川东高陡断褶带西以华蓥山断裂为界与川中隆起相邻,东至川鄂边境的齐岳山断裂带,由一系列弧形山脉组成,山体是以二叠系—三叠系为核心的背斜,两翼极不对称,一般缓翼地层倾角20°~30°,陡翼地层倾角40°~70°或地层直立倒转,山脉之间宽广的谷地是侏罗系组成的向斜构造上和地貌上都呈现典型的隔挡式。向斜、背斜之间发育不同程度的断层^[1]。对于断层等地质构造,地质学者可通过对地表地质的观察,结合构造规律和工作经验情况做出一定程度的推测,但在断层无露头或出露不明显的地段,只能通过物探、钻探或其他地质工程来验证。目前隐伏断层勘探可以采用的地质和地球物理方法较多,比较成熟的方法有地质钻孔法、热测井、电法勘探、磁法勘探、重力探测、浅层地震、微震法、放射性探测等^{[2,3,4,5,6,7,8]}。在地球物理勘探的过程中会因观测时很多干扰因素的影响而出现误差,即使在观测精度很高、干扰因素很小的情况下,反演过程都存在多解性。为了减少多解性的影响,因此采用单一的地球物理方法来进行异常解释一般是不科学的,往往需要综合采用多种地球物理方法^[9],相互补充、相互印证,提高物探资料的真实性、合理性和可信度^[10]。

川东高陡褶皱带区,三叠系地层受到风化剥蚀,裸露在背斜核部,背斜构造及深部断裂发育极为广泛。为研究高陡断褶带隐伏断层的地球物理响应特征,为进一步的野外探测及资料处理提供依据,本文进行了重力、磁法、大地电磁的正演模拟计算,主要模型建立为高陡背斜上发育断层,且结合了川东高陡断褶带的地质与地球物理特征。

模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm³;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm³;第三层为无限深、密度值2.752 g/cm³;倾斜断层宽度100 m、倾斜角度69°、密度值2.225 g/cm³;地层断距100 m。

重力模型1正演模拟结论:水平层岩层+倾斜断层(69°)模型重力正演模拟结果(图1a),远离断层的重力值曲线近似为一水平直线;在断层附近曲线下凹且断层附近倾向侧重力值小于断层附近倾向对侧重力值,断层下降盘的重力值略小于上升盘的重力值,断层正上方重力值最小。

模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm³;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm³;第三层为无限深、密度值2.752 g/cm³;倾斜断层宽度50 m、倾斜角度72°、密度值2.225 g/cm³;地层断距100 m。

重力模型2正演模拟结论:背斜+倾斜断层(倾角72°)模型重力正演模拟结果(图1b),远离断层右侧的重力值曲线近似为一水平直线;断层左侧的重力值曲线为一单调递减的曲线,在岩性变化的点曲线下降速度较快;在断层附近曲线下凹且断层倾向侧重力值小于断层倾向对侧重力值,断层正上方重力值最小。

模型参数模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、磁化强度值1.2 A/m、磁化倾角48°;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、磁化强度值1.2 A/m、磁化倾角48°;第三层为无限深、磁化强度值1.4 A/m、磁化倾角48°;倾斜断层宽度50 m、倾斜角度72°、浅部磁化强度值1 A/m、磁化倾角90°、深部磁化强度值1 A/m、磁化倾角90°;地层断距100 m。

磁法模型正演模拟结论:背斜+倾斜断层状模型磁力正演模拟结果(图1c),远离断层右侧的磁力值曲线近似为一水平直线;断层附近磁力值出现“脉博跳动”或“正负伴生”的近似N型曲线;岩性变化的分界面上出现V型异常。

模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、电阻率值80 Ω·m;第二层底部深度2 325 m、厚度1 200 m、电阻率值600 Ω·m;第三层为无限深、电阻率值5 000 Ω·m。大地电磁正演模拟计算背斜电阻率模型示意图见图1d。

