综合物探方法在广西罗城县活动断裂鉴定中的应用

吴教兵，黎峻良，江兰，陆俊宏，潘黎黎，韦王秋

( 1.广西壮族自治区地震局，广西 南宁 530022；2.深圳市龙岗地质勘查局，广东 深圳 518100；3.广东省珠海工程勘察院，广东 珠海 519002)

0 引言

罗城地处桂北九万大山中心南麓，流经罗城的主要水系有武阳江、东小江等，通过罗城县的断裂主要为罗城断裂和上天桥—寺门断裂。由于罗城在广西地理位置上较偏僻，相关的调查研究工作程度较差，也未见相关人员对这两条断裂进行研究评价，因此，这两条断裂的空间展布和年代学特征尚未确定，无法分析其活动性和地震效应。

活动断裂是诱发地震的主要原因，12万年以来活动过的断裂定为活动断裂[1]，所以，城市工程建设应避让活动断裂，然而不同的研究学者，对避让的距离有不同的研究，避让距离有15 m[2]，避让距离有40m[3]，避让距离有200m[4]；非全新活动断裂可不采取避让措施[5]等，说明不管避让距离多少，确定断裂活不活动才是最重要。在区域上，一般采用遥感解译断裂的活动性[6-7]。在覆盖层较厚地区，采用多次覆盖地震反射波法确定断裂活动性[8-13]；也有采用探地雷达来确定断裂活动性[14]；也有采用电法和浅层地震，并结合排钻来确定断裂活动性[15-17]；覆盖层较薄的隐伏地段，在隐伏断裂处进行探槽开挖，通过探槽的揭露情况来确定断裂活动性[18]。

所以，本文采用地震地质调查来确认罗城断裂和上天桥—寺门断裂空间展布，在隐伏地段采用高密度电法和地震映像来精确定位断裂带的位置，通过打排钻的岩心揭露来确定其断裂带的位置和最新活动时代。

1 地震地质调查

罗城县地处溶蚀地貌，据地震地质调查，在溶蚀洼地、平原地区存在较厚亚黏土、黏质砂土层，厚度3～10 m不等，局部河流阶地处存在砾石层或砂砾层；溶蚀低丘或边坡存在较薄的冲积砾层及残坡积层，厚度1～3 m不等。下伏基岩主要有三叠系的薄层状灰岩，二叠系的灰岩，石炭系的灰岩、白云岩，泥盆系的灰岩、白云岩，震旦系的泥质砂岩、页岩，板溪群的板岩、千枚岩等(图1)。

此次采用定点观测法、横切剖面法以及局部追索法对罗城断裂和上天桥—寺门断裂进行地震地质调查，研究这两条断裂的平面展布形态、产状、内部结构构造特征、活动期次，确定其几何分布特征、运动性质，以及断裂经过地区的具体位置。

1.1 罗城断裂地质地貌调查研究

据地质地震调查结果，罗城断裂总体走向NE，从SW到NE依次经过下明泰、思爱村、南平屯、四把镇、新印村、罗城、地州至门豆，全长约31 km。

罗城断裂断面倾向NW，断面倾角约55°～70°，破碎带宽度在10～15 m，局部露头可达20 m。断裂经历多期次活动：早期破碎带主要为角砾岩，角砾呈次棱角状到次圆状，方解石铁质胶结，已经固结成岩，局部还可见残留的少许擦痕和阶步，表面铁质胶结；晚期破碎带发育于早期破碎带的中部，宽约3～5 m，多以密集节理为主，多组节理切割破碎基岩，较松散或未胶结，局部可见新鲜方解石胶结角砾岩，露头多见水平擦痕和阶步，表面方解石胶结，指示右旋走滑运动特征。局部露头可见高角度摩擦镜面，该镜面发育于早期断面上，指示张性正断的作用。综合推断该断裂早期为挤压逆冲特征，中期表现为走滑特征，晚期最新活动具有右旋走滑兼正断的特征(图2)。

