两种不同物探手段在旌阳区隐伏断裂研究中的应用

1、两种不同物探手段在旌阳区隐伏断裂研究中的应用*崔志军1，吴勇，冉涛，高东东，王辉涛，张敏（1.成都理工大学，四川 成都，610059；）摘要：采用瞬时测氡仪FD-3017，对旌阳区内旌阳水库坝址区及其附近乌龟梁子一带范围内进行地下氡气测量。对所获得的数据进行相关计算分析，并结合地质工作现场验证，初步推测出隐伏断裂带空间分布位置；利用音频大地电磁测深（AMT）勘探方法对上述测氡异常区进行验证性测量，进一步确认和解译了该区隐伏断裂的存在，增强了成果的可靠性，克服了单一物探方法结果可信度低和其他物探方法费时、成本高等难题。在实际工作中该综合物探方法为其他物探方法、工程实施等提供借鉴达到节约投资,缩短

2、勘探时间的目的,并可与地质分析相互验证,为工程应用提供依据。该方法在德阳地区寻找地热资源的初步应用中取得的显著的工作效果。关键词：水文地质；氡测量；隐伏断裂；断层走向；音频大地电磁法；张性断裂0.引言测氡技术不仅应用于找矿、寻找地下水源、地震预报、环境监测、油气勘探、岩溶塌陷探测等领域,而且在寻找覆盖区地下隐伏断裂的空间分布位置及分析评价其相对活动性的应用也日益广泛。“5.12”汶川地震后, 德阳市境内某些重要厂址所在区域的地质稳定性调查工作逐步展开, 其主要目的就是确定有无地下隐伏断层(破碎带)经过场址区域。因此,查找隐伏浅层断层(破碎带), 判定其空间分布位置和走向是本次工作的主要内容。本

3、次在德阳市旌阳水库坝址区及近场区的工作范围内,首先开展了较为系统的断层氡气测量工作取得了大量原始测氡数据资料。其工作的目的是应用测氡方法寻找隐伏地质构造并确定其位置。本文在简述了测试工作的目的、方法、资料处理等有关工作情况的基础上, 进而作了典型测试成果剖面的解释分析,最后进行了测试成果的对比、分析及评价,验证了该区附近隐伏断裂的存在。考虑到单一物探方法的局限性及增强结果的可靠度，在氡气含量异常区又采用了音频大地电磁测深方法进行了验证性测量，其解译结果再次证实了该区隐伏断裂存在的事实。上述两种物探手段相结合的方法，在寻找隐伏断裂并确定其空间位置方面展示了较高的工程应用价值和广阔的应用前景。1.

4、地表氡异常的形成机理岩石由于构造运动受力后发生不同程度的变形，从弹性阶段到塑性阶段直至破裂。到达破裂阶段后，岩石整体性遭到了破坏，失去了连续性，称为断裂构造1（王志成，2006）。这种构造对地下水的运移和赋存有重要的作用。由于断裂对岩层的破坏，可使岩石（地层）的局部地段由原来所处的系统状态，变成了非封闭状态，因而压力降低2（杨晓，1991）。在这种情况下，地下的氡气通过构造、裂隙、地下水搬运由深部向地表迁移。因此,测量氡气的浓度可间接反映地质体的裂隙系统的情况,并可分析其开启度、连通性及破碎程度3-4（Monhamed M,2003；Khayrat A H et al,2001）。地下深处氡气

5、具备以下特点：1.氡气来自地下，来源单一，能真实反应地下的变化情况；2.氡气不参与任何化学作用，能反映出它在水中溶解的真实含量；3.氡气受到压力的影响时，可由压力大的地方向压力小的地方运移；2.工作原理及方法2.1测氡工作原理及方法本次测试采用FD3017RaA测氡仪，它由抽气泵和测量操作台两部分组成，是一种常用的瞬时测氡仪器。它是利用氡衰变后的第一代子体RaA的带电特性，采用外加高压电场的方式，收集衰变子体RaA产生的粒子，得到脉冲计数，一般脉冲计数可反映氡的相对量。本次测试时段选用了脉冲180s定量观测。其测量对象是氡衰变的第一代短寿子体RaA。由于RaA 离子在开始形成的瞬间具有带正电的

