大地电磁法在中山某地区隐伏断裂探测中的应用①

黄书华 杨吉武 赵立波

广东省地质调查院，广东 广州 510080

隐伏断层是在地表无显示或出露不明显，而潜伏在地表以下的断层。这种断层可以是切穿基岩的断层被新沉积物覆盖，或者是断层被侵位岩体占据，也可以形成于地下深处没有切穿至地表的盲断层[1-2]。基础地质调查是城市地质调查的基础，也是开展和研究其它相应地质方法必不可少的环节。在天然地震波的传播路径中，断裂带的存在会影响城市工程建设的选址以及生产活动的安全问题[3]。因此在城市地质调查中，查明隐伏断裂的分布情况具有重要的意义。

大地电磁测深法(Magnetotelluric Sounding，简称MT)[4]是利用天然交变电磁场研究地球电性结构的一种地球物理勘探方法。大地电磁测深利用频率范围很宽（10-4～104Hz）、无需人工场源、成本低、效率高、不受高阻层屏蔽、对低阻层分辨率高，且其勘探深度与频率有关，高频地磁波穿透浅，浅可达几十米，低频电磁波穿透深，深可至数百公里。可根据电阻率随深度或频率变化绘制等值线断面图以及推断的地质断面图。因此，大地电磁测深已发展成为当前活动断层探测的一种重要手段[5-7]。大量实践证明，大陆内部地块边界、深大断裂带以及古缝合带容易充填水和松散沉积物，电阻率显著降低，而大地电磁测深方法对低阻敏感，该方法对揭示隐伏断层结构及其延伸状态具有重要的指示意义。苗景春[8]在2013年通过对正、逆断层地电模型正演模拟，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后，来对破碎带的倾向进行定性、定量解释。周琛杰[9]利用音频大地电磁和高密度电法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。李树军[10]在2017年通过分析了两个可控源音频大地电磁法在深部地热资源勘查的例子，说明了当地层岩性结构比较符合水平均匀层状介质模型时，该方法有很好的应用，但是实际的地质条件并不是简单的一维模型，因此当地层结构较为复杂时应该衡量该方法的适用性。黄磊[11]在其文章中阐述了当速度异常不明显时，地震勘探难以取得良好效果，但大地电磁法可以在电阻率差异明显地区作为地震勘探的补充，且取得满意的结果。本文利用大地电磁法对中山某地区进行勘探，通过对所采集的两条MT剖面数据进行平滑去噪处理，五点滤波法消除静态效应，采用非线性共轭梯度法进行大地电磁二维反演，分析研究区内的主要构造的电性特征，并得到了多条断裂的位置。

1 地质与地球物理概况

1.1 地质概况

研究区位于珠江口的西南侧，属于珠江三角洲南部断隆区。附近和内部发育多条北东向断裂，它们对三角洲的形成、演化与地震活动等起到明显的控制作用。五桂山南麓断裂是三角洲内部的一条北东向断裂，北与五桂山北麓断裂平行。两条断裂所夹持的五桂山由燕山期花岗岩组成，最高峰海拔530.5m，断裂通过的位置海拔小于100m，反映断裂有较强的垂直差异运动[12-13]。该研究区出露地层以广泛发育的新生界第四系松散堆积物为主，出露基岩以花岗类岩石为主。区内中寒武统高滩组（Є3g）主要分布于桂南的东部、白石排北部以及神湾镇的东部地区，该组地层岩性为青灰、灰白、紫红色片理化、角岩化变质细粒长石石英砂岩以及变质岩屑石英杂砂岩，高滩组顶部与白垩纪花岗岩呈断层接触，底部为第四系覆盖，在区内普遍受岩体侵入热接触变质影响。上寒武统水石组（Є4ŝ）呈东西向展布，与下伏高滩组为整合接触，上部与白垩纪花岗岩呈侵入接触。老虎头组（D2l）岩性为灰、灰白色石英质砾岩、砂岩和泥岩，与下伏高滩组呈断层接触，上部与侏罗纪花岗岩呈侵入接触。侵入岩主要分布在五桂山一带，侏罗纪侵入花岗岩最为发育，区内的侵入岩有多次侵入期次：中侏罗世第二阶段第一次侵入细粒黑云花岗闪长岩（γδJ22a）、晚侏罗世第一阶段第二次侵入中粒斑状黑云母二长花岗岩（ηγJ31b）、晚侏罗世第一阶段第四次侵入细粒黑云母二长花岗岩（ηγJ31d）、晚侏罗世第二阶段第一次侵入中粒斑状黑云母二长花岗岩（ηγJ32a）、晚侏罗世第二阶段第二次侵入细粒斑状黑云母二长花岗岩（ηγJ32b）。侵入岩岩性有石英闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩及花岗斑岩等，（粗）中粒花岗结构、似斑状结构，块状构造。第四系松散沉积物的成因类型复杂，主要为河口三角洲沉积，局部为陆相沉积，岩相岩性及沉积物厚度多变。