1—第四系；2—三叠系；3—二叠系；4—石炭系；5—泥盆系；6—震旦系；7—板溪群；8—岩浆岩；9—地震；10—断裂带；11—隐伏断裂带；12—物探测线；13—地质调查点；14—排钻1—Quaternary system;2—Triassic system;3—Permian system;4—Carboniferous system;5—Devonian system;6—Sinian system;7—Banxi group;8—Magmatic rock;9—earthquake;10—fault zone;11—concealed fault zone;12—geophysical survey line;13—geological survey point;14—drilling row图1 罗城县地震构造分布Fig.1 Distribution map of seismic structure in Luocheng County

1.2 上天桥—寺门断裂地质地貌调查研究

据地质调查结果，上天桥—寺门断裂自上天桥、勇山、罗城、良勇至寺门，全长约40 km。断裂可分为南北两段，在罗城县附近被NEE向的罗城断裂右旋错移约2 km。

上天桥—寺门断裂南段断面倾向NW，断面倾角约65°～75°，破碎带宽度范围在10～20 m。其中后期张性破碎带一般宽1～2 m，早期破碎带一般分布在破碎带两侧，主要为压性碎裂岩带，劈理、透镜体、次级节理等发育，有的断面上有擦痕阶步发育，显示压性左旋运动特性；晚期破碎带一般分布在破碎带中部，内部主要发育张性角砾岩，胶结较为松散，主要表现为正断性质(图3)。

1—构造破碎带；2—灰岩；3—断裂带1—tectonic fracture zone;2—limestone;3—fault zone图2 罗城断裂野外露头(a)、构造剖面图(b)和发育NW向水平擦痕和阶步(c)Fig.2 Field outcrop of Luocheng fault(a)，structural section(b) and development of NW horizontal scratches and steps(c)

上天桥—寺门断裂北段断面倾向NW，破碎带宽度范围在10～20 m。早期主要表现为张性正断运动特性，晚期断面切割早期破碎带或者沿早期断面发育并改造早期擦痕阶步等运动学标志，晚期活动影响范围多在3～5 m，沿晚期断面附近发育，一般表现为角砾岩或者碎裂岩，根据擦痕阶步等运动学标志判断晚期以右旋走滑活动为主(图4)。

1—残积黏土；2—灰岩；3—角砾岩；4—断裂带1—residual clay;2—limestone;3—breccia;4—fracture zone图3 上天桥—寺门断裂南段野外露头(a)、构造剖面图(b)和构造角砾岩(c)Fig.3 Field outcrop in the south section of Shangtianqiao—Simen fault(a)，structural section(b) and structural breccia(c)

2 物探方法与成果解释

为了查明罗城断裂和上天桥—寺门断裂的活动性，基于地震地质调查，对断裂经过的重点研究隐伏区域采用高密度电法、地震映像综合方法进行探测，查明断裂在隐伏区的具体位置。本次物探布设了5条测线，罗城断裂上布设A-A′和C-C′测线，天桥—寺门断裂上布设B-B′、D-D′和E-E′测线(图1)。

2.1 物探方法

高密度电法是以岩土层介质导电性差异变化为基础的勘探方法，本次高密度电法使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9型分布式电法仪，采用AMN和MNB综合联剖装置[19]，直流供电270～360 V，无穷远极垂直于测线距离300～500 m，无锈钢电极垂直锤入地下20 cm，确保与地下较好耦合，并浇盐水来减少接地电阻。根据场地展布情况，A-A′、B-B′和D-D′测线采用点距5 m，C-C′和E-E′测线采用点距10 m。高密度电法中断裂带推断依据：断裂带在水或黏土充填下表现为比较明显的低阻异常，在视电阻率断面等值线图上表现为相对低阻区；在联合剖面曲线上表现为低阻正交点。

地震映像以地下不均匀介质地震波传播速度差异变化为基础的勘探方法，本次地震映像使用北京水电物探研究所生产的SWS-6型浅层地震勘探仪，采用大锤人工震源，点距1 m，采样时间512 ms，检波器4 Hz和28 Hz，最佳偏移距14 m；开展地震映像前，先进行干扰波调查[20-21](图5)，道间距2 m，偏移距0 m，12道4 Hz检波器。本次地震映像勘探是在确定高密度电法异常上进行。地震映像中断裂带推断依据：在地震映像剖面图上，具有低速特征的断裂带常表现为地震波同相轴错位、中断和明显的地震波同相轴下凹，以及具有绕射特征的断裂带表现为地震波同相轴形成绕射弧。

