綜合物探方法在城市隱伏斷裂探測中的應(yīng)用

劉偉，黃韜，王庭勇，劉怡，張繼，劉文濤，張琦斌，李強(qiáng)

(四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川 成都 610032)

0 引言

隱伏斷裂是在地表無顯示或出露不明顯，且潛伏在地表以下的斷層。這種斷層可以是在其形成之后被新沉積物所覆蓋，或者是斷層被后來的侵入巖體占據(jù)，也可以是形成于地下深處沒有切割穿地表的斷層[1]。斷層與地震和地質(zhì)災(zāi)害緊密相關(guān)，對(duì)城市和工程安全直接造成威脅。比如，20世紀(jì)末在美國洛杉磯北嶺(1994年)、日本板神(1995年)、土耳其伊茲米特(1999年)等地發(fā)生了一系列大地震，對(duì)城市造成了嚴(yán)重破壞，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。事實(shí)證明，這些強(qiáng)烈地震并非沿著主斷裂發(fā)生，而是發(fā)生在次一級(jí)的隱伏斷裂上[2]。由于中大城市通常位于盆地與平原地區(qū)，因此城市地下的活動(dòng)斷裂大多是被第四系松散沉積物覆蓋的隱伏活動(dòng)斷層?，F(xiàn)代工程技術(shù)還無法完全抵抗地震帶來的破壞，只能在城市建設(shè)的規(guī)劃階段先查明地下隱伏斷裂的情況，包括位置、產(chǎn)狀、活動(dòng)性等，才能更合理地進(jìn)行城市規(guī)劃、建設(shè)和抗震設(shè)防，同時(shí)將地震帶來的損失降至最低[3]。因此，開展城市隱伏斷裂探測查明隱伏斷裂的位置和評(píng)價(jià)其活動(dòng)性對(duì)減輕城市地震地質(zhì)災(zāi)害具有重要意義。

城市隱伏斷裂探測的作業(yè)區(qū)域主要為城區(qū)及近郊地區(qū)，人類活動(dòng)改造強(qiáng)烈，存在各種電纜、金屬管線、交通車輛等工業(yè)和民用電磁干擾以及機(jī)械震動(dòng)等形成的強(qiáng)震動(dòng)干擾，給物探工作帶來了很大困難，對(duì)儀器設(shè)備和施工組織都提出了更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，目前適用于隱伏斷裂探測的主要方法有：淺層地震反射波法[4-5]、高密度電阻率法[6-7]、瞬變電磁法[7]、可控源音頻大地電磁法[8-10]、電阻率層析成像[11]、土壤氡氣測量法[12-16]以及微動(dòng)探測[17]等。鑒于城市復(fù)雜的自然環(huán)境條件和物探方法本身的多解性，綜合應(yīng)用探測方法能夠獲得更加精確和可靠的結(jié)果。

為了精準(zhǔn)支撐成都市城市地下空間資源科學(xué)、綜合開發(fā)利用與城市規(guī)劃布局優(yōu)化，成都市啟動(dòng)了成都市城市地下空間資源地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，查明城市地下隱伏斷裂的準(zhǔn)確位置和分布情況是主要任務(wù)之一。工作區(qū)位于成都市錦江區(qū)，區(qū)內(nèi)發(fā)育2條斷裂：蘇碼頭背斜西翼斷層和雙橋子—包江橋斷層，其中雙橋子—包江橋斷層(以下簡稱包江橋斷裂)為隱伏斷裂，是此次主要的探測目標(biāo)。區(qū)內(nèi)建筑物、道路較多，人員相對(duì)密集，干擾極大，可選擇的探測方法相對(duì)較少。最后根據(jù)各方法的特點(diǎn)，在該區(qū)域選擇微動(dòng)探測、高密度電阻率法、瞬變電磁法和土壤氡氣測量法進(jìn)行綜合探測，并結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)、鉆井和測井資料對(duì)物探成果進(jìn)行了綜合解釋，獲得了隱伏斷裂帶的精確位置，查明了斷裂的傾向、走向和斷距等信息，為地質(zhì)分析及其活動(dòng)性評(píng)價(jià)提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

