可控源音頻大地電磁法在淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質調查中的應用

劉偉 靳立杰 閻海青 趙誠亮 周永剛 張存艷 梁云漢 于春楠

收稿日期：20231021；修訂日期：20231202；編輯：王敏

基金項目：山東省地質勘查項目《山東省1∶5萬大汶口、樓德幅區(qū)域地質調查》（SDZS-2015-GTT01）

作者簡介：劉偉（1989—），男，山東慶云人，高級工程師，主要從事區(qū)域地質調查與礦產勘查工作；Email：534681467@qq.com

*通訊作者：靳立杰（1987—），男，河北寧晉人，高級工程師，主要從事區(qū)域地質調查與礦產勘查工作；Email：jinlijie1987@163.com

摘要：根據已有地質和地球物理研究結果，大汶口、樓德地區(qū)存在多條隱伏斷裂。為了查明該區(qū)基巖面的起伏情況、斷裂的空間展布情況，在研究區(qū)完成了10條可控源音頻大地電磁測深剖面。結合區(qū)域地質資料對研究區(qū)域進行了綜合地質解釋，結果表明：可控源音頻大地電磁法可以反映不同深度電阻率分布情況，能夠較好地描繪出測線通過地段地層和地質構造空間分布情況；并揭示了蒙山斷裂、順義莊斷裂等隱伏斷裂的構造位置、性質、產狀等，與已有的區(qū)域地質資料給出的信息基本一致，為地質分析工作提供了可靠的基礎資料；CSAMT法已經成為探測隱伏斷裂的一種重要的地球物理手段，在淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質調查工作中有著廣闊的應用前景。

關鍵詞：CSAMT；覆蓋區(qū)；區(qū)域地質調查；隱伏斷裂

中圖分類號：P631??? 文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.009

引文格式：劉偉，靳立杰，閻海青，等.可控源音頻大地電磁法在淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質調查中的應用——以1∶5萬大汶口、樓德幅為例［J］.山東國土資源，2024，40（5）：5964.LIU Wei，JIN Lijie，YAN Haiqing， et al.? Application of Controlled Source Audio Magnetotelluric Sounding in Regional Geological Survey of Shallow Covering Area——Setting Dawenkou and Loude Sheets with the Scale of 1∶50000 as an Example［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：5964.

0? 引言

不同比例尺的區(qū)域地質調查是一項重要的國土資源國情調查工作，其調查成果是國土資源規(guī)劃、管理、保護和合理利用工作所依據的基礎資料，其工作質量很大程度上受到地質條件的制約。在基巖裸露區(qū)進行路線地質調查更易獲得豐富的地質信息，地質填圖的質量和精度比較高，然而，在第四紀沉積物覆蓋區(qū)，隱伏的巖石、地層、構造以及其他地質體的基本特征等信息無法直接觀察研究，利用零星露頭獲取的信息量少，填圖效果難以達到預期的要求。若通過槽探工程進行深部揭露，不僅大大增加經濟成本與工期成本，也不利于自然環(huán)境的保護。因此，充分利用地球物理電磁法探測技術方法的優(yōu)勢，提取有用的地質信息，是提高覆蓋區(qū)地質調查質量和效率的有效途徑［1］。

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）作為電磁方法中的一種，具有工作效率高、抗干擾能力強、勘探深度大、分辨率高等優(yōu)點［27］，目前，廣泛應用于石油、地熱、金屬礦產的勘探以及水文、工程、采空區(qū)勘探等各個領域［818］，并在隱伏斷裂探測的應用中取得了較好的效果［1921］。本文以1∶5萬大汶口、樓德幅為例，介紹了可控源音頻大地電磁法在淺覆蓋區(qū)地質調查中的應用。大汶口、樓德地區(qū)位于魯西中新生代斷陷盆地汶東凹陷內，分布多條隱伏斷裂。區(qū)內第四紀覆蓋嚴重，且厚度均＜50m，為典型的淺覆蓋區(qū)。鑒于以上情況以及CSAMT法的優(yōu)點，本次工作采用CSAMT法在區(qū)內進行隱伏斷裂的探測。通過對CSAMT視電阻率反演斷面圖的分析，同時結合地質資料進行綜合地質解釋，結果顯示出了基巖面起伏情況、主要斷裂的構造位置，斷層的傾向、斷距及發(fā)育規(guī)模，為區(qū)域地質調查工作提供了可靠的基礎資料。