图5 干扰波调查Fig.5 Survey map of interference wave

2.2 物探成果解释

对高密度电法数据进行了格式转换，绘制了不同极距联合剖面曲线图；综合三极装置数据绘制了视电阻率断面等值线图。对地震映像资料进行了废道删除、增益调整和滤波处理，并绘制出了各测线的地震映像剖面图，地震映像记录点为每一道的激发点和接收点的中点。

1)A-A′测线(图6)。在极距AO为22.5 m曲线图上看，在125 m和230 m位置上存在低阻正交点；在极距AO为52.5 m曲线图上可看，在235 m位置上存在明显的低阻正交点，然而125 m位置上曲线分离。从视电阻率等值线图上看，对应120～140 m为低阻带，且240～260 m也为低阻带。从地震映像波形图上看，对应130 m位置地震波能量减弱和同相轴上升，且地震波同相轴数不一致；对应235 m处地震波同相轴较一致，判定235 m的低阻正交点为地表低阻物的干扰。综合推断120～140 m可能为断裂带的位置。

2)B-B′测线(图7)。在极距AO为22.5 m和极距AO为52.5 m曲线图上可以看到没有明显的低阻正交点。从视电阻率等值线图上看，在100 m和150 m为高低阻分界线。从地震映像波形图上看，对应100 m位置地震波同相轴发生错断和下滑现象。综合推断100 m可能为断裂带的位置。

3)C-C′测线(图8)。在极距AO=35 m曲线图上可以看到在140 m和345 m位置上存在较明显的低阻正交点；在极距AO=85 m曲线图，320 m位置上存在较明显的低阻正交点。从视电阻率等值线图上看，对应140 m处为浅部低阻带，320 m为高低阻分界线。从地震映像波形图上看，对应140 m位置地震波同相轴较一致，对应320 m发生地震波同相轴错断和上升现象。综合推断320 m可能为断裂带的位置。

4)D-D′测线(图9)。在极距AO为22.5 m曲线图上可以看到在100 m位置上存在明显的低阻正交点；在极距AO为 52.5 m曲线图100 m处也见明显的低阻正交点。从视电阻率等值线图上看，对应100 m处为低阻带。从地震映像波形图上看，对应100 m位置地震波同相轴数明显不一致，且发生地震波同相轴错断现象。综合推断100 m可能为断裂带的位置。

5) E-E′测线(图10)。在极距AO为35 m曲线图上看，在220、300和430 m位置上存在较明显的低阻正交点；在极距AO为85 m曲线图上看，未存在明显的低阻正交点。从视电阻率等值线图上看，对应220 m处为明显的低阻带，且220 m处为高低阻分界线，对应300 m处为浅部低阻带，对应430 m处为高低阻分界线。从地震映像波形图上看，对应200 m位置地震波同相轴数明显不一致，且能量增强，发生错断现象。综合推断200 m可能为断裂带的位置。

a—极距AO=22.5m的联合剖面曲线;b—极距AO=52.5m的联合剖面曲线;c—视电阻率等值线;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms图6 A-A′测线物探成果Fig.6 Geophysical prospecting results of line A-A′

a—极距AO=22.5m的联合剖面曲线;b—极距AO=52.5m的联合剖面曲线;c—视电阻率等值线;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms图7 B-B′测线物探成果Fig.7 Geophysical prospecting results of line B-B′

a—极距AO=35m的联合剖面曲线;b—极距AO=85m的联合剖面曲线;c—视电阻率等值线;d—地震映像波形a—polar distance AO=35m multiple section;b—polar distance AO=85m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms图8 C-C′测线物探成果Fig.8 Geophysical prospecting results of line C-C′

