0 引言

隐伏断层是在地表无显示或出露不明显而潜伏在地表以下的断层。在我国第四系覆盖区，分布着大量隐伏断层（朱嘉伟等，2005），其中较大部分是隐伏活动断层，其所具有的隐蔽性，往往使得人们对其危险性认识不足，在地震发生后，容易造成严重灾害。如：1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震等，发震构造均为隐伏活动断层（邓起东，2002）。因此，开展隐伏活动断裂探测对减轻地震灾害具有重要意义（董泽义等，2010）。目前，有多种地球物理方法用于隐伏活动断层探测，如地震法、重力法、电磁法等（方盛明等，2002；刘保金等，2009）。电磁法种类较多，大地电磁测深（简称MT）即为其中一种方法。

大地电磁测深方法的工作原理是，采用天然交变电磁场探测地下电阻率结构（陈乐寿等，1990）。其优势在于，装备轻便，不需要人工场源，接收频率范围宽，比其他人工源方法探测深度大。因此，大地电磁测深已发展成为当前活动断层探测的一种重要手段（卢放等，2015；赵凌强等，2018）。大量实践证明，大陆内部地块边界、深大断裂带以及古缝合带容易充填水和松散沉积物，电阻率显著降低，而大地电磁测深方法对低阻敏感，该方法对揭示隐伏断层结构及其延伸状态具有重要的指示意义（苗景春等，2013）。

根据煤田地质资料及研究成果^①，河南省商丘市南部在浅层（深度小于2 km）是由一组分支断层组成的断层带。目前，尚未对断层深部构造背景以及构造样式等发震构造关键问题开展深入研究。文中采用远参考测量技术（Gamble et al，1979），在商丘南部开展大地电磁测深工作，记录时长10 h以上，获得该区高精度大地电磁测深（MT）剖面，并对路河断层与商丘南断层2条分支断裂进行地质解释，以便为确定太康隆起的深部结构提供依据。

① 河南省商丘市睢阳区路河煤预查（续作）二维地震勘探成果报告.

1 区域地质概况 1.1 地质背景

研究区位于河南省东部商丘市睢阳区路河镇附近，地处太康隆起与黄口凹陷交界处，为南华北盆地北部的二级构造单元（图 1）。太康隆起南北长约70 km，东西宽约220 km，面积约16 000 km²，其构造格局多受东秦岭—大别造山带及郯庐断裂系的影响（李庶波等，2015）。自印支运动以来，太康隆起主要历经3次构造事件：①受秦岭—大别地块拼贴碰撞作用的影响，太康隆起印支期开始发育NW—NWW向构造；②燕山晚期—喜山早期，在伸展与旋转应力作用下形成古近系凸隆相间的构造格局，研究区内正断层主要形成于这一时期；③新近纪至今，太康隆起随南华北盆地整体缓慢沉降，在近EW向构造应力场下，先存断层活化并以走滑运动为主（徐汉林等，2003）。大量的重力、航磁资料表明，太康隆起并非简单背斜，而是由一系列轴向NNE的背斜与向斜组成的侏罗山式（主要为隔槽式）褶皱，在被后期NNW和NE向断层切割后，表现为许多隆起与凹陷不规则相间的构造格局。

黄口凹陷地处河南、山东、安徽、江苏4省交界，是华北地台东南部的中、新生代断陷盆地，东西长约150 km，南北宽约15—30 km，大致呈EW向展布，面积约3 200 km²（卢焕勇等，1994）。其位于丰沛凸起、太康隆起之间，东、西分别以峄山断层、曹县断层为界，北以丰沛断层为界，与丰沛凸起相连，南缘西段以商丘南部断层为界，与商丘凸起（太康隆起）相接，东段向南超覆于砀山—郝集斜坡（砀山凸起）之上。黄口凹陷是一个开始于印支期、发展于燕山期、全盛于喜山期的中、新生代沉积凹陷，在其形成过程中，与东部郯庐断裂的发展、演化密不可分。在印支期—燕山期，黄口凹陷主体是受控于NNE向断裂的拉分盆地；而华北期开始，凹陷主体受近EW向展布的丰沛断层控制，整体呈北断南超的结构特征，中生代凹陷构造特征与新生代相比差异明显（徐汉林等，2003）。

