神农架地区阳日断裂深部地质结构研究
——基于广域电磁法探测

赵 康,田 碧,崔培龙,康 昱,蒋 臣,税顺建,姚郁松,靳锁锁,舒中华

(湖北省地质局 第八地质大队,湖北 襄阳 441002)

阳日断裂是一条长期活动的深大断裂[1],通常以NNE向新华断裂为界,将其分为东、西两段,东、西两段不但岩石组合不同,构造样式也有较大差异,西段的挤压变形强度显著大于东段[2]。目前对阳日断裂西段的研究主要是通过野外露头考察来分析其构造属性、发展演化过程等特征,对其深部地质结构特征主要为推测,尚无直接证据。

目前国内外常用于断裂深部地质结构研究的物探方法主要有大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等电磁方法[3-4]和地震方法[5]等。几种常用方法各有优缺点,大地电磁法探测深度大,但浅部分辨率不高;可控源音频大地电磁法浅部探测精度高,但探测深度一般不超过1 500 m;地震方法存在成本较高的不足,而且如果工区地形条件复杂且大面积出露碳酸盐岩地层,地震资料质量和数据解译效果往往不佳。何继善院士发明的广域电磁法(WFEM)为电磁法勘探开辟了新道路[6-7],解决了传统人工源电磁法探测深度小、测量效率低、三维探测能力差等关键难题,可进行大面积、大深度、高精度、高效率、多参数探测[8-10]。詹少全等[11]利用广域电磁法在贵州复杂地形碳酸盐岩地区取得了良好的探测效果,证明该方法可实现任意复杂地形条件下海量数据的快速精细反演成像。

为查明阳日断裂西段的深部地质结构特征,本文以神农架地区的阳日断裂为研究对象,开展广域电磁法探测,获取研究区地表至-3 000 m标高范围的二维电性结构模型,同时为阳日断裂下盘龙马溪组页岩气勘查工作提供依据。

1 研究区概况

1.1 地质背景

阳日断裂是扬子板块内两个二级构造单元(南大巴山前陆褶冲带、上扬子地台褶皱区)的边界断裂(图1-a),具有多幕活动历史,经历了印支期初始形成阶段、早燕山期向南的弧形叠瓦式逆冲推覆阶段、晚燕山期造山后伸展减薄阶段、喜马拉雅期叠加改造阶段[12-14]。该断裂呈近EW向展布,由多条近平行、不同规模的断裂组成,总体倾向N,倾角为45°～70°[1]。阳日断裂在保康县马桥镇被NNE向新华断裂错断,在保康县后坪镇被NW向板桥断裂错断,在当阳复向斜东侧被近SN向南漳—荆门断裂所截;阳日断裂在神农架林区阳日镇附近断距达到最大,为3 km左右。阳日断裂西段上盘发育小神农架隆起南缘的神农架群白云岩、大理岩,下盘发育大神农架隆起北缘的寒武系、奥陶系、志留系碳酸盐岩和碎屑岩[15],上盘变质岩系逆冲于下盘沉积岩系之上。阳日断裂以南为上扬子地台褶皱区,地层产状平缓,倾角一般为15°～45°,少见断裂,主要发育宽缓褶皱,仅临近断裂区域发生强烈褶曲;以北为南大巴山前陆褶冲带,经历了多期次的逆冲扩展和强烈隆升,逆冲推覆构造十分发育,元古界基底与古生界盖层的变形明显不协调,基底地层变形较弱,以宽缓褶皱和多个断块为特征,而盖层发生强烈褶皱作用,形成各种褶皱样式[16]。在马桥镇一带,可见残留少量罗镜滩组紫红色块状砂砾岩,其北侧角度不整合于神农架群之上,南侧受阳日断裂控制,形成了南断北超的山间断陷盆地。区域资料表明受阳日断裂影响的最新地层为嘉陵江组[15]。

图1 研究区大地构造位置(a)和地质简图(b)

研究区即位于阳日断裂阳日镇区段,主要出露中元古界—中生界地层(图1-b),基底地层为神农架群,为一套以白云岩为主的海相碳酸盐岩、火山碎屑岩及凝灰岩组合;盖层地层属上扬子地层分区之神农架—保康地层小区,出露南华系—白垩系碳酸盐岩、碎屑岩[17]。

1.2 地球物理特征

收集研究区以往资料和邻区物性资料,得到研究区主要岩性的电性数据(图2),可以看出白云岩和灰岩表现为明显的高阻特征,电阻率一般>1 500 Ω·m;粉砂岩、页岩呈中低阻特征,电阻率一般为200～300 Ω·m;黏土和亚黏土具明显的低阻特征,电阻率一般<100 Ω·m;炭质页岩也表现为明显的低阻特征。

图2 研究区岩石电性特征

从地层来看,其电阻率具有一定的规律(表1):

