兩種不同物探手段在旌陽區(qū)隱伏斷裂研究中的應用

1、兩種不同物探手段在旌陽區(qū)隱伏斷裂研究中的應用*崔志軍1，吳勇，冉濤，高東東，王輝濤，張敏（1.成都理工大學，四川 成都，610059；）摘要：采用瞬時測氡儀FD-3017，對旌陽區(qū)內旌陽水庫壩址區(qū)及其附近烏龜梁子一帶范圍內進行地下氡氣測量。對所獲得的數(shù)據(jù)進行相關計算分析，并結合地質工作現(xiàn)場驗證，初步推測出隱伏斷裂帶空間分布位置；利用音頻大地電磁測深（AMT）勘探方法對上述測氡異常區(qū)進行驗證性測量，進一步確認和解譯了該區(qū)隱伏斷裂的存在，增強了成果的可靠性，克服了單一物探方法結果可信度低和其他物探方法費時、成本高等難題。在實際工作中該綜合物探方法為其他物探方法、工程實施等提供借鑒達到節(jié)約投資,縮短

2、勘探時間的目的,并可與地質分析相互驗證,為工程應用提供依據(jù)。該方法在德陽地區(qū)尋找地熱資源的初步應用中取得的顯著的工作效果。關鍵詞：水文地質；氡測量；隱伏斷裂；斷層走向；音頻大地電磁法；張性斷裂0.引言測氡技術不僅應用于找礦、尋找地下水源、地震預報、環(huán)境監(jiān)測、油氣勘探、巖溶塌陷探測等領域,而且在尋找覆蓋區(qū)地下隱伏斷裂的空間分布位置及分析評價其相對活動性的應用也日益廣泛?！?.12”汶川地震后, 德陽市境內某些重要廠址所在區(qū)域的地質穩(wěn)定性調查工作逐步展開, 其主要目的就是確定有無地下隱伏斷層(破碎帶)經(jīng)過場址區(qū)域。因此,查找隱伏淺層斷層(破碎帶), 判定其空間分布位置和走向是本次工作的主要內容。本

3、次在德陽市旌陽水庫壩址區(qū)及近場區(qū)的工作范圍內,首先開展了較為系統(tǒng)的斷層氡氣測量工作取得了大量原始測氡數(shù)據(jù)資料。其工作的目的是應用測氡方法尋找隱伏地質構造并確定其位置。本文在簡述了測試工作的目的、方法、資料處理等有關工作情況的基礎上, 進而作了典型測試成果剖面的解釋分析,最后進行了測試成果的對比、分析及評價,驗證了該區(qū)附近隱伏斷裂的存在。考慮到單一物探方法的局限性及增強結果的可靠度，在氡氣含量異常區(qū)又采用了音頻大地電磁測深方法進行了驗證性測量，其解譯結果再次證實了該區(qū)隱伏斷裂存在的事實。上述兩種物探手段相結合的方法，在尋找隱伏斷裂并確定其空間位置方面展示了較高的工程應用價值和廣闊的應用前景。1.

4、地表氡異常的形成機理巖石由于構造運動受力后發(fā)生不同程度的變形，從彈性階段到塑性階段直至破裂。到達破裂階段后，巖石整體性遭到了破壞，失去了連續(xù)性，稱為斷裂構造1（王志成，2006）。這種構造對地下水的運移和賦存有重要的作用。由于斷裂對巖層的破壞，可使巖石（地層）的局部地段由原來所處的系統(tǒng)狀態(tài)，變成了非封閉狀態(tài)，因而壓力降低2（楊曉，1991）。在這種情況下，地下的氡氣通過構造、裂隙、地下水搬運由深部向地表遷移。因此,測量氡氣的濃度可間接反映地質體的裂隙系統(tǒng)的情況,并可分析其開啟度、連通性及破碎程度3-4（Monhamed M,2003；Khayrat A H et al,2001）。地下深處氡氣

