2. 中国地质大学(武汉)地球物理与空间信息学院, 武汉 430074;
3. 中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031;
4. 河南理工大学物理与电子信息学院, 河南焦作 454000;
5. 成都理工大学"地球勘探与信息技术"教育部重点实验室, 成都 610059
2. Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. China Railway Eryuan Engineering Group CO.LTD, Chengdu 610031, China;
4. Department of Physics and Electronic Information, Henan Polytechnic University, Henan Jiaozuo 454000, China;
5. Key Laboratory of Earth Exploration and Information Techniques of MOE, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
铁路选线坚持工程地质选线为基本原则,其核心是在各勘测设计阶段采用综合勘察手段对线路沿线的地质环境与地质体的稳定性进行评价或预测,包括地基稳定性、边坡稳定性、山体稳定性、区域(或地壳)稳定性,其中区域稳定性尤为重要(彭建兵等,2004;吴光等,2010).因而针对复杂山区铁路,开展以壳幔异常隆起构造为代表的深部构造与地质选线关系研究,是当前工程地质学研究的前沿课题和发展趋势.在研究深部地质结构方面,大地电磁测深法(MT)已成为研究地球岩石圈结构的主要地球物理手段之一,它以天然平面波为场源,通过长周期观测相互正交的电磁场分量获取深部地电结构信息(孙洁等,1989;汤吉等,2005;魏文博等,2006;王绪本等,2009;金胜等,2009;Bai et al., 2010;詹艳等,2014).
新建泛亚铁路大理—瑞丽线(简称大瑞线)是中缅国际铁路通道的重要组成部分,全线最长隧道高黎贡山隧道长达35.54 km,是亚洲最长铁路隧道.大瑞线工程条件具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)和“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)特征,是目前国内艰险山区地形地质条件最为复杂的一条铁路(蒋良文等,2008;杜宇本和蒋良文,2010;李坚等,2011).高黎贡山隧道地处板块碰撞缝合带,深大活动断层发育、强震和高温水热活动频繁、不良地质现象分布集中,地质条件极为复杂,通过浅部物探、钻探和遥感解译等手段对浅地表地质结构有了较好的认识,但对与地热、地震等联系紧密的深部地质结构情况无法掌握.
本文通过对大瑞线高黎贡山越岭段两条MT剖面的数据处理与反演解释,揭示了高黎贡山越岭段各构造单元10 km深度的电性特征及相互关系,建立三维数值模型探讨MT测点点距与横向分辨率的关系,重点讨论了深部隐伏断裂、地下热水循环系统、地表断层的阻水隔热作用与高黎贡山隧道深部电性结构的关系,为高黎贡山隧道工程地质选线提供深部地质背景依据.
剖面AB沿高黎贡山隧道中线(D1K190+000~D1K228+000),经龙陵、镇安至怒江坝,方位角为NE58°,全长38 km,地质构造上处于保山地块;剖面CD北起芒棒,经黄草坝、蚌渺至象达,全长66.6 km,其中0~52.6 km段方位角为NW14°,52.6~66.6 km段为NE7°,地质构造上剖面穿越龙陵—瑞丽断裂带,北段和南端分别进入腾冲地块和保山地块,为控制龙陵—瑞丽断裂带的重要剖面;测点点距为200 m,大地电磁测深点共525个(图 1、图 2).
高黎贡山地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近的横断山脉南段,隧道穿越高黎贡山主体,地形起伏大.加里东和燕山末期发生褶皱变质,形成高黎贡山构造岩浆变质杂岩带(钟大赉等,1998).喜马拉雅运动以来,受青藏高原向南南东强力楔入和印度板块向北偏东的强烈推挤的叠加作用,地壳强烈抬升,加之川滇菱形地块向南南东滑移,导致区内新构造运动强烈,褶皱和断裂构造极其发育,以活动断裂规模大与分布密集、强地震活动、水热活动频繁为主要特征,表现为强烈的垂直差异运动和块体的侧向滑移及近南北向断裂、北西向断裂右旋位移和北东向断裂左旋位移为代表的断裂活动(吴中海等,2012;李光伟等,2015)(图 2).
