深岩溶区浅部结构CSAMT探测解译方法探索——以桂林兴安县谢必湾村—上界富坪村段为例

刘永亮; 吕勇; 甘伏平; 邬健强; 张伟; 何长响

doi:10.12097/j.issn.1671-2552.2022.2-3.022

深岩溶区浅部结构CSAMT探测解译方法探索——以桂林兴安县谢必湾村—上界富坪村段为例

刘永亮^{1, 2,},
吕勇^{1, 2},
甘伏平^{1, 2},
邬健强^{1, 2},
张伟^{1, 2},
何长响¹

1.
中国地质科学院岩溶地质研究所，广西桂林 541004
2.
自然资源部/广西岩溶动力学重点实验室，广西桂林 541004

基金项目:

中国地质调查局项目《桂东北岩溶系统基础地质调查》 DD20190022

中国地质科学院岩溶地质研究所基本科研业务费项目《管道型含水构造二维大功率充电法正演模拟研究》 2021007

广西重点研发计划项目《漓江流域峰丛谷地水资源安全保障关键技术研发与示范》 2020AB22013

《桂中连片干旱区水资源调控与生态综合治理关键技术研发与示范》 AB21220044

国家自然科学基金青年基金项目《岩溶含水介质管道-裂隙水流交换物理模拟试验研究》 41902261

详细信息

作者简介:
刘永亮(1986-)，男，博士，助理研究员，从事电磁法理论、三维正反演技术及岩溶地质勘探方法研究。E-mail: liuyongliang198718@163.com

中图分类号: P631;P931.5
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出版历程
- 收稿日期: 2020-09-04
- 修回日期: 2022-01-25
- 网络出版日期: 2023-08-15
- 刊出日期: 2022-03-14

Exploration and interpretation method of CSAMT for shallow structure in deep karst area—A case study of Xiebiwan Village—Shangjiefuping Village, Xing'an County, Guilin

LIU Yongliang^{1, 2,},
LYU Yong^{1, 2},
GAN Fuping^{1, 2},
WU Jianqiang^{1, 2},
ZHANG Wei^{1, 2},
HE Changxiang¹

1.
Institute of Karst Geology, Chinese Academy of Geosciences, Guilin 541004, Guangxi, China
2.
Ministry of Natural Resources/Guangxi Key Laboratory of Karst Dynamics, Guilin 541004, Guangxi, China

摘要

摘要:
利用CSAMT(可控源音频大地电磁法)对桂林市兴安西部地区的岩溶地质结构进行了探测研究。为了获得更多的岩溶地质信息，通过设定不同深度的反演参数，对比分析了网格剖分大小对反演结果分辨率的影响，以此获得较高分辨率的数据反演方法。利用小网格剖分反演获得的浅部地质结构，比利用大网格反演获得的浅部地质结构的分辨率高，通过小网格可相对有效地探测浅部岩溶发育特征。研究结果表明：网格剖分的大小会影响对浅部岩溶地质结构反演的分辨率；随深度的增加，岩溶发育强度越来越弱；广西兴安地区可能存在受北东向断裂控制的地热。研究对CSAMT数据隐含信息的高效挖掘有一定参考价值，对如何提高电磁法反演分辨率的研究具有一定指导意义。
- 岩溶 /
- 可控源音频大地电磁法 /
- 网格剖分 /
- 不同深度反演 /
- 地质调查工程
Abstract:
CSAMT was used to study the karst geological structure in the west of Xing'an, Guilin, to acquire more information of karst geology.By setting inversion parameters of different depths, the effect of grid size on the resolution of inversion results is compared and analyzed, so as to obtain a higher resolution data inversion method.The resolution of shallow geological structure obtained by small grid is higher than tha obtained by large grid; and the characteristics of shallow karst development can be effectively detected by small grid.The results show that: the resolution of inversion of shallow karst geological structure is influenced by the size of inversion grid, and with the increase of depth, the intensity of karst development becomes weaker.There may be a geothermal field controlled by NE faults in the Xing'an area.This research can be used as a reference for the efficient extract of CSAMT data, and can be used to improve the resolution of electromagnetic inversion.
- karst /
- CSAMT /
- gridding /
- different depth inversion /
- geological survey engineering