该研究区主要存在的断裂有（图1）：F1是南朗-深湾断裂，该断裂东起南朗镇南部，经箭竹山水库，过五桂山自然风景区主峰，到南桥村往西到深湾村一带，东侧延伸入海，全长约40km，走向北东60°，其地貌行迹非常清晰，沿山谷分布；F2是五桂山南断裂，该断裂西南起自神湾镇麻子涌，向东北经桂南、逸仙水库，东北端止于崖口，长55km，走向60°左右，倾向南东或北西，倾角在65°以上，其宽度几十到500m不等，主要形成于燕山晚期，有过多次活动，从宏观上可以看出该断裂带南北两侧地貌和岩体有明显区别，其中北侧地形地势陡峭，南侧地形地势舒缓，有较大面积的山间盆地，沿断裂带形成北东-南西向河谷，形态笔直，该断层在逸仙水库南侧表现为晚侏罗世花岗岩与中寒武世高滩组（Є3g）呈断裂接触；F3-1与F3-2为平沙断裂束，南西起白石排，向北东过三乡镇，被五桂山南断裂所限，总体走向为北东45°，倾向南东，倾角60°～82°，宽度几到130m不等，该断裂束对中山南部及珠海北部的地貌有较好的控制。

图1 研究区MT测线位置示意图 Fig.1 Schematic map of the location of the MT survey line in the study area

1.2 地球物理特征

本次在研究区内采集了岩矿石标本60块，使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3A多功能数字直流激电仪测定岩矿石标本的电阻率。标本物性采用强迫电流法方式测定，用面团作为接触介质，面团中加少许硫酸铜溶液以增强导电性（表1）。

表1 工区岩（矿）石电性参数统计表 Table 1 Statistical table of electrical parameters of rocks (minerals) in the work area

隐伏断层潜伏地表以下，因此仅凭野外的地质调查难以发现线索。但由于断层切断了岩层的水平连续性，上下盘的错动和断层滑动面的破碎导致岩层中地震波的传播特征和电性特征发生明显变化，当这种地震波的传播异常和电性异常突出到一定程度就能够通过地面的地球物理探测反映出来。一般而言，相对于围岩介质的电阻率，断层可表现为低阻断层或高阻断层，这取决于断层的性质、破碎带宽度、胶结程度、含水特征、岩脉侵入等特性及围岩电阻率特性。根据断层的发育情况及其与两侧岩层的电性差异，断层的电性特征主要有以下表现：当断层破碎带宽、断层电阻率与两侧岩层电阻率差异明显时，断层表现为高阻或低阻板状体；当断层带不发育或断层电阻率与两侧岩层电阻率差异不明显时，如果断层两侧岩性不同，断层将表现为岩性分界面[14-15]。根据以上特征我们在研究区开展大地电磁测深法工作。