工作區(qū)地貌主要為中谷圓弧狀坪狀低丘，同時(shí)存在條帶狀分布的二級(jí)階地、河漫灘及一級(jí)階地；地勢較為平坦開闊，總體呈北高南低；上部覆蓋層為第四系松散沉積層，下伏基巖為白堊系地層。工區(qū)內(nèi)第四系地層為岷江水系，松散沉積層整體上以黃色調(diào)為主，巖性包括褐灰色礫石層、褐黃色砂層、棕紅—褐黃色黏土層及相對(duì)應(yīng)的過渡巖性，由老到新可劃分為下更新統(tǒng)磨盤山組(Qp1mp)、下—中更新統(tǒng)牧馬山組(Qp1-2m)、中更新統(tǒng)合江組(Qp2hj)、全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)資陽組(Qp3-Qhz)、全新統(tǒng)沖洪積層(Qhapl)和人工堆積層(Qhml)?；鶐r以白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)為主，局部白堊系下統(tǒng)天馬山組(K1t)及白堊系上統(tǒng)夾關(guān)組(K2j)出露?；鶐r地層為一整套河湖相沉積的棕紅色、紫紅、磚紅色泥巖、砂巖夾薄層砂礫巖。天馬山組假整合于蓬萊鎮(zhèn)組之上，夾關(guān)組假整合在天馬山組之上，灌口組與夾關(guān)組為整合接觸，傾向約300°，傾角近似水平。如圖 1所示，在工作區(qū)內(nèi)，地表大部分被第四系合江組和資陽組地層覆蓋，部分地方出露夾關(guān)組和天馬山組基巖；地質(zhì)推斷的包江橋隱伏斷裂(圖 1中藍(lán)色虛線)南起中和場，經(jīng)包江橋、琉璃場進(jìn)入市區(qū)雙橋子，走向NE(約10°～15°)，傾向SE。在包江橋附近灌口組地層推至地表，巖石破碎，產(chǎn)狀變陡，傾向NE，傾角約24°；含鈣質(zhì)結(jié)核黏土、網(wǎng)紋紅土、黏土礫石層及結(jié)構(gòu)緊密的強(qiáng)風(fēng)化砂卵礫石層呈不整合接觸覆于基巖之上。

圖1 測線布置及推測斷層平面分布Fig.1 The plane distribution of measuring line and interpreted fault

斷層作用破壞了地層的連續(xù)性，在斷層上下盤之間造成了巖層破碎帶，導(dǎo)致巖層中地震波的傳播特征和電性特征發(fā)生變化，當(dāng)這種地震波的傳播異常和電性異常突出到一定程度，就能夠通過地面的地球物理探測反映出來。在工區(qū)探測深度范圍內(nèi)，基巖主要為白堊系上統(tǒng)灌口組地層，巖性為一套泥巖、砂泥巖夾薄層砂礫巖，實(shí)測電阻率一般為15～80 Ω·m，橫波速度一般為500～2 000 m/s。已知在L2測線的南側(cè)約30 m處有1口工程鉆孔(ZK-1)，深度為100.2 m。結(jié)合該鉆孔的綜合測井、地質(zhì)編錄和巖心等資料，同時(shí)參考以往的區(qū)域地質(zhì)資料，分析總結(jié)得到了工區(qū)地層的總體物性參數(shù)信息(表 1)。

表1 工區(qū)地層物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

在斷裂帶內(nèi)，基巖被斷層錯(cuò)斷或破碎，加上地下水的運(yùn)移和淋濾作用，斷裂破碎帶多被地下水或黏土膠結(jié)物充填，表現(xiàn)出低阻和低速的現(xiàn)象。因此，根據(jù)電阻率法和微動(dòng)探測成果剖面中的低阻帶或低速異常就可確定斷裂帶的位置和產(chǎn)狀等[6,18]。此外，當(dāng)?shù)貧ぶ写嬖诨顒?dòng)斷層，特別是新的活動(dòng)斷層時(shí)，地殼深部的氡氣很容易沿?cái)嗔淹ǖ老蛏蠑U(kuò)散并逸出地表[19]，在斷裂帶的出露位置及其上盤的土壤中，氡氣含量較高，容易形成氡異常。因此，通過地表氡氣異常的位置范圍和形態(tài)特征就可以大致推斷出斷裂的位置和規(guī)模等信息[2]。

2 方法原理

下面主要介紹微動(dòng)探測和土壤氡氣測量的方法原理，高密度電阻率法和瞬變電磁法為常規(guī)物探方法，本文不再贅述。

2.1 微動(dòng)探測

微動(dòng)是一種由體波(縱波和橫波)和面波(瑞利波和拉夫波)組成的復(fù)雜振動(dòng)，并且面波的能量是振動(dòng)信號(hào)總能量的主要成分(約占70%以上)[20]。微動(dòng)可以是地球表面每時(shí)每刻且到處都存在的微弱震動(dòng)，沒有特定震源，既包括頻率高于1 Hz的人類活動(dòng)也包括頻率定于1 Hz的自然活動(dòng)，盡管其振幅和形態(tài)隨時(shí)空變化而變化，但是在一定時(shí)空范圍內(nèi)又具有統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可用時(shí)間和空間上的穩(wěn)定隨機(jī)過程來描述[21]。微動(dòng)探測方法就是以平穩(wěn)隨機(jī)過程理論為基本依據(jù)，從微動(dòng)信號(hào)中提取面波(瑞利波)頻散曲線，通過對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的橫波速度結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行巖性分層和構(gòu)造分析的物探方法。