正演模拟计算参数:模型长4 km,深3 km,点距100 m。正演计算采用50 m×50 m网格,局部进行了加密。

模型正演计算结论:根据模型正演模拟后反演计算得到的结果电阻率断面图(图1e),它很好地反映了地层倾斜渐变、电阻率分层变化等特征,同时实测大地电磁电阻率图(图1f)与其近似,说明该模型正演模拟结果符合实际情况。正演模拟后反演是带地形计算的,以便与带地形的实测电阻率图对比,且是TE和TM联合反演模式。

通过重、磁、电多种不同参数模型正演及反演计算,能够综合判断出重、磁、电参数对高陡断褶带隐伏断层的理论反映:在岩性变化处重、磁、电参数分别表现为曲线下降速度较快;出现V型异常;电阻率分层变化等特征。在断层附近重、磁、电参数分别表现为线下凹且断层倾向侧重力值小于断层倾向对侧重力值,断层正上方重力值最小;磁力值出现“脉博跳动”或“正负伴生”的近似N型曲线;电阻率反映出地层倾斜渐变等特征。

对重力勘探数据可能产生影响的非地质因素有:测点高程误差、对仪器的冲击振动、零点漂移等。对磁测数据采集应减少外界或人为因素。实际工作中大地电磁的主要干扰源为220 V民用电线及10 kV电线干扰,压制干扰源最主要的措施是远离干扰源和增加数据采集时间,针对这两种措施进行了以下研究。

分别针对220 V和10 kV干扰源,在垂直于输电线路方向上,距离分别为20、50、100、200 m的位置布设4个测点,每个测点分别以10、20、40、80 m的极距进行采集。在增益统一使用0.25,采集时间统一设计为45 min基础上,对全频视电阻率曲线进行质量评价。

220 V干扰源:由野外试验数据进行预处理,得到视电阻率曲线图见图2,数据曲线形态在10 Hz之前数据圆滑程度整体高于10 Hz以后数据,10 Hz之后数据的误差棒较大,形态变化程度较大。在相同极距的情况下,测点距离干扰源(以下统称“源距”)越远,曲线形态越圆滑,低频部分误差棒越小。在源距相同时,极距为40 m和80 m的测点对应曲线圆滑程度高于极距为10 m和20 m的测点。在本次试验中未出现I级曲线,在源距50 m处,可测得Ⅱ级曲线,即可靠野外数据。源距小于50 m数据质量均不可靠。在源距50 m处的Ⅱ级曲线、对应极距为40 m和80 m,极距小于40 m所测得数据不合格。对于220 V输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于50 m;在数据合格基础上增加极距,未能大幅度提升数据质量,同时兼顾施工效率和经济效益,极距以40 m为最佳。

10 kV干扰源:由野外试验数据进行预处理,得到视电阻率曲线图见图3,数据曲线形态在10 Hz之前数据圆滑程度整体高于10 Hz以后数据,10 Hz之后数据的误差棒较大,形态变化程度较大。在相同极距的情况下,源距越远,曲线形态越圆滑,低频部分误差棒越小。在源距相同时,极距为40 m和80 m的测点对应曲线圆滑程度高于极距为10 m和20 m的测点。在本次试验中未出现Ⅰ级曲线,在源距100 m处,可测得Ⅱ级曲线,即可靠野外数据。距离小于100 m数据质量均不可靠。在源距100 m处的Ⅱ级曲线、极距分别对应为40 m和80 m,极距小于40 m所测得数据不合格。对于10 kV输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于100 m;在数据合格基础上增加极距,未能大幅度提升数据质量,同时兼顾施工效率和经济效益,极距以40 m为最佳。故建议野外施工极距一般选择40 m即可;在保证观测点合理分布的原则下,可进行必要的点位偏移处理,以避开干扰源采集到合格数据。

为了选取合理的采样时间,同一测点D1,我们分别切取30、50、70、90 min的采集时间窗口进行对比,相应的电阻率曲线见图4,从图中可以看出,30 min和50 min电阻率曲线圆滑段低频在2 Hz左右,至70 min曲线圆滑低频已经达到1 Hz,电阻率曲线可利用段低频达到1 Hz即可满足勘探深度的要求,90 min电阻率曲线仅0.1 Hz以下频率质量有所提升,对高频段影响不大。因此,从满足勘探目的和兼顾工作效率角度我们认为采集时间70 min就能够保证。

