白龍江流域隱伏活斷層的綜合地球物理勘探

謝興隆,王高峰,李秋辰,牛 雪,葉振南,馬雪梅

(中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051)

0 引言

白龍江流域是我國四大地質(zhì)災害高發(fā)區(qū)之一,自20世紀80年代以來,由于本區(qū)構(gòu)造分布獨特且活動頻繁,斷裂十分發(fā)育,眾多學者對白龍江流域的構(gòu)造運動及影響進行了大量研究。Scheidegger[1]等認為白龍江流域武都地區(qū)滑坡與泥石流的分布與新構(gòu)造應力場相關(guān);孟新民等[2]指出區(qū)域性深大斷裂及其部分段落和正在活動著的密集發(fā)育的次級斷裂,是滑坡泥石流分布格局的控制因素;李淑貞等[3]利用ArcGIS緩沖區(qū)分析發(fā)現(xiàn)在斷裂2.5 km范圍內(nèi)滑坡數(shù)量占滑坡總數(shù)的70.6%;總之,大量研究表明斷裂構(gòu)造活動在白龍江流域滑坡泥石流形成過程中起著重要的作用[4-7],目前白龍江流域新構(gòu)造活動強烈[8-10],為滑坡泥石流活躍期。

雖然針對白龍江流域的斷裂活動性及其影響已有較多研究,但大多數(shù)是基于區(qū)域性斷裂帶的統(tǒng)計性研究,其中很多斷層性質(zhì)并不明確,尤其那些是沒有露頭遙感難以解譯的隱伏活斷層。地球物理方法在隱伏斷層探測中具有不可替代的作用,尤其是地震反射法在斷層定位及性質(zhì)的判定上具有較高精度,有效解決了一些復雜斷裂帶的地學問題[11-13],但單一的物探方法存在著多解性問題,開展綜合物探方法研究已經(jīng)成為隱伏活斷層勘查的主攻方向,目前已有不少成功案例[14-16]。

近年來,筆者依托多個中國地質(zhì)調(diào)查項目在甘肅南部白龍江流域開展了大量的地球物理勘查工作,針對白龍江流域隱伏活斷層,形成了一套行之有效的、適用于白龍江流域隱伏活斷層勘查的綜合物探方法,該方法不僅查明了斷層的性質(zhì),還證實了斷層的活動性。本文的研究成果從一個新的角度客觀清晰地展示了白龍江流域隱伏活斷層的發(fā)育特點,使用的綜合物探思路及總結(jié)出的隱伏活斷層的地球物理特征對其他地區(qū)斷層勘查亦有一定的借鑒意義。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

白龍江流域及其鄰區(qū)位于川青藏高原東北緣的南北地震帶和昆侖—秦嶺構(gòu)造帶等多組深大斷裂的交匯復合部位,為龍門山和六盤山晚新生代擠壓隆起構(gòu)造區(qū)之間的過渡地帶,也是青藏、華南和華北三大Ⅰ級活動地塊區(qū)的交匯部位,涉及祁連、柴達木、昆侖、華南和鄂爾多斯等五個活動地塊,為不同方向、不同性質(zhì)活動斷裂之間構(gòu)造轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵地區(qū),因此本區(qū)新構(gòu)造活動極為強烈,白龍江流域主要活動構(gòu)造分布如圖1所示。

圖1 白龍江流域活動構(gòu)造分布(據(jù)蘇琦等修改,2016)Fig.1 Distribution of active tectonics in Bailong River Basin

本區(qū)新構(gòu)造運動是老構(gòu)造運動的繼續(xù),而新構(gòu)造是在老構(gòu)造的基礎(chǔ)上發(fā)生和發(fā)展的,根據(jù)現(xiàn)有地震資料,區(qū)內(nèi)主要斷裂大都具有明顯的活動性,主要區(qū)域性斷裂構(gòu)造有王家壩—江洛—娘娘壩斷裂帶、白龍江斷裂帶、益哇—舟曲—石峽—江洛斷裂帶、紫柏山斷裂帶、松柏—何家壩—梨評斷裂帶、馬家磨—沙尕里—魏家壩等,但由于第四系地層分布范圍及厚度較小,故新構(gòu)造運動對新地層的切割表現(xiàn)不明顯。

