综合物探法在城市断层调查中的应用

王冁囡

（广东省有色金属地质局九三五队）

城市地质调查是城市规划发展的重要基础调查工作，而断层探测尤为重要。断层是地壳中的一种构造性断裂，是地震活动的主要表现形式之一，也是诱发城市地质灾害的重要因素，通过对城市断层的探测和研究，可以有效提高城市的防灾减灾能力，保障城市的安全稳定发展。城市断层探测的方法主要包括地质勘探［1-2］、遥感技术［3］、地球物理勘探［4-8］等。其中，地质勘探是最为常用的调查方法，其通过地表地质测绘及地表岩石、土壤、地下水等化学分析，可以初步判断出可能存在的断层位置和性质。遥感技术则是利用卫星、航空等高空平台获取的影像数据，通过图像处理和解译，可以发现地表上一些与断层相关的特征，如线状构造、地貌变化等，该方法无法获得地下隐伏断层的信息，适用于初期大面积区域构造普查工作。地球物理勘探则是通过测量与分析地下电场、磁场、电磁场、重力场、地震波场等地球物理场规律，间接推测地下构造和岩性变化，进而确定断层位置和规模的无损探测方法。该方法探测效率高，可获得物探测线范围内地下介质电阻率、波速、密度、磁场强度的剖面成果，结合地质资料与钻探成果，可最大程度兼顾城市地下断层调查的精度与成本。本文将微动面波法、高密度电法与可控音频大地电磁法用于惠州市区主要基底断裂探测，分析了断层的异常规律，物探成果与地质资料较吻合，研究成果为惠州市国土空间规划、重大工程规划建设与城市管理等提供基础性信息服务。

1 惠州断裂地质背景及空间分布形态

惠州市处于莲花山脉西南麓，为粤东平行岭谷的西南段，地貌类型复杂。大部份地区属中低山丘陵地貌，群山环抱，大多数山脉为北东走向，山脉走向与主要构造线走向相一致。本专项工作范围主要包括惠州断裂调查区，惠州断裂切穿的地层从老到新主要有泥盆系老虎头组（D2-3l）石英砂岩，夹粉砂岩、泥岩、三叠系小坪组（T3x）滨海沼泽相含煤碎屑岩，夹砂岩泥岩，侏罗系金鸡组（J1j）粉砂岩夹石英砂岩，古近系丹霞组（K2E1d）砂质、泥质、钙质胶结砾岩及砂砾岩，第四系地层（Qp）主要为河流冲（淤）积层粉砂、细砂、粗砂、砾石、黏土等。调查区南东侧三栋镇附近与中部惠城区龙丰街道附近有较大面积花岗斑岩出露，呈岩株状产出，中粒花岗结构，岩体与侏罗系金鸡组地层呈侵入接触，并使围岩具有接触变质现象，与古近系丹霞组地层呈断层接触。

出露于调查区中部惠城区龙丰街道附近的半径洞岩体（γδJ3）呈岩株状产出，面积约16.6 km2，岩性为晚侏罗世花岗闪长岩，岩石呈灰白色，细中粒花岗结构，块状构造。岩石主要由钾长石（含量约17%）、斜长石（含量约43%）、石英（含量约30%）、黑云母（含量约5%）、角闪石（含量约5%）。岩体与侏罗系金鸡组（J1j）地层呈侵入接触。该区的断裂构造主要有惠州断裂，出露于调查区洪田坝—下马庄一带，断裂总体出露长19.70 km，宽10～60 m，最宽达100 m 以上，沿走向呈舒缓波状，总体走向135°～150°，倾向45°～60°，倾角65°～75°，为张性断裂。破碎带分为断层角砾岩带、片理化带和构造透镜体带。断裂控制并切错白垩纪侵入岩体，造成侏罗系金鸡组（J1j）与古近系丹霞组（K2E1d）呈断层接触。

