0 引言

万全断裂是洋河盆地北缘断裂带组成断裂之一，地处晋冀蒙交界地区，构成山西断陷带和燕山断隆的构造分界(周月玲等，2013)。断裂由南、北两段组成，呈NE—NNE向斜列展布，长约15 km，第四纪持续活动，控制着附近地区的构造演化和地貌发育(周江林等，2012)。该断裂大部分出露地表，断裂沿线发现多个断裂活动的地质剖面，但断裂穿过沟口隐伏于第四系，摸清断裂隐伏段落的展布与活动特征，对山盆地区建设规划、抗震设防具有重要意义。

本文采用电阻率成像和浅层地震勘探联合方法探测。电阻率成像探测技术具有，简单、快速、成本低、成像快速等优点，在观测系统上采用阵列电极系统，数据处理上实施二维或三维反演，由实测视电阻率值得到真电阻率分布图像(姜早峰，2004)，在隐伏断层探测中得到推广和应用(梁久亮，2008)。浅层地震勘探法分辨率高，可以准确地确定活断层位置、规模及空间分布，是厚覆盖区断裂探测不可替代的探测技术(温超等，2016)。实践表明，由于山盆构造的复杂性和地球物理反演的多解性，单一物探方法难以完成隐伏断层的精细勘察(温超等，2015；杨歧焱等，2016)，联合2种不同探测手段开展工作，确保隐伏断裂探测成果的可靠性。

1 区域地质构造

张家口市及附近地区属于冀西北盆岭构造区，在新生代期间以裂陷盆地和断块隆起为主要特征，断裂构造为盆岭边界，控制着地貌的发育演化。测区位于低山与盆地交界区，西北侧为中生代地层抬升形成的低山丘陵，东南侧为地块下降而成的万全盆地。万全盆地平均海拔700 m，是第三纪—第四纪早期的强烈断陷区，第四纪中、晚期以来缓慢下降。据陈望和等(1987)的研究及收集的盆地区钻孔资料可知，全新统零星分布在河谷、沟谷及山麓地带，多由含碎石的亚粘土、亚砂土、卵砾石组成，厚1—20 m；上更新统为厚层砂、砾卵石层，间夹粘土含砾层，厚30 m以上，构成冲洪积扇和冲洪积台地，主要分布在山前地带的冲沟底部；中更新统为黄褐、黄棕色及红棕色亚砂土、亚粘土和粘土夹卵石层，厚40 m以上；下更新统为胶结砂砾及钙质结核或棕色/灰绿色粘土、粘土岩，厚80—100 m。研究万全断裂附近地球物理特征，开展电阻率成像、浅层地震勘探及地质剖面验证工作。

2 测线布置

万全断裂位于复杂的盆岭交界区，综合地质与地球物理条件，在万全断裂北段黄家堡村西不连续段落开展电法与地震勘探(图 1)。电法勘探测线位于盆窑村北，在河漫滩上稀疏的小树林里近EW向跨万全断裂布设，长约1 485 m。浅层地震勘探测线近平行于电法勘探测线，地震剖面长1 244 m。2条测线跨越万全断裂东西两侧，东侧为山前台地及村庄，西侧为山麓前缘及山前台地，第四纪覆盖层较薄，为洪坡积相。

3 勘测方法 3.1 电阻率成像法

电阻率成像法是国际上近20年发展起来的一种新型电法勘探技术(傅锡天等，1998；陈峰等，2003；李志科等，2003)，简称电成像，国内俗称高密度电法或多道直流电法，与电(阻率)剖面法、电(阻率)测深法，成为目前常用基本电测手段。该方法利用地下介质电性结构差异，通过专用仪器设备，采用直流供电方法，探测地层或岩体埋深。电阻率与地层的岩性、裂隙密集、孔隙液体的性质与分布有着密切关系，电成像可以得到地下二维电阻率分布图像，电阻率成像1次布设多个电极，自动转换采集数值，具有数据采集量大、观测精度高、生产效率高、记录地质信息丰富的特点，具备电测深和电剖面法两种方法手段的综合探测能力。电成像技术对识别断层、破碎带、油气层及污染等方面效果显著(廖椿庭等，2003；周启友等，2009)。

本次工作使用W GMD3(60道)高密度电阻率测量系统，对装置类型、极距大小、采集参数等进行试验，根据试验结果选择α(温纳四极)工作方式，电极距5 m，控制深度数据16层(探测深度约45 m)，1次布设60个电极，1个排列完成后，向前滚动12个电极，重复以上测量，直至剖面测量完成，对记录资料进行处理及二维反演，根据ρ_s值绘制等值线拟断面图。