2 工作方法与数据采集

2.1 方法原理

MT（大地电磁测深）主要用来寻找与电磁性有关的侵入岩体和构造，常规的技术理念是利用电磁法圈出脉岩，从而间接地查明构造。该研究区主要的断裂为北东方向，MT测线布设与断裂相交。假设天然电磁场以平面波的形式垂直入射大地，在地下以波的形式传播。从Maxwell方程组出发，可以推导得到卡尼亚视电阻率公式[4]：

式中：f-频率（Hz），-所测的电场分量（V/m），-与正交的磁场分量（A/m）。从式中可以看出，通过采集不同频率下的正交电场和磁场数据，就可以得到卡尼亚视电阻率。

2.2 数据采集

从图1可知，研究区发育有多条北东向隐伏断裂，且有穿越城镇活动区，对市政建设造成较大的影响，为了查明隐伏断裂的发育位置和大致走向，共布设了L1和L2两条大地电磁测线，测线方向与断裂走向基本垂直。本次MT测量采用美国CG公司（Crystal Globe Geophysical Research & Service, LLC）最新推出的Aether大地电磁系统。通过GPS进行同步授时定位，所有通道完全同步采集，连续时间序列存储，正式开工前，对仪器和磁探头进行标定，并对其进行一致性实验、平行实验，以此来检测仪器是否正常工作。在工作结束后，需再次进行这些实验，并和开工前的实验数据进行比对，来保证数据的可靠性。

野外测量时，采用“十字形”布极方式。本次工作为张量测量，即只采集4分量Ex、Ey、Hx、Hy，电极距为50m。Ex为测线方向，Ey为垂直测线方向。工作中水平磁道Hx与电道Ex平行，Hy与电道Ey平行。为了保证数据质量，测点位置尽量避开高压线、家畜等动物或其它运输活动的干扰。将电极灌放置在20～50cm深坑中且与地面充分接触，并用松土完全遮盖，保证接地电阻小于2000Ω；将磁探头水平放置在40cm以上深度的深槽中，且磁探头与电极灌、主机的距离保持在5m以上，多余的电极线与磁道线呈S形铺在地上。

3 数据解释与推断

3.1 数据处理与反演

本次MT进行了一系列数据处理工作来压制各种噪声的影响，如仪器噪声、人文噪声、地质噪声等，从各种叠加场中分离出地质目标体的场信息，以便后续的解释工作。我们知道，当岩层的电阻率变化方向上存在电场分量时，在电阻率发生变化的界面上会产生积累电荷，电阻率变化越剧烈，积累电荷越强烈，当频率较低无法穿透不均匀体时，电场分量将会受到积累电荷的影响，磁场分量无影响，从而导致观测数据的上下平移[16]，这种现象就称之为静态效应，而该现象在电磁数据处理时，经常会出现而干扰解释。目前，静态效应的校正方法比较多，如曲线平移法、相位换算法、相位导数法、低通滤波法等。曲线平移法对于静态效应的压制很大程度取决于处理人员，有可能会做出错误的判断，而且效率较低；相位校正法将背景场视电阻率值定为最高频的视电阻率，因此在高频部分相位校正法对偏移量有比较好的压制，但相位校正法是基于积分形式的计算，随着频率的降低，误差逐渐增加，而且视电阻率曲线形态也会产生相应的变化，而五点滤波法能较好的保持视电阻率曲线形态，对于偏移量的校正五点滤波法较好。因此本文采用五点滤波法进行静态效应校正，具体步骤如下[17]：

（3）将校正系数乘以对应测点上所有频点的实测电阻率值，即可得到静位移校正后的视电阻率值。

经过上述处理步骤以后，还需要对MT数据进行反演计算。近年来国内外一些地球物理学家对电磁数据处理方法的研究众多，本文采用意大利Geosystem公司开发的WinGLink软件进行二维反演处理，该软件主要侧重于大地电磁的建模和数据处理。处理时主要用到Maps、Soundings、P-Sections、X-Sections、2D inversion五个模块，利用软件内部非线性共轭梯度法（NLGG）的反演模块，进行带地形的TE和TM模式联合反演获得工区的电性结构。