复杂的地质条件导致高黎贡山隧道具有高地温及高温高压热水、深大活动断裂带、强震、高地应力、岩爆与软岩大变形、放射性、有害气体、岩溶与岩溶水等工程地质问题(杜宇本和蒋良文,2010),工程建设难度极大.本文主要利用MT法对深大活动断裂带、强震和地热及其相互间关系进行勘探研究.
3 MT点距与横向分辨率关系数值模拟研究通常深大构造电性结构研究采用的点距为几公里甚至几十公里,但工程地质选线需要探测规模较小的构造,为保证探测的横向分辨率,本次研究采用的点距为200 m.采用高密度点距进行高精度勘探,对提高MT方法的横向分辨率具有实际意义.针对高黎贡山隧道主要断层的实际地质条件,我们对相关异常体模型进行了模拟研究,目的是为利用MT法对高黎贡山隧道深部背景进行勘探的有效性提供理论依据.
3.1 三维MT正演模拟理论近年来随着计算机技术的迅速发展,二维MT正反演算法的研究已趋于成熟,但实际地质情况往往为三维问题,为促进MT方法的发展和应用,必须是解决复杂地形条件下大地电磁场的三维正演模拟和反演计算问题.有限元法(徐世浙,1994)基于变分原理和插值基函数形成稀疏矩阵,优点在于适应复杂地形和地质模型,被许多学者采用(Coggon,1971;Mackie et al., 1994;Badea et al., 2001;Mitsuhata and Uchida, 2004;汤井田等,2007;刘长生等,2010;Nam and Kim, 2010;顾观文等,2014).本文在前人研究基础上,采用有限元四面体剖分法实现了三维MT法数值模拟技术.
3.1.1 三维MT边值与变分问题由Maxwell方程组可得到电场矢量E和磁场矢量H满足的统一微分方程为
(1) |
其中,k2=iωμσ+ω2εμ.
边界条件以X极化(模式)为例,ABCD平面(图 3)令场源Ux=1,U在y、z方向无分量值,有Uy=0,Uz=0;四个垂直边界面电磁场传播方向与边界面法向垂直,有∂U/∂n=0;EFGH面电磁场按指数规律向下传播,设Ux=ce-χz,Uy=0,Uz=0,c为任意常数,
采用加权余量法求解微分方程近似解,用U的变分δU点乘方程(1) 式,且对全区域进行积分可得:
(2) |
(3) |
根据边界条件,ABCD面δU=0;四个垂直边界面,假设异常场影响为零,电场U只有x分量,因而δU只有x分量,有(∇×U)×δU·dΓ=0;在EFGH面上,
(4) |
三维地质空间可剖分为若干个六面体单元,六面体进行四面体剖分,可剖分为六个四面体单元(图 4).设四面体单元中任意一点p(x, y, z),构造形函数(体积坐标)Ni,V为四面体体积,Vi为第i个子四面体的体积,有:
(5) |
从而可得
其中δNx、δNy、δNz分别是Ux、Uy和Uz的变分.
将区域积分分解为各单元积分的线性组合,公式为
(6) |
根据边值条件求出各四面体单元系数矩阵总体集成,由(6) 式得:
(7) |
由于∂UT的任意性,所以最后得到大型线性方程组为
(8) |
其中K为系数矩阵,U为未知数变量.在A数组U值对应点位置上的系数kj乘上一个很大的数,并将右侧列向量P第j个元素改为kj×1020×b,这样得出最终需要求解的方程为
(9) |
用变带宽方式存储系数矩阵K,用共轭梯度法求解线性方程组(9),视电阻率和相位的计算方法参见文献(余年,2012).