依据钻孔和区域地质资料^②，研究区内地层从老至新依次为太古界、寒武系、奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组与太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组与上统上石盒子组以及新生界新近系和第四系。

②商丘幅I-50-14 1/20万区域水文地质普查报告，河南省商丘地区航空磁力测量成果报告，河南省商丘一带航磁异常查证工作报告.

1.2 重力、航磁异常特征

区域重力异常与地层密度有直接关系。研究区分布4个较大的密度层（表 1），自上而下依次为：第四系密度层、新近系密度层、中生界—上古生界密度层和下古生界—太古界密度层。4个密度层的层间密度差较大，并相应存在3个明显的密度界面，二者与华北地区的区域构造层和不整合面相一致（李文勇等，2004）。

研究区属华北重力异常区的嵩箕—豫东亚区（图 2），以舒展、开阔、连续的重力低梯度带为主要特征。重力背景值自东向西递减，背景值为-25 mGal，局部异常带呈扁圆状，近EW—NWW向，异常值范围在（-50— -5）mGal。由物性资料可知，中、新生代碎屑岩、酸性岩体均为低密度层，与周围岩层之间形成密度亏空，因此出现重力低带。相反，古生代、元古代和太古代岩层显示为重力高带。重力低带是中、新生代巨厚沉积凹陷的反映，重力高带则是前中、新生代隆起构造的反映。在研究区内，商丘市南部有较明显的NWW向重力陡变带，是深部断裂发育的一种表现。

经统计，研究区除前寒武系地层具有磁性外，古生代、中生代、新生代地层一般磁性微弱或无磁性。研究区位于宁陵负磁异常带，该异常带分布于商丘、柘城高磁异常之间。引起两地磁异常高的岩层为太古界片麻岩，由于地层产生隆起，片麻岩层相对变浅而形成磁异常高值区，而两异常高值区之间片麻岩层相对较深。这一带无局部航磁异常，说明火成岩在此不发育（图 3）。

1.3 地震反射剖面特征

根据煤田地震勘探成果^③，研究区上覆各地层反射波阻特征之间存在明显差异。从研究区附近地震反射剖面（图 4）可知，剖面左右两侧存在反射波数目突然增多或减少现象，应为大断层的反映。反射波双程走时800 ms以上有丰富的反射波组，连续性较好，在横向上基本呈水平展布，相对起伏变化不大，应为新生界内各地层的反映；800 ms以下同样有2组明显的反射波组，与上伏波组呈角度不整合，应为二叠系、石炭系的内部反映。研究区地震反射剖面中反射波组丰富，具有开展反射地震勘探的前提。根据浅层地震反射剖面（图 4）解释结果，跨本测线剖面发育2条断层——路河断层（F₁）与商丘南断层（F₂）。路河断层[图 4(a)]位于睢阳区路河南2 km，为正断层，走向NW，倾向NE，倾角35°—65°，落差约150—700 m，延伸长度超过16.7 km。商丘南断层[图 4(b)]位于睢阳区城南约4 km处，为正断层，走向NW，倾向SW，倾角30°—65°，落差约50—400 m，延伸长度超过18.9 km。

2 大地电磁测深原理

由于地表电磁信息携带了地下电性结构特征，因此测得的电场和磁场包括了由空间向地下入射的初始场和由地下导电介质感应产生的二次场。电磁场的频谱与地下介质结构信息直接相关。在频率域，电场E、磁场H和阻抗张量Z满足以下关系