3.2 浅层地震勘探

浅层地震勘探反射技术是根据地下介质在物性差异界面上地震波的运动学和动力学特征，探测地层或岩体的埋深及速度结构，利用反射剖面上丰富的反射波组特征判定断层的存在，并确定其产状等基本参数，使用多次叠加技术可使其具有较强的抗干扰能力，其勘探深度较大，探测精度较高，在断层定位及特征判定上具有较高精度(方盛明等，2002；邓起东等，2003；王爱国等，2006；杨歧焱等，2015)。

本次浅层地震勘探工作，采用美国GEOMETRICS公司STRATAVISORNZXP96高分辨率地震仪采集数据，使用70 kg冲击震源单点激发地震波，每个点激发10—15次，冲击夯源冲击置于地面的金属板，以便提高振动能的耦合转换效率。为了选取数据采集工作参数，首先进行扩展排列实验。图 2给出扩展排列地震实验原始记录(96道)，实验偏移距0 m、道间距3 m，采用全通频带记录，图中序号①处为直达波，②处为浅层折射波，③处为反射波，④处为声波，⑤处为面波。

由图 2可见：干扰波较为发育，主要表现为强的面波、直达波、浅层折射波、声波；在13道100 ms左右已有反射波出现，且与主要干扰波基本分离。为了尽可能增加浅部信息，偏移距不宜过大，本次勘探选用6 m作为偏移距。在对测区探测时，每道使用单支100 Hz的检波器进行组合接收，以提高灵敏度。为防止检波器组合对高频反射波的压制，采用点组合接收的施工方法。

在地质条件调查基础上，通过实验和综合分析，设定工作参数为：道间距3 m，最小偏移距6 m，炮间距12 m，单点叠加10—15次，72道接收，记录长度0.7 s，采样间隔0.25 ms，采用15 Hz低切滤波器和250 Hz高切频率器。

采用水平多次叠加进行数据处理，主要方法有道编辑、静校正、真振幅恢复、地表一致性振幅处理、地表一致性反褶积、二维随机噪声衰减、FK滤波、正常时差校正(NMO)、共中心点(CMP)叠加、叠后频率带通滤波和叠后剖面去噪等。

4 勘探结果和资料解释 4.1 电阻率成像

电阻率对孔隙度和含盐饱和度的变化量比波速高1—2个数量级，当地层出现破碎或密集微裂隙时，反应更加灵敏。测区存在断裂破碎带，将导致其中的孔隙度和含水性增加，在某些情况下还会胶结金属氧化物，使电阻率进一步减小，产生相对于完整基岩的低阻异常，沿垂直断裂延伸方向布置测线，可以探测断裂的低阻异常，从而确定断裂位置(吴教兵等，2016)。

对万全断裂电阻率成像数据进行二维电阻率反演，剖面(图 3)可见：①垂向电阻率值呈现高低反转现象，这是因为，测线所在位置浅部为河流相堆积，颗粒较粗，且地下水位较低，不能富水，而中下部地层颗粒较细，且富含水；②横向浅部为桔黄色—黄色的中高阻层，厚10—20 m，电性结构相对均匀，由河流相、洪积相等粗颗粒堆积物引起；中下部为中低阻层，更多反映了含水相对细粒堆积物的电性特点；西段底部隐约出现中阻层，表明地层物性发生变化，推测为风化的基岩顶部，东段底部表现为低阻特征，推测基岩埋深较大(＞80 m)。纵观反演剖面电性结构特征，可知在剖面740—790 m处两侧电阻率明显不同，出现宽20—30 m的低阻带，推测该低阻带为断层破碎带，较破碎且富水，表现为张性正断层性质，垂直落差达20 m以上，上断点深约20 m。

4.2 浅层地震勘探

隐伏活断层覆盖层、断层破碎带充填物与基岩的波阻抗不同，且不同地层间存在明显弹性波阻抗差异，是开展浅层地震勘探反射波法的前提条件。地震波在完整基岩中波速较高，断裂带处(基岩破碎及富含地下水)波速较低，呈现明显物性差异。采用浅层地震勘探，往往可探测到明显的低速带异常。当地震波经过断裂破碎带时可能产生同相轴错位及绕射现象。因此，可以使用地震勘探方法判断断裂位置、产状等信息。

浅层地震勘探测线位于盆窑村北，地面投影位置见图 4。图 5给出该浅层地震勘探剖面的部分时间—深度图像，据波组特征解释2组反射波T_g和T₀₁。其中：T_g波的双程反射时间在200 ms范围内，同相轴在剖面中比较清楚，反射界面有一定程度的起伏变化，时—深转换后T_g反射界面埋深在160—190 m，T01埋深在80—115 m，根据场地周围地层钻孔资料和时—深转换剖面对比，T₀₁为上更新统(Q₃)底界面产生的反射波，T_g为中更新统(Q₂)底界面的反射波。