3.2 模型模拟分析高黎贡山主要断层最小宽度约为200 m,为检验MT法是否能有效分辨宽度为200 m的断层,并分析测点点距与横向分辨率间的关系,设计如下三维地电模型进行模拟分析.
三维垂直断层模型:垂直断层的几何尺寸为200 m×200 m×800 m,电阻率为50 Ω·m,顶面埋深为400 m,围岩电阻率为500 Ω·m;频率范围为3500~0.01 Hz;测线位置为y=0,点距分别按200 m、300 m和500 m进行正演模拟(图 5).
图 6为两种不同模式和点距情况下正演计算得到的视电阻率拟断面图,不同点距测点分布分别在图上进行了标注.从正演结果可以看出:测点点距越密,MT法对断层的分辨率越高;XY模式对断层的反映比YX模式更明显;当有测点位于断层在地表投影位置时,正演结果能反映断层的存在,可有效提高方法的分辨率.
模型正演结果表明,利用MT法对断层进行探测时,合理的分布测点可提高横向的分辨率.因此,在高黎贡山隧道采用200 m点距进行高精度MT勘探,可有效的识别宽度为200 m的主要断层.
4 高黎贡山隧道勘探研究 4.1 研究区地球物理特征研究区除白垩系缺失外,自寒武系至第四系均有出露,岩性复杂,既包括不同时代的碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩,也包括不同时期的岩浆岩.根据实际露头及钻孔综合测井,并根据不同地层统计出研究区电性参数,如表 1.从地层电性参数统计结果看,各地层电阻率有一定的差异,具有开展大地电磁勘探试验的物性前提.
野外资料采集采用了六台加拿大Phoenix公司的V8多功能电法仪,其配置的MTC-50大地电磁专用磁棒频率范围为400 Hz到0.0002 Hz.项目组于2010年4至9月进行了为期六个月的MT野外剖面测量,资料采集记录了大地电磁五个分量时间序列.为保证视电阻率和阻抗相位资料周期的有效长度,所有测点野外记录时间均超过20 h,资料处理采用SSMT2000数据处理软件,将观测的时间序列进行傅立叶变换得出电磁场的自、互功率谱,再采用“Robust”资料处理技术(Egbert and Booker, 1986; Chave et al., 1987)估算大地电磁张量阻抗,得到的大部分测点有效频率范围为320 Hz~2000 s.
4.3 电性结构分析目前MT法二维反演技术已较为成熟,但研究区内北东向的龙陵—瑞丽断裂带与近南北向的高黎贡山构造带及怒江断裂拼接,构造较为复杂,需要详细对沿剖面的电性走向和二维性特征进行分析(陈乐寿和王光锷,1990).
4.3.1 构造走向分析电性构造走向的确定是利用研究区已知的构造、地质资料和电性主轴方位角来判断.图 7给出了剖面部分典型测点相位张量阻抗分解(Caldwell et al., 2004)计算得到的电性主轴方位角玫瑰图.图中可见AB剖面在测点223200以东测点的电性走向指向近南北向,说明这一段测线方位与电性走向夹角约为45°;测点223200以西测点电性走向指向北东向,测线方向基本平行构造走向.CD剖面在测点38200以北测点的电性走向指向近南北向,测线与电性走向夹角约30°;测点38200以南测点电性走向指向北东向,测点38200~52600段测线与电性走向夹角约为40°,测点52600以南测线与电性走向夹角约为30°.将AB和CD剖面测点按照测线方向与电性主轴方向交角进行旋转,分别获得垂直构造走向方向的TM模式和平行构造方向的TE模式的视电阻率和阻抗相位.
Swift(1967)和Bahr阻抗张量分解(Bahr,1991)二维偏离度结果表明,除龙陵—瑞丽构造带及邻区部分测点二维偏离度相对较高,其他测点基本小于0.3,说明沿AB和CD剖面主体部分具有二维性(汤吉等,2005).因此,旋转至电性主轴方向的电性结构可以采用二维模型进行反演.