1? 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)大地構造位置位于華北板塊（Ⅰ）魯西隆起區(qū)（Ⅱ）魯中隆起（Ⅲ）內，包括2個Ⅳ級構造單元（蒙山蒙陰斷隆和新甫山萊蕪斷?。┖?個Ⅴ級構造單元（布山凸起、汶東凹陷、汶口凹陷和蒙山凸起）［22］。區(qū)內南北兩側分別為蒙山凸起和新甫山凸起，中部為汶東凹陷和汶口凹陷，形成了“兩凸夾一凹”的構造格局。區(qū)內構造以脆性斷裂為主，發(fā)育有NW向斷裂、NE向斷裂及EW向斷裂，且多為隱伏斷裂，常構成斷塊的邊界，控制了區(qū)內主要構造面貌。區(qū)內NE向斷裂有磁窯斷裂、順義莊斷裂，其中順義莊斷裂走向多在25°～40°之間，在區(qū)內南部該斷層將月門溝群地層錯斷，向北至良莊鎮(zhèn)均為蓋層覆蓋。近EW向斷裂主要為徂徠山斷裂和后泗溝澗斷裂；NW向斷裂為蒙山斷裂，在區(qū)內均被第四系覆蓋，該斷裂總體走向310°～320°，傾向SW，傾角60°～70°，斷層性質為正斷層；該段裂在區(qū)內延伸約25 km，向南延伸至區(qū)外（圖1）。

研究區(qū)內地層主要分布于南部及東部，中部汶東凹陷內松散沉積物覆蓋嚴重。出露地層自下而上為古生代寒武紀長清群、寒武奧陶紀九龍群、奧陶紀馬家溝群、石炭二疊紀月門溝群、新生代古近紀官莊群及第四系。研究區(qū)侵入巖比較發(fā)育，主要出露于研究區(qū)的東南部和北部，其他地區(qū)零星出露，以新太古代中酸性侵入巖為主，另有少量中生代侵入巖脈，構成一系列呈NW—SE方向展布的山系（圖1）。

2? 地球物理特征

通過對各地層巖性的統(tǒng)計，研究區(qū)內沉積巖與侵入巖、侵入巖與構造破碎帶之間存在較為明顯的電性差異（表1）。沉積巖地層中巖性電性差異受地層年代及巖性影響，除新生代地層電性差異較小，難以區(qū)分之外，其他地層之間電性差異較為明顯，能夠通過電性特征對比進行區(qū)分。由于CSAMT法是利用巖石間的電性差異來達到勘探的目的，因此，研究區(qū)具備采用CSAMT法進行地球物理勘探的前提。

表1? 研究區(qū)地層巖石電阻率統(tǒng)計表地層主要巖性電阻率常見值/（Ω·m）第四系礫石、細砂及砂質黏土10～50古近紀官莊群泥巖、頁巖、油頁巖、石膏巖等20～50石炭二疊紀月門溝群泥巖、頁巖、煤層、粉砂巖等30～100奧陶紀馬家溝群、九龍群白云巖、灰?guī)r、細砂巖等100～500寒武紀九龍群、長清群白云巖、灰?guī)r、頁巖、石英砂巖等100～2000構造破碎帶構造角礫、細砂等50～200侵入巖（泰山、嶧山序列）細粒含黑云石英閃長質片麻巖、石英閃長巖102～105

3? 數據采集與處理

3.1? 數據采集

在研究區(qū)內開展可控源音頻大地電磁測深工作，垂直斷裂走向共布設10條剖面，測線編號分別為CSAMT1～CSAMT10，其中CSAMT7測線位于樓德幅西城前村南，汶東凹陷的東南部，全長1 km；CSAMT9剖面位于華豐鎮(zhèn)故城村與梁父村之間，汶東凹陷的南部邊緣，全長1 km（圖1）。

儀器采用美國Zonge公司GDP32多功能電法儀。測量裝置采用赤道偶極裝置，供電極距AB為1 200～1 600 m，測量極距MN及點距均為50m，收發(fā)距7～10 km，觀測頻率范圍0.125～8 192 Hz。野外數據采集中保證測量精度以獲得可靠的信息。CSAMT法裝置如圖2所示。

3.2? 數據處理

CSAMT數據處理采用Zonge公司提供的與GDP32多功能電法儀相配套的軟件包，經過數據預處理、靜態(tài)位移校正，最后使用SCS2D軟件對處理后的數據進行反演，生成反演電阻率斷面圖。

4? 資料分析與解譯

在大汶口、樓德地區(qū)完成了10條可控源音頻大地電磁測深剖面，經過數據預處理和剖面反演，生成了電阻率剖面圖。以CSAMT7、CSAMT9測線為例分析如下（圖3、圖4）。

CSAMT7測線視電阻率反演斷面圖如圖3所示。按電阻率差異，從上至下呈現低阻-高阻分布趨勢。在橫向上，剖面的中上部為連續(xù)分布的低阻層，厚度約400～500 m不等，推測主要對應古近紀官莊群大汶口組的泥巖、頁巖和第四紀松散沉積物，與區(qū)域上大汶口組地層厚度468.5～2 274 m基本一致。剖面的中下部在橫向上表現出明顯的中低阻-中高阻變化趨勢，其中測線西側點號1 050～1 250處，視電阻率呈現中低阻特征，推測對應巖石為石炭二疊紀月門溝群的泥巖、粉砂巖等；點號1 250～1 950處視電阻率呈現中高阻特征，可能為奧陶紀馬家溝群白云巖、灰?guī)r層的電性反映。