3 钻探

为了确定罗城断裂和上天桥—寺门断裂的最新活动时代，分别在A-A′测线、C-C′测线、D-D′测线和E-E′测线等4处物探异常进行了钻探验证，钻探采用排钻方式，每处打5个钻孔，且在同一直线上，并垂直于断裂带走向方向，且相邻钻孔间距2～5 m。B-B′测线物探异常处有光缆通过，而无法钻探。

据各处钻探揭露(图11)，第四系覆盖土层完整，未见被错断现象；灰岩或白云岩岩心较破碎，揭露有断裂面、断裂擦痕、构造角砾岩、构造碎裂岩和断层泥等，部分岩心为铁质物或方解脉胶结充填，发育有剪节理(图12)。从而判定，断裂带多期发育，最新活动时代为早更新世，晚更新世以来不活动。

a—极距AO=22.5m的联合剖面曲线;b—极距AO=52.5m的联合剖面曲线;c—视电阻率等值线;d—地震映像波形a—polar distance AO=22.5m multiple section;b—polar distance AO=52.5m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms图9 D-D′测线物探成果Fig.9 Geophysical prospecting results of line D-D′

a—极距AO=35m的联合剖面曲线;b—极距AO=85m的联合剖面曲线;c—视电阻率等值线;d—地震映像波形a—polar distance AO=35m multiple section;b—polar distance AO=85m multiple section;c—apparent resistivity contour map;d—seismic image waveforms图10 E-E′测线物探成果Fig.10 Geophysical prospecting results of line E-E′

a—A-A′测线；b—C-C′测线；c—D-D′测线；d—E-E′测线；1—耕植土；2—黏土；3—粉质黏土；4—粉土；5—含砾黏土；6—白云岩；7—灰岩；8—水充填的溶洞；9—黏土充填的溶洞；10—构造碎裂岩；11—构造角砾岩；12—断裂；13—钻孔a—A-A′ line；b—C-C′ line；c—D-D′ line；d—E-E′ line；1—arable soil;2—clay;3—silty clay;4—silt;5—gravelly clay;6—dolomite;7—limestone;8—water filled karst cave;9—clay filled karst cave;10—structural cataclastic rock;11—structural breccia;12—fracture;13—drilling hole图11 各测线钻探剖面Fig.11 Drilling profile for each line

a—A-A′测线钻探揭露断裂面和构造碎裂岩；b—C-C′测线钻探揭露断裂擦痕面和构造角砾岩；c—D-D′测线钻探揭露断裂面和断层泥；d—E-E′测线钻探揭露断裂面和构造裂隙a—A-A′ line drilling exposes fracture surface and structural cataclastic rock；b—C-C′ line drilling exposes fracture scratch surface and structural breccia；c—D-D′ line drilling exposes fracture surface and fault gouge；d—E-E′ line drilling exposes fracture surface and structural fracture图12 各测线的钻探岩心Fig.12 Drilling core for each line

4 结论

1)通过地震地质调查，罗城断裂总体走向NE，全长约31 km，断面倾向NW，断面倾角约55°～70°，早期为挤压逆冲特征，中期表现为走滑，晚期最新活动具有右旋走滑兼正断的特征。

2)通过地震地质调查，上天桥—寺门断裂全长约40 km，分为南北两段。南段断面倾向NW，断面倾角约65°～75°，早期显示压性左旋运动特性；晚期主要表现为正断性质。北段断面倾向NW，早期主要表现为张性正断运动特性，晚期以右旋走滑活动为主。

3)采用高密度电法与地震映像综合方法，探明了罗城断裂和上天桥—寺门断裂在第四系覆盖层地区的具体位置，钻探采用排钻方式，揭露了断裂面、断裂擦痕、构造角砾岩、构造碎裂岩和断层泥等，且第四系覆盖土层完整，未见被错断现象。

4)钻探结果显示罗城断裂和上天桥—寺门断裂对上覆土层及阶地无错移，经区域第四系地层时代对比，上覆土层和阶地时代为晚更新世，推断罗城断裂和上天桥—寺门断裂最新活动时代为早更新世，晚更新世以来不活动。

5)确定罗城断裂和上天桥—寺门断裂晚更新世以来不活动，罗城县的城市建设可不采取避让措施。