5、具備以下特點：1.氡氣來自地下，來源單一，能真實反應地下的變化情況；2.氡氣不參與任何化學作用，能反映出它在水中溶解的真實含量；3.氡氣受到壓力的影響時，可由壓力大的地方向壓力小的地方運移；2.工作原理及方法2.1測氡工作原理及方法本次測試采用FD3017RaA測氡儀，它由抽氣泵和測量操作臺兩部分組成，是一種常用的瞬時測氡儀器。它是利用氡衰變后的第一代子體RaA的帶電特性，采用外加高壓電場的方式，收集衰變子體RaA產生的粒子，得到脈沖計數(shù)，一般脈沖計數(shù)可反映氡的相對量。本次測試時段選用了脈沖180s定量觀測。其測量對象是氡衰變的第一代短壽子體RaA。由于RaA 離子在開始形成的瞬間具有帶正電的

6、特性，故可采用加電場的方法將它濃集在帶負高壓的金屬收集片上。經(jīng)過加電收集后，放入由金硅面壘型半導體探測器和相應的電子線路組成的操作臺上測量，只有RaA 的脈沖信號最后進入計數(shù)電路，在液晶屏上顯示出來。其強度與氡濃度成正比，按CRn = J × NRaA （1）可直接計算氡濃度。式中，CRn為氡濃度；NRaA為RaA 的計數(shù)； J 為換算系數(shù)( Bq /m3 ) /脈沖，由標定確定，此系數(shù)包括了裝置的子體收集效率和探測器效率等因素5（盧焱，戴麗君，1995）。儀器工作原理：氡氣抽入筒內后，衰變產生新的子體RaA，它在初始形成的瞬間是帶正電的離子。RaA離子在電場作用下被濃集在帶負高壓的

7、金屬收集片上，將金屬片放入到操作臺探測器內測量RaA的放射性。野外測量方法如下:(1) 將經(jīng)校正的儀器安裝完畢后,現(xiàn)場進行校正；(2) 用細鋼釬在待測點打導向孔,插入取樣器,并壓實表層松土,防止大氣滲入；(3) 將收集金屬片放置于高壓收集器中；(4) 抽氣:將抽氣泵閥門置于“吸”的位置,抽氣并排氣12 次；(5) 將清泵后的泵筒抽滿氣后,立即加高壓3 分鐘；(6) 將加高壓后的收集片在10 秒內放入計數(shù)探測器中記數(shù)3 分鐘；(7) 記錄相關測試數(shù)據(jù)；(8) 轉入第二測點,重復(1) 至(7) 的操作。野外測量過程應當注意，在潮濕、地勢較低的地區(qū)工作時，要提防地下水進入干燥器和提筒內腔，損害測量

8、儀器6（陳希泉等，2011）。放片、換片時注意收集片的標記，以防將收集片位置放反而無法得到正確的測量結果。取樣器插入土壤中，并用鋼釬打好抽氣孔后及時將土壤密閉踩實，以免漏氣影響測量結果。2.2音頻大地電磁測深（AMT）勘探原理及方法音頻大地電磁法原理基于大地電磁測深法原理，是在上世紀五十年代初期提出的一種較新的地球物理探測方法。大地電磁場（又稱天然場）是MT的場源，當大地電磁場入射到地下時，一部分被介質吸收衰減，一部分反射到地面，反射地面部分帶有反映地下介質電性特征的電磁場信息7-8（何繼善等，1989；石昆法，1999）。通過觀測地面上的電、磁場分量，通過數(shù)據(jù)預處理可得到視電阻率（或相位）頻

