范 尧， 邹连庆 ， 张泽平， 宋金平， 时 晨

(1.山东省水利勘测设计院， 济南 250013；2.山东省地质环境监测总站，济南 250014；3.中国建筑材料工业地质勘查中心 山东总队，济南 250014)

综合物探方法在复杂断层区调查中的应用分析

范 尧1， 邹连庆2， 张泽平1， 宋金平1， 时 晨3

(1.山东省水利勘测设计院， 济南 250013；2.山东省地质环境监测总站，济南 250014；3.中国建筑材料工业地质勘查中心 山东总队，济南 250014)

温泉出露区水文地质条件、断裂构造一般比较复杂，这里以某一温泉断裂带水文地质、构造地质调查为实例，通过采用高密度电法结合瞬变电磁法的综合运用，查明了该场区断层的分布及构造特征。经研究表明，综合物探方法在此类区域进行地质调查中的应用能够取得很好的效果。

综合物探； 断裂带； 温泉； 水文地质

0 前言

温泉出露区域地质条件一般比较复杂，温泉的形成又是各种地质作用的结果，地下温泉的活动与区域断裂带的分布密切相关[1-2]；温泉出露的地区，地下岩层的各种地球物理场均产生不同程度地变化[3-4]。综合利用地球物理方法进行断裂带水文工程地质条件分析判别，不仅能够探测断裂构造的空间位置，而且根据地球物理场异常特征，还可对含冷、热水构造或热蚀变区(带)进行区分[5-6]。因此，在表层地质和水文地质研究难于深入的情况下，结合地球物理勘探方法进行复杂断层区地研究，以及更深一步寻找温泉热水是可行的。

1 研究区地质及地球物理概况

1.1 地层岩性

研究区所在区域主要地层有震旦系、寒武系、奥陶系、志留系和第四系。总体上是从南西往北东方向由老向新递变的(图1)。其中震旦系地层由下统莲沱组(Z1l)、中统南沱组(Z2n)和上统陡山沱组(Z3d)、灯影组(Z3dn)组成；寒武系地层由下统天河板-石龙洞组(∈1t-sl)、中统覃家庙群(∈2qn)和上统三游洞群(∈3sh)组成；奥陶系地层由下统南津关组(O1n)、分乡组(O1f)、红花园组(O1h)、大湾组(O1d)，中统牯牛潭组(O2g)、庙坡组(O2m)、宝塔组(O2b)，上统临湘组(O3l)、五峰组(O3w)组成；志留系地层由下统龙马溪组(S1l)和罗惹坪组(S1lr)组成。

研究区内主要地层出露情况：①震旦系灯影组(Z2dn2)，该地层岩组主要分布于研究区西南侧，是一套碳酸盐岩沉积，为中厚-厚层白云岩；②寒武系天河板-石龙洞组(∈1t-sl)，该地层岩组主要分布于研究区西侧、南侧，以灰色、深灰色泥质条带灰岩、泥质白云岩为主；③奥陶系(O)地层，主要分布于汤池湾南侧，研究区内对其各地层进行各组并层处理，下统并层各组岩性主要以生物碎屑灰岩、页岩、泥质灰岩、白云岩为主，中统并层各组主要以龟裂纹灰岩、瘤状灰岩、页岩、泥灰岩为主，上统并层各组岩性主要以硅质岩、页岩、瘤状灰岩为主；④志留系(S)地层，该地层局部分布于汤池湾南部和广泛分布于研究区的北东部，该套地层由下统龙马溪组(S1l)和罗惹坪组(S1lr)组成，其中龙马溪组地层岩性为黄绿色页岩，罗惹坪组地层岩性为黄绿色薄层泥质粉砂岩、细砂岩夹含铁锰质砂岩透镜体；⑤第四系(Q)地层，主要于汤池湾北部沿河两岸带状沉积分布，岩性主要以砂性土及砂砾石为主。

图1 研究区区域地质图Fig.1 Regional geological map of the study area

图2 研究区地质剖面图Fig.2 Geological cross-sectional view of the study area

1.2 地质构造

研究区区域褶皱、断裂等构造均较发育，区内奥陶系和寒武系中断层极为发育，研究区主断裂有走向为NW-SE向逆冲断层F1及走向为NE-SW向正断层F2，该断层组的存在是研究区温泉地热形成的基本条件。断层的具体展布情况见图1。