$\left[\begin{array}{l}E_{x} \\ E_{y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ll}Z_{x x} & Z_{x y} \\ Z_{y x} & Z_{y y}\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}H_{x} \\ H_{y}\end{array}\right]$

(1)

其中，下标x指示电、磁场的正北方向，下标y指示电、磁场的正东方向。阻抗张量为水平电、磁场分量之间的传输函数。

野外测量可得到各电磁场分量的时间序列，进行傅里叶变换可得各分量在频率域的谱数据。采用最小二乘法求解公式（1），可求取阻抗张量的各个分量，计算公式为

$Z_{i j}=\frac{\left[E_{i} H_{j}^{*}\right]\left[H_{i} H_{i}^{*}\right]-\left[E_{i} H_{i}^{*}\right]\left[H_{i} H_{j}^{*}\right]}{\left[H_{i} H_{i}^{*}\right]\left[H_{j} H_{j}^{*}\right]-\left[H_{i} H_{j}^{*}\right]\left[H_{j} H_{i}^{*}\right]}$

(2)

式中，i、j可表示x或y，*代表复数的共轭，[…]代表叠加功率谱。

利用磁场自功率谱计算传输函数[式（2）]的过程中，存在无法克服磁场自身噪音的缺点。为此，Gamble等（1979）提出远参考道法（Remote Reference Method，RR），即在同步测量情况下，利用与本地测点（基站）相隔一定距离的另一不受干扰测点（远参考点）的电磁信号（主要是磁信号），参与基站的传输函数计算，公式如下

$Z_{i j}=\frac{\left[E_{i} H_{j \mathrm{r}}^{*}\right]\left[H_{i} H_{i \mathrm{r}}^{*}\right]-\left[E_{i} H_{i \mathrm{r}}^{*}\right]\left[H_{i} H_{j \mathrm{r}}^{*}\right]}{\left[H_{i} H_{i \mathrm{r}}^{*}\right]\left[H_{j} H_{j \mathrm{r}}^{*}\right]-\left[H_{i} H_{j \mathrm{r}}^{*}\right]\left[H_{j} H_{i \mathrm{r}}^{*}\right]}$

(3)

式中，H_ir、H_jr代表远参考点的信号或场。

由于参与阻抗计算的是互功率谱，可用于消除本地电、磁信号中不相关噪音的影响。得到阻抗张量分量后，可计算视电阻率ρ_a和阻抗相位φ，公式如下

$\rho_{\mathrm{a}}=0.2 T\left|Z_{i j}\right|^{2} \quad \varphi=\operatorname{Arg}\left(Z_{i j}\right)$

(4)

式中，T为电磁场周期；ρ_a和φ均为频率的函数，是反映介质电性特征的重要物理量。

3 大地电磁测深资料解释 3.1 数据采集

研究区位于商丘市郊区，地势平坦，对数据采集影响较大的干扰源主要为高压线及高速公路。据河南省地质志，各地层电性值见表 2。对比各地层电阻率可知：新生界电阻率较低，一般小于60 Ω·m，石炭—二叠系电阻率在20—90 Ω·m，寒武—奥陶系电阻率在150—1 500 Ω·m，太古界电阻率在750—1 500 Ω·m；研究区地层电性基础较好，各地层间存在明显的电性差异，地层电阻率整体上由老到新。

本着垂直研究区构造的原则布设测线，测线位置见图 5。测量电场布设SN和EW两个方向，使用3台加拿大产多功能V8电法仪进行数据采集；磁场设2个相互垂直的方向，磁棒距主机10 m以外，SN、EW两个方向的电极距均为100 m。在野外工作开始前和结束后，对加拿大凤凰公司多功能电法仪（MT）设备进行仪器标定及一致性试验，视电阻率、相位最大相对误差4.77%，满足测试需求后进行采集。在野外开展采集工作时避开高压线，并将采集参数H、E增益（磁道、电道采集的滤波参数）调整到1，以降低干扰源影响，提高观测资料质量。

