2024, Vol. 44
2. 安徽省地震局，合肥市长江西路558号，230031;
3. 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450000
地电观测是我国地震监测的重要手段之一，通过研究地球介质的电学性质随时间的变化，揭示孕震异常变化，服务于地震预测[1]。蒙城地球物理国家野外科学观测研究站(简称“蒙城野外站”)位于蒙城县小涧镇夷北山，台基主要以震旦系砂岩和第四系覆盖层为主，大地构造上位于华北断块区淮河台坳。新构造分区中蒙城野外站位于周口凹陷南缘与平舆-蚌埠隆起接壤处，区域覆盖层厚度在100~300 m左右，地质构造较为复杂，发育有隐伏的NW向板桥集断层、近NS向王老人集断裂和口孜集-南照断裂、EW向太和-五河断裂及NW-SE向涡河断裂等。蒙城野外站电阻率观测场背景干扰较小，利用高密度电法勘探技术可获得地下电性结构的正反演结果，对观测资料的深入研究具有重要参考价值。
1 高密度电法勘探及数据处理方法 1.1 高密度电法数据采集采用温纳装置连续滚动的测量方式获得探测数据，对地形起伏较大的测线采集测量电极高程信息，共完成8条测线，总长4 435 m，测线布设如图 1所示。蒙城野外站地电阻率观测系统外线路布设NS向、EW向和NE向3条测线，供电极距均为1 000 m，测量极距为200 m。高密度电法测量范围基本覆盖地电阻率外线路布设区域。
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图 1 蒙城野外站高密度电法测线布设 Fig. 1 Layout of high-density electrical survey lines at Mengcheng field station |
NS向共布设4条测线，均以北为起始测点，测量顺序为MC-1、MC-5、MC-7、MC-8，其中MC-1和MC-5点距为10 m，MC-7和MC-8点距为5 m，MC-7与MC-1部分测线重合。
EW向共布设4条测线，均以东为起始测点，测量顺序为MC-2、MC-3、MC-4、MC-6，其中MC-2、MC-3、MC-4点距为10 m，MC-6点距为5 m，MC-6与MC-2部分测线重合。
1.2 数据处理方法高密度电阻率层析成像数据处理是将测得的视电阻率经数据拼接、格式转换、数据预处理、地形校正及正演和反演计算，得到视电阻率成像色谱图，并对其进行地质解译。为提高解译精度，采用AGI公司的EarthImager 2D计算程序进行正、反演计算，同时根据地电条件和装置系统及正演模拟结果，有针对性地进行高通或低通滤波处理，消除或减小表层干扰和由于极距化引起的振荡干扰[2]。
正演计算采用有限单元算法。反演计算建立在正演基础上，根据现场探测数据建立初始电阻率预测模型，并对初始模型进行正演计算，得到相应的预测数据。然后，计算预测数据与实测数据之间的均方根误差，若误差满足要求，则说明初始模型近似符合地下介质真实的电阻率分布；若不满足，则修正电阻率分布模型参数，再次进行正演，直到满足误差要求，至此可近似认为修正后的预测模型符合地下介质电阻率的实际分布情况。
在二维反演结果的基础上，利用全部测线围绕研究区域进行地下介质地电阻率分布模拟三维图像的建立，并对高阻基岩的分布进行延展推测，绘制模拟三维模型图像。
2 勘探数据正反演结果 2.1 NS向正反演结果 2.1.1 MC-1测线MC-1测线总长890 m，沿蒙城野外站西侧道路NS向布设，起点位于小涧镇黄伯路，止于刘巷村西南，地电阻率供电A1极附近。电性结构连续性较好，电阻率均值为45 Ωm。测线纵向上大致可分为中高阻、低阻、高阻3个部分，可划分出D1和D2两个电性界面，其中D1深度约为20 m，D2深度不均匀，为基岩界面。桩号350~450 m之间基岩面深度约为50 m，南北两侧逐渐变深(图 2(a)，上、下图分别为正、反演结果)。
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图 2 NS向各测线高密度电法分段正反演结果 Fig. 2 Segmental forward and inversion results of high-density electrical method for each measurement line of NS direction |
MC-7测线总长295 m，沿蒙城野外站北侧道路EW向布设，终点位于蒙城野外站西北侧道路交叉口。与MC-1部分测线重合，基岩面在测线起点至170 m桩号之间起伏不大，170 m桩号后迅速变深，蒙城野外站办公楼位于该区域内(图 2(b))。
2.1.3 MC-5测线MC-5测线总长590 m，沿黄柏村西侧NS向布设，起点位于黄柏村北侧梨园，向南止于刘巷村。测线存在显著的浅表层中高阻层，其下是厚度约为15 m的低阻层，基岩面从北向南由20 m逐渐增厚到80 m(图 2(c))。
2.1.4 MC-8测线MC-8测线总长295 m，沿距蒙城野外站东侧150 m的田间小道NS向布设，起点位于小涧镇中心小学东南。浅部为低电阻率层，厚约5 m；中部为高阻层，厚约10 m，高阻构造不完整；下部为中低阻层。各电性层较为均匀，未见显著电阻率间断面(图 2(d))。