9、率曲線。由視電阻率頻率曲線通過一定的反演方法可獲取地下不同深度的電阻率分布。下式是表征均勻各向同性大地介質條件下地面電磁分量與大地電阻率的關系。它也是音頻大地電磁法最基本的公式。 (2)式中為電阻率，為角頻率，為磁導率，Z為波阻抗，E為電場，單位毫伏/千米，H為磁場，單位伽馬。野外工作示意圖如圖2-1。圖2-1 音頻大地電磁法野外測站示意圖Fig.2-1 Audio magnetotelluric field station schematic影響資料質量好壞的因素有許多，既有主觀因素又有客觀因素。為了獲得高質量的原始資料，在野外施工時按下述情況執(zhí)行：1.掌握天然場源信號的規(guī)律性，盡可能在天然

10、場信號強的時段組織野外數(shù)據(jù)的采集工作；2.在人文干擾、地質干擾等較嚴重時，調整增益等條件進行觀測；3.延長觀測時間，增強功率譜的迭加次數(shù)，提高信噪比；4.接地電阻較高時，采取電極坑底部墊土，坑內澆注鹽水，降低接地電阻。3.氡測試成果分析本次測氡主要針對旌陽水庫以西區(qū)域?？紤]到測量范圍地形條件復雜，植被茂密，嚴格按網(wǎng)格布置方式難以實現(xiàn)，采用垂直于綿遠河走向（區(qū)域出露背斜推測走向）布置。按照在特殊地段加密或重復測量,減小人為誤差等布置原則，共布置了21條測線（測點少于6個的測線未統(tǒng)計），共計560個測點，測線剖面測試點距為2050m，剖面間距為20100m，部分測段因出現(xiàn)異常而加密到510m。3.

11、1干擾因素分析測氡研究表明,測氡結果主要受儀器的穩(wěn)定性、放射性漲落、外界強干擾(如突然震動、爆炸、濕度過大等)因素影響(方方等，1992)。其中外界強干擾是引起“偽異常”的最主要因素9（方方，唐紅，葛君偉，1992）。測試中避免了震動和爆炸的干擾；旌陽水庫大壩西側下游區(qū)域某些濕度較大部位的氡的脈沖計數(shù)較大,如水庫西側綠林垂釣院內濕度較大,氡的脈沖計數(shù)較大,反映了該區(qū)域為一匯水區(qū)的水文特征,在此濕度過大并非干擾因素,而能通過氡測試反映水文地質特征;另外,在氡脈沖計數(shù)較大的點附近加密或重復測量,避免了儀器的穩(wěn)定性放射性漲落的影響,使測試結果能反映地質異常。3.2背景值及異常值的確定對整個測區(qū)的實測

12、數(shù)據(jù)采用三種不同統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計分析10（衛(wèi)宏，2008）。方法1：將所有測量點的數(shù)據(jù)用來統(tǒng)計方法2：去掉0脈沖點值后進行統(tǒng)計分析方法3：去除小于等于10的測點后進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結果如下表3-1旌陽水庫測區(qū)氡氣子體脈沖測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab. 3-1 Jingyang District reservoir measured radon progeny pulse measurement data tables統(tǒng)計結果統(tǒng)計點數(shù)平均值背景值標準差（）偏高（X+1）異常（X+2）高異常（X+3）全部測點56037.17.265.4102.5167.9233.2去掉041646.28.770.1116.2

13、186.3256.3去掉1024473.811.878.5152.2230.7309.2考慮野外工作部分測點土質含水量較大的影響同時更好的體現(xiàn)實際情況，本測區(qū)選用第二種統(tǒng)計方法，即全部測點以平均值與2倍標準偏差之和作為測區(qū)異常值標準來劃分為全測區(qū)的異常值。本次測區(qū)區(qū)域的地氣氡的背景值8.7，異常值標準為186.3。3.3氡氣測量成果及分區(qū)解譯利用Surfer 8.0中的Kriging網(wǎng)格化方法繪制氡氣子體脈沖值等值線圖（圖4-1），反映調查區(qū)內氡氣子體脈沖值的分布特征，同時也能推測出可能存在的隱伏構造及其走向。由氡氣值統(tǒng)計表并結合異常值統(tǒng)計表可以確定旌陽水庫測區(qū)內存在4處異常分布，分別為命名為