2.1.1 頻散曲線提取

目前，微動(dòng)臺(tái)陣觀測數(shù)據(jù)頻散曲線的提取方法主要有兩種[22]：空間自相關(guān)法(spatial autocorrelation method,SPAC)[17]和頻率波數(shù)法(F-K)[23]，SPAC法只適用于規(guī)則的圓形臺(tái)陣，F(xiàn)-K法可以適應(yīng)更靈活的臺(tái)陣，但需要布置較多測點(diǎn)(至少需要7個(gè)檢波器)。為了克服這兩種方法的不足，提出了擴(kuò)展空間自相關(guān)法(extended spatial autocorrelation method,ESPAC)[24]。ESPAC法不受圓形臺(tái)陣的限制，可以適用于不規(guī)則臺(tái)陣，同時(shí)不需要布置太多測點(diǎn)就可獲得較好頻散曲線。本文主要采用擴(kuò)展空間自相關(guān)法提取頻散曲線。

與空間自相關(guān)法相反，擴(kuò)展空間自相關(guān)法是保持頻率不變，改變圓周的半徑，然后計(jì)算不同距離臺(tái)陣的自相關(guān)系數(shù)并與貝塞爾函數(shù)進(jìn)行擬合，最后求得自相關(guān)系數(shù)隨距離的變化關(guān)系。不同半徑下頻率為f的空間自相關(guān)系數(shù)ρ定義為：

式中：ρon(f,ron)表示某頻率f不同半徑下的空間自相關(guān)系數(shù)，ron表示中心點(diǎn)與其他點(diǎn)之間的距離(半徑)，J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)，n代表所改變的半徑數(shù)，E表示擬合誤差，c(f)表示頻率f對(duì)應(yīng)的瑞利面波相速度。

擴(kuò)展空間自相關(guān)法一般采用二維排列采集，如三角形、圓形、L形、十字形[25]。如果面波能量在各個(gè)方向相當(dāng)或者主要來自一個(gè)方向，則可以采用直線形排列，這種排列布置方法在野外工作中更容易實(shí)施。

2.1.2 橫波速度反演

有研究表明[26]：面波頻散與介質(zhì)的縱波(P波)速度、橫波(S波)速度、密度和地層厚度等呈非線性函數(shù)關(guān)系，且瑞利波相速度頻散對(duì)S波速度最為敏感，而P波速度和密度對(duì)面波頻散影響較小，因此反演計(jì)算僅給出S波速度結(jié)構(gòu)。反演之前，先據(jù)半波長法建立一維S波速度初始模型，然后采用個(gè)體群探索分歧型遺傳算法(fork genetic algorithm，F(xiàn)GA)[27],由相速度頻散曲線反演得到臺(tái)陣下方的S波速度結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。

2.2 土壤氡氣測量法

土壤氡氣測量法是使用測氡儀測量土壤中氡氣濃度，并通過研究氡氣濃度的分布特征解決某些地質(zhì)問題的一種放射性測量方法[13-15]。氡(Rn)能以游離原子的形式通過晶體缺陷或晶粒邊界，沿著巖石空隙或裂隙系統(tǒng)遷移，而構(gòu)造破碎帶及裂隙發(fā)育地帶是氡氣遷移的良好通道，有利于氡氣的聚集。當(dāng)?shù)叵麓嬖跀鄬訒r(shí)，地表土壤中的氡濃度會(huì)出現(xiàn)局部增高，形成地表可探測的放射性氡異常區(qū)域。

本次工作采用德國進(jìn)口的RTM1688-2型氡釷測量儀進(jìn)行土壤氡氣測量，其測量對(duì)象是氡衰變的第一代短壽子體RaA。設(shè)備基本原理如下：由于氡氣衰變產(chǎn)生的子體RaA在初始形成的瞬間為帶正電的離子，測氡儀則是利用它的帶電特性，采用加電場的方式對(duì)它進(jìn)行收集，使RaA離子在電場的作用下被收集在帶負(fù)電高壓的金屬收集片上，在經(jīng)過一段時(shí)間的加電收集后，測量RaA的α放射性，其強(qiáng)度與氡濃度成正比，按照公式

CRn=J·NaRaA

直接計(jì)算氡氣濃度值。式中：CRn為氡氣濃度(Bq/m3)；J為轉(zhuǎn)換系數(shù)(Bq·m-3/脈沖)，由標(biāo)定確定，主要與裝置的離子收集效率和探測器接收脈沖的效率等因素相關(guān)；NaRaA為RaA的放射性計(jì)數(shù)。

3 數(shù)據(jù)采集與處理方法

3.1 測線布置

根據(jù)以往地質(zhì)資料確定的包江橋隱伏斷裂的位置，在大角度垂直于斷裂走向方向布置了L1、L2兩條測線(見圖1)，L1長為960 m，走向118°，L2長780 m，走向84°。根據(jù)施工場地的環(huán)境條件與各物探方法的特點(diǎn)，在L1上布置了微動(dòng)探測、瞬變電磁和土壤氡氣測量3種方法，在L2上布置了微動(dòng)探測、高密度電阻率法、瞬變電磁和土壤氡氣測量4種探測方法。