据已有资料分析，断裂主要活动在燕山晚期—喜山期，活动规律以张性、压扭性、张扭性交替进行，在早白垩世为顺钟向张、张扭性活动，形成断陷盆地，盆地沉积丹霞组红色磨拉石建造。惠州断裂控制的惠州断陷盆地中沉积的丹霞组地层中普遍发育北西、北东及东西向3 组正断层，组合成地垒或叠瓦状构造形式，并伴随出现宽展型牵引褶皱。惠州断裂带中的红色断层角砾岩又被后期产生的片理切割，并挤压破碎呈松散状，少数角砾又经圆化。据不同剖面、不同结构面上采取的热释光测年结果，证实断裂在晚更新世就有3 次以上不同力学性质活动。由西往东逐级形成（海拔140～200 m，50～60 m，35～45 m，15～20 m）4 级夷平面。每级夷平面均为1 条北西向断裂分隔，其中马房岭断裂西盘上升，造成Ⅱ级夷平面，其上的河流Ⅱ级阶地作为基座阶地出露地表并遭到剥蚀，厚度变薄，东盘下降造成Ⅰ级夷平面，该处的河流Ⅱ级阶地则成为埋藏阶地。说明惠州市片区金山新城附近东部在挽近时期仍在继续沉降，接受沉积，而且沉积中心有由西往东迁移的趋势。

惠州断裂主要出露于惠州市惠城区，从惠城区南部三栋镇开始，呈北西方向延伸，北至东江北侧白石村附近，隐伏于第四系之下（由物探工作探测及钻探揭露验证），通过卫星遥感反应为北西向线性构造，其两侧地形地貌完全不同。惠州断裂总体出露长19.70 km，宽10～71.27 m，最宽达100 m 以上，走向315°～330°，倾向45°～60°，倾角40°～75°。但在其南段，其地表较窄，至江北白石村裂切穿北东向潼湖断裂，在冷水坑村附近切穿北东向樟木头断裂并南延，至南麓院附近有另一分支断裂，其为1条切割第四系断层，为新构造运动的产物。惠州断裂具有明显的分带性，主要有断层角砾岩带、片理化带、构造透镜体及碎裂岩化带。力学性质具张性、压扭性、张扭性多期次交替转换特征。

2 调查区物探工作方法的确定

本次工作主要在惠城区中心城区开展，工作任务是查明惠州断裂是否由东江南岸往北西延伸穿过东江北岸，及惠州断裂的产出位置、产状和深部延伸情况。

调查区的沉积岩中泥岩、砂岩、砾岩及变质岩中的板岩电阻率值范畴均在101～103 Ω·m；而岩浆岩中花岗岩、正长岩、闪长岩及变质岩中的石英岩电阻率值范畴均在102～105 Ω·m。地层岩性之间、侵入岩、变质岩及构造带，均有不同的电性差异，为区内开展可控源音频大地电磁测量和高密度电法测量工作提供了地球物理条件。

调查区上部覆盖层主要为第四系松散层，基岩与覆盖层之间波速及密度差异明显，二者之间存在明显的波阻抗差异，故基岩顶面为良好的地震波反射界面，若断裂、破碎、软弱层等在地震时间剖面图上将出现反射波组同相轴的错动、不连续或能量减弱、绕射波出现等异常特征，调查区的第四系、强风化岩层和中风化岩层之间存在明显的横波波速差异，不同岩层之间的波速差异为开展微动探测法工作提供了地球物理条件。

根据惠州断裂的特征，其在惠城区中心城区总体呈北西走向，因此物探工作的方向以北东方向为主，局部因其他受影响因素变为近东西向，但总体呈大角度相交，具体为微动面波法测线北东方向布置，高密度电法测线北东向偏东布置，可控音频大地电磁法测线近东西向布置（图1）。

3 典型物探测线布置及成果分析解释

3.1 微动面波法测线ZW5

在调查区北西侧东江北岸丰文凹水闸附近布设微动探测线ZW5，测线整体方位约35°，台间距为2.5 m，线长为245 m。测线沿线为第四系覆盖区，地表无断裂出露。图2 为微动测线ZW5 视横波速度剖面成果，可以看出，横波速度剖面在点号1 060～1 110、1 160～1 240 及1 390～1 450 区域共出现4 处速度等值线向下凹陷的相对低速区域，编号W5-1、W5-2、W5-3和W5-4。其中，W5-2 和W5-3 异常分别位于点号1 170 和1 230 处，2 处异常视速度大体介于300～900 m/s，标高介于-107～-7 m，2 处异常之间的低速带推测为岩石局部破碎区，破碎区埋深约30 m，整体倾向东，视倾角约70°，推测破碎带延伸深度约150 m。