在測線西部，點號1 250～1 350位置，深度500 m以下，東西兩側視電阻率等值線出現較大的差異，等值線出現明顯的“陡坎”狀，顯示處斷裂特征。在測線中部和東部，點號1 450～1 550和1 750～1 950位置，深度400 m～500 m以下，視電阻率等值線發(fā)生扭曲變形，等值線橫向上不連續(xù)呈“V”字形異常且視電阻率值呈現相對低阻，這是斷裂致使地層破碎的反映。根據上述物性資料，結合地表發(fā)現已查明的斷裂構造等地質資料，將測線最東側點號1 750～1 950位置解釋為蒙山斷裂，斷裂傾向SW，傾角較陡，總體呈NW走向，為正斷層。視電阻率剖面圖顯示，該斷裂切穿了奧陶紀馬家溝群地層，未明顯切穿古近紀官莊群大汶口組地層，故其時代應在中奧陶世和古近紀之間。

CSAMT9視電阻率反演斷面圖如圖4所示。CSAMT9線地表覆蓋嚴重，偶見古近紀官莊群朱家溝組出露，區(qū)域上該地層在大汶口汶東凹陷內厚度一般＞150 m。根據測線電阻率特征，認為埋深0～180 m的低電阻特征是朱家溝組礫巖的電性反應。在埋深180 m以下，視電阻率呈現中高阻特征，結合測線南部地層的實際展布特征，認為180 m以下電性特征主要是月門溝群和馬家溝群地層的電性反應。在測線東部，在點號1 700～1 850處，深度200 m以下，視電阻率等值線發(fā)生扭曲變形，等值線橫向上不連續(xù)呈“V”字形異常且視電阻率值呈現相對低阻，結合地質資料，推斷為順義莊斷裂反應。在區(qū)內南部，該斷裂將石炭二疊紀月門溝群錯斷，表現出左行平移斷層性質，斷裂傾向NW，傾角70°～80°。斷層兩側地層均為石炭二疊系月門溝群地層。視電阻率剖面圖顯示，該斷裂未明顯切穿古近紀官莊群朱家溝組地層，故其時代應在早二疊世古近紀之間。

通過以上2條測線結果表明，可控源音頻大地電磁法可以反映不同深度電阻率分布情況，能夠較好地描繪出測線通過地段地質體展布形態(tài)，推斷了區(qū)內隱伏斷裂（蒙山斷裂、順義莊斷裂）的位置、產狀及性質，與區(qū)域上地質認識基本一致，證明CSAMT法在淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質調查工作中的應用效果顯著。

5? 結論

（1）大汶口、樓德地區(qū)位于魯西中生代斷陷盆地汶東凹陷內，第四系覆蓋嚴重，傳統(tǒng)地質調查方法難以獲得隱伏基巖地質構造特征，通過采用可控源音頻大地電磁法，揭示了區(qū)內蒙山斷裂、順義莊斷裂等隱伏斷裂的位置、性質及其空間展布特征，與已有的區(qū)域地質資料給出的信息基本一致，CSAMT法在淺覆蓋區(qū)區(qū)域地質調查工作中取得了良好的應用效果。

（2）可控源音頻大地電磁法是一種頻率域測深方法，可以獲得不同深度的電性分布結構，反映測線涉及范圍內不同地層的埋深。汶東凹陷東南部樓德鎮(zhèn)附近古近紀官莊群厚度約400～500 m，凹陷南部古近紀官莊群厚度約150～200 m，與區(qū)域地層厚度相一致。

（3）由于目前只做了基礎性的探測工作，需要通過鉆孔資料結合其他的探測手段進一步分析斷裂性質、地層地質時代和巖性，最后對斷裂的活動性進行評價。

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Application of Controlled Source Audio Magnetotelluric Sounding in Regional Geological Survey of Shallow Covering Area——Setting Dawenkou and Loude Sheets with the Scale of 1∶50000 as an Example

LIU Wei1，2，JIN Lijie1，2，YAN Haiqing3，ZHAO Chengliang1，2，ZHOU Yonggang1，2，ZHANG Cunyan1，2，LIANG Yunhan1，2，YU Chunnan1，2

（1. No.1 Exploration Institute of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'nan 250014，China；2.Shandong Engineering Research Center for Exploration and Development Technology of Rich Iron Deposit，Shandong Ji'nan 250014，China；3. Shandong Testing Center of China Metallurgical Geology Bureau ， Shandong Ji'nan 250013，China）

Abstract：According to the results of geological and geophysical studies， there are several hidden faults in Dawenkou and Loude areas. In order to find out the raise and fall of bedrock and the spatial distribution of faults， 10 controlled source audio magnetotelluric sounding profiles have been completed in the study area. Combining with regional geological data， comprehensive geological interpretation of the study area has been carried out. It is showed that the controlled source audio magnetotelluric sounding method can reflect the resistivity distribution at different depths， and describe the spatial distribution of strata and geological structures in the section through which the survey line passes. The structural location， properties， and occurrence of hidden faults， such as the Mengshan fault and Shunyizhuang fault have been revealed， which are basically consistent with the information provided by existing regional geological data. It will provide reliable basic data for geological analysis work. The CSAMT method has become an important geophysical tool for detecting hidden faults and has broad application prospects in geological surveys in shallow coverage areas.

Key words：CSAMT; covering area; regional geological survey; hidden faults