1)微動(dòng)探測，設(shè)計(jì)探測點(diǎn)距25 m，異常段適當(dāng)加密。采用德國進(jìn)口的Summit X One地震儀，配合2 Hz低頻檢波器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。觀測臺(tái)陣采用50 m直線型臺(tái)陣，檢波器間距為2 m，數(shù)據(jù)采樣率為1 ms，單點(diǎn)記錄時(shí)間為20 min。在L2測線段，微動(dòng)探測的實(shí)際測長度為590 m(190～780 m)。

2)高密度電阻率法，采用溫納電極裝置，電極距為5 m。采用N2高密度電阻率測量系統(tǒng)，最大供電電壓1 400 V，最大供電電流6 A，電流分辨率0.1 μA。

3)瞬變電磁法，設(shè)計(jì)探測點(diǎn)距20 m，異常段適當(dāng)加密。采用收發(fā)一體反磁通天線定點(diǎn)測量方式，天線直徑為0.6 m，發(fā)射等效邊長為50 m×50 m，發(fā)送基頻為2.5 Hz，儀器關(guān)斷時(shí)間長度約40 μs、最大發(fā)送電流10 A、發(fā)送電壓12 V。

4)土壤氡氣測量，設(shè)計(jì)探測點(diǎn)距20 m，異常段適當(dāng)加密。采用德國進(jìn)口的RTM1688-2型氡釷測量儀，取樣時(shí)用鋼釬打孔深約80 cm，敲松周邊土壤，拔出鋼釬后迅速插入土壤氡取樣器，取樣時(shí)間、測量時(shí)間均設(shè)置為5 min，測量次數(shù)為6次。

3.2 干擾避讓措施

由于城區(qū)內(nèi)各種強(qiáng)干擾背景和復(fù)雜地表環(huán)境等不利因素較多，除了選擇抗干擾能力強(qiáng)且精度高的儀器設(shè)備進(jìn)行探測外，還應(yīng)該在數(shù)據(jù)采集過程中采取必要的避讓措施，盡量降低各種電磁干擾、振動(dòng)或地表環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響。工區(qū)內(nèi)布置的2條測線都是沿城市道路分布的，雖然可以在道路旁的綠化帶中進(jìn)行施工，但是道路上的車輛和行人較多、地上地下的線路管網(wǎng)密集，對(duì)物探數(shù)據(jù)采集造成了嚴(yán)重干擾。因此，工作中根據(jù)每一種方法的特點(diǎn)，針對(duì)性地采取了適當(dāng)?shù)谋茏尨胧?/p>

1)微動(dòng)探測：在布置檢波器時(shí)盡量避免近場強(qiáng)震動(dòng)源，選擇在車輛行人少或夜間干擾小的時(shí)候進(jìn)行施工，并適當(dāng)延長數(shù)據(jù)記錄時(shí)間，多次疊加消除干擾源。做好野外采集監(jiān)控措施，對(duì)強(qiáng)震動(dòng)干擾信號(hào)點(diǎn)減小信號(hào)增益，消除干擾源。通過改變檢波器組合方式，避免強(qiáng)震動(dòng)引起的干擾。做好野外記錄，在數(shù)據(jù)處理階段濾除或者剔除干擾時(shí)段采集的數(shù)據(jù)。

2)高密度電阻率法：對(duì)于硬質(zhì)路面采用底層濃鹽水澆灌，上覆含鹽潮濕錐形土塊，將電極垂直置于土塊中，增加電極接地耦合度。雜散電流干擾嚴(yán)重時(shí)在保持測線角度一致的情況下及時(shí)增加平移測線，保障資料品質(zhì)。

3)瞬變電磁法：本次工作采用了抗干擾的小線圈瞬變電磁法，自身的電磁干擾已經(jīng)得到很好的抑制。對(duì)于天然電磁場噪聲及人文噪聲，除了盡量遠(yuǎn)離電磁干擾源外，主要采用信號(hào)疊加(多疊加次數(shù)和多次重復(fù)觀測)和隨機(jī)雙極性采樣法來壓制干擾。對(duì)于風(fēng)動(dòng)噪聲，將發(fā)射、接收回線緊貼于地面，并用擋風(fēng)板放置于感應(yīng)探頭旁邊進(jìn)行防風(fēng)。

4)土壤氡氣測量：在城區(qū)施工的干擾點(diǎn)或難點(diǎn)主要是混凝土等硬質(zhì)地表及松散回填土層。面對(duì)硬質(zhì)地表時(shí)，可采取測點(diǎn)偏移或跳點(diǎn)處理，若偏移和跳點(diǎn)距離過大不符合技術(shù)要求時(shí)，采取電鉆輔助打孔的方式進(jìn)行采集；對(duì)松散回填土層則加大打孔深度，以進(jìn)入回填土層下部原生土20～30 mm為準(zhǔn)。此外，氡氣測量不宜在雨天進(jìn)行，如遇雨天，應(yīng)在雨后24 h開始采集。通過重復(fù)多次抽氣測量，去掉最大值和最小值，取平均值作為一個(gè)測點(diǎn)的最終氡氣探測結(jié)果。

3.3 資料處理

高密度電阻率法和瞬變電磁法的資料處理按照常規(guī)方法和流程進(jìn)行，下面重點(diǎn)介紹微動(dòng)探測和土壤氡氣測量法的資料處理方法及流程。