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浅覆盖区覆盖层的地质调查和研究与深部隐伏基岩的物性、构造特征研究密不可分。一方面，深部基岩面构造特征制约了上覆盖层的沉积演化，沉积层中的同沉积构造变形可进一步细化区域构造演化史，另一方面，沉积物也可以通过侵蚀、搬运、负载等方式对基岩的构造特征进行改造，二者是一对耦合关系。常规的地表地质调查很难获得隐伏基岩及断裂的特征信息，故本次研究采用地质钻探与重力异常相结合的方法进行重力异常钻孔约束反演，重力位场数据横向分辨能力较高，地质钻孔数据可提供岩石物性特征并进行深度约束，因此，可有效减少重力异常数据地质解释的多解性，构建较准确的基岩地质模型。研究区郯庐断裂带泗洪地区距离曾发生8.5级地震的郯城仅130余千米，由于该区域被第四纪—新近纪沉积物广为覆盖，前人对其深部构造特征的研究较薄弱，故本次研究结合区域第四纪—新近纪覆盖层沉积结构，探讨断裂的空间展布特征，具有一定科学意义。

1. 区域地质及基岩物性特征

1.1 区域地质背景

郯庐断裂带是贯穿中国东部大陆边缘的一条NNE向走滑剪切断裂带。研究表明，这条断裂在晚新生代仍然活动，是一条重要的地震活动带，其分段特征明显，从南到北可分为苏皖段、山东段及东北段3段^[1-2], 其中苏皖段途经地区人口稠密、经济发达，受到国内外学者的广泛关注。中生代以来，郯庐断裂带经历了华南-华北板块碰撞、太平洋板块俯冲，以及白垩纪、古近纪强烈的地幔热作用等一系列重大地质事件，构造演化复杂^[3-5]。第四纪以来，郯庐断裂带依然活动频繁，发生过多次中强级以上地震，如1668年莒县-郯城8.5级地震，1888年渤海湾7.5级地震，1969年渤海7.4级地震，1975年海城7.3级地震等，其中1668年莒县-郯城8.5级地震是中国东部有记录的最强烈的地震。郯庐断裂带泗洪地区位于郯城以南约130 km，归属郯庐断裂带苏皖段的中北部，位于华北板块、苏鲁造山带及扬子板块的结合部位(图 1-a)，该地区被第四纪—新近纪沉积物大面积覆盖(图 1-b)，基岩及断裂以隐伏断裂为主，仅在重岗山、朱山附近有基岩出露。前人认为，郯庐断裂带在泗洪地区主要由山左口-泗洪断裂(F1)、新沂-新店断裂(F2)、墨河-凌城断裂(F3)、王集-朱山断裂(F4)和桥北镇-宿迁断裂(F5)5条分支断裂延伸组成，宽20~30 km，其中F2、F3和F4分别由山东段的安丘-莒县断裂、沂水-汤头断裂和鄌郚-葛沟断裂延续而来^{[1, 4, 6-7]}。该区域性断裂带西靠华北板块，东临苏鲁造山带，同时受到邻近扬子板块挤压、东侧太平洋板块俯冲及远端喜马拉雅抬升的共同作用，构造演化极其复杂，前人将郯庐断裂带的构造演化总结为4个阶段，分别为早中生代左旋转换走滑，晚侏罗世—早白垩世早期左行平移，早白垩世—古近纪大规模伸展正断及新近纪以来挤压逆冲兼具右行走滑^[8-18]。不同区段内部受物性结构及动力学背景差异影响，构造演化特征存在偏差。根据采取的研究手段精度及研究时间尺度的不同，对郯庐断裂带构造演化仍存在争议，如万天丰等^[19]将其演化总结为：1次左行走滑(250~208 Ma)；2次正断层(135~52 Ma与23.3~0.73 Ma)；3次挤压逆冲断层(208~135 Ma、52~23.3 Ma、0.73 Ma以来)。而张岳桥等^[20]将郯庐断裂带中生代的运动学演化概括为“两大运动时期、五个发展阶段”。Li等^[21]的研究显示，郯庐断裂带泗洪地区缺失古近纪地层，指示泗洪地区在晚白垩世末期—古近纪经历挤压抬升，同时泗洪县南部的反射地震剖面显示其下伏断裂为第四纪正断层，说明郯庐断裂带部分地区在第四纪仍处于伸展状态。