6、特性，故可采用加电场的方法将它浓集在带负高压的金属收集片上。经过加电收集后，放入由金硅面垒型半导体探测器和相应的电子线路组成的操作台上测量，只有RaA 的脉冲信号最后进入计数电路，在液晶屏上显示出来。其强度与氡浓度成正比，按CRn = J × NRaA （1）可直接计算氡浓度。式中，CRn为氡浓度；NRaA为RaA 的计数； J 为换算系数( Bq /m3 ) /脉冲，由标定确定，此系数包括了装置的子体收集效率和探测器效率等因素5（卢焱，戴丽君，1995）。仪器工作原理：氡气抽入筒内后，衰变产生新的子体RaA，它在初始形成的瞬间是带正电的离子。RaA离子在电场作用下被浓集在带负高压的

7、金属收集片上，将金属片放入到操作台探测器内测量RaA的放射性。野外测量方法如下:(1) 将经校正的仪器安装完毕后,现场进行校正；(2) 用细钢钎在待测点打导向孔,插入取样器,并压实表层松土,防止大气渗入；(3) 将收集金属片放置于高压收集器中；(4) 抽气:将抽气泵阀门置于“吸”的位置,抽气并排气12 次；(5) 将清泵后的泵筒抽满气后,立即加高压3 分钟；(6) 将加高压后的收集片在10 秒内放入计数探测器中记数3 分钟；(7) 记录相关测试数据；(8) 转入第二测点,重复(1) 至(7) 的操作。野外测量过程应当注意，在潮湿、地势较低的地区工作时，要提防地下水进入干燥器和提筒内腔，损害测量

8、仪器6（陈希泉等，2011）。放片、换片时注意收集片的标记，以防将收集片位置放反而无法得到正确的测量结果。取样器插入土壤中，并用钢钎打好抽气孔后及时将土壤密闭踩实，以免漏气影响测量结果。2.2音频大地电磁测深（AMT）勘探原理及方法音频大地电磁法原理基于大地电磁测深法原理，是在上世纪五十年代初期提出的一种较新的地球物理探测方法。大地电磁场（又称天然场）是MT的场源，当大地电磁场入射到地下时，一部分被介质吸收衰减，一部分反射到地面，反射地面部分带有反映地下介质电性特征的电磁场信息7-8（何继善等，1989；石昆法，1999）。通过观测地面上的电、磁场分量，通过数据预处理可得到视电阻率（或相位）频

9、率曲线。由视电阻率频率曲线通过一定的反演方法可获取地下不同深度的电阻率分布。下式是表征均匀各向同性大地介质条件下地面电磁分量与大地电阻率的关系。它也是音频大地电磁法最基本的公式。 (2)式中为电阻率，为角频率，为磁导率，Z为波阻抗，E为电场，单位毫伏/千米，H为磁场，单位伽马。野外工作示意图如图2-1。图2-1 音频大地电磁法野外测站示意图Fig.2-1 Audio magnetotelluric field station schematic影响资料质量好坏的因素有许多，既有主观因素又有客观因素。为了获得高质量的原始资料，在野外施工时按下述情况执行：1.掌握天然场源信号的规律性，尽可能在天然

10、场信号强的时段组织野外数据的采集工作；2.在人文干扰、地质干扰等较严重时，调整增益等条件进行观测；3.延长观测时间，增强功率谱的迭加次数，提高信噪比；4.接地电阻较高时，采取电极坑底部垫土，坑内浇注盐水，降低接地电阻。3.氡测试成果分析本次测氡主要针对旌阳水库以西区域。考虑到测量范围地形条件复杂，植被茂密，严格按网格布置方式难以实现，采用垂直于绵远河走向（区域出露背斜推测走向）布置。按照在特殊地段加密或重复测量,减小人为误差等布置原则，共布置了21条测线（测点少于6个的测线未统计），共计560个测点，测线剖面测试点距为2050m，剖面间距为20100m，部分测段因出现异常而加密到510m。3.