2 綜合物探方法

單一的物探方法,往往僅僅了解目標體的某一種物理性質(zhì)差異,具有一定的局限性和多解性。因此,在地球物理中,采用綜合物探方法,利用目標體的多種物理性差異,來綜合判斷,綜合解釋,有效地減少物探中的多解性問題。經(jīng)過大量試驗證明,白龍江流域采用高密度電法、地震反射法、地震折射層析法三種方法相互配合的綜合物探技術(shù)可以有效查明隱伏活斷層的性質(zhì)。

2.1 高密度電法

高密度電法[17]屬直流電法的一種,高密度電法是以巖、土介質(zhì)導電性差異為基礎(chǔ),研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地下傳導電流分布規(guī)律的一種物探方法。高密度與傳統(tǒng)的電阻率法相比,成本低,效率高,信息豐富,解釋方便。白龍江流域地形起伏大,高密度主要優(yōu)勢在于布設(shè)方便,地形校正簡單而且信息豐富。但同時高密度電法缺點也較為突出,勘探深度受測線長度控制;勘探精度隨著深度下降,分層能力逐漸變差;在復雜地質(zhì)環(huán)境下存在著嚴重的多解性問題,需要借助其他方法減少多解性、提高解譯精度。

2.2 地震反射法

地震反射波法是利用地震反射波進行人工地震勘探的方法,測量結(jié)果能較準確地確定界面的深度和形態(tài),圈定局部構(gòu)造,尤其在活斷層的勘查中起到了無可替代的作用[18]。白龍江流域覆蓋層與基巖面存在明顯的波阻抗差異,有較強的反射界面,地震反射法可以清楚地判斷活動斷層發(fā)生的位置,埋深等性質(zhì)。受地形、震源能量等因素影響,淺層地震反射法在山區(qū)一直效果不佳,本文所涉及的地震反射法采取了小道距、多疊加、高覆蓋的工作方式,加上后期精細的靜校正,取得了較好效果?？紤]到山區(qū)復雜的工作條件,本次震源選用較為靈活的錘擊方式。

2.3 地震折射層析法

地震折射層析成像是基于對初至波進行射線追蹤反演,構(gòu)建相應的速度層析成像圖,由此確定地質(zhì)體中速度異常。與傳統(tǒng)的地震折射法相比,地震折射層析法最大的優(yōu)點是,在速度橫向不均勻、下覆地層起伏變化較大,或者速度漸變、存在起伏透射地形的地質(zhì)情況下,都可以給出較好的反演結(jié)果[19]。白龍江流域斷層發(fā)育,折射層析結(jié)果可以減小斷層影響,較好地反映基巖面起伏變化形態(tài)及松散覆蓋物厚度。與地震反射法一樣,地震折射層析也采用的錘擊震源,反演結(jié)果為縱波(P波)速度。

2.4 綜合物探思路

綜合物探思路如圖2所示。三種手段分別依靠電阻率、縱波速度、波阻抗三種物性差異進行綜合勘查,提高了該區(qū)域隱伏活斷層的勘探準確性和精度。地震反射法主要探明隱伏活斷層的地層結(jié)構(gòu)與斷層性質(zhì);高密度電法主要查明斷層活動性及發(fā)育規(guī)模;地震折射層析法主要查明基巖埋深與強風化層厚度。三種方法相互參考,相互驗證,最終確定隱伏活斷層的性質(zhì)。

圖2 綜合物探思路圖Fig.2 The mind map of comprehensive geophysical prospecting

需要說明的是,地震反射法主要反映斷層的垂向錯斷情況,但無法對斷層附近巖層的破碎程度進行直觀表達。白龍江流域的活動斷層除了垂向活動外,還表現(xiàn)出明確的走滑性質(zhì),這就使得斷裂造成的基巖破碎寬度更大,造成相應的電阻率異常更為突出,從而為高密度電法進行活動斷層發(fā)育規(guī)模的描述奠定了物性基礎(chǔ)。我們對三種方法在山區(qū)工作中的地形要求、施工難度、淺部精度、分層能力及勘探深度等要素也進行了對比分析,具體見參考文獻20。白龍江流域?qū)儆谖髑貛X侵蝕—剝蝕構(gòu)造山地,地形地貌變化劇烈,非常不利于物探施工及后期處理,為了得到良好的處理結(jié)果,三種方法都需進行詳細的高程記錄。