图 1 郯庐断裂带构造分区(a)和泗洪地区地质概况(b)

NCB—华北板块；SLO—苏鲁造山带；YZB—扬子板块；HXB—华夏板块；DBO—大别造山带；TLFZ—郯庐断裂带；JXF—嘉山-响水断裂；ZTF—镇江-铜陵断裂；JSF—江绍断裂

Figure 1. Tectonic division of the Tanlu Fault Zone (a)and geological map of the Sihong area (b)

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1.2 基岩地层及物性特征

泗洪地区仅沿郯庐断裂带零星分布的孤丘可见基岩露头，为中—新元古代地层组成的丘陵岗地，其余大部分地区被第四纪松散层覆盖，其沉积厚度差异较大、地层发育不全。

基岩地层单元以郯庐断裂带为界，划分为3个大区，西侧属华北地层区，在朱山附近出露新元古代八公山群兰陵组(Pt₃l)及九顶山组上段(Pt₃jd²)，分别为石英岩及微晶灰岩；断裂带内为晚白垩世红色砂岩、砂砾岩，在重岗山地区出露，岩石普遍风化较强，砂砾岩中砾石主要为片麻岩巨砾、漂砾，且沿重岗山东、西两侧分别可见其逆冲于新近系、第四系之上，断层走向近正北；东侧为苏鲁造山带锦屏岩群，地表未见露头，钻孔揭露显示基底为花岗片麻岩。据2016—2018年研究区完成的29个地质钻孔岩心特征，研究区普遍缺失古近系。基岩及覆盖层时代特征及填图单位分布如表 1所示。

表 1 基岩填图单位

Table 1. The mapping units of the bedrock

	中新生代盖层						华北板块				苏鲁造山带
时代	古近纪(缺失)				白垩纪		新元古代				新元古代—中元古代	中元古代—古元古代
地层及代号	三垛组(E_2-3s)	戴南组(E₂d)	阜宁组(E₁f)	泰州组(E₁t)	王氏组(K₂w)	青山群(K₁qs)	淮河群			八公山群	云台岩群(Pt_2-3Y)	锦屏岩群
地层及代号	三垛组(E_2-3s)	戴南组(E₂d)	阜宁组(E₁f)	泰州组(E₁t)	王氏组(K₂w)	青山群(K₁qs)	九顶山组(Pt₃jd)	张渠组(Pt₃zh)	魏集组(Pt₃wj)	兰陵组(Pt₃l)	云台岩群(Pt_2-3Y)	石英岩片麻岩组(Pt_1-2J^qg)	磷灰岩片麻岩组(Pt_1-2J^pg)

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岩石物性资料来源于中国地质调查局南京地质调查中心的实测物性成果资料。在重岗山、柳山、朱山、大庄村基岩出露点用取样机进行取心，通过对取心样品和钻孔内基岩样品进行物性测量，得到样品密度参数。本次物性测量共采集密度标本191块，野外采集中新生代、新元古代露头143块，采集钻孔标本48块，经加工为圆柱体后对标本的密度进行测定(表 2)。