4.4 反演解释二维反演计算在大地电磁处理与解释系统“MTSoft2D-2.0V”1) 下进行,针对本次研究测点较密、精度要求较高的特点,反演计算的步骤为:首先以Bostick变换结果为初始模型,进行稳定收敛、且对初始模型依赖程度小的一维Occam反演(Constable et al., 1987);然后以此结果为初始模型再进行稳定、收敛速度快的二维NLCG(Rodi and Mackie, 2001)反演(王绪本等,2009),最终得出反演计算结果.
1) 王绪本,高永才,余年等.2005.二维大地电磁处理与解释系统“MTSoft2D-2.0V”.计算机程序:成都理工大学.
前人研究发现TE和TM模式都能较好的拟合原始数据时,采用联合反演方式可以最大程度增加反演模型的约束效果(肖骑彬等,2005),因此,二维NLCG反演时采用TE和TM两种模式的视电阻率和阻抗相位联合反演方式.考虑到剖面横跨不同的构造单元且数据量较大,特别是CD剖面,反演解释时是把剖面分成两段进行反演,每段反演拟合误差达到要求后,再把两段的反演结果作为初始模型,对整条剖面进行反演,最终得到剖面的二维反演结果(图 10).
图 8给出了两条剖面实测的视电阻率和阻抗相位和二维反演得到的理论响应数据的拟断面对比图,可以看出,实测数据与理论响应模型拟合较好,二维电性结构反演结果(图 9和图 10)可用于研究区构造解释.
从剖面CD的电性结构(图 10)可以看出,电性剖面从横向上由北向南呈现区域构造的三分性.浅部地表F3-1黄草坝断层(测点38000) 以北为腾冲地块,地表出露的为高黎贡山群变质岩系,腾冲地块电性结构成层性较好,其上部电阻率相对较低,变化范围为25~300 Ω·m,推测为中上元古变质岩系的特征反映.测点46600以南为保山地块,地表出露的为华力西印支期和燕山期花岗岩,局部出露的有公养河群中浅变质岩;其电性结构成层性较差,埋深为0~2.5 km的部分电阻率相对较低,2.5~6 km电阻率相对较高,为华力西印支期的侵入花岗岩,下部6~10 km深度范围为太古(Ar-Pt)的中深变质岩系,电阻率较高.测点38000~46600段属龙陵—瑞丽断裂带,从电性结构来看约3 km深度以上电阻率相对较高,电阻率的变化范围为40~1000 Ω·m,为燕山期的花岗岩侵入体,3 km深度以下的电阻率变化范围为5~250 Ω·m,为近于直立的低阻带反映.
剖面北段位置整体与高黎贡山断裂群小角度相交,由于高黎贡山断裂群倾向西北方向,因此在电性结构反映为一条埋深约为1.5 km的低阻断裂带.
4.5.2 剖面AB的电性特征剖面AB的电性结构如图 9所示,其属于保山地块,电性结构大致可以分为两部分.测点200100以东以低电阻率电性特征为主,上部(0~2.5 km)为古生代浅变质岩和中生代沉积岩的反映,中部(2.5~9 km)可能为中元古和晚元古中浅变质岩系,深部9~10 km范围为中深变质岩.测点200100以西电性成层性较好,上部深4.5 km以上电阻率相对较低,推测为燕山期花岗岩的反映;4.5 km深度以下为太古宙至元古宙变质岩系组成,Pt2-Pt3为中上元古中浅变质岩系,Ar-Pt1为太古宙中深变质岩,期间(测点213000~215000段)受燕山期花岗岩穿过基底侵入到中晚元古及下古生界(寒武系)的公养河群的中浅变质岩中.