3 實例分析及討論

白龍江流域斷層發(fā)育,按照斷層富水性可以分為含水斷層與非含水斷層,兩類斷層的地球物理特征有相似點也有區(qū)別,這兩類斷層在整個流域具有廣泛的代表性,因此選出兩組實例分別進行說明。示例點選取位置如圖3所示,含水斷層示例位于石門鄉(xiāng)(武都西北方向),另一示例位于漢王鎮(zhèn)的馬壩村(武都東南方向),根據(jù)圖3可知,示例點離區(qū)域構(gòu)造都很近。

圖3 示例點位置圖Fig.3 The location map of samples

3.1 非含水斷層

馬壩村泥石流溝扇位于白龍江左岸,地球物理勘查測線主要沿著泥石流溝扇縱向布設(shè),高密度測線與地震測線起點位置相同、方向一致,測線位置如圖4所示。高密度采用溫納α裝置、電極距5 m進行野外數(shù)據(jù)采集;地震反射采用偏移距30 m、炮間距5 m、道間距5 m、24道滾動采集,覆蓋次數(shù)為12次;地震折射層析除利用部分地震反射數(shù)據(jù)外,另補充48道定排列(道間距仍為5 m)采集其他數(shù)據(jù)。

圖4 馬壩物探測線布置圖Fig.4 Layout of geophysical survey lines in Maba

由沖溝斷面可知表層為第四系沖洪積碎石土,碎石土塊徑較大、磨圓度差,結(jié)合區(qū)域背景基巖確定為泥盆系千枚巖。根據(jù)綜合物探結(jié)果分析,該測線地層物性特征為:碎石土表現(xiàn)為超高阻低速,電阻率100～1 500 Ω·m,速度400～1 000 m·s-1;下部含碎石黏土表現(xiàn)為低阻中速,電阻率10～150 Ω·m,速度900～1 500 m·s-1;強風化基巖(泥盆系千枚巖)表現(xiàn)為高阻中高速,電阻率200～700 Ω·m,速度1500～2 500 m·s-1;弱風化基巖(泥盆系千枚巖)表現(xiàn)為高阻高速,電阻率300～800 Ω·m,速度在2 500 m·s-1以上。

高密度的反演結(jié)果如圖5所示,呈現(xiàn)出明顯的三層結(jié)構(gòu),與折射層析對比可知,上兩層均為松散覆蓋物。表層卵礫石土中的卵礫塊徑較大、滲水性強,表現(xiàn)為高阻特征,平均厚度約為10 m。下部含碎石黏土電阻率較低,隨著沖溝方向逐漸變厚,平均厚度約為35 m。高密度電法中顯示下伏基巖面起伏沒有突變,難以明確斷層性質(zhì)。

圖5 馬壩電阻率反演剖面圖Fig.5 Inversion section of resistivity in Maba

地震反射結(jié)果如圖6所示。地震反射較好的刻畫出了基巖起伏變化及斷層性質(zhì),基巖埋深整體變化趨勢與高密度電法及折射層析結(jié)果較為一致。馬壩溝扇體斷層較為發(fā)育,均表現(xiàn)為逆斷層形態(tài),斷層視傾角為50°～80°,將剖面中探明的五條斷層分別命名為F1～F5。

圖6 馬壩地震反射剖面圖Fig.6 Section of seismic reflection in Maba

地震折射層析結(jié)果如圖7所示。地震折射層析展示的第四系松散覆蓋物的厚度與高密度電法較為一致。折射層析分層能力較強,結(jié)合折射射線路徑與速度梯度變化,強風化基巖與弱風化基巖分界面較為明顯,強風化基巖厚度約為12 m。折射層析結(jié)果進一步補充了高密度與地震反射在測線400～500 m處的勘探盲區(qū)。