1.3 地球物理

地球物理方法地应用条件包括：①研究区地质体与围岩物理性质的差异性较明显，引起地质体的几何参数的异常，地球物理场的噪声水平，其中物理性质的差异对于地球物理方法的效果显得更为重要，但不同的地球物理方法对地质体与围岩物理性质的差异程度的要求也是不同的[7]。②研究区内地层空间分布特征明显，岩性各异，使岩、土体介质的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异具备了物理基础，针对电法勘探有利于观测和研究区内各物理场的变化和分布规律性，含水岩层本身是一有限导电地质体，其瞬变电磁响应表现为“中间低两侧高”的异常特征，围岩电阻率较小时，围岩中“环流”集流响应的支配作用使瞬变电磁异常特征更为明显，加上含水岩体上经受激发极化效应地影响，含水岩层上甚至可以测量到负的瞬变电磁响应，具有这类地球物理特征的地质体，通过瞬变电磁法探测其地下低阻异常体(含水构造体)有着探测精度高(特别是横向分辨率高)的特点，适合水文地质物探工作的要求。

2 水文地质条件分析

2.1 热储构造

根据区域地质构造、水文地质条件以及现场地质测绘可知：北西向为一逆断层F1，属一阻水构造；北东向为一正断层F2，属一导水构造。这两组断裂构成了该区域的典型温泉构造体系，该温泉构造地质条件具备隔水保温盖层、储热含水层、导热构造和阻水构造等地热形成的基本条件。由地层岩性、地质构造和含水层类型研究发现，本研究区温泉地热储存层(热储层)包括：奥陶系宝塔组与牯牛潭组，寒武系三游洞、覃家庙组以及震旦系灯影组，其中以奥陶系五峰组和临湘组、奥陶系下统大湾组、红花园组、分乡组和南津关组组为代表的厚层碎屑岩构成良好的隔热保温盖层。区域地热源主要为地球深部热量，这些热量累积在地壳中，并不断通过岩石向热液传导，热流运移至地壳浅部。北东向断层为区域地热流的主要上升通道，沿北东向断裂，温泉成条带出露分布。因此，北东向断裂具有地下热矿水富集条件，该区具有较好的地质封闭条件，同时具有良好的储热构造条件。

2.2 储热单元划分

依据研究区地层结构、地层岩性空间分布组合条件，将该区划分两个潜在热储单元。①由上震旦系灯影组(Zbd)、上寒武系三游洞组(∈3sh)、中寒武系覃家庙组(∈2qn)组成，储热含水层为灰黑色中厚层微晶或细晶白云岩，上覆盖层为泥质页岩；②由奥陶系宝塔组(O2b)、牯牛潭组(O2g)组成，储热含水层为深黑色或紫黑色灰岩，上覆盖层为粉砂质泥质页岩。

2.3 出露泉水水化学组分分析

研究区内自然出露温泉取样分析，温泉的水化学类型为碳酸—钙镁型水，个别水样为硫酸—钙镁型，水化学类型较单一，其特征是碳酸根和钙、镁离子含量较高，其中硫酸根离子的含量介于45.788 mg/l～51.545 mg/l之间，钙离子含量介于25.85 mg/l～26.69 mg/l之间，镁离子含量介于80.65 mg/l～173.9 mg/l，含量明显高于地表水和冷泉，温泉水中的氟含量一般在0.977 mg/l～1.105 mg/l之间，明显高于一般地下水，温泉水总硬度大约为72.74 mg/l～102.42 mg/l， pH值在6.95～7.10之间，总矿化度为201.2mg/l左右，属于中性的软水，其特征离子为钾离子、钙离子、镁离子、碳酸根离子、硫酸根离子和氟离子，它们是温泉重要的水化学标志，是主要的标性元素。另外，温泉水中含有多种微量元素，其中锂离子含量比研究区地表水高出10 倍～15 倍，并且测得有微量的锂离子存在，该离子地表水样分析中是没有的。