表1 研究区地层物性特征

(1) 岩性主要为白云岩、灰岩的娄山关组、覃家庙组、石龙洞组和天河板组总体表现为高阻特征,与岩性同样主要为白云岩的灯影组、神农架群石槽河组的电阻率相近,均值均>2 000 Ω·m;陡山沱组白云岩中发育炭质页岩,表现为中高阻特征;南津关组—宝塔组以灰岩为主,夹页岩、炭质页岩等,也主要表现为中高阻特征。

(2) 奥陶系与志留系分界的龙马溪组发育炭质页岩和硅质岩,总体呈低阻特征,电阻率<150 Ω·m;而第四系主要为黏土、亚黏土、沙土、粉砂及砾石层,呈低阻特征,电阻率均值不足100 Ω·m。

(3) 新滩组—纱帽组和石牌组岩性相近,主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、页岩等,均具有中低阻特征,电阻率均值约300 Ω·m;而牛蹄塘组发育炭质页岩和泥晶灰岩,电阻率均值达到500 Ω·m。

本次工作的目标层位为龙马溪组,其具有明显的低阻特征,而其上覆的志留系地层表现为中低阻特征,下伏的奥陶系地层表现为中高阻特征,因此目标层位与围岩存在显著的电阻率差异,为本次开展广域电磁法探测提供了良好的物性前提。

2 研究方法

2.1 广域电磁法工作原理

广域电磁法由中南大学何继善院士团队提出,继承了可控源音频大地电磁法使用人工场源克服场源随机性的优点,采用精确公式通过测量电场计算广域视电阻率,扩展了观测适用的范围,提高了观测速度、精度和效率。广域电磁法和伪随机信号电磁法结合起来,形成了独具特色的电法勘探方法。

本次工作采用的设备选用湖南继善高科技有限公司研制的广域电磁观测系统,主要包括广域电磁发射机、广域电磁接收机、大功率电源柜等。工作时由发射机控制电源柜向地下供应不同频率的电流,接收机在一定的范围内通过M、N铜电极测量一个电磁场分量,具体工作示意图见图3。

图3 广域电磁法野外工作示意图

2.2 测线布设与数据采集

本次广域电磁法测线布设如图4所示。由于研究区地形较为复杂,将场源AB布设于高差不大的山坡,避开了沟谷地区;同时测线W1只能采取分段测量、平行偏移的方式,因为区内地层出露稳定,采取分段测量对数据采集质量影响较为有限。

图4 测线布设示意图

W1线起点位于阳日镇武山村一带(地表出露神农架群),向北经过五尺坡一带的震旦系地层、庙垭一带的寒武系地层、阳日镇一带的奥陶系—志留系地层,终点位于阳日断裂北侧南垭村一带(地表出露神农架群石槽河组),全长14.5 km,方位角为10°。选用的频率范围为0.011 7～8 192 Hz,收发距约16 km;场源电极AB的极距为1.158 km,接地电阻为11.5 Ω,供电电压为900 V,供电电流为80 A;测量电极MN的极距为100 m。通过上述设置,能够探测地下4 000 m范围的目标体,解析阳日断裂南侧地层的分布特征及其在倾向上的延伸形态。

本次广域电磁法测量采用E-Ex装置,即以1对接地电极形成的电流源作为场源,测量电场的水平分量中与供电电极方向平行的Ex分量。正式开展工作前,分别进行了室内一致性试验、场源供电试验、野外接收试验以及野外一致性试验,均符合要求后,再开展野外测量工作。对野外采集的单点数据进行分级(表2),显示野外观测数据质量较好。进行数据处理时,在已知地质情况的条件下,适当删除高频中畸变的数据,使二维反演成果更符合地质客观规律。

表2 广域电磁法测量数据分级结果

3 阳日断裂深部地质结构

根据W1线测量结果,经去噪处理、静态校正后,分别绘制了等频率曲线图、曲线类型图和频率—视电阻率等值线图(图5)。从等频率曲线图(图5-a)来看,剖面上存在两层电阻率界面;另外,300号、900号、1050号、1230号和1300号测点附近的曲线出现扭曲、错断,推测由地层变化或者构造引起;1370号测点底部电阻率界面向北明显抬升,该点两侧底部电阻率界面的差异可能由阳日断裂引起。从曲线类型图(图5-b)来看,500号测点以南的曲线类型总体为HKH型,500号测点以北的曲线类型总体为K型,部分测线表现为HA型。

图5 W1线等频率曲线图(a)、曲线类型图(b)、频率—视电阻率等值线图(c)