2.2 EW向正反演结果 2.2.1 MC-2测线MC-2测线总长890 m，沿蒙城野外站北侧道路EW向布设，起点位于该道路与S307省道交会处，向西过蒙城野外站后，止于小涧镇中心小学西南侧。测线横向上存在显著高低阻分界，0~450 m桩号纵向上分为两层，浅表层低阻和下部高阻层，浅表层厚不超过15 m；450 m桩号后基岩面快速变深；桩号700 m左右，基岩面深度超过100 m(图 3(a))。
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图 3 EW向各测线高密度电法分段正反演结果 Fig. 3 Segmental forward and inversion results of high-density electrical method for each measurement line of EW direction |
MC-6测线总长295 m，沿蒙城野外站西侧道路NS向布设，以蒙城野外站大门为中心。与MC-1部分测线重合，该测线基岩面由北往南缓慢变浅，蒙城野外站位于陡变带上，14 m深度以下还存在两处低电阻率层面(图 3(b))。
2.2.3 MC-3测线MC-3测线总长590 m，沿蒙城野外站北侧黄伯路EW向布设，起点位于黄伯路与S307交叉口附近，向西止于小涧中学东南侧。测线桩号500 m附近穿过地电阻率NS向测线B1供电极约200 m处。测线纵向上大致可以分为中高阻、低阻、高阻3个层面，可以划分出D1和D2两个电性界面，D1深度约为15 m，D2为深度不均匀的基岩界面，由东向西逐渐变深，粗略估计，幅度约为每往西10 m，基岩面深度增加约2 m。结构类似于MC-2测线结果，但高阻基岩层的变化较为平缓，且延伸向西侧更深(图 3(c))。
2.2.4 MC-4测线MC-4测线总长590 m，沿蒙城野外站南侧刘巷村EW向布设，起点位于刘巷村东附近，向西穿过蒙城野外站西侧南北路后止于麦田内。与MC-3类似，该测线D1界面均匀性略差(图 3(d))。
3 地下介质电性结构解析 3.1 历史电测深探测结果对比分析中国科学技术大学于1985年对蒙城野外站进行了常规电测深测量，采用EW向、NS向2组布极，最大供电极距为3 000 m。电测深曲线表明，该区域地下电性结构存在较为明显的各向异性；高密度电法探测结果表明，NS向和EW向地下电性介质分布存在明显差异。其中，NS向MC-1测线显示地下高阻岩层呈拱形对称分布，且拱形形态较为平缓，近似于均匀介质层；EW向MC-2测线明显存在分界面，证明地下介质电性结构的分布极不均匀，可能是产生各向异性的主要原因。
根据表 1给出的测深点反演结果可知，探测区域表层50 m为低阻区，50~330 m为中阻区，330 m以下为高阻基岩。高密度探测结果表明，区域内表层低阻区域分布极不均匀，低阻层厚度从数米到百余米差异化分布。在EW向，MC-1测线基岩层在50 m左右，而距离夷北山出露山体东侧约100 m处的MC-5测线低阻覆盖层厚度可达100 m。北侧靠近出露山体的MC-2、MC-6测线，低阻覆盖层厚约为15 m，最北侧的MC-3测线处，低阻覆盖层约50 m。浅部低阻覆盖层15 m范围内，在NS向的MC-1、MC-8测线，EW向的MC-6、MC-3测线，可见厚约5 m的不连续高阻层，可能为破碎的砾石层。通过各测线与夷北山出露山体的距离等综合分析可知，深部高阻基岩展布可能为SE-NW向。
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表 1 蒙城野外站电测深反演结果 Tab. 1 Inversion results of electrical sounding at Mengcheng field station |
距离山体约30 m处有一钻孔，深71.4 m。钻孔资料揭示，该区域岩性以粘土和中风化泥灰岩为主，大致可分为2层：0~14.7 m为粘土层，颜色棕黄，可塑状-硬塑状含铁锰质结核及侵染，干强度及韧性中等；14.7~71.4 m为中风化泥灰岩，灰黑色，层状构造，泥状结构，端口呈贝壳状，遇盐酸产生气泡。
钻孔东侧的MC-5测线和西侧的MC-7测线与钻孔探测获得的岩石分层情况相似。夷北山出露山体为NS向，宽约200 m。MC-5和MC-7两条测线上反映的高阻岩层向南偏离出露山体越远，其基岩面深度越深。钻孔北侧MC-2测线东部区域，覆盖层厚度在10~20 m左右，覆盖层下部基岩可探明深度超过100 m，其岩石电阻率最大可达1 000 Ωm，为成片完整基岩的可能性较大。对于山体北侧的MC-6测线，采取5 m间隔的测点进行布设，反演结果表明，浅部约15 m的覆盖层内存在破碎的岩石，深部基岩面约为30~40 m。