3 综合物探方法及技术

为了较准确地查明研究区内的断裂构造特征，利用岩石的导电性差异采用高密度电法结合瞬变电磁法进行勘探，重点研究、分析温泉区域的地质构造及其地球物理场特征。

3.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法勘探以岩、土、矿石等介质的导电性、电化学活动性(激发极化特性)、介电性和导磁性的差异为物理基础，使用专用的仪器设备，观测和研究地壳周围物理场的变化和分布规律，测量和计算地质体电阻率值，根据电阻率值变化规律来探查和发现地下导电性不均匀体的分布，从而达到解决不同地质问题的目的。本次投入的高密度电法属于电法勘探的电阻率法。

高密度电阻率法基本原理，用供电电极(A、B)向地下供直流(或超低频流)电流，同时在测量电极(M、N)间观测电势差(ΔUmn)，并计算出视电阻率(ρs)，各电极同时或不同时沿选定的测线按规定的电距间隔移动。预先人工打好电极，仪器自动切换。观测工作简单，工效高；信息丰富，解释方便，勘探能力显著提高。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法原理：瞬变电磁法属于时间域电磁法，它是利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲电磁场，在一次电磁场的激励下，地下导体内部受感应产生涡旋电流，涡旋电流产生二次磁场，利用线圈或接地电极观测二次磁场，研究其与时间地变化关系，从而确定地下导体的电性分布结构及空间形态。

蒋邦远等将脉冲电磁法用于勘探良导体金属矿。牛之琏将脉冲电磁法用于金属矿勘探，通过国内中南工业大学、西安地质学院、北京矿产地质研究所、中国地质大学、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院等单位以及众多学者的努力，取得了一些有价值的研究成果和大量的应用实例，在理论和技术方面推动了瞬变电磁法在我国的应用和发展。

3.3 物探布置

为了较准确地查明研究区内的控热构造，该研究区内共布置：高密度电法实测5条剖面，瞬变电磁法实测6条剖面。

图3 研究区物探勘测线布置图Fig.3 Geophysical exploration research survey line layout

4 地球物理异常的地质解译

4.1 综合物探方法成果

研究区内共布置11条测线，分别采用高密度电法及瞬变电磁法探测，野外数据采集过程中难免存在各类干扰，需对数据进行优化处理，对其进行剔除突变点与数据平滑处理以后实现剖面成果图清晰化[8]，地层反映比较明显(图4～图9)，结合场区区域地质测绘及水文地质调查成果分析如下：

1)1测线：从高密度电法成果剖面(图4(a))上看，剖面0 m～160 m段电阻率较高，电阻率值在200 Ω·m～400 Ω·m之间，推测该段岩层较完整。在从剖面170 m段开始电阻率等值线向下凹陷，电阻率值在100 Ω·m～200 Ω·m之间，相对应瞬变电磁视电阻率剖面(图4(c))也为同样反映，且结合多测道剖面图(图4(b))也可以看出，该处归一化电位值陡降，推测此处为断层反映，编号为F1，该断层倾向北东，倾角约70°，为研究区主控构造。同时，在高密度电法剖面240 m及320 m位置，电阻率等值线向下扭曲，推测为F1次生断层反映，编号分别为F1-2、F1-3。

2)2测线：从高密度电法成果剖面(图5(a))上看，剖面0 m～300 m段电阻率较高，电阻率值在300 Ω·m～800 Ω·m之间，推测该段岩层较完整。从剖面430 m段开始电阻率等值线向下凹陷，电阻率值在100 Ω·m～200 Ω·m之间，在该处，瞬变电磁视电阻率剖面(图5(c))也为同样反映，且结合多测道剖面(图5(b))也可以看出，该处归一化电位值陡降，推测此处为断层反映，该断层与1号测线为同一断层，编号为F1，该断层走向为北西向，倾向北东，倾角约70°，为研究区内主控构造。同时，在高密度电法剖面520 m及670 m位置，电阻率等值线向下扭曲，推测为F1次生断层反映，编号分别为F1-2、F1-3。