表 2 泗洪地区部分岩石密度参数

Table 2. The densities of the bedrock in the Sihong area

年代	岩性	标本数/块	密度/(10³ kg·m^-3)
年代	岩性	标本数/块	最小值	最大值	平均值	标准差
白垩纪	粉砂岩	13	2.033	2.346	2.191	0.131
白垩纪	砂岩	43	2.243	2.535	2.330	0.048
白垩纪	火山岩	23	2.254	2.368	2.330	0.028
元古宙	花岗片麻岩	19	2.426	2.669	2.585	0.065
元古宙	片麻岩	24	2.545	2.806	2.658	0.062
元古宙	灰岩	32	2.616	2.857	2.800	0.050
元古宙	石英岩	34	2.598	2.676	2.643	0.014
元古宙	斜长角闪岩	3	2.456	2.616	2.552	0.069

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从岩石密度统计表(表 2)可以看出，元古宙地层密度高于中新生代盖层密度，元古宙地层中灰岩密度最高，均值为2.800×10³ kg/m³，其次为片麻岩和石英岩，密度均值分别为2.658×10³ kg/m³、2.643×10³ kg/m³，斜长角山岩密度均值为2.552×10³ kg/m³，花岗片麻岩密度均值为2.585×10³ kg/m³。结果显示，中新生代地层密度值在2.191×10³~2.330×10³ kg/m³之间。

2. 数据及处理

郯庐断裂带泗洪地区及其邻区重力异常数据来源于中国地质调查局南京地质调查中心，数据网格化间隔为1500 m，参与处理与反演的重力异常均为布格重力异常。

本次重力异常所选区域略大于研究区，泗洪地区及其邻区布格重力异常特征如图 2所示，从NWW至SEE体现了较明显的分区特征：郯庐断裂带在异常图中显示出明显的NNE向线性梯度带、串珠状异常特征，异常规模较大，宽约30 km且纵贯整个区域中部，断裂带内部以中等正异常为主。以此条中等正异常串珠状条带为界，西侧为低重力起伏区，东侧为高重力起伏区，东南角则为高重力平缓区，分别对应华北板块、苏鲁造山带及扬子板块的基底特征。

图 2 郯庐断裂带泗洪地区及邻区布格重力异常特征

Figure 2. Bouguer gravity anomaly in the Sihong area of the Tanlu Fault Zone

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区域布格异常显示该区的主导构造应力方向与构造单元分布情况，郯庐断裂带泗洪地区布格异常指示构造特征方向为NNE向，内部主要包括华北地块、郯庐断裂带及苏鲁造山带。郯庐断裂带在泗洪地区各分支断裂的展布形态在布格异常图中不明显，仅重岗山西侧、朱山东侧发育的梯级带较好地指示了F2和F4断裂的发育特征。

由于重力异常数据是不同深度的异常场源在某一观测面的叠加，因此区域异常场和局部异常场的分离是异常反演和解释的关键性问题之一^[22]。随着近年场源分离技术方法及相关反演理论的发展，重力异常数据解释也越来越多地被应用于覆盖区隐伏基岩的调查与研究中^[23-25]，常用的分离区域异常场方法有多项式曲面拟合法^[26]、最小曲率法^[27]、有限元分析^[28]、小波多尺度分解^[29-32]等，本次选用小波多尺度分解与对数功率谱相结合方法进行重力异常的位场分离及深度估算。

小波分析可将位场信号分解到不同的尺度空间，并且通过伸缩、平移聚焦到信号的任一细节进行分析^[29]。根据小波多尺度分解方法原理^[30-32]，选取db11小波基^[33-34]，采用Mallat重构算法^[35]，重力异常场Δf(x, y)的一阶分解为：

$\Delta f\left( {x, y} \right) = {A_1}\Delta f\left( {x, y} \right) + D_1^h\Delta f\left( {x, y} \right) + D_1^v\Delta f\left( {x, y} \right) + D_1^d\Delta f\left( {x, y} \right)$

(1)

其中，A₁Δf(x, y)代表分解中的低频部分， $D_1^h\Delta f\left( {x, y} \right), D_1^v\Delta f\left( {x, y} \right), D_1^d\Delta f\left( {x, y} \right)$ 为第一阶分解中的EW(水平)、SN(垂直)和NE-SW(对角线)方向上的高频细节部分，可用来进行断裂识别，在这里将公式(1)简写为:

$\Delta f\left( {x, y} \right) = {A_1}\Delta f\left( {x, y} \right) + {D_1}\Delta f\left( {x, y} \right)$

(2)

再对A₁Δf(x, y)进行分解得到：

${A_1}\Delta f\left( {x, y} \right) = {A_2}\Delta f\left( {x, y} \right) + {D_2}\Delta f\left( {x, y} \right)$

(3)

以此类推，可将Δf(x, y)分解为:

$\begin{array}{c} \Delta f\left( {x, y} \right) = {A_n}\Delta f\left( {x, y} \right) + {D_1}\Delta f\left( {x, y} \right) + \\ {D_2}\Delta f\left( {x, y} \right) + {D_3}\Delta f\left( {x, y} \right) + \cdots + {D_n}\Delta f\left( {x, y} \right) \end{array}$

(4)

其中，A_nΔf(x, y)为第n阶小波变换的逼近部分，D_nΔf(x, y)为第n阶小波变换高频细节部分。

通过对泗洪地区布格异常进行2阶小波分解，得到1、2阶小波细节异常(D₁G和D₂G)及2阶小波逼近异常(A₂G)(图 3-a~c)。随后运用对数功率谱法^[36]对研究区的各阶重力异常细节进行场源深度估算(图 3-d、e)，得到D₁G和D₂G反映的平均场源深度约为1 km和2 km。

图 3 郯庐断裂带泗洪地区及其邻区布格重力异常二阶小波分解结果(a~c)及一、二阶小波细节异常功率谱测深结果(d, e)

Figure 3. The second order wavelet multi-scale decomposition of the bouguer gravity anomaly in the Sihong area of Tanlu Fault Zone (a~c)and the logarithmic power spectrum of the first and second order gravity anomaly details (d, e)

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根据对重力小波细节异常场源深度的估算，D₁G和D₂G可以反映泗洪地区地壳顶部不同密度体引起的重力异常，如隐伏基岩不同年代地层的分布和呈线性特征的断裂等，其中D₁G的不均一性较明显，且场源深度较浅，可以作为基岩面顶部物性分布及起伏特征的反映，而D₂G的线性特征更突出，场源深度更深，更适合研究基岩断裂的平面展布特征；A₂G则较好地反映了区域构造分区特征，其特征显示出华北板块与苏鲁造山带的物性差异。结合泗洪地区钻孔揭露的基岩面平均深度(约200 m)，本次选取D₁G进行隐伏基岩埋深和密度特征反演，同时对一、二阶小波细节异常的水平、垂直和对角线方向上的高频细节特征(据公式4)进行分析，推测区内基岩断裂的展布特征。

由于研究区构造线走向主要为NNE—近SN向，郯庐断裂带也以此走向为主，故本区的断裂划分以D₁G和D₂G在SN向上的分量特征作为主要依据，结合对角线方向与东西向的细节特征，勾画研究区断裂展布特征。结果显示，郯庐断裂带在泗洪地区的5条分支断裂在SN向特征分量上(图 4-b、e)呈明显的近SN向连续的重力梯级带，同时在近NW—SE向上(图 4-a、d)也有许多串珠状异常呈线性排布，指示一系列走滑剪切断裂发育。该走滑断裂系在研究区中部与SN向和NNE向的断裂相互交切，形成了较复杂的断裂体系，且近EW向与NW向断裂多切割NNE—NE向的郯庐断裂带各分支断裂。据此推断，本区存在多期次的构造叠加，郯庐断裂NNE向构造体系被较新的NW向构造运动改造，形成现今的断裂体系。

图 4 郯庐断裂带泗洪地区小波断裂分析结果

a~c—重力一阶小波细节分别在NE-SW向、SN向和EW向的特征；d~f—重力二阶小波细节分别在NE—SW向、SN向和EW向的特征; TLFZ—郯庐断裂带；F1—山左口-泗洪断裂；F2—新沂-新店断裂；F3—墨河-淩城断裂；F4—王集-朱山断裂；F5—桥北镇-宿迁断裂；F6—太平-孙园断裂；F7—界集-太平断裂；F8~F10—局部走滑断裂