14、異常區(qū)A、異常區(qū)B、異常區(qū)C和異常區(qū)D，旌陽水庫地區(qū)測區(qū)氡氣子體脈沖等值線圖見下圖4-1。圖3-1旌陽水庫地區(qū)測區(qū)氡氣子體脈沖等值線圖Fig. 4-1 Regional District of radon progeny test pulse contour map Jingyang reservoir異常區(qū)A：該氡氣子體脈沖異常值分布區(qū)地理位置上主要位于大地村招呼站東側至大同水庫之間的稻田內。此處異常面積較大，野外測量中該異常區(qū)域內存在7個異常點脈沖值。異常值分別為218、199、372、245、585、204、221。最大氡氣測值達到585，并且該測值周圍氡氣測值均小于100，由此可推測該

15、點周圍區(qū)域為一異常值分布區(qū)。根據(jù)此范圍內的氡氣測值所描繪出的氡氣子體脈沖等值線圖，推測A異常區(qū)內可能存在一條隱伏斷裂構造，隱伏斷裂走向約為20°。B異常區(qū)：該氡氣子體脈沖異常值分布區(qū)地理位置上主要位于大同水庫西側附近。異常值所構成的氡氣脈沖值異常區(qū)在地形上也大致呈長條帶狀分布。該異常區(qū)內主要有4個氡氣子體脈沖值超過異常界線。異常值大小分別為196、337、217、194。其中最大異常值為337，該異常點所在測線上周圍氡氣值點均小于異常值界線，且測值逐漸降低，由此推斷該測點周圍為一異常值分布區(qū)。根據(jù)該異常區(qū)內所有測線所描繪的氡氣等值線走勢，推測該處可能發(fā)育有一條隱伏斷裂構造，走向近20

16、°。C異常區(qū)：該異常區(qū)位于烏龜梁子西側稻田內，在測區(qū)內測點所描繪的等值線圖上異常值點呈單峰狀分布。異常區(qū)分布面積范圍不大，并且位于丘陵區(qū)與平原區(qū)的過度地帶。野外測量中該測區(qū)共有4個異常脈沖值，測值大小分別為301、217、666、377。該測區(qū)內有一氡氣子體脈沖值達到了666，為本次旌陽區(qū)氡氣測值最大值。并且在該最大值點周圍氡氣測值均圍繞該值逐漸減小，據(jù)此可初步將該區(qū)定為異常區(qū)。根據(jù)此處所有測線上測值點所描繪的氡氣等值線走勢圖，可推測本區(qū)可能存在一條隱伏構造，走向約為20°。又因該區(qū)東側的烏龜梁子為一背斜褶皺構造，故可初步判定該推測構造可能與烏龜梁子背斜褶皺具有一定關聯(lián)，需

17、進一步加強相關工作。D異常區(qū)：該異常區(qū)主要分布于旌陽水庫西側圣水灣及綠林垂釣附近。異常區(qū)地形上呈長條狀分布。該異常區(qū)面積較大，氡氣異常值點分布較多，共13個，且異常值點分布趨勢大致圍繞旌陽水庫周邊。同時在旌陽水庫附近一條氡氣剖面線上，連續(xù)出現(xiàn)兩個測點的脈沖值均在200以上，最大值為525，另一個為300。在該測區(qū)內，發(fā)現(xiàn)在圣水灣與綠林垂釣兩處各有泉點出露。且均流量較大，常年往外冒水。并且值得注意的是此兩處泉點的附近地區(qū)也正好是本測區(qū)的氡氣子體異常值分布區(qū)。最后根據(jù)此異常區(qū)內的氡氣子體測值等值線圖走勢，初步推測該區(qū)內發(fā)育一隱伏斷裂，走向近20°。和一褶皺背斜構造，該褶皺背斜和毛狗洞背斜

