文件)。各个文件的数据格式要严格执行。

3)利用SCS2D软件进行数据反演前，可以利用ASTATIC软件模块进行数据查看、编辑、静态校正等处理(图3)，编辑后需重新保存数据，准备好数据后再利用SCS2D软件进行数据反演。

图3 ASTATIC软件预处理

4)数据反演处理

①打开AVG文件，建立模型，根据工作需求选择是否用静态校正；②定义模式(如Ex/Ey模式)；③若MDE文件信息确定无误，点距和收发距的参数无需修改，选择需要处理的数据，可以是TM或TE，也可以是TM和TE两种模式联合处理，本文采用TM、TE联合反演模式；④建立正演模型，输入第一层的厚度，一般取最小值，赋予层厚的递增系数，默认是1.08，层深设置可以根据实际深度设置，一般取到31；⑤反演控制参数调节，如模型的圆滑度、反演次数、使用的数据模式等；⑥反演完成后，软件自动保存为*.MTM和*.MTD文件，用MODSECT程序打开*.MTM文件，输出为GRID格式，最后用Surfer软件编辑图件。

5 研究区应用效果分析

从图2可知，研究区发育有多条北西向隐伏断裂，均穿越城市活动密集区，对市政建设造成了较大的影响。为了查明隐伏断裂的发育位置和大致走向，本文布置了2处综合测线(图2中1线综合测线和3线综合测线)，测向方向与断裂走向基本垂直。为了提高探测精度和对比性，高密度电法测量时同时采用斯贝装置和偶极-偶极装置对比分析，采集参数选择10 m电极间距，供电时间为1.2 s，重复观测2次。音频大地电磁测深采集参数选择25 m点距，采集3个频段数据。

研究区1线高密度电法测线总长1 470 m，分别采用了斯贝装置和偶极装置进行测量，反演拟断面如图4所示。通过分析反演结果，斯贝和偶极装置的反演数据拟合误差均较小，斯贝装置电阻率分布整体较为连续，横向上无突变的电性区域，纵向上分层明显，低阻的覆盖层电阻率值在200 Ω·m以内，下伏的岩体电阻率在1 000 Ω·m以上，岩性推断为花岗岩；分析1线偶极装置反演成果，横向450～500 m、650～700 m之间存在2处明显的电性突变区域，低阻区域的电阻率值在500～800 Ω·m间，围岩电阻率值较高，均在1 500 Ω·m以上，是低阻区电阻率值的3倍，可推断为1线处下伏发育隐伏断裂，断裂区域电阻率值相对较高，初步分析此处断裂赋水性一般。

图4 1线高密度电法斯贝装置和偶极装置反演断面

音频大地电磁测深测线布置与高密度电法重合。反演断面(图5)显示高电阻率和低电阻率均有出现，低电阻区域主要分布在浅部区域，高电阻主要分布在100 m以下的区域。结合地质资料分析，推测浅部的低阻区域主要为第四系覆盖层及强风化岩层，而深部的高电阻区域为花岗岩分布区，花岗岩顶界面略有起伏。在测线200～700 m、1 000 m段，下伏花岗岩区存在多个明显的低阻异常带，推测为断裂构造引起的破碎带，分别编号为断裂F1、F2、F3、F4(图5)，其中推测F2、F3的断裂位置与高密度电法偶极-偶极装置推断的断裂(图4)吻合度较高。从地质解译图上判断，F2、F3属于次生断裂，其中F2断裂属性为已知断裂空间上的延伸，而在地质图上没有标注，本次工作重新标定了该处异常的空间走向。F3断裂为新划定的异常带，F2、F3的空间走向均在图2中做了标注说明，断裂的整体走向呈现北西向展布，通过电阻率值分析，两处断裂的基岩裂隙水赋水性均一般。

图5 1线音频大地电磁测深反演断面

3线高密度电法测线总长650 m，分别采用了斯伦贝谢装置和偶极装置测量，反演成果如图6所示。通过分析，2段反演数据拟合误差均较小，斯贝装置电阻率分布整体较为连续，横向上无突变的电性区域，纵向上分层明显，低阻的覆盖层电阻率值在400 Ω·m以内，下伏的岩体电阻率在1 000 Ω·m以上，岩性推断为花岗岩；分析3线偶极装置反演成果，横向300～350 m之间存在1处明显的电性分界区域，低阻区域的电阻率值在900～1 000 Ω·m间，低阻周围的电阻率值较高，在1 500 Ω·m以上，推断为3线处下伏发育的隐伏断裂，断裂走向判断为北西向。

图6 3线高密度电法斯贝装置和偶极装置反演断面

音频大地电磁测深3号线长600 m。从反演断面图(图7)上分析结果与1号线类似，高电阻率和低电阻率区域均有出现，但是高电阻区域在深部150 m以下范围，低电阻在浅部深部均有存在。尤其在测线300～600 m段，除表层区域以外，低阻区存在于地下深度300～550 m范围内，结合地质资料分析，推测该区域为夹在花岗岩层中的砂岩层。在测线的325 m、575 m段，存在2处明显的条带状低阻异常区，推测该位置由断裂破碎带引起，断裂带编号为F5、F6。

图7 3线音频大地电磁测深反演断面

对比3线的高密度电法和音频大地电磁测深解译结果，在测线325 m处均出现电阻率突变区域，充分说明该处存在F5断裂发育，断裂整体呈现北西向。F6断裂在音频大地电磁解译结果上有较为明显的显示，而高密度电法未能较好的区分，分析原因为隐伏断裂埋深较深，未出露于第四系，加之高密度电法探测深度限制。根据地质解译图，该处异常带主要以音频大地电磁结果为准。

本次研究工作主要确定了4条断裂编号分别为F2、F3、F5、F6的发育位置。断裂的整体走向均为北西向，断裂在空间展布上较为连续，且推断的F5、F6断裂位置与地质图上标注的红色实线断裂线位置吻合较好。通过判断断裂的空间位置与延伸方向，对该区域的地下空间建设与地面城市基础建设均提供有较高应用价值的地质资料。

6 结 论

本文联合使用高密度电法和音频大地电磁法对研究区主要发育及次生存在的隐伏断裂进行了探测分析，总结以下结论：

1)确定了多条断裂(F2、F3、F5、F6)位置及空间展布形态，推断断裂F5、F6与已知主断裂位置吻合度较高，划定的F2次生断裂走向与已知断裂的空间延伸方向也较一致。

2)高密度电法的装置类型选择较多，针对不同的探测目标，需要灵活选取合理的装置类型。本文主要对比了斯伦贝谢装置和偶极装置的勘探效果，结果表明偶极装置具有较高的横向分辨率，圈定隐伏断裂效果更明显。

3)高密度电法和音频大地电磁测深的探测深度、分辨率可以互相补充，高密度电法在0～100 m深度范围内有较高的勘探精度，音频大地电磁在100～500 m范围内具有较好的应用效果。

4)在城市地质调查中将高密度电法和音频大地电磁法结合使用，能够满足隐伏断裂探测的需求，有较高的推广应用价值。