3.3.1 微動(dòng)探測

本次微動(dòng)探測的數(shù)據(jù)處理軟件主要采用驕佳技術(shù)公司的地震數(shù)據(jù)處理軟件(面波高級(jí)版)：Geogiga Surface Plus。數(shù)據(jù)處理分為預(yù)處理、提取頻散曲線和反演計(jì)算地層橫波速度結(jié)構(gòu)3個(gè)部分，處理成果是地層橫波速度結(jié)構(gòu)剖面。

微動(dòng)信號(hào)屬于微弱振動(dòng)，周圍出現(xiàn)人類活動(dòng)、自然環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)中包含很多干擾信息。因此，在提取頻散曲線之前，需要對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。主要包含以下幾種：剔除異常值、消除趨勢項(xiàng)、平滑處理、數(shù)字濾波和相關(guān)分析。

對(duì)預(yù)處理過后的微動(dòng)數(shù)據(jù)采用擴(kuò)展空間自相關(guān)法(ESPAC)進(jìn)行頻散譜的計(jì)算，并提取頻散曲線。詳細(xì)步驟如下：①基于不同距離(半徑)的微動(dòng)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)O與其他第i觀測點(diǎn)微動(dòng)信號(hào)的自功率譜S(f,roi)和互功率譜Soi(f,roi)，進(jìn)而得到空間自相關(guān)系數(shù)ρoi(f,roi)；②將ρoi(f,roi)與零階貝塞爾函數(shù)J0進(jìn)行擬合，最終求得微動(dòng)信號(hào)的相速度頻散曲線。

最后反演計(jì)算地層橫波速度結(jié)構(gòu)，即根據(jù)半波長法建立隨深度遞增的S波速度初始模型，然后采用個(gè)體群探索的分歧型遺傳算法，由相速度頻散曲線反演得到臺(tái)陣下方的S波速度結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。

3.3.2 土壤氡氣測量法

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理時(shí)，要充分利用計(jì)算機(jī)把盡可能多的信息歸納在一起，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度、多方法綜合處理，形成各種圖件，使之能真正反映出氡氣濃度的變化情況，便于客觀、正確地對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行推斷解釋。圖2為原始測量數(shù)據(jù)的處理流程。根據(jù)中國地震局活斷層探測標(biāo)準(zhǔn)以及土壤氡氣測量規(guī)范，本次工作將氡氣異常下限值設(shè)為測量均值與2倍標(biāo)準(zhǔn)差之和，同時(shí)將測量均值作為氡氣背景值。

圖2 土壤氡氣數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 The data processing flow chart of soil radon

4 資料解釋及斷層識(shí)別

4.1 L1測線物探成果綜合分析

L1測線沿城區(qū)的彭桂東路通盈街布置，測點(diǎn)布置在道路旁的綠化帶中，剖面總長度960 m。本測線采用微動(dòng)探測、瞬變電磁法和土壤氡氣測量3種物探方法進(jìn)行綜合勘探，探測成果見圖 3。

圖 3a為由微動(dòng)探測數(shù)據(jù)反演得到的0～110 m深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)構(gòu)剖面。根據(jù)工區(qū)地層剪切波速度特征，將S波速度結(jié)構(gòu)剖面劃分為4個(gè)地質(zhì)界面：填土—卵石土界線、基覆界線、強(qiáng)風(fēng)化層底界面和中風(fēng)化層底界面?；步缇€以上的第四系覆蓋層的橫波速度值范圍為100～500 m/s，其中S波速度小于250 m/s的地層主要是第四系填土，平均厚度約3 m，橫向分布較連續(xù)。根據(jù)以往的工程地質(zhì)資料，卵石土在青羊區(qū)、武侯區(qū)的平原區(qū)、河道帶狀平原地區(qū)廣泛分布，故推測覆蓋層中S波速度大于250 m/s的低速層為卵石層，平均厚度約為7 m，橫向分布較穩(wěn)定。覆蓋層以下的基巖主要為白堊系灌口組的砂泥巖。強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖地層橫波速度為500～800 m/s，平均厚度約為6 m，橫向分布均勻。中風(fēng)化砂泥巖的橫波速度為800～1 200 m/s，其厚度46 m，橫向分布穩(wěn)定。微風(fēng)化砂泥巖的橫波速度大于1 200 m/s。此外，在里程390～469 m之間，微動(dòng)反演成果圖上存在一個(gè)向下貫通的低速帶，速度值約600～1 000 m/s，推斷為包江橋隱伏斷裂破碎帶響應(yīng)，斷層性質(zhì)為逆斷層，埋深約15 m，斷層面傾角約60°，傾向ES，斷層破碎寬度約為18 m，斷層影響寬度約為40～60 m，縱向斷距不明顯。值得注意的是斷層上盤的橫波速度表現(xiàn)為均勻且連續(xù)的高值，說明基巖地層比較完整，但是斷層下盤的橫波速度則呈現(xiàn)出整體偏低且不均勻分布，推測為基巖中的巖石破碎帶或裂隙發(fā)育帶的響應(yīng)?？傮w來看，斷層上盤基巖地層的風(fēng)化程度較下盤基巖地層低，巖石比較完整。