圖7 馬壩折射層析剖面圖Fig.7 Section of refraction tomography in Maba

高密度電法反演剖面信息豐富,借助地震反射與折射層析結(jié)果明確了基巖起伏面的變化及斷層的異常響應特征。地震反演剖面中識別出的斷層F3～F5與高密度剖面中高阻異常條帶在傾向、傾角、位置均有較好的對應關(guān)系,可以明確為斷層影響。這說明斷層在第四系覆蓋層形成后仍在活動,斷層的持續(xù)活動造成第松散覆蓋物內(nèi)部松動,產(chǎn)生較多空隙,電阻率變大表現(xiàn)為相對高阻。相對高阻條帶反映了斷層發(fā)育規(guī)模及活動性,我們以電阻率高阻條帶的寬度來估算活動斷層的影響寬度,并類比得出F1、F2的影響寬度,最終得出各斷層的性質(zhì)如表1所列。

表1 馬壩測線斷層參數(shù)表Table 1 Fault parameters obtained from survey lines in Maba

3.2 含水斷層

石門溝口位于白龍江右岸,距離石門鄉(xiāng)約0.7 km。地球物理勘查測線主要沿著泥石流溝扇縱向布設(shè),地震測線起點位于高密度測線的120 m處,高密度測線起點東距白龍江約為80 m,具體位置如圖8所示。高密度采用溫納α裝置、電極距5 m進行野外數(shù)據(jù)采集;地震反射采用偏移距30 m、炮間距3 m、道間距3 m、24道滾動采集,覆蓋次數(shù)為12次;地震折射層析除利用部分地震反射數(shù)據(jù)外,另補充72道定排列(道間距仍為3 m)采集其他數(shù)據(jù)。

圖8 石門測線布置圖Fig.8 Layout of geophysical survey lines in Shimen

石門扇體附近有較多斷面,表層主要為第四系沖洪積卵礫石土,卵礫石含量較高、具有一定的磨圓度,結(jié)合區(qū)域背景基巖確定為志留系千枚巖。根據(jù)綜合物探結(jié)果分析,該測線地層物性特征為:卵礫石土表現(xiàn)為超高阻低速,電阻率200～2 000 Ω·m,速度300～1 200 m·s-1;強風化基巖(志留系千枚巖)表現(xiàn)為高阻中高速,電阻率150～800 Ω·m,速度1 500～2 000 m·s-1;弱風化基巖(志留系千枚巖)表現(xiàn)為高阻高速,電阻率300～1 000 Ω·m,速度在2 000 m·s-1以上。

高密度成果剖面如圖9所示。第四系蓋層厚度變化幅度不大,平均厚約30 m。由于本區(qū)地質(zhì)特性復雜,僅僅依靠高密度電法反演結(jié)果較難合理解釋異常區(qū),因此結(jié)合地震反射與折射結(jié)果確定基巖起伏面。

圖9 石門高密度反演成果剖面圖Fig.9 Section of high-density resistivity inversion in Shimen

地震反射剖面如圖10所示。地震反射剖面清晰地揭示了測線下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu),覆蓋層厚度變化較小,基巖起伏面中間略微凸起,與折射層析結(jié)果一致。本剖面中揭示斷層兩條,分別命名為F1、F2。斷層F1表現(xiàn)為逆斷層,視傾角約為60°,基巖頂界面處的垂直斷距約為8 m,斷層發(fā)育規(guī)模較大。斷層F2表現(xiàn)為逆斷層,視傾角約為75°,基巖頂界面處的垂直斷距約為2 m,斷層發(fā)育規(guī)模較小。