11、1干扰因素分析测氡研究表明,测氡结果主要受仪器的稳定性、放射性涨落、外界强干扰(如突然震动、爆炸、湿度过大等)因素影响(方方等，1992)。其中外界强干扰是引起“伪异常”的最主要因素9（方方，唐红，葛君伟，1992）。测试中避免了震动和爆炸的干扰；旌阳水库大坝西侧下游区域某些湿度较大部位的氡的脉冲计数较大,如水库西侧绿林垂钓院内湿度较大,氡的脉冲计数较大,反映了该区域为一汇水区的水文特征,在此湿度过大并非干扰因素,而能通过氡测试反映水文地质特征;另外,在氡脉冲计数较大的点附近加密或重复测量,避免了仪器的稳定性放射性涨落的影响,使测试结果能反映地质异常。3.2背景值及异常值的确定对整个测区的实测

12、数据采用三种不同统计方法进行统计分析10（卫宏，2008）。方法1：将所有测量点的数据用来统计方法2：去掉0脉冲点值后进行统计分析方法3：去除小于等于10的测点后进行统计。统计结果如下表3-1旌阳水库测区氡气子体脉冲测量数据统计表Tab. 3-1 Jingyang District reservoir measured radon progeny pulse measurement data tables统计结果统计点数平均值背景值标准差（）偏高（X+1）异常（X+2）高异常（X+3）全部测点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考虑野外工作部分测点土质含水量较大的影响同时更好的体现实际情况，本测区选用第二种统计方法，即全部测点以平均值与2倍标准偏差之和作为测区异常值标准来划分为全测区的异常值。本次测区区域的地气氡的背景值8.7，异常值标准为186.3。3.3氡气测量成果及分区解译利用Surfer 8.0中的Kriging网格化方法绘制氡气子体脉冲值等值线图（图4-1），反映调查区内氡气子体脉冲值的分布特征，同时也能推测出可能存在的隐伏构造及其走向。由氡气值统计表并结合异常值统计表可以确定旌阳水库测区内存在4处异常分布，分别为命名为

14、异常区A、异常区B、异常区C和异常区D，旌阳水库地区测区氡气子体脉冲等值线图见下图4-1。图3-1旌阳水库地区测区氡气子体脉冲等值线图Fig. 4-1 Regional District of radon progeny test pulse contour map Jingyang reservoir异常区A：该氡气子体脉冲异常值分布区地理位置上主要位于大地村招呼站东侧至大同水库之间的稻田内。此处异常面积较大，野外测量中该异常区域内存在7个异常点脉冲值。异常值分别为218、199、372、245、585、204、221。最大氡气测值达到585，并且该测值周围氡气测值均小于100，由此可推测该

15、点周围区域为一异常值分布区。根据此范围内的氡气测值所描绘出的氡气子体脉冲等值线图，推测A异常区内可能存在一条隐伏断裂构造，隐伏断裂走向约为20°。B异常区：该氡气子体脉冲异常值分布区地理位置上主要位于大同水库西侧附近。异常值所构成的氡气脉冲值异常区在地形上也大致呈长条带状分布。该异常区内主要有4个氡气子体脉冲值超过异常界线。异常值大小分别为196、337、217、194。其中最大异常值为337，该异常点所在测线上周围氡气值点均小于异常值界线，且测值逐渐降低，由此推断该测点周围为一异常值分布区。根据该异常区内所有测线所描绘的氡气等值线走势，推测该处可能发育有一条隐伏断裂构造，走向近20