从剖面中各反射波同相轴的横向连续性来看，在该测线剖面距离1 050 m(CDP701)左右，T₀₁、T_g反射波同相轴出现明显错断或产状突然变化现象，对应T₀₁反射面的断距约25 m，对应T_g反射面的断距约30 m，上断点埋深约60 m，断裂带宽约10—20 m，断裂倾向E，倾角约75°。根据测区地质资料，判断该断层为万全断裂，错断了T₀₁、T_g反射波同相轴，即万全断裂错断了上更新统、中更新统和下更新统底界。在山间盆地等复杂地区，因表层结构复杂，地层破碎，横向地层不均匀，激发和接收条件横向变化大，地震反射波同相轴在连续性较差、剖面走时100 ms以上的浅层部分反射信号弱，有效反射不清楚，不能较好展现断裂的最新活动情况。

5 地质剖面异常验证

电法勘探和浅层地震勘探是用于探测地下隐伏断层的基本方法。鉴于单一方法存在多解性，考虑到各种物探方法具有不同的探测优势、工作效率和成本，为实现优势互补，达成最佳组合方式，最后进行地质剖面验证，使其取得良好的勘探效果，具体分析如下：

电阻率成像结果揭示了地下0—90 m深度的电性结构，在20—80 m存在断裂破碎带的低阻特征，推测断裂上断点埋深约20 m，弥补了浅层地震探测剖面中60 m深度之上浅层部分信息缺失；浅层地震勘探剖面揭示了60—240 m地层断错结构特征，同相轴错断的方向反映了断层的产状，弥补了电阻率成像探测深度浅及不能分辨断层产状的缺点。60—80 m深度为2种探测方法重叠可互相验证。电成像结果显示，深度80 m附近断裂两侧地层电阻率差异明显，尤其是断裂西侧，在80 m深度上出现类似基岩风化壳表层的高阻层；在浅层地震勘探剖面80 m深度也出现较强界面，且界面发生错断。以上现象说明采用2种方法探测的地层结构和断错位置一致。与此同时，在距测线西南约500 m的盆窑村北发现断裂最新活动的地质露头，见图 6，绘制的地质剖面结构图见图 7，揭示了万全断裂复杂地质结构(周月玲等，2013)。可见万全断裂不是单一断裂，而是由多条次级断裂组成的断裂带，宽约8—9 m，断裂错断了含砾石黄土层、钙质结核标志层及砾石层等。从地层颜色、岩性和构造地貌分析，地层应属中更新世晚期或晚更新世早期堆积。主断层产状为走向NE35°，倾向SE，倾角80°，最大垂直错距6 m，对应的光释光年龄为(218±15)ka，平均垂直活动速率达0.04—0.05 mm/a，显示了断裂的最新活动特征。电阻率成像、浅层地震勘探与地质剖面获得的相关参数值大小反映了断裂深浅构造的变化特征。

6 结论与讨论

本文就电阻率成像、浅层地震勘探和地质剖面等综合地质—地球物理方法，探讨山盆复杂地区断裂探测方法，以万全断裂为例，对断裂不连续段落的空间展布位置、断层结构进行分析，确定断层的准确位置和产状等。研究结果表明，万全断裂总体走向NE，倾向SE，倾角约75°，表现为正断张性特征，隐伏段落上断点埋深约20 m，20—240 m深度断裂破碎带处电性结构与地层结构不连续性明显，破碎带宽约10—20 m。

电阻率成像法具有测量深度浅、分辨率高的特点，适用于活动性高、埋藏浅的隐伏断裂探测，可提供活动断层的浅部电性特性和电性结构。使用该方法进行勘探隐伏断裂及成果解释时，需综合考虑断裂带性质、岩性特征、断裂带破碎与胶结程度及含水量、断裂带规模大小、场地地层及地形地貌等。

浅层地震勘探是城市活断层浅部探测中分辨率高且有效的物探方法之一，通过该探测手段可获得断层或隐伏断层的准确位置、几何形态及断层带宽度、断层活动情况等特征。然而，浅层地震勘探受地表复杂环境影响较大，在山间盆地等复杂地区，因地层破碎，激发和接收条件横向变化大，存在数据接收与处理的一系列现实问题，如：次生干扰波发育、静校正问题严重、滤波困难、信噪比低、深层反射能量弱等。本次地震勘探应用小能量激发，采用小道距、小偏移距、短排列、高频检波器、宽频带接收等方法，明显提高了反射波主频。

在地质与地形复杂的山盆地区，覆盖层不均匀，电阻率成像和浅层地震勘探方法的综合物探组合模式具有较高的互补性，结合地质剖面验证，可提高某些特殊位置地质解释的可靠性及综合判断地层属性的准确性。该组合模式对于有效探察复杂条件下的隐伏活动断层的精细结构是可行的，是现有浅层物探方法兼顾探测效果、效率和成本的最佳组合，避免了单一方法的多解性，又可有效提高复杂山盆条件下的探测精度，具有较强的实用性及推广性。