研究区处于川东高陡断褶带之万州弧形凹褶束的北东部,主体构造形迹方斗山背斜呈NEE向,南西端起于与万州区接界的木厂坝,经冒火山—蔈草—一堰坪以东约1 km,消失在巴东组地层中,研究区背斜轴部出露三叠系下统嘉陵江组(T₁j)的中上部地层,岩性为灰色灰岩、白云质灰岩,局部见有角砾状灰岩,嘉陵江组(T₁j)出露宽度西窄约300~500 m,东宽约2~3 km,背斜向NEE向倾伏。两翼分别出露有三叠系中上统地层,背斜北西翼倾角为18°~57°,南东翼倾角为22°~63°。轴面倾向NNW。背斜北西翼巴东组(T₂b)地层内次级褶皱发育,南东翼则比较正常。方斗山背斜整体构造的特征是轴面扭转,轴线呈弧形自然弯曲,枢纽起伏,总体往NE向降低(倾伏),为长轴线形褶皱构造,北西翼与万州向斜之间次级褶皱较发育,研究区地层见表1。

研究区未见较大的断层构造,仅在方斗山背斜北西翼巴东组地层中次级褶皱的翼部伴有断距小于5 m的小断层。根据钻井地质编录,推测在井深680~760 m内的须家河组地层中下部存在一隐伏正断层,断距约160 m,倾向SE,倾角73°。

物性特征:依据已取得的综合测井成果及相关文献的物性资料,得到物性特征统计表(表2),白云岩及灰岩的物性特征为密度大、电阻率高及磁性弱;泥岩的物性特征为密度小、电阻率低及磁性弱;砂岩的物性特征为密度小、电阻率略低及磁性弱。

图5是研究区实测WT2测线重、磁、电综合剖面,数据处理中采用TE、TM联合反演模式。

1) 布格重力异常值分布范围为209.622~215.186 mGal、平均值213.458 mGal,图中共发现一处低重力异常,即D7~D4异常。

2) ΔT值分布范围为33.7~88.5 nT、平均值72 nT,图中ΔT曲线较平缓、在D1~D3表现为负异常,异常幅度较小、无明显“正负”形态。

3) 大地电磁测深电阻率图左半部分呈明显的高阻、右半部分呈明显的低阻,根据电阻率和电阻率图的特征,以及结合地质剖面、钻孔情况、其他3条大地电磁剖面推断了地层走向和地层界线。图中出现低阻条带,推断解释为断层及破碎带,断层的上部受到高陡岩石的挤压使得断距相对较小,中下部不断变大。

4) 综合WT2重、磁、电综合剖面成果推断断层部位的布格重力异常表现为低值,电阻率表现为低值。其中布格重力异常最低值对应于断层的近地表位置,低电阻率异常呈串珠状,中心连线对应于断层破碎带中心线。

1) 通过重、磁、电的正演模拟计算得出了高陡断褶带隐伏断层的地球物理异常特征,即重力异常特征为曲线低值、磁法异常特征为正负伴生的近似N型曲线、大地电磁的异常特征为低视电阻率值。重力、磁法、大地电磁在断褶带隐伏断层处都有明显的异常特征,能够相互印证,相互补充。

2) 通过野外数据采集干扰压制试验得出了对于220 V输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于50 m,极距以40 m为最佳;对于10 kV输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于100 m,极距以40 m为最佳;电线干扰源采集时间70 min就能基本满足要求。

3) 针对隐伏断层的实测重力、磁法、大地电磁资料的解释得出:三叠系嘉陵江组的断层破碎带的地球物理异常特征为低重力异常、低电阻率异常。重力异常和大地电磁异常有良好的对应效果,说明重力和大地电磁方法是探测川东高陡断褶带隐伏断层的有效方法之一;而磁法异常不明显,主要因为川东地层岩石磁性差异较小,导致实测成果未能达到正演的效果。

4) 隐伏断层与周围介质存在明显的物性差异,物探作为一种快速的探测手段对某些类型的隐伏断层探测是有效的。

5) 综合物探方法能对隐伏断层的有无及性质做出准确的判定。