3)3测线：从高密度电法成果剖面(图6(a))上看，剖面0 m～160 m段电阻率较高，电阻率值在100 Ω·m～300 Ω·m之间，推测该段岩层较完整。从剖面170 m段开始电阻率等值线向下凹陷，电阻率值在100 Ω·m～150 Ω·m之间，在该处，瞬变电磁由于干扰过大，视电阻率剖面(图6(c))并没有反映，但从多测道剖面(图6(b))还是可以看出，该处归一化电位值陡降，推测此处为断层反映，该断层与1号测线为同一断层，编号为F1，该断层走向为北西向，倾向北东，倾角约70°，为测区主控构造。同时，在高密度电法剖面290 m及360 m位置，电阻率等值线向下扭曲，推测为F1次生断层反映，编号分别为F1-2、F1-3。

图4 物探数据成果解释图Fig.4 Geophysical data interpretation chart(a)GW1线视电阻率剖面图;(b)SW1多测道剖面图；(c)SW1线视电阻率剖面图

图5 物探数据成果解释图Fig.5 Geophysical data interpretation chart(a)GW2线视电阻率剖面图；(b)SW2多测道剖面图；(c)SW2线视电阻率剖面图

图6 物探数据成果解释图Fig.6 Geophysical data interpretation chart (a)GW3线视电阻率剖面图；(b)SW3多测道剖面图；(c)SW3线视电阻率剖面图

图7 物探数据成果解释图Fig.7 Geophysical data interpretation chart(a)SW4多测道剖面图；(b)SW4线视电阻率剖面图

图8 物探数据成果解释图Fig.8 Geophysical data interpretation chart(a)GW5线视电阻率剖面图；(b)SW5多测道剖面图；(c)SW5线视电阻率剖面图

图9 物探数据成果解释图Fig.9 Geophysical data interpretation chart(a)GW6线视电阻率剖面图；(b)SW6多测道剖面图；(c)SW6线视电阻率剖面图

4)4测线：从瞬变电磁法成果剖面(图7(b))上看，整个剖面电阻率较高，电阻率值在100 Ω·m～300 Ω·m之间，剖面400 m～600 m段表层有一高阻区，该段为基岩出露影响，由于该剖面平行于北西向断层布置，从剖面上来看并未见明显异常，这与测线平行断层布置有关系，综合已有的地质资料及地质调绘成果分析，推测该剖面处于F1断层带中。

5)5测线：从高密度电法成果剖面上看，剖面0～250段电阻率较低，电阻率值在40 Ω·m～90 Ω·m之间，该段布置在河床上，为河床反映；在剖面510 m～530 m段等值线向下凹陷，该处瞬变电磁剖面反映也一致，且多测道剖面(图8(b))上归一化电位值也存在异常反映，结合已有的地质资料及地质调绘成果分析，推测此处为断层反映，该断层与1号测线推测断层垂直，编号为F2，该断层倾向东南，倾角约72°～76°，为测区次一级构造，该断层电阻率很低，说明该断层含水导水性较好。同时，在高密度电法剖面320 m位置，电阻率等值线出现封闭低阻异常区，而420 m位置等值线向下扭曲，推测为F2次生断层反映，编号分别为F2-2、F2-3。

6)6测线：从高密度电法成果剖面上看，在剖面310 m～330 m段等值线向下凹陷，该处瞬变电磁剖面反映也一致，且多测道剖面(图9(b))上归一化电位值也存在异常反映，结合已有的地质资料及地质调绘成果分析，推测此处为断层反映，该断层与5号测线为同一断层，编号为F2，该断层倾向东南，倾角约72°～76°，为测区次一级构造，该断层电阻率很低，说明该断层含水导水性较好。在剖面130 m及240 m位置存在一低阻异常区，推测为F2次生断层反映，编号分别为F2-2、F2-3。