Figure 4. Wavelet analysis of the fault distribution in the Sihong area of the Tanlu Fault Zone

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3. 结果与讨论

3.1 基岩面埋深及密度分布

根据线性回归近似反演理论^[37-38]，如果密度界面起伏平缓，可以认为重力变化与密度界面的起伏近似呈线性关系，即：

$h = a + b \cdot \Delta g$

(5)

式中，h为界面深度，Δg为界面起伏引起的重力异常，a，b为2个系数，它们与重力异常起算点处界面深度和界面上下层物质层的密度差有关。

如果已有n个已知基岩面深度，设其深度为h_i(i=1, 2, ..., n)，根据最小二乘原理，为了确定a，b，应使得各点深度h_i与计算出的深度h_i偏差的平方和最小，即：

$\phi \left( {a, b} \right) = \sum\limits_{i = 1}^n {\left( {h - {{\bar h}_i}} \right)} = \min$

(6)

令 $\partial \varphi /\partial a、\partial \varphi /\partial b$ 分别等于零，可得：

$\sum {{{\rm{h}}_{\rm{i}}}} - {\rm{na}} - \sum {\rm{b}} \Delta {g_i} = 0$

(7)

$\sum {{h_i}} \Delta {g_i} - \sum a \Delta {g_i} - \sum b \Delta g_i^2 = 0$

(8)

两式联立，解之得：

$a = \frac{{\sum \Delta {g_i}^2\sum {{h_i}} - \sum \Delta {g_i}\sum \Delta {g_i}{h_i}}}{{n\sum \Delta {g_i}^2 - {{\left( {\sum \Delta {g_i}} \right)}^2}}}$

(9)

$b = \frac{{n\sum {\Delta {g_i}} {h_i} - \sum {{h_i}} \sum \Delta {g_i}{\rm{ }}}}{{n\sum {\Delta {g_i}^2} - {{\left( {\sum \Delta {g_i}} \right)}^2}}}$

(10)

a，b求出后，则可根据公式(5)计算出各测点下方密度界面的深度。

本次研究应用前期完成的26个地质钻孔的基岩面埋深数据及朱山基岩露头高程数据作为已知数据，钻孔位置见图 1-b，其对应的重力一阶小波细节异常值如表 3所示。

表 3 用于线性回归反演的地质钻孔信息

Table 3. The geological boreholes for linear regression inversion

序号	钻孔编号及基岩出露点	钻孔高程/m	基岩面高程/m	Δg值/(10^-6 m·s^-2)
1	SHJ01	18.88	-41.4	0.082
2	SHJ03	18.47	-234.11	-0.097
3	SHJ05	18.12	-232.78	-0.061
4	SHJ07	22.47	-146.31	-0.034
5	SHJ08	19.59	-195.38	-0.062
6	SHJ09	18.71	-206.85	0.037
7	SHJ10	18.69	-220	0.086
8	SHJ11	18.13	-223.4	-0.086
9	SHJ14	16.37	-154	-0.207
10	SHJ15	16.71	-113.6	-0.188
11	SHJ17	16.09	-83.65	0.005
12	SHJ18	18.82	-171.8	0.026
13	SHJ19	46.04	-162.36	0.013
14	SHJ20	22.77	-158.72	-0.021
15	SHJ21	16.47	-77.86	0.087
16	SHJ22	15.46	-117	0.009
17	SHJ23	13.02	-194.1	-0.065
18	SHJ24	20.42	-254.77	-0.209
19	SHJ25	20.86	-165.05	-0.087
20	SHJ26	18.39	-125.67	0.057
21	SHJ28	15.32	-184.8	0.051
22	SHJ31	16.73	-103.49	-0.096
23	SHJ34	15.03	-106.3	-0.036
24	SHJ35	19.63	-155.18	0.088
25	SHJ37	16.38	-139.25	0.017
26	SHJ38	26.07	-108	-0.072
27	朱山	/	157.2	0.458