3.2 异常解释与推断

MT的解释与推断是依据反演所得到的电阻率断面图划分断层分布情况。断层反映在断面图中的主要特征是电阻率等值线的扭曲、不连续以及梯度带等。以下是结合研究区内地质构造资料对测线L1、L2两条剖面分别进行解释分析得到的结果。

图2为L1线MT二维反演电阻率断面图，该线长14km，测量点距100～300m，北西往南东方向的测点号增大，其中重点区段（521～535号点、546～563号点、567～575号点）点距为100m，其余地段为300m。分析图2反演结果可以推断出4条断裂，并结合前面的地质概况，这4条断裂所在的位置与地质推断的位置大致吻合，分别记为F1、F2、F3-1和F3-2。F1断裂位于该剖面508号测点附近，从MT剖面上表现为向南东（大号测点方向）陡倾的低阻带状异常，倾角大约75°～85°，推测该断裂是和地质解译的南朗-深湾断裂为同一断裂。F2断裂位于该剖面520号测点下方，明显反映有向南东（大号测点方向）陡倾的低阻带状异常，倾角约为70°，F2断裂规模较大，推测是五桂山南断裂。F3-1、F3-2断裂分别于539～540号测点之间、555号测点下方，MT剖面分别表现为向南东（大号测点方向）和北西（小号测点方向）倾斜的电阻率急剧变化的梯度异常带特征，这两条断裂的倾角约为70°～82°，这两条断裂与地质学推断的平沙断裂束一致，并且其中F3-2断裂倾向北西，在其北东延伸方向的虎池围地段已有高温热泉出露，推测为同一条断裂，沿该断裂带具有良好的地热资源前景。

图2 L1线大地电磁反演电阻率断面 Fig.2 Resistivity section of L1 line magnetotelluric inversion

图3为L2线MT二维反演电阻率断面图，测线长2.3km，点距100～300m，其中重点地段（485～500号点）点距为100m。该测线目的是追踪和控制F2断裂(五桂山南断裂)走向。从该剖面异常特征可以看出，F2断裂位于491～492号测点之间，亦明显反映有向南东（大号测点方向）陡倾的低阻带状异常，倾角约为70°。在F2断裂的倾斜方向上有一条较清晰的低阻条带状异常向下延伸，条带状异常产状较陡，且深部异常规模更大，推测为F2深部含水断裂破碎带所致，具有较好的寻找地下（热）水资源的前景。

图3 L2线大地电磁反演电阻率断面Fig.3 Resistivity section of L2 line magnetotelluric inversion

4 方法讨论

大地电磁测深法可单点数据采集并通过二维反演实现剖面探测，探测深度大，施工方便。但本次大地电磁测深法在数据采集时，受工业电磁干扰、人文干扰等因素的影响较大，因此在前期数据采集时，应尽可能远离干扰；后期数据处理时，可以在城市中考虑使用远参考进行处理，同时加强抗干扰研究。

地球物理反演具有多解性，在探测中应该利用多种物探方法、多参数联合反演，进行综合解释以减少多解性，通过钻孔、露头等已知资料对反演结果进行验证，进而实现一种有效的勘探思路。

5 结论

根据两条MT测线二维反演剖面图分析，确定了多条断裂（F1、F2、F3-1、F3-2）位置及空间展布形态，推测的F1南朗-深湾断裂和F2五桂山南断裂的位置与地质资料基本吻合，并通过L2线再次追踪和控制了F2断裂的走向，该断裂下延的低阻异常带有可能是含水引起的，因此具有较好的寻找地下水资源的前景。划定的F3-1和F3-2两条断裂位置与地质推断的断裂位置和延伸方向也较一致。大地电磁测深法是一种探测地层电性结构的方法，在城市地质探测隐伏断裂中有一定的探测效果。