4.2 地质解译

研究区内富含水的地下渗流通道与围岩相比则呈现明显的低阻异常。明显的电性差异是本次开展物探工作的前提，也为本次物探资料地解释提供了依据[9]。通过对研究区内采用物探勘测对比分析负磁异常带、视电阻率反映表现为明显的低阻特征区、地噪声的优势频率区，对研究区内断层进行验证，最终推断出热水赋存构造及其空间分布特征，得到了与野外地质测绘情况相吻合的结果：研究区断层极为发育，主要发育一套走向为NW-SE向的叠瓦式平行排列的逆冲断层组(F1、F1-2、F1-3)，其中F1为主断裂；另外还发育有走向为NE-SW向正断层F2及其次生正断层F2-2、F2-3；断裂的判定标志为在同一深度，电阻率量值的横向变化，在一定程度上反映了岩性地变化；同一套地层横向上赋存深度地变化[10]。在上述认识的基础上，结合电性特征对地质构造条件与特征进行人机交互，联合正反演断层的具体展布情况，解译结果见图10。

图10 研究区断层组地质解译Fig.10 Geological interpretation of fault groups in the study area

4.2.1 逆断层

研究区内逆断层以F1为主断裂，F1-2、F1-3为次级伴生断裂，总体走向为NW-SE向，断层面产状为60°∠40°，断层两盘岩层的岩性及产状均不一致，其中：上盘岩性为浅灰色灰岩，产状为55°∠20°；下盘岩性为灰白色白云岩，产状为35°∠10°。该断层的断面附近的岩石较破碎，发育有构造角砾岩，所含角砾的粒度较小，表明所受挤压力较大，断层性质为压扭性，如图11所示。

F1-2、F1-3发育在汤池湾附近，位于F1主断裂的NE方向，两条断层的断层面均较陡立，倾角约80°，倾向与F1基本一致，其规模要小于F1，为F1主断裂的次级伴生构造，在空间上三条逆断层呈叠瓦状排列。

4.2.2 正断层

研究区内正断层以F2为主断裂，F2-2、F2-3为次级伴生断裂，总体走向为NE-SW向，断面倾角较大，倾向SE，断面上见有明显的擦痕及阶步，上、下两盘岩性均为中厚层状灰岩，产状分别为5°∠45°、25°∠30°，如图12所示。F2-2、F2-3位于F2的NW方向，两条正断层的断层面较陡立，倾角约70°～80°，倾向与F2基本一致，其规模要小于F2，为F2正断层的次级伴生构造。

图11 F1断层面构造角砾岩及地质剖面示意图Fig.11 Schematic diagram of tectonic and geologic profile of F1 fault plane(a) 现场照片;(b)地质剖面示意图

图12 F2断层面擦痕、阶步及地质剖面示意图Fig.12 F2 fault surface scratches、schematic steps and geological profile(a) 现场照片;(b)地质剖面示意图

5 结论

我们结合研究区地质测绘成果，通过采用高密度电法及瞬变电磁法二者结合，测得研究区内较大断裂构造的空间分布和地球物理特征，进一步详细解译工程项目区域控制性断裂带，查明研究区内F1断层倾向北东，倾角约70°，为研究区主控构造，F2断层倾向东南，倾角约72°～76°，为研究区次一级构造。研究区内构造较复杂，两个主控断层均伴生有次生断裂构造，且构造倾角较陡。综合地球物理方法在复杂断层区中的技术判别具有良好的应用效果。

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Application analysis of comprehensive geophysical prospecting method in complex fault zone

FAN Yao1, ZOU Lianqing2, ZHANG Zeping1, SONG Jinping1, SHI Chen3

(1.Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy, Jinan 250013， China；2.Geological Environmental Monitoring Station of Shandong Province，Jinan 250014， China；3.Shandong General Team,China Construction Materials and Geological Prospecting Center，Jinan 250014， China)

The hydrogeology condition and fault structure of hot spring outcropping area are generally complex. In this paper, we use the high density electrical and transient electromagnetic methods in the hydrogeology survey and structural geology survey, to find out the distribution and structure characteristics of the fault in a hot spring fault belt. In conclusion, the application of comprehensive geophysical prospecting method in the geological survey of similar areas can get a very good result.

integrative geophysical surveys； fault belt； hot spring； hydrogeology

2016-08-02 改回日期：2016-09-13

范尧(1985-)，男，硕士，工程师，研究方向为地下水环境、水工地质等，E-mail：fanyao2004@126.com 。

1001-1749(2017)04-0474-10

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.07