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从钻孔基岩面高程数据(图 5-a)与对应重力小波一阶细节异常数据(图 5-b)的分布特征图中，可以看出二者具有一定的线性相关性。进一步依据相关系数的计算公式：

${R_{j, z}} = \frac{{{\rm{cov}}\left( {j, z} \right)}}{{{S_j} \times {S_z}}}$

(11)

图 5 钻孔揭露的基岩面高程(a)、钻孔处重力小波一阶细节异常数据(b)及二者相关性分析(c)

Figure 5. Elevations of bedrocks exposed by boreholes (a), the first order detail data of the gravity anomaly in the location of boreholes (b)and the correlation analysis between them (c)

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计算得出二者的相关系数为0.684，属于中度相关(图 5-c)，可以进行线性回归分析^[39]，其中cov(j, z)为基岩面高程数据与重力异常数据的协方差，S_j和S_z分别为基岩面高程数据和重力异常数据的标准差。

据公式(6)~(10)得到基岩面高程与重力一阶小波细节异常线性方程为：

$h = 433.49 \times \Delta g - 140.24$

(12)

根据线性回归方程(公式(12))对重力一阶小波细节异常未知基岩面高程数据点进行计算，得到研究区基岩面高程分布特征(图 6-a)：研究区的基岩波动起伏较明显，起伏范围为-220~20 m，西北角及中部偏西位置为2个较明显的隆起，走向NNE向，与朱山、重岗山位置较吻合，2处基岩出露岩性分别为新元古代白云质灰岩及晚白垩世泥质粉砂岩，西侧由F1~F5组成的郯庐断裂带内基岩面埋深起伏较大，形态上呈明显的坳隆相间分布，构造上为地堑地垒交替出现样式，朱山东侧和重岗山附近均发育NNE向展布的地堑，朱山附近、上塘—黑塔东一线及重岗山东侧为3处地垒构造。据基岩起伏特征及小波断裂分析结果可勾画出区内基岩断裂的发育情况。

图 6 郯庐断裂带泗洪地区隐伏基岩地质模型

a—隐伏基岩起伏特征及基底断裂分布；b—基岩面附近岩石视密度分布

Figure 6. Geological model of buried bedrocks in the Sihong area, Tanlu Fault

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本次采用频率域视密度填图方法^[40]对基底密度分布特征进行反演，用于反演的重力异常为重力一阶小波细节异常，选取本次线性回归反演得到的基岩面深度为密度层上界面深度，下界面深度选为对数功率谱标定的D₁G平均深度1 km，平均密度设为2.3×10³ kg/m³，经6次迭代得到近基岩面深度视密度分布特征(图 6-b)。郯庐断裂带泗洪地区地堑构造内为明显的低密度特征，密度值在2.14×10³~2.26×10³ kg/m³之间，与晚白垩世粉砂岩、砂岩的密度特征吻合；西北角朱山地垒为明显的高密度特征，密度值在2.42×10³~2.6×10³ kg/m³之间，与新元古代石英岩物性特征相似；而上塘-黑塔地垒与重岗山东地垒体现出的高密度体可能与断裂带内深部岩体侵入或古老变质结晶基底残留有关；东部苏鲁造山带内则总体为高密度分布，局部凹陷内表现为低密度特征，对比低密度区钻孔岩心特征，其基岩岩性为晚白垩世粉砂岩，结合区内断裂分布解释结果，说明苏鲁造山带内的晚白垩世地层为局部断陷沉积。

3.2 讨论

本文依据钻孔数据，对目标重力异常场界面起伏特征进行了反演，得到泗洪地区隐伏基岩面起伏特征与Jiang等^[41]总结的区域构造地质特征较吻合，同时结合重力异常小波断裂分析、视密度填图等方法对断裂展布和岩性特征分布进行了解释，得到郯庐断裂带泗洪地区较精细的隐伏基岩地质模型。该模型具有一定的可信度，但受限于重力异常数据处理与解释过程中的多解性及反演方法基本假定的不精确性，该模型仍存在一些不足。首先，受位场分离方法精度限制，提取的小波一阶细节异常可近似反演隐伏基岩异常特征，精度不足；其次，线性回归反演理论假设重力变化与密度界面的起伏近似呈线性关系，忽略了重力异常变化一般与密度正相关这一因素，故在基岩岩石密度较高地区，界面深度反演结果偏深(或矮)，而在基岩密度较低区，深度偏浅(或高)。

