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应用瞬变电磁法小线框大电流探测隐伏断层

2012-06-11 10:22:22
杨农合1,王辉2,徐小林3,吴朝俊4,杨宁宁4,王宝琛2
(1.西安理工大学,陕西西安 710048;2.中国煤炭地质总局第四水文地质队,河北邯郸 
056001;3.陕西省地质矿产勘查开发局西安地质矿产勘查开发院,陕西西安710000;4.西安交通大学电气工程学院,陕西西安 710049)
摘要:瞬变电磁法小线框、大电流技术在金属矿勘探和地下水的探测中已趋成熟。在长期实践的基础上,分析断层上方出现的感应二次场V2负值现象和成因,提出断层和次新断层以及地质塌陷的探测方法和数据处理的要点,总结出利用小线框、大电流瞬变电磁法探测隐伏断层的技术方法。钻井验证表明,该方法施工快速轻便,断层点定位准确。
关键词:瞬变电磁法;小线框大电流;隐伏断层;断层探测;金属矿勘探
  隐伏断层产生的原因是切穿基岩的断层被新沉积物或土体、植被、水体等的覆盖,或者断层面没有切穿至地表形成盲断层。在盆地或平原地区的断层,由于沉积作用,断层成隐伏形态,其特征不明显,不易通过陡崖、破碎带等特征发现。因此,隐伏断层的调查十分困难,无法通过观察特征确定断层的有无和精确位置。当有地质活动发生时,会引起断层的地面错动,产生地面变形,从而使跨断层修建或建于其邻近的建筑物受到损害,因此准确探测和确定活断层带位置及其宽度尤为重要。目前对隐伏断层的探测方法,一是采用开挖探槽,提取跨断层的沉积,判断是否被断层错断及其错动幅度和错动时间间隔;二是地球化学方法,检测断层气体,如汞异常、岩层氡气射气扩散射气异常等,但随着城市建设和人为改造的加剧,探测的原始土层受到扰动,导致干扰因素增多;三是物探方法,目前通常采用的是人工浅层地震技术和高密度电法勘探,由于人工浅层地震要求一定的施工条件,高密度电法勘探易受人文电气干扰,因而限制了对隐伏断层的探测。小线框、大电流的瞬变电磁法技术具有抗干扰能力强、横向分辨率高、工作方便等特点,经过多年的实验研究及工程地质勘察实践,认为该技术是探测隐伏断层较为方便、快捷的一种手段,尤其是可将以前认为是仪器故障或测点无效“负的响应值”的现象,作为判断断层出露位置的特征之一。
一、隐伏断层的地球物理特征断层的总体特征在空间是以带角度的板状体(薄板)向下延深。由断层的特性决定该板状体(薄板)的电阻率高低,新的和次新的活动断层电阻率值较低,古老断层因其裂隙的胶结程度强,电阻率值表现为高,同时,电阻率与断层的破碎带宽度、破碎程度,断层地下水的富集程度以及有无其他岩脉侵入也有关,因此断层两侧围岩的电阻率会出现差异。正是断层的这个地球物理特征,为采用瞬变电磁法小线框、大电流技术探测隐伏断层提供了基础。
二、探测隐伏断层的方法技术
1、瞬变电磁法小线框大电流的装置在应用瞬变电磁法勘探时,可根据工区特点使用不同装置。瞬变电磁法小线框、大电流装置采用重叠回线装置方式,发射线框边长3m,面积为9m2,发射电流为400~1400A,接收线框边长3m,多匝。通过减小线圈面积,加大发射电流,提高了横向分辨率和接收信噪比。瞬变电磁法小线框、大电流装置的特点是:装置体积小,施工方便,工作效率高,异常定位精确,抗干扰能力强。

2、断层的表现通过小线框装置发射大电流磁场,在装置包含的面积下,磁场向地下垂直传播,当磁场穿过水平地层或无断层的地质体时,传播不发生改变。在发射结束后,接收感应二次场V2 为正极性的衰减曲线(图1a),通过V2得到该面积下不同深度的用层厚和电阻率来描述的对应于各地层的岩性或地质体的特性。当重叠回线接收装置出现在隐伏断层上方时,当向下垂直发射的强磁场遇到隐伏断层时,传播可能会发生一些改变。当发射结束后,在9m2接收线框内接收到的V2发生了改变,即V2 产生极性为负的感应电压,其表现特征已经不是正极性的衰减曲线形态,而是出现带有负值畸变的曲线(图1b),变形程度和幅度与断层有关。这个现象过程应多次重复观测,其表现形式不变,确定非观测和仪器故障引起,由此可以判断隐伏断层解理面的位置在边长3m的9m2接收线框内。这是瞬变电磁法小线框、大电流装置下隐伏断层出现的物理现象。利用这个现象,通过对接收的感应二次场V2的简单判别,可以达到探测隐伏断层的走向和出露位置的目的。
对于小线框、大电流装置在断层上方出现的感应二次场为负值的现象,可能是由于断层两侧的高阻围岩与断层的表现形式为带倾角的导电薄板的地球物理特征引起的。这种机理符合文献[1,2]中的“集流的负瞬变电磁响应:高阻岩层地区,有时在晚期测道观测到负的响应,它往往与具有相当规模的倾斜导电岩层出露有关。”。由于采用小线框、大电流,使得过去在常规装置、40A电流下不易出现的集流负瞬变电磁响应表现得极为明显。上述现象在第四系覆盖层较薄的地区尤为明显,笔者在山西柳林(发射电流400A、1200A)、北京门头沟(发射电流560A)、江西井冈山(发射电流1400A)、河南泌阳(发射电流1400A)、江苏苏州(发射电流460A、1200A)等地的探测中,均发现与此地质现象对应的曲线特征,并且在贵州都匀、贵阳(EMRS-3型电磁勘探仪,发射电流1400A)的断层面上得到验证(图2)。经过多年大量的现场实验和对比分析,得出探测隐伏断层的方法:

(1)采用重叠回线边长3m装置,发射电流要足够大;
(2)在第四系覆盖层较薄(或者高阻围岩)的地区,只要发生V2响应曲线产生负值畸变的测点,便可确定为断层点;
(3)在第四系覆盖层较厚(几十米到几百米)的地区,电阻率较低,集流的负瞬变电磁响应已蜕化为带硬拐点高阻表现曲线形式,因此确定断层位置需要对多测道剖面进行倾斜导电薄板特征分析。
3、探测方法和数据处理的要点在工程勘察中,断层和塌陷是探测的重要目标,合理的设置测线和测量点距是非常重要的,当使用这种小线框大电流的装置时,更要引起注意,否则会将异常漏掉。首先要尽可能详细地了解测区的已有地质资料和前人所做工作,并对现场踏勘;垂直目标可能出现的走向布设测线,测点间距要保证异常不被漏掉,测线间距要保证在异常走向上至少有2条以上测线的穿越;测点号以米数标记为好,这样可随时根据异常情况进行测点加密而不会引起点号混乱,同时为以后数据处理成图做好准备;当遇到异常出现时,要及时调整测线和测点,必要时可增加跨越异常的短测线,增加的短测线必须从包含3个正常点的位置开始,在跨越异常后的3个正常点位位置结束,以此来保证测线数据的可比性和解释程度。在测量过程中,遇到断层特征(V2 响应曲线产生负值畸变)时,记录该点坐标(画断层走向图用);移动测点,使得V2响应曲线正常,也记录该点坐标。在数据处理时将该点加入测线,取代畸变点计算视电阻率和一维反演,同时在多测道剖面分析时可以加入或替换畸变点,观察双峰异常和单峰异常的变化情况,在分析断层倾角时应按倾斜导电薄板特征分析,计算出近似的倾角。根据V2响应曲线产生负值畸变点坐标画出断层的走向平面图,定出大致走向。图3是2009年在河南泌阳某矿区勘探时(EMRS-3型电磁勘探仪,发射电流1400A)根据上述方法和要点推出的断裂走向,此矿属于热液沿断裂面成型的构造成因,已
经钻探验证。

4、新断层、次新断层、地质塌陷的探测要点新断层和次新断层由较近时期的地质构造运动或人工开采地下矿藏后放顶或塌陷造成,这些塌陷和由此引起的小断裂处于较新的状态,其裂隙通常由地表的沉降水或地下水携带富离子状态的物质填充。在运用瞬变电磁法小线框、大电流的装置探测时,一些地区由于表层第四系厚度较大(例如表层为红土)呈现低阻,且断裂和塌陷被充水时,整体表现为低阻状态,不会出现负瞬变电磁响应特点。图4是2009年在山西晋城某工地的例子(EMRS-3型电磁勘探仪,发射电流1200A),该工地表层为厚度50m的褐红色黏土层,依次为泥岩、砂岩和灰岩。在所画钻孔位置90m处发生掉钻,呈现采空。在520点出现断层,两侧岩性不一致。
三、勘探实例
2008年,王辉在山西霍州使用EMRS-2B型瞬变电磁勘探仪、1200A电流,成功探测了3条隐伏断层(图5)。该工区属于太古界、元古界和下古生界的寒武系和奥陶系地层,第四系覆盖层厚度在几十米左右。共布28条测线剖面对3个断层控制,其中一个断层用14条剖面控制。在断层右侧100m是煤系地层,在北9线18号点、38号点各布一个勘探孔,在18号点见到了F1断层,整个工区通过3对井验证了F1断层。

图6~图9分别为笔者在2008年做的探测实例。

图6为江西井冈山地区探测隐伏断层的实例,使用EMRS-3型电磁勘探仪,发射电流1400A。在北京门头沟地区进行采空区探测(图7),异常位置与探地雷达和浅层地震的探测结果一致(EMES 1型电磁工程勘查仪,电流560A)。图8为苏州某地地质塌陷边界探测的结果,野外使用EMES 1型电磁工程勘查仪,电流560A。在塌陷地段虽然地面已经出现积水,但是由于断裂很新,使得发射磁场沿断裂面扭曲扩散,多测道和视电阻率均呈现为高阻态,这种状况应该引起充分注意,避免判断错误。
图9为广东某地的岩溶探测实验,在2个已知孔位上做比对实验,岩溶表现为明显的低阻特性(EMRS-1型电磁工程勘查仪,电流560A)。
4 结论
经过多年的工程地质勘察实践和实验研究,总结出小线框、大电流的瞬变电磁法探测隐伏断层的技术方法和判定要点,为工程勘察、地质灾害调查,提供了一个更为简便、准确的技术手段,以弥补其他物探方法的所受到的环境限制。小线框大电流的瞬变电磁法对较大类型的隐伏断层探测特点是抗干扰能力强、横向分辨率高、对环境无损且限制性小、工作方便、快捷经济、解释判定速度快。需要注意的是,探测中必须根据测区的地质情况对可能存在的隐伏断层的结构(断层特性种类)和与其对应的电性结构形式加深认识,在资料处理过程中要排除其他因素引起的异常,合理建立模型,通过多种方法处理,找出共同异常,判定隐伏断层断点位置,同时要和其他方法的探测结果综合解释,推断隐伏断层的性质和特点。
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