由于剖面AB为隧道中线位置,需重点对与工程相关的深部断裂进行解释.根据剖面AB电性结构共解释了6条深部隐伏断裂,分别为F7-1、F7-2、F7-3、F7-4、F7-5和F7-6,均有可能为地热热水的通道,应引起足够的重视.其中F7-1断裂与地表断裂F4-9栗僳田断层相接,共同错断了F4-8、F4-8-1、F4-8-2、F4-10等地表断裂,将浅部和深部分隔为两个明显不同的电性层,即上低下高的电性结构;F7-2与地表断裂F4-8-2姜家营断层相接,为花岗岩中的断裂;F7-3与地表断裂F4-4大坪子—田新坡断层相接,为花岗岩中的断裂,反映较为明显,结合地震地质、地表地质及龙陵地震深部背景研究(虢顺民等,1999;王晋南等,2006),推断该断裂可能是1975龙陵7.3级地震断裂,对线路影响较大;F7-4与F1-1怒江断裂相交,对怒江断裂深部走向有较大的影响,而怒江断层为与线路相交且影响较大的断裂;F7-6断裂与F4-2镇安断层相接,根据钻孔揭示,F4-2镇安断裂上部混合花岗岩推覆在下盘公养河群和燕山期花岗岩上,F7-6断裂将浅部和深部分隔为上低下高的电性结构;F7-5断裂与F7-6断裂在深部相交,为明显的花岗岩中的断裂,与F7-6断裂共同对地表断裂产生影响,同样对线路影响较大.
5 讨论 5.1 丁青—怒江碰撞缝合带存在的证据丁青—怒江碰撞缝合带为班公湖—怒江缝合带在滇西段的延伸,但其位置未有定论,是沿怒江河谷延伸插入保山地块(云南省地质矿产局,1990),还是沿高黎贡山碰撞构造带和龙陵—瑞丽断裂带延伸(潘裕生和孔祥儒,1998;钟大赉等,1998),还是沿怒江向南与滇西古特提斯主洋盆昌宁—孟连结合带相连(Allégre et al., 1984;王希斌等,1987;西藏自治区地质矿产局,1993;蒋光武等,2009),还是腾冲地块整体作为推覆构造体把班公湖—怒江缝合线压在下面(王义昭等,2000)?
剖面CD测点38000~46600段电性结构反映从3 km深度以下存在向下展布的低阻带,剖面30 km反演结果2) 反映该低阻带几乎近于直立延伸至30 km以上.根据地质研究表明,保山地块和腾冲地块之间在三叠系晚期和下侏罗之间存在陆间的海槽,海槽存在深水型陆相浊积岩,期间伴有大陆型碱性玄武岩,喷出未经分异的原始地幔岩(超基性岩),为碰撞缝合带的标志之一,它可能是构造碰撞时的侵入结果(钟大赉等,1998),中侏罗沉积前陆盆地的磨拉石沉积不整合在碰撞缝合带之上.由此表明,剖面CD发现的陡立低电阻率带可能为右旋走滑碰撞缝合的产物,右旋走滑的形成是印度板块和欧亚板块碰撞引起保山地块向南东逃逸形成的结果.深地震反射探测成果(姬计法和刘保金,2015)表明龙陵—瑞丽断裂带下方有两条深断裂,其中南侧的深断裂下延至上地壳,其反映的深部结构与本次电性结构相同.因此,通过本次电性结构研究,推测龙陵—瑞丽断裂带深处存在丁青—怒江碰撞缝合带.
2) 余年, 蒋良文, 李坚等.2010.大理至瑞丽线高黎贡山越岭地段大地电磁法(MT)勘探报告.成都:中铁二院工程集团有限责任公司.
5.2 地热断裂深循环系统特征高黎贡山隧道位于地中海—南亚地热异常带,为区域性高热流区,区内高温沸泉、热泉、温泉等数量多、密度大,除受构造控制外,还受地形地貌条件的制约,高温对工程建设具有极大的影响(李光伟等,2015),因此地热问题在高黎贡山隧道选线中是需要重点考虑的问题之一.