18、構造以及烏龜梁子背斜構造存在某些關聯(lián)。4.音頻大地電磁測深（AMT）勘探對異常區(qū)的驗證4.1 AMT工作布線及測量成果根據(jù)前期氡氣子體放射性測量成果所反映出來的四個異常區(qū)分布位置以及相關地質、水文地質、遙感影像線索在旌陽水庫壩址以西橫穿異常區(qū)平行布設了3條（JY1、JY2、JY3）間距100m的AMT視電阻率斷面測線，共計70個測點，測線總長3.6km。圖4-1 旌陽水庫312線音頻大地電磁測深工作布置圖Fig. 4-1 Jingyang reservoir 3-1-2 line audio magnetotelluric sounding job layout3條AMT測線的測量結果所計算的

19、測深視電阻率xy曲線類型如下表：JY1線點號12345678曲線類型AAQQHAHAAAAAAAAK點號910111213141516曲線類型QHQQAAAAKQKQAAAA點號1718192021222324曲線類型QHKHAKAAKQKQQQKQ點號252627282930曲線類型KQHKQQKQKHKQJY2線點號12345678曲線類型HKQQHAKHKHKHHKAK點號910111213141516曲線類型AKQQKQKQKHKQKHKH點號17181920曲線類型KQKQKQKQJY3線點號12345678曲線類型KQHKQHQHAAKHKQKH點號910111213141516曲

20、線類型KHAAAAAAAAHAHQH點號17181920曲線類型HKKQKQKQ曲線類型AAKQKHKQHKKHKQ3條方位相同的測線的測深視電阻率xy曲線類型有一定的可比性。這些變化的地方也即電性層在測線方向上變化的地方，也即是地層橫向缺失、巖性、構造發(fā)生變化的區(qū)域。4.2音頻大地電磁測深（AMT）勘探驗證結果分析1.旌陽水庫1線視電阻率反演斷面特征及推斷解釋圖4-2為旌陽水庫1線大地電磁測深視電阻率反演斷面圖，旌陽水庫1線大地電磁測深剖面共計30個音頻大地電磁物理點，測深剖面方位為北西南東向。根據(jù)該測線反演斷面圖可知，測線所經(jīng)區(qū)域內共存在三處斷層破碎帶。分別位于58、1213、2225測點

21、之間。測點58分布范圍處于旌陽水庫壩址西側圣水灣及綠林垂釣附近；測點1213正好位于烏龜梁子山上；測點2225位于拱橋村某處。測量解譯結果所反映出的斷層破碎帶與區(qū)域氡氣子體測量所解譯的斷層構造破碎帶存在范圍大致重合。圖4-2 旌陽水庫1線大地電磁測深視電阻率反演斷面Fig. 4-2 Jingyang reservoir sounding a line of apparent resistivity inversion section2.旌陽水庫2線視電阻率反演斷面特征及推斷解釋旌陽水庫2線大地電磁測深剖面共計20個音頻大地電磁物理點，測深剖面方位為北西南東向。從旌陽水庫2線大地電磁測深反演圖看

22、，在567號測點的下方是相對低電阻率分布區(qū)域，此低電阻率低值區(qū)一直向下延伸到深部；在1112號測點的下方也是一個電阻率相對低值區(qū)域，也是一直向下延伸。567和1112下方的低電阻率區(qū)域在海拔標高-900米的深部視乎是連通的。在567和1112下方的低電阻率區(qū)域的兩側是視電阻率相對高值區(qū)域，電阻率在橫向上是不連續(xù)的，據(jù)此推斷在此兩個位置是構造破碎帶。測點567位于氡氣異常區(qū)D，1112位于烏龜梁子附近，1920位于氡氣異常區(qū)C。測量解譯結果所反映出的斷層破碎帶與區(qū)域氡氣子體測量所解譯的斷層構造破碎帶存在范圍大致重合。圖4-3 旌陽水庫2線大地電磁測深視電阻率反演斷面圖Fig. 4-3 2-wir