从W1线二维反演剖面图(图6)上看,大致以260号、880号、1300-1390号测点为界,电性层分布存在一定的差别,总体由地层和构造导致。

图6 W1线二维反演剖面图

根据区域地层电性特征,大致推测了研究区地下各地层的分布特征(表3)。100-260号测点之间,地表出露以白云岩为主的神农架群,-300 m标高以浅主要表现为高阻和中高阻特征,推测为神农架群的反映;-300～-1 000 m标高之间表现为中低阻特征,异常带规模较大,可能由隐伏构造引起;-1 000～-3 000 m标高表现为中高阻和中阻特征,可能由白云岩或隐伏构造引起。260-520号测点之间,地表出露震旦系地层,岩性主要为白云岩,-2 500 m标高以浅具中高阻和高阻特征,推测由较完整的白云岩(震旦系和神农架群)引起;-2 500～-3 000 m标高的视电阻率等值线呈舒缓波状起伏,推测是由深部褶皱构造引起的。520-880号测点之间,地表出露寒武系地层,岩性主要为白云岩、灰岩,-2 000 m标高以浅呈现厚大的高阻和中高阻异常带,厚度约3 000 m,可能为较完整的白云岩和灰岩(寒武系和震旦系)的反映;-2 000～-3 000 m标高的视电阻率等值线也呈舒缓波状起伏,同样可能由深部褶皱构造引起。880-1030号测点之间,地表出露奥陶系地层,岩性主要为灰岩,-1 500 m标高以浅表现为向北缓倾的中高阻和高阻异常带,倾角和地层产状相似,约20°,应该反映了奥陶系地层向深部的延伸;而-1 500～-3 000 m标高的中低阻异常带可能也反映了深部褶皱构造。1030-1070号测点之间,出露龙马溪组地层,岩性主要为粉砂质页岩、炭质页岩等,浅部表现的中低阻异常带,并向北延伸至1290号测点-600 m标高处,延伸长度达到3 km,倾角约25°,推测为龙马溪组地层的反映;深部则为下伏的奥陶系地层所表现的高阻异常带。1070-1300号测点之间,地表出露新滩组—罗惹坪组地层,岩性以粉砂质页岩为主,-600 m标高以浅为中低阻特征,应该为志留系地层的反映;-600 m标高向下则为高阻异常带,应该为奥陶系地层的反映。1300-1390号测点之间,浅部主要表现为中低阻异常特征,其南北两侧地层发生明显突变,应是阳日断裂破碎带的反映。1390-1540号测点之间,地表出露神农架群石槽河组白云岩,-2 000 m标高以浅主要表现为厚大的高阻异常带,反映了神农架群的特征,其中-900 m标高以浅可能受构造破碎影响,表现为中低阻特征;而-2 000～-3 000 m标高为中低阻特征,可能反映了阳日断裂向北部的延伸。

表3 地层综合解译结果

根据W1线二维反演结果,结合地质调查成果,推测了4条断裂,分别记为Fwt1、Fwt2、Fwt3、Fwt4(表4)。各断裂中,以Fwt3断裂最为明显,在W1线二维反演剖面图(图6)表现为中高阻背景下明显的北倾中低阻异常带。该断裂地表位置在1300-1390号测点,岩石较破碎,表现为中低阻异常特征;南北两侧地层明显不同,南侧为罗惹坪组,北侧为神农架群石槽河组,发生了地层的突变。该断裂自地表延伸至1550号测点标高-3 000 m处,倾向N,倾角上陡下缓,-700 m标高以浅段较陡,倾角约73°;-700～-3 000 m标高段变缓,倾角约45°。Fwt3断裂南侧主要出露震旦系—志留系地层,由浅至深主要表现为中低阻—高阻—中低阻异常分带,推测分别为志留系碎屑岩、震旦系—奥陶系碳酸盐岩、深部褶皱构造的反映;北侧主要出露神农架群石槽河组白云岩,主要表现为高阻异常特征。

表4 断裂综合解译结果

4 结论

(1) 通过在阳日断裂发育地段开展广域电磁法探测,获得了该区地表至-3 000 m标高范围的二维电性结构模型。解译了4条断裂,其中Fwt3断裂为阳日断裂,表现为中高阻背景下明显的北倾中低阻异常带,倾角为45°～73°;其南侧主要出露震旦系—志留系地层,由浅至深总体表现为中低阻—高阻—中低阻异常分带,推测分别为志留系碎屑岩、震旦系—奥陶系碳酸盐岩、深部褶皱构造的反映;北侧主要表现为高阻异常带,推测主要由神农架群石槽河组白云岩引起。

(2) 在阳日断裂南侧解译出龙马溪组地层,呈现为倾向N、倾角约25°的中低阻异常带,上覆表现为中低阻异常带的志留系碎屑岩,下伏表现为高阻异常带的奥陶系碳酸盐岩,沿倾向延伸长度达3 km,可为阳日断裂下盘龙马溪组页岩气勘查工作提供依据。

(3) 本次在地形复杂、大面积出露碳酸盐岩的区域开展广域电磁法探测,获得了良好的应用效果,可以为类似区域开展广域电磁法探测所借鉴。由于本次在阳日断裂北侧的布设的测线较短,受电磁法边界效应影响,未能较好地解析阳日断裂北侧的深部结构,建议在阳日地区增加一条长剖面,以便对阳日断裂,尤其是对其北侧深部地质结构进行更好地研究。

致谢：感谢湖北省地质局陈武、张小波高级工程师,中国地质调查局武汉地质调查中心李旭兵高级工程师,中石化江汉油田勘探开发研究院陈绵琨高级工程师和长江大学汤济广教授在野外考察和数据反演方面提出建设性意见和建议。