圖10 石門地震反射剖面圖Fig.10 Section of seismic reflection in Shimen

地震折射層析結(jié)果如圖11所示。折射層析結(jié)果對斷層反應不敏感,但對地層結(jié)構(gòu)有較為清晰地展示。

圖11 石門折射層析剖面圖Fig.11 Section of refraction tomography in Shimen

地震剖面揭示的斷層F1、F2與高密度電法中的低阻條帶在發(fā)育位置、傾角均具有較好的對應關(guān)系,因此確定低阻異常為斷層活動所致。低阻條帶下部電阻率最低,富水性最好,且與白龍江水面海拔有較好的對應關(guān)系,推測為斷層的活動使得白龍江與斷層破碎帶相連通,江水進入斷層破碎帶表現(xiàn)為低阻異常。電阻率低阻條帶延伸至第四系卵礫石土中,且連續(xù)性較好,說明斷層在沖洪積卵礫石土形成后仍處于活動狀態(tài)。最終得出各斷層的性質(zhì)如表2所列。

表2 石門測線斷層參數(shù)表Table 2 Fault parameters obtained from survey lines in Shimen

3.3 地球物理特征及討論

地震反射法、高密度電法、折射層析法三種地球物理方法分別以波阻抗差異、電性差異、縱波速度差異為物性基礎(chǔ),其對應的地球物理特征分別表現(xiàn)為同相軸變化、電性異常及速度異常,白龍江流域隱伏活斷層對應的地球物理特征如表3所列。采用有針對性的地震采集、處理技術(shù)得到的地震反射剖面上的同相軸出現(xiàn)明顯錯斷、分叉、扭曲等斷層異常,可以較好地刻畫斷層性質(zhì)。由于斷層在第四系覆蓋物形成后仍處于活動狀態(tài),高密度電法剖面在覆蓋層或基巖出現(xiàn)電性異常條帶,異常條帶的性質(zhì)與斷層含水性、基巖巖性、覆蓋層類型相關(guān)。折射層析分層效果較好,但對斷層反映不明顯,速度剖面上出現(xiàn)不太明顯的低速凹陷異常。

表3 隱伏活斷層地球物理特征表Table 3 Geophysical characteristics of buried active faults

整體上,白龍江流域隱伏活斷層有自己獨特的地球物理特征,隱伏活斷層逆斷層性質(zhì)明顯且發(fā)育密集,斷層活動性較強,尤其是高密度電法在第四系內(nèi)部出現(xiàn)的條帶異常在其他地區(qū)較為少見。

4 結(jié)語

綜合物探方法突破了單一物探方法的局限性,提高了解釋精度,在白龍江流域隱伏活斷層的勘查中取得了較好效果。含水斷層與非含水斷層的勘探結(jié)果表明,本文提出的物探組合技術(shù)在本區(qū)具有廣泛的適用性,本區(qū)綜合物探的認識如下:

(1) 淺層地震反射法在斷層勘查中精度最高,但勘探成本高,效率低,尤其受地形影響較大,這對采集與后期處理都提出了較多挑戰(zhàn)。

(2) 折射層析法分層能力強,尤其是抗斷層干擾能力強,結(jié)果簡單明了,是其他兩種手段的重要參考依據(jù)。

(3) 高密度電法便于布設(shè),效率高,淺部信息豐富,但多解性突出,需要依靠反射法與折射層析的結(jié)果來明確各異常的地質(zhì)意義。高密度結(jié)果證明了該區(qū)域斷層的活動性,并能合理估算出活動影響范圍。

(4) 三種地球物理手段相互參考、相互驗證,在沒有鉆孔地區(qū)也能達到較為準確的勘探結(jié)果。由于白龍江流域地貌復雜,地形起伏大,有些地方無法開展地震反射法工作,因此對于白龍江流域某一點開展斷層追索時,應當在合適的位置開展綜合地球物理勘查,明確高密度對隱伏斷層的響應特征,然后通過類比進行斷層組合。

通過大量綜合物探結(jié)果證實白龍江流域斷層在第四系覆蓋層形成后還處于活動狀態(tài),而且隱伏活斷層的發(fā)育密度遠超想象,除區(qū)域構(gòu)造外,白龍江流域次生斷裂密布,是本區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生的一個重要控制因素,建議加大本區(qū)隱伏活斷層的勘查力度,為城市或工程建設(shè)提供重要參考依據(jù)。