23、e Jingyang reservoir sounding sectional view of the apparent resistivity inversion3.旌陽水庫3線視電阻率反演斷面特征及推斷解釋圖5-4為旌陽水庫3線大地電磁測深視電阻率反演斷面圖，旌陽水庫3線大地電磁測深剖面共計20個音頻大地電磁物理點，測深剖面方位為北西南東向。根據(jù)該測線反演斷面圖可知，測線所經(jīng)區(qū)域內共存在三處斷層破碎帶，分別位于67、1213、1819測點之間。測點67分布范圍處于旌陽水庫壩址西側圣水灣及綠林垂釣附近；測點1213正好位于烏龜梁子山上；測點1819位于氡氣異常區(qū)C附近。測量解譯結果所反映出的

24、斷層破碎帶與區(qū)域氡氣子體測量所解譯的斷層構造破碎帶存在范圍大致重合圖4-4 旌陽水庫3線大地電磁測深視電阻率反演斷面圖Fig. 4-4 3-wire Jingyang reservoir sounding sectional view of the apparent resistivity inversion5.結論1.采用瞬時測氡儀FD-3017進行區(qū)域氡氣測量在尋找地下隱伏斷層破碎帶方面研究中，相對其它物探方法具有操作簡便、快速、準確、信息可靠、經(jīng)濟、實用等特點。2.根據(jù)AMT視電阻率反演斷面圖顯示，推測旌陽水庫壩址以西200700m范圍內存在兩條斷裂帶，其中烏龜梁斷裂已在毛狗洞磚廠發(fā)現(xiàn)岀

25、露；旌陽水庫壩址西側200350m一帶地表以下5001500m均有低阻異常顯示，具有斷裂帶狀特征。3.采用瞬時測氡儀FD-3017對旌陽水庫壩址區(qū)及附近烏龜梁子一帶進行氡氣測量，推測壩址區(qū)及烏龜梁子存在隱伏斷層破碎帶，然后利用音頻大地電磁測深（AMT）勘探方法進行驗證性測量，加強了結果可信度，。建議下一步為保證水庫壩址安全采取相關加固處理措施。參考文獻：1王志成土氡測量在?？谑谢顒訑鄬犹綔y中的初步應用J華南地震，2006，26(4):61662楊曉射氣測量探尋斷裂構造的應用效果J桂林冶金地質學院學報，1991，11(2):1841903 Monhamed MSoil radon survey

26、for tracing active fault: a case study along QenaSsfaga road ，Eastern Desert，EgyptJRadiation Measurements，2003，37(3) : 2112164 Khayrat A H，Oliver M A，Durrani S AThe effect of soil particle size on soil radon concentrationJRadiation Measurements，2001，34: 3653715盧焱,戴麗君. RaA 測氡技術及應用J. 長春地質學院學報,1995 , 2

27、5 (2) : 2122156陳希泉,陳頡,羅先熔等.地氣（氡氣）測量方法尋找隱伏含礦斷裂試驗J.物探與化探,2011,35（6）.7何繼善等.可控源音頻大地電磁法M.長沙：中南工業(yè)大學出版社，1989.8石昆法.可控源音頻大地電磁法理論與應用M.北京：科學出版社，1999.9方方,唐紅,葛君偉.放射性勘探簡明教程R.成都:成都地質院,1992. 10衛(wèi)宏. 測氡數(shù)據(jù)相似性分析J.核技術,24(6):478482Two different geophysical methods in Jingyang buried faults research applicationsCUI Zhi-jun

28、,Wu Yong,RAN Tao,GAO Dong-dong,WANG Hui-tao,ZHANG Min(Chengdu University of Technology,Sichuan,Chengdu,610059)AbstractInstantaneous measuring radon FD-3017, Jingyang Jingyang within the reservoir dam area and its nearby area range land tortoise Xialiangzi Under radon measurements. The obtained data related computational analysis, combined with field-proven geological work, initially speculated buried fault With spatial location; utilize audio