本研究给出MT测线视电阻率和相位拟断面，结果见图 6。由图 6可见，视电阻率曲线在频率大于0.01 Hz（对数值为-2）时整体较为平滑，低于0.01 Hz时开始扭曲（质量变差），说明在频率0.01 Hz以上，视电阻率采集数据质量较好；相位曲线也表明，在频率0.01 Hz以上，观测数据质量较好。

分析图 6(a)及图 6(c)所示视电阻率曲线拟断面，可见在MT03和MT07测点之间呈较为明显的电性过渡带（红框标识），符合隆起与凹陷的过渡带特征。

在拟断面图中，视电阻率、相位数据部分低阻异常只在高频段存在，反映了浅表低阻构造（或松散沉积层）的存在；其余低阻异常贯穿整个频段，可能与断裂构造（或岩性边界）有关。这些定性分析将进一步在二维反演结果中加以验证。

3.2 二维电性结构模型及地质解译

据Ledo等（2002）的研究，当3D异常体沿走向延伸长度大于1/2趋肤深度时，当测线垂直于异常体走向时，TM模式（垂直构造方向的磁场）数据反演结果能够准确推断3D异常体横向特征。Tauber等（2003）利用TM模式进行数据反演，较好地呈现了导电结构几何形态。因此，文中采用TM模式进行反演、推断、解释，并选择occam反演方法（Siripunvaraporn et al，2000）进行反演。occam反演提供了一种既尽可能与实际观测数据相吻合，又具有最小粗糙度的地电结构模型。结合TM数据反演结果（表 3）及测线二维电性结构模型剖面（图 7），可以发现，在距MT01测点2.6—3.7 km和6.0—8.1 km处电性梯级带明显，视电阻率对数值变化范围在3.2—4.6。结合地质资料，推测应为F₁、F₂断层的反映。其中：F₁断层为正断层，倾向N，倾角约77°，断距大于1 050 m；F₂为正断层，倾向S，倾角约79°，断距大于530 m。

4 讨论与结论

商丘南部活动断层研究程度较低，断裂分布位置与构造样式均不清楚。本研究通过商丘南部1条大地电磁测深测线与人工地震反射剖面发现，商丘市南部路河镇附近发育2条分支断层——路河断层（F₁）与商丘南断层（F₂），且断层倾向相对，形成小型地堑。路河断层（F₁）规模较小，倾向N，倾角约77°，断距大于1 050 m，自500 m深度向下断距逐渐增大，为一典型同生长断层；商丘南断层（F₂）倾向S，倾角约79°，断距大于530 m，上断点埋深约700 m。2条断层向上错断新生界底板，向下均错断太古界。

根据商丘第四系覆盖区二维电性结构探测结果，研究区第四系与新近系（Q+N）电阻率为2×10^-1—8×10² Ω·m；二叠系与石炭系（P+C）电阻率为1×10⁰—6×10³ Ω·m；奥陶系与寒武系（O +∈）电阻率为5×10¹—6×10³ Ω·m；太古界（Ar）电阻率为1×10²—1×10⁵ Ω·m，但是，受F₁与F₂断层组合影响，太古界（Ar）电阻率可能低于1×10³ Ω·m；各地层电阻率在断层附近均有不同程度的降低。

由于大地电磁测深对高压输变电工程等大功率电磁波场源敏感，本研究选择在远离城区的商丘路河镇附近开展大地电磁测深工作，布设测点避开大功率电磁波场干扰源，数据采集时长10 h以上，可较好地压制电磁干扰。

感谢审稿人对本文撰写提出的建设性意见与建议，感谢鲁人齐研究员的悉心指导，感谢河南省地震局活动断层探测与研究科技创新团队全体成员的付出和努力。感谢河南省航空物探遥感中心张卓、廖俊杰、金路、李恒、任静等在本次大地电磁野外资料采集与数据处理过程中的辛苦工作。