3.3 三维模型的构建及解析三维模型可在空间上更精准地揭示地下电性结构[3]。基于高密度测线的测量结果进行模拟三维模型的构建，如图 4所示。根据较深部基岩的分布，推测形成高阻区域的三维延展模型，如图 5所示。模拟三维图像较为清晰地展现出基岩高阻值的分布区域，与夷北山体可能的延展情况较为一致，观测场地由东向西土层覆盖厚度逐渐增大，揭示了夷北山未出露山体逐步向深部延伸的特征。总体来看，在测量所包含的最大区域内，受夷北山基岩分布的影响，东部地下浅层基岩更为发育，造成EW向存在高阻与低阻分界面，而NS向则相对均匀，呈现中间段基岩埋深浅，北、南两端逐步加深的特征，基岩分布呈近似拱形。
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图 4 加载所有测线成像结果 Fig. 4 Imaging results of loading all lines |
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图 5 高阻区延展模型 Fig. 5 Extended high resistance zone model |
结合较大区域的地质构造特征和演化进程，对研究区沉积层的形成过程进行初步推测，其沉积特征表现为：沿基岩面，初期可能沿EW向开始沉积较为细碎的物质，形成较厚的覆盖层；之后沿EW向沉积厚度较小的砾石层；后期沿NS向沉积2~3层粗细交替的物质，这些分布特征与近代河流的走向相近。
4 结语在安徽地电观测台站首次利用高密度电法对蒙城野外站进行浅层地下电性结构正反演和三维图像模拟。结果表明，蒙城野外站地电阻率观测场地位于基岩变化较剧烈的区域，地下岩石分布受夷北山岩石埋深和展布影响较大，地下介质可粗略分为2层：浅表层为中低阻值的第四系覆盖层，在空间上由东向西逐渐增厚；下部为中高阻基岩层，基岩埋深约15~100 m且平缓加深。对比分析2层地下电性结构的探测结果，均能得出地下电性层分布存在各向异性的结论，在高密度电法不同测点间距的反演剖面上均有更加直观、清晰的体现，NS向的层状结构更加平缓均匀，EW向的土层和基岩分布存在明显分界。
鉴于此次探测测线的布设并未完全均匀覆盖整个布极区域，且考虑到台站院内地面硬化、建筑物较多等因素未能布设测线，仅依靠推测进行数值模拟得到的三维图像精细程度不足。另外，考虑到可能会对观测数据产生干扰，未对布极区的供电极和测量极位置进行三维测量，后期计划增加院内重力等的补充探测，以得到更加精细、可靠的地下介质描述。
| [1] |
朱涛, 王兰炜, 胡哲, 等. 电阻率多极距观测台站的电性结构模型及参数反演研究: 以山丹台为例[J]. 工程地球物理学报, 2011, 8(1): 16-23 (Zhu Tao, Wang Lanwei, Hu Zhe, et al. Studies on Electrical Structure Model and Parameter Inversion of Multi-Separation Array Observation Station for Geoelectrical Resistivity——Taking Shandan Station as an Example[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2011, 8(1): 16-23)
(  0) |
| [2] |
玄月, 王金萍, 冯军, 等. 高密度电法在隐伏断裂探测中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 2011, 31(2): 56-59 (Xuan Yue, Wang Jinping, Feng Jun, et al. Application of High-Density Resistivity Method to Buried Fault Exploration[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2011, 31(2): 56-59)
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| [3] |
谢兴隆, 任政委, 叶振南, 等. 礼县-罗家堡断裂带浅部地球物理探测及新认识[J]. 大地测量与地球动力学, 2022, 42(1): 82-87 (Xie Xinglong, Ren Zhengwei, Ye Zhennan, et al. Shallow Geophysical Exploration and New Understanding of Lixian-Luojiabu Fault Zone[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2022, 42(1): 82-87)
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2. Anhui Earthquake Agency, 558 West-Changjiang Road, Hefei 230031, China;
3. Geophysical Exploration Center, CEA, 75 Wenhua Road, Zhengzhou 450000, China