圖3 L1測線物探成果Fig.3 The geophysical exploration result maps of line L1

圖3b為由瞬變電磁法數(shù)據(jù)反演得到0～200 m深度范圍內(nèi)的相對(duì)電阻率結(jié)構(gòu)剖面，同樣地，從上到下可以劃分出4個(gè)電阻率結(jié)構(gòu)層：第四系覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化基巖層。第四系覆蓋層厚度較薄，一般不超過20 m，產(chǎn)狀較為平緩，且橫向上具有一定的非均質(zhì)性。覆蓋層的相對(duì)電阻率值范圍為10～40 Ω·m，其中電阻率值小于30 Ω·m的部分主要是第四系填土或粉質(zhì)黏土，平均厚度約為6 m，橫向較連續(xù)分布；電阻率值大于30 Ω·m的低阻層推測為卵石層，平均厚度約為7 m，橫向分布較穩(wěn)定?；鶐r頂面埋深范圍是10～20 m，基巖電阻率隨深度逐漸增加且在橫向上存在不均勻性，說明基巖風(fēng)化程度隨深度逐漸變?nèi)酰瑱M向風(fēng)化程度也存在較大差異。基巖主要為白堊系灌口組的砂泥巖，強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖電阻率值為40～60 Ω·m，平均厚度約為7 m，橫向分布均勻；中風(fēng)化砂泥巖的電阻率值為60～100 Ω·m，其厚度43 m，橫向分布穩(wěn)定；微風(fēng)化砂泥巖的電阻率值大于100 Ω·m。結(jié)合微動(dòng)探測的結(jié)果認(rèn)為，在里程413～469 m之間，瞬變電磁反演電阻率剖面上呈現(xiàn)的向下貫通的低阻帶為包江橋斷裂破碎帶的響應(yīng)，斷層埋深約為20 m，斷層面傾角約為80°，斷層破碎寬度上寬下窄(約15～20 m)，斷層影響寬度約為25～55 m。此外，圖3b中斷層上下盤的低值區(qū)域與圖3a中的低橫波區(qū)域具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明微動(dòng)探測和瞬變電磁法的成果是可靠的。

圖 3c為L1測線的土壤氡氣測量結(jié)果。統(tǒng)計(jì)分析可知，本條剖面的氡氣背景值為6 287 Bq/m3，氡氣異常值下限為15 443 Bq/m3，故將大于氡氣異常下限值的區(qū)域劃為氡氣異常段。本剖面共有2處氡氣異常峰值，分布在里程350～445 m范圍內(nèi)。氡氣異常峰值之間存在一個(gè)低于異常值下限的極小值段，可能是由于復(fù)雜的地表環(huán)境和斷層破碎帶的非均勻性等因素引起。氡氣異常值分布范圍與微動(dòng)探測和瞬變電磁法推斷的斷層范圍存在重疊(重合里程為413～445 m)，故推測該段氡氣異常為包江橋斷裂的氡氣響應(yīng)帶。

通過微動(dòng)探測、瞬變電磁法以及土壤氡氣測量得到的L1測線地層結(jié)構(gòu)及斷層要素信息見表 2和表 3。從表中可以看出，微動(dòng)探測和瞬變電磁法兩種方法推斷的結(jié)構(gòu)層平均厚度十分接近，但是斷層要素信息差異較大；土壤氡氣測量提供了包江橋隱伏斷裂在測線上大致的分布范圍。由于瞬變電磁法存在淺層盲區(qū)且容易受到外界電磁干擾的影響，故本條測線的綜合物探成果以微動(dòng)探測的結(jié)果為主、以瞬變電磁法的結(jié)果為輔。最后，將3種物探方法的斷裂異常重疊里程段作為隱伏斷裂在測線上的位置(313～445 m)，斷層中心線位于里程429 m的位置，影響帶寬度約32 m。

表2 L1測線推斷地層結(jié)構(gòu)信息

表3 L1測線解釋斷層參數(shù)

4.2 L2測線物探成果綜合分析

L2測線沿城區(qū)的錦江大道布置，測點(diǎn)主要布置在道路旁的綠化帶中，剖面長度780 m，采用微動(dòng)探測、高密度電阻率法、瞬變電磁法和土壤氡氣測量4種方法進(jìn)行綜合勘探，探測成果見圖4。