16、°。C异常区：该异常区位于乌龟梁子西侧稻田内，在测区内测点所描绘的等值线图上异常值点呈单峰状分布。异常区分布面积范围不大，并且位于丘陵区与平原区的过度地带。野外测量中该测区共有4个异常脉冲值，测值大小分别为301、217、666、377。该测区内有一氡气子体脉冲值达到了666，为本次旌阳区氡气测值最大值。并且在该最大值点周围氡气测值均围绕该值逐渐减小，据此可初步将该区定为异常区。根据此处所有测线上测值点所描绘的氡气等值线走势图，可推测本区可能存在一条隐伏构造，走向约为20°。又因该区东侧的乌龟梁子为一背斜褶皱构造，故可初步判定该推测构造可能与乌龟梁子背斜褶皱具有一定关联，需

17、进一步加强相关工作。D异常区：该异常区主要分布于旌阳水库西侧圣水湾及绿林垂钓附近。异常区地形上呈长条状分布。该异常区面积较大，氡气异常值点分布较多，共13个，且异常值点分布趋势大致围绕旌阳水库周边。同时在旌阳水库附近一条氡气剖面线上，连续出现两个测点的脉冲值均在200以上，最大值为525，另一个为300。在该测区内，发现在圣水湾与绿林垂钓两处各有泉点出露。且均流量较大，常年往外冒水。并且值得注意的是此两处泉点的附近地区也正好是本测区的氡气子体异常值分布区。最后根据此异常区内的氡气子体测值等值线图走势，初步推测该区内发育一隐伏断裂，走向近20°。和一褶皱背斜构造，该褶皱背斜和毛狗洞背斜

18、构造以及乌龟梁子背斜构造存在某些关联。4.音频大地电磁测深（AMT）勘探对异常区的验证4.1 AMT工作布线及测量成果根据前期氡气子体放射性测量成果所反映出来的四个异常区分布位置以及相关地质、水文地质、遥感影像线索在旌阳水库坝址以西横穿异常区平行布设了3条（JY1、JY2、JY3）间距100m的AMT视电阻率断面测线，共计70个测点，测线总长3.6km。图4-1 旌阳水库312线音频大地电磁测深工作布置图Fig. 4-1 Jingyang reservoir 3-1-2 line audio magnetotelluric sounding job layout3条AMT测线的测量结果所计算的

19、测深视电阻率xy曲线类型如下表：JY1线点号12345678曲线类型AAQQHAHAAAAAAAAK点号910111213141516曲线类型QHQQAAAAKQKQAAAA点号1718192021222324曲线类型QHKHAKAAKQKQQQKQ点号252627282930曲线类型KQHKQQKQKHKQJY2线点号12345678曲线类型HKQQHAKHKHKHHKAK点号910111213141516曲线类型AKQQKQKQKHKQKHKH点号17181920曲线类型KQKQKQKQJY3线点号12345678曲线类型KQHKQHQHAAKHKQKH点号910111213141516曲

20、线类型KHAAAAAAAAHAHQH点号17181920曲线类型HKKQKQKQ曲线类型AAKQKHKQHKKHKQ3条方位相同的测线的测深视电阻率xy曲线类型有一定的可比性。这些变化的地方也即电性层在测线方向上变化的地方，也即是地层横向缺失、岩性、构造发生变化的区域。4.2音频大地电磁测深（AMT）勘探验证结果分析1.旌阳水库1线视电阻率反演断面特征及推断解释图4-2为旌阳水库1线大地电磁测深视电阻率反演断面图，旌阳水库1线大地电磁测深剖面共计30个音频大地电磁物理点，测深剖面方位为北西南东向。根据该测线反演断面图可知，测线所经区域内共存在三处断层破碎带。分别位于58、1213、2225测点