研究区的温泉分布、地温场特征与地表火成岩分布、活动断裂分布、地震活动、地壳深部地球物理特征都有相关性.地表温泉的成因可分为岩浆热源型、断裂深循环型和岩浆热源叠加断裂深循环作用型三种类型.研究区位于印度板块与欧亚板块碰撞带东部,古近纪和新近纪岩浆活动显著,西侧与腾冲高温地热活动区交接处存在更新世岩浆活动,同时该区第四纪断裂活动明显,剖面AB和CD电性结构特征反映龙陵一带形成了密集的共轭断裂系,个别断裂切割较深.因此,研究区岩浆岩冷却余热与中地壳高热异常体构成热源,通过岩体热传导和断裂深循环系统进行地下热水的深循环热交换,属于较典型的岩浆热源叠加深断裂深循环作用型地热(侯新伟等,2011;周春景和吴中海,2012).
根据地下热水循环深度的估算,研究区热水整体上属于发育在变质岩和侵入岩中的深循环中低温对流系统,循环深度为2~4 km(蒋良文等,2008).大地电磁测深所显示的地下高导异常体通常反映地下的热异常状况(魏文博等,2006),剖面CD电性结构反映,从地表位置黄草坝断裂开始向下延伸,有一条发育最大深度约为4 km(图 10中蓝线虚线)的高导低阻通道,推测为研究区的地热断裂深循环通道,与水文地质研究结论基本相同,证实了地热断裂深循环系统的存在.
地表黄草坝断裂为龙陵—瑞丽断裂带地表分支断裂带,断裂浅部倾向较陡,向下延伸变为西北缓倾,为新生代中晚期花岗岩中形成的走滑断裂,是一条起阻水隔热作用的边界断裂,其与深部断裂深循环系统共同控制着高黎贡山—三台山弧形构造水热活动带地下热水的补给、径流和排泄条件(李光伟等,2015),对地下热水起关键控制作用.由于隧道线位位于黄草坝断裂以南,黄草坝断裂和深部断裂深循环系统的存在成为高黎贡山隧道方案成立的重要和关键工程地质条件.
6 结论通过对大瑞线高黎贡山越岭段两条MT剖面数据进行了详细分析和二维反演,获得的深部电性精细结构揭示了沿剖面各主要断裂和构造带深部延展特征,并采用三维有限元模拟验证了用MT法来研究复杂山区铁路沿线深部电性结构特征的有效性和可行性,从而为隧道工程地质选线提供深部背景依据.
(1) 三维垂直断层模型的正演模拟研究表明,测点点距、位置与横向分辨率密切相关.点距越密,MT法对断层的分辨率越高;测点位于断层在地表投影位置能有效提高方法的分辨率.高黎贡山隧道采用200 m点距进行高精度勘探,可有效分辨研究区主要断层.
(2) 剖面CD电性结构呈现区域构造的三分性,腾冲地块电性结构成层性较好,保山地块成层性较差,两者均以中高阻电性特征为主.中间夹龙陵—瑞丽断裂带,电性结构反映从3 km深度以下存在向下展布几乎近于直立延伸至30 km以上的低阻带,推测龙陵—瑞丽断裂带深处存在丁青—怒江碰撞缝合带的特征反映.
(3) 根据剖面AB电性特征共划分了6条深部隐伏断裂,均可能为地热热水通道.其中,F7-3与地表断裂F4-4大坪子—田新坡断层相接,为花岗岩中的断裂,结合地震地质、地表地质、龙陵地震深部背景研究,推断该断裂可能是1975龙陵7.3级地震断裂.
(4) 剖面CD电性结构反映,从地表位置黄草坝断裂开始向下延伸,有一条发育最大深度约为4 km的低阻通道,推测该通道为研究区断裂深循环通道,证实了地热断裂深循环系统的存在.该断裂深循环系统与地表黄草坝断裂共同控制研究区地下热水的补给、径流和排泄条件,为高黎贡山隧道方案成立的重要和关键工程地质条件.
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