圖4a為由微動(dòng)探測數(shù)據(jù)反演得到0～95 m深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)構(gòu)剖面。根據(jù)工區(qū)地層剪切波速度特征，將S波速度結(jié)構(gòu)剖面劃分為4個(gè)地質(zhì)界面：填土—成都黏土界線、基覆界線、強(qiáng)風(fēng)化層底界面和中風(fēng)化層底界面。基覆界線以上的第四系覆蓋層的橫波速度值范圍為100～500 m/s，其中速度小于250 m/s的地層主要是第四系填土或粉質(zhì)黏土，平均厚度約為5 m，橫向連續(xù)分布。根據(jù)地質(zhì)資料可知，成都黏土主要是分布于三圣鄉(xiāng)、十陵、塔子山公園等大部分范圍，結(jié)合鉆孔ZK-1的巖心數(shù)據(jù)，推斷覆蓋層中速度大于250 m/s的低速層為成都黏土，平均厚度約為12 m，橫向分布較穩(wěn)定。覆蓋層以下的基巖主要為白堊系灌口組的砂泥巖：強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖的橫波速度為500～800 m/s，平均厚度約為11 m，橫向分布均勻；中風(fēng)化砂泥巖的橫波速度為800～1 200 m/s，平均厚度約為46 m，橫向分布穩(wěn)定；微風(fēng)化砂泥巖的橫波速度大于1 200 m/s。在里程340～391.5 m之間，圖4a上等值線密集發(fā)育且呈現(xiàn)向下深凹的低速帶(約600～1 000 m/s)推斷為包江橋隱伏斷裂破碎帶的響應(yīng),斷層為逆斷層，埋深約20 m，斷層面傾角約75°，傾向NE，破碎帶寬度約為10 m，斷層影響帶寬度30～50 m，縱向斷距不明顯。斷層兩側(cè)基巖的橫波速度表現(xiàn)為均勻且連續(xù)的高值，說明地層整體上比較完整。下盤基巖的橫波速度總體上低于上盤基巖的，說明斷層上盤基巖相比下盤基巖的風(fēng)化程度較低、巖石更完整。此外，緊靠斷層面的基巖受斷層破碎帶的影響裂縫發(fā)育，在剖面上表現(xiàn)為相對(duì)低速。

圖 4b為由高密度電阻率法數(shù)據(jù)反演得到的0～150 m深度范圍內(nèi)的電阻率剖面。剖面中淺部電阻率值相對(duì)較低的地層主要為第四系覆蓋層，電阻率值范圍為5～16 Ω·m，電阻率值橫向變化大，說明覆蓋層的橫向非均質(zhì)性較強(qiáng)。下伏基巖整體表現(xiàn)為相對(duì)高阻，電阻率范圍為16～65 Ω·m?？傮w來看，基巖內(nèi)部沿縱向電阻率逐漸增大，為巖石風(fēng)化程度逐漸減小的響應(yīng)，中深部電阻率值小于40 Ω·m的區(qū)域推測為強(qiáng)—中風(fēng)化基巖，深部電阻率更高的區(qū)域?yàn)槲L(fēng)化基巖。另外，在里程311.5～368.5 m范圍內(nèi)存在一處低阻異常帶，結(jié)合地質(zhì)資料推斷為包江橋隱伏斷層，斷層埋深約22 m，傾向EN，視傾角60～80 °，斷裂破碎帶寬度約為10～15 m，斷裂破碎帶影響范圍寬度30～60 m，由于其內(nèi)部被地下水充填，故整體表現(xiàn)為低阻。

圖 4c為由瞬變電磁數(shù)據(jù)反演得到的電阻率剖面，同樣從上到下可以劃分出4個(gè)電性層：第四系覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化基巖層。第四系覆蓋層的電阻率范圍在10～40 Ω·m，其中電阻率值小于25 Ω·m的地層主要是第四系的填土或粉質(zhì)黏土，平均厚度約3.5 m，橫向連續(xù)分布。結(jié)合鉆孔ZK1的巖心資料以及微動(dòng)探測的解釋成果，進(jìn)一步將覆蓋層中電阻率大于25 Ω·m的區(qū)域劃分為成都黏土，平均厚度約為12 m，橫向分布較穩(wěn)定。強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖電阻率為40～60 Ω·m，平均厚度約為13 m；中風(fēng)化砂泥巖的電阻率為60～80 Ω·m，平均厚度約為45 m，橫向分布較穩(wěn)定；微風(fēng)化泥砂巖的電阻率大于80 Ω·m?？傊?，隨著深度的增加，下伏基巖的風(fēng)化程度逐漸變?nèi)酰瑱M向風(fēng)化程度存在較大的差異性。此外，在里程357～414 m之間存在一個(gè)明顯向下深凹的低阻帶，推斷為包江橋斷裂破碎帶的響應(yīng)，斷層埋深約23 m，斷層面傾角較大約80°，斷裂破碎帶寬度約為15 m，斷層影響帶寬度40～50 m，縱向斷距不明顯。值得注意的是，與斷層下盤基巖相比，斷層上盤基巖的風(fēng)化界面深度更淺、相對(duì)電阻率更大，即上盤基巖風(fēng)化程度較低。圖4c中，高值區(qū)與圖4b中基巖電阻率高值區(qū)一致，而中風(fēng)化基巖界面的起伏形態(tài)與圖4a也比較吻合，因此，3種探測方法的結(jié)果具有很好的一致性，這為獲得精確的綜合解釋成果提供了可靠依據(jù)。