21、之间。测点58分布范围处于旌阳水库坝址西侧圣水湾及绿林垂钓附近；测点1213正好位于乌龟梁子山上；测点2225位于拱桥村某处。测量解译结果所反映出的断层破碎带与区域氡气子体测量所解译的断层构造破碎带存在范围大致重合。图4-2 旌阳水库1线大地电磁测深视电阻率反演断面Fig. 4-2 Jingyang reservoir sounding a line of apparent resistivity inversion section2.旌阳水库2线视电阻率反演断面特征及推断解释旌阳水库2线大地电磁测深剖面共计20个音频大地电磁物理点，测深剖面方位为北西南东向。从旌阳水库2线大地电磁测深反演图看

22、，在567号测点的下方是相对低电阻率分布区域，此低电阻率低值区一直向下延伸到深部；在1112号测点的下方也是一个电阻率相对低值区域，也是一直向下延伸。567和1112下方的低电阻率区域在海拔标高-900米的深部视乎是连通的。在567和1112下方的低电阻率区域的两侧是视电阻率相对高值区域，电阻率在横向上是不连续的，据此推断在此两个位置是构造破碎带。测点567位于氡气异常区D，1112位于乌龟梁子附近，1920位于氡气异常区C。测量解译结果所反映出的断层破碎带与区域氡气子体测量所解译的断层构造破碎带存在范围大致重合。图4-3 旌阳水库2线大地电磁测深视电阻率反演断面图Fig. 4-3 2-wir

23、e Jingyang reservoir sounding sectional view of the apparent resistivity inversion3.旌阳水库3线视电阻率反演断面特征及推断解释图5-4为旌阳水库3线大地电磁测深视电阻率反演断面图，旌阳水库3线大地电磁测深剖面共计20个音频大地电磁物理点，测深剖面方位为北西南东向。根据该测线反演断面图可知，测线所经区域内共存在三处断层破碎带，分别位于67、1213、1819测点之间。测点67分布范围处于旌阳水库坝址西侧圣水湾及绿林垂钓附近；测点1213正好位于乌龟梁子山上；测点1819位于氡气异常区C附近。测量解译结果所反映出的

24、断层破碎带与区域氡气子体测量所解译的断层构造破碎带存在范围大致重合图4-4 旌阳水库3线大地电磁测深视电阻率反演断面图Fig. 4-4 3-wire Jingyang reservoir sounding sectional view of the apparent resistivity inversion5.结论1.采用瞬时测氡仪FD-3017进行区域氡气测量在寻找地下隐伏断层破碎带方面研究中，相对其它物探方法具有操作简便、快速、准确、信息可靠、经济、实用等特点。2.根据AMT视电阻率反演断面图显示，推测旌阳水库坝址以西200700m范围内存在两条断裂带，其中乌龟梁断裂已在毛狗洞砖厂发现岀

25、露；旌阳水库坝址西侧200350m一带地表以下5001500m均有低阻异常显示，具有断裂带状特征。3.采用瞬时测氡仪FD-3017对旌阳水库坝址区及附近乌龟梁子一带进行氡气测量，推测坝址区及乌龟梁子存在隐伏断层破碎带，然后利用音频大地电磁测深（AMT）勘探方法进行验证性测量，加强了结果可信度，。建议下一步为保证水库坝址安全采取相关加固处理措施。参考文献：1王志成土氡测量在海口市活动断层探测中的初步应用J华南地震，2006，26(4):61662杨晓射气测量探寻断裂构造的应用效果J桂林冶金地质学院学报，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卢焱,戴丽君. RaA 测氡技术及应用J. 长春地质学院学报,1995 , 2

27、5 (2) : 2122156陈希泉,陈颉,罗先熔等.地气（氡气）测量方法寻找隐伏含矿断裂试验J.物探与化探,2011,35（6）.7何继善等.可控源音频大地电磁法M.长沙：中南工业大学出版社，1989.8石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用M.北京：科学出版社，1999.9方方,唐红,葛君伟.放射性勘探简明教程R.成都:成都地质院,1992. 10卫宏. 测氡数据相似性分析J.核技术,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