根据面波分析成果在点号1 240 位置附近布置钻孔ZK02-2，钻孔终孔孔深185 m，于孔深94～176.3 m 揭露到了惠州断裂，视厚度82.30 m，真厚度约71.3 m，断裂具有明显分带性，主要由构造角砾岩带和碎裂岩带交替组成，多见构造角砾呈定向排列，局部劈理化发育，中轴角为30°～50°。断层上盘、下盘地层均为泥盆系老虎头组（D2l），岩性主要为砂岩、粉砂岩等。

3.2 高密度电法测线GD4

在调查区北西侧东江南岸江南大道附近布设了高密度电法测线GD4，测线方向约14°，点距10 m，测线长750 m。该测线沿线为第四系覆盖区，地表无断裂出露。图3为高密度电法测线GD4剖面成果，可以看出，电阻率剖面共出现2 处低阻异常区，前者位于点号50～150、高程-20～10 m 区域，后者位于点号300～450、高程-40～0 m 区域，因惠州断裂倾向东侧，第二处低阻异常区左侧为相对高阻区域，推测高低阻区之间等值线密集区域为断层的电性反映，编号F4，倾向东，倾角约40°，推测延伸深度约80 m。

根据高密度电法成果在点号390 位置附近布置钻孔ZK03-1，终孔孔深120.70 m，于孔深34.80～68.20 m 处揭露惠州断裂，视厚度33.40 m，断层主要由断层泥和构造角砾经后期泥质、铁质胶结而成，局部绿泥石化。下伏断层面轴夹角65°，断层上部为第四系，下盘为泥盆系天子岭组灰岩。

3.3 可控音频大地电磁法测线L3

为了查明惠州断裂在调查区中—北部上梅湖村附近第四系覆盖区的产出位置、产状和深部延伸情况，布设了可控源音频大地电磁测深（CSAMT）L3线，测线方位角为90°，测线长900 m。图4 为可控音频大地电磁法测线L3 电阻率剖面成果，可以看出，730 m 以及810～1 010 m 区域存在2 处电阻率等值线向大深度延伸的条带状低阻异常区，视电阻率为20 ～500 Ω·m，走向呈北西向，编号为V3-1、V3-2。其中V3-2 异常呈线状并向深部南东向延伸，异常宽度为30～90 m，倾向东，倾角44°～76°，推测延伸深度大于300 m，结合地质资料成果，推断V3-2 异常为惠州断裂的反映。

此外，结合地质资料成果，测线0～700 m 区段地表出露天子岭组灰岩，天子岭灰岩整体南倾，倾角为20°～45°，厚度为140 m。以地质背景为依据，推测天子岭组的深度为在-200～-300 m；结合地形特征及电阻率特征来看，推测点380～400 m、500～560 m 的低阻带为溶蚀凹槽，地表与测线两侧沟谷形态对应；在深度-100～-200 m 间的低阻段为岩溶强发育带。地质资料显示，天子岭组下为整合接触的春湾组，春湾组产状与天子岭组产状基本一致，前期岩石物性实验表明春湾组电阻率显示高阻特征，而丹霞组砂岩及砂砾岩电阻率相对偏低，推测高程-200 m 以下高阻区为春湾组，垂向视厚度为450～500 m，春湾组东侧低阻区推测为厚度较大的丹霞组地层。

4 结论与建议

微动面波法、高密度电法及可控源音频大地电磁法均是调查城市地下断层分布可靠的物探手段，微动面波法与可控源音频大地电磁法作为单点测深方法对测区场地开阔性要求较低，选择由高至低的工作频率，前者能反映测点位置地下百余米岩土体的速度分布，后者可体现数百米甚至千米范围内介质的电性分布规律，向深部延伸的低速带、低阻带是断层物探异常的反映；高密度电法在测线长度满足勘探深度要求的前提下，能很好地体现断层产生的低阻异常特征，但受体积效应影响，异常横向规模常大于实际断层宽度；综合考虑区域断裂的埋深与宽度，结合测区现场地形条件，合理布设本中所述的3 种物探手段，对区域断裂勘探精度与效率的提高有促进作用。