圖4d為L2測線的土壤氡氣測量結(jié)果。統(tǒng)計(jì)分析可知，本條剖面的氡氣背景值為17 247 Bq/m3，氡氣異常下限值為41 047 Bq/m3，故將大于氡氣異常下限值的區(qū)域劃為氡氣異常段。本條剖面存在2處氡氣異常峰值，分布在里程286～384 m范圍內(nèi)。同樣，在氡氣異常峰值之間存在一個(gè)低于異常值下限的極小值段，這可能是由復(fù)雜的地表環(huán)境和斷層破碎帶的非均勻性等因素引起的。雖然氡氣異常值分布范圍與微動(dòng)探測和瞬變電磁法揭露的斷層范圍重疊段較短，但是氡氣異常值分布范圍與高密度電阻率法解釋的斷層范圍比較一致(重合里程為311.5～368.5 m)，故推測該段氡氣異常也是包江橋斷裂的氡氣響應(yīng)。

通過微動(dòng)探測、高密度電阻率法、瞬變電磁法以及土壤氡氣測量得到的L2測線地層結(jié)構(gòu)及斷層要素信息見表 4和表 5。從表中可以看出，微動(dòng)探測和瞬變電磁法兩種方法得到的結(jié)構(gòu)層平均厚度基本一致，但是填土厚度差異較大；土壤氡氣測量提供了包江橋隱伏斷裂在測線上大致的分布范圍。考慮到瞬變電磁法存在淺層盲區(qū)且容易受到外界電磁干擾的影響，故本條測線的綜合物探成果以微動(dòng)探測和高密度電阻率法的結(jié)果為主，以瞬變電磁法的結(jié)果為輔。最后，將4種物探方法的斷裂異常重疊里程段作為隱伏斷裂在測線上的位置(357～368.5 m)，斷層中心線位于里程362.75 m的位置，影響帶寬度約11.5 m。

表4 L2測線推斷的地層結(jié)構(gòu)信息

表5 L2測線解釋斷層參數(shù)

5 結(jié)論及討論

本文詳細(xì)介紹了微動(dòng)探測、高密度電阻率法、瞬變電磁法和土壤氡氣測量4種物探方法在城市隱伏斷裂探測中的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)采集、資料解釋和斷層識(shí)別進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，對(duì)各種方法的探測效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

探測結(jié)果顯示，在測線位置200 m以淺的地層主要分為兩層，即淺部的第四系覆蓋層和下伏白堊系灌口組砂泥巖地層。第四系覆蓋層可細(xì)分為填土和成都黏土或卵石土層，填土層在測線內(nèi)橫向連續(xù)分布，卵石土層僅分布在L1測線區(qū)域內(nèi)且橫向分布較穩(wěn)定，成都黏土則分布在L2測線范圍內(nèi)且橫向分布均勻。

本次根據(jù)物探成果推斷的包江橋隱伏斷裂走向約NE20°，傾向SE，視傾角在70°～77.5°，從淺到深傾角整體上逐漸變緩；斷層埋深范圍為15～21 m，從南向北呈逐漸變淺的趨勢(這與野外地質(zhì)資料吻合，即該斷裂在北部包江橋位置出露地表)；斷裂破碎帶寬度約12～18 m，斷裂影響帶寬度為30～55 m，無法準(zhǔn)確推斷縱向斷距；斷裂帶內(nèi)的橫波速度小于1 200 m/s，電阻率小于40 Ω·m。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雖然地質(zhì)推斷的斷裂位置和綜合物探推測的斷裂位置基本吻合，但是綜合物探獲得了更加準(zhǔn)確的傾向、傾角和埋深等斷層參數(shù)信息。

本次探測工作表明，由于城市建設(shè)改造、地表環(huán)境等因素的影響，由土壤氡氣測量法難以獲得比較準(zhǔn)確的隱伏斷裂的分布位置，只能給出一個(gè)精度較低的分布范圍，只有配合其他物探方法才能獲得比較準(zhǔn)確的位置信息。雖然瞬變電磁法容易受到城市環(huán)境中各種電磁干擾的影響，但是它具有探測深度大、施工效率高的優(yōu)勢，在做好干擾避讓措施和去噪處理的情況下也能獲得比較可靠的結(jié)果。高密度電阻率法對(duì)斷裂破碎帶比較敏感，但是對(duì)于地層結(jié)構(gòu)信息的識(shí)別能力較弱，只能獲得相對(duì)比較準(zhǔn)確的基覆界面，對(duì)基巖風(fēng)化界面以及第四系覆蓋層內(nèi)部的界面基本無能為力。微動(dòng)探測是一種綠色環(huán)保的物探方法，在做好干擾避讓和噪聲處理的情況下能夠獲得比較準(zhǔn)確的結(jié)果。綜上所述，在工作區(qū)采用上述方法組合探測隱伏斷裂具有良好的效果。

致謝：感謝項(xiàng)目組全體工作人員對(duì)本次研究工作的付出和努力，非常感謝審稿專家對(duì)本文的修改和建議。