4. 结论

(1) 已知钻孔约束下的重力异常反演方法可以在较少人为干预下，较高效地构建浅覆盖区隐伏基岩的地质模型，能够在覆盖区的地质填图中起到深部基岩构造的辅助解释作用，但其精度受制于位场分离方法与线性回归算法的粗糙性，仍有待进一步提升。

(2) 郯庐断裂带泗洪地区基岩地质模型显示：①泗洪地区郯庐断裂带的5条分支断裂在研究区中部呈NNE向平行排列，且发现区内多条NW向左行走滑断裂发育，并切割郯庐断裂带，说明该区域受到新的构造应力叠加；②郯庐断裂带在泗洪地区的隐伏基岩面呈“凹-隆-凹-隆”起伏特征; ③基岩视密度填图结果显示, 泗洪地区郯庐断裂带内的基岩物性特征存在较大的不均一性，高密度体物性特征与苏鲁造山带锦屏岩群相似，但断裂带内岩浆活动频繁，也不排除其为岩浆侵入成因。

图 1 桂林市地热地质图(a)和地质剖面(b)

C₁y—石炭系尧云岭组；C₁h—石炭系黄金组；D₃r—泥盆系融具组；D₃d—泥盆系东村组；D₃b—泥盆系巴漆组；D₂d—泥盆系东岗岭组；D₂x—泥盆系信都组；O₁h—奥陶系黄隘组

Figure 1. Geothermal map of Guilin (a)and geological section (b)

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图 2 CSAMT收发装置图

Figure 2. CSAMT transceiver diagram

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图 3 CSAMT测线布置图

Figure 3. CSAMT line layout

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图 4 典型CSAMT原始观测视电阻率曲线图

Figure 4. Typical CSAMT original observed apparent resistivity curve

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图 5 CSAMT数据反演结果

a—反演深度114 m; b—反演深度512 m; c—反演深度1024 m; d—反演深度2932 m

Figure 5. CSAMT data inversion result chart

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表 1 研究区出露主要岩性及其电阻率

Table 1 Main lithology and resistivity of outcrop in the study area

岩性	电阻率/(Ω·m)
粘土	0.1~1
泥页岩	1~10
砂岩	10~103
碳酸盐岩	102~104

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表 2 数据质量统计、评价及处理方法

Table 2 Data quality statistics, evaluation and processing methods

测点数	数据质量	噪音来源	质量评价	处理方法
72	数据曲线光滑，没有跳点	未知	优	无
192	数据曲线光滑，个别跳点	车辆、民用电	良	跳点删除
18	数据曲线跳动大	高压电、铁路	中差	五点圆滑

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表 3 兴安县周边钻孔岩溶发育深度统计结果

Table 3 Statistics of karst depth according to bore-hole survey around Xing'an County

钻孔	钻孔位置	岩溶构造类型	岩溶发育深度/m	岩溶发育地层
ZK1	兴安县湘漓镇源河东村	溶蚀裂隙	21~27、48~54	石炭系尧云岭组
ZK2	兴安县兴安镇田心村	溶洞及溶蚀裂隙	71.8~78.5	石炭系大塘组
ZK4	兴安县湘漓镇禾稼村	溶洞	44.2~58.3	泥盆系榴江组
ZK6	兴安县溶江镇溶江社区水街	溶洞	39~52.8、65~79	石炭系尧云岭组
ZK7	兴安县溶江镇司门村满家	溶洞	27.7~33、35~38	泥盆系东岗岭组

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参考文献(14)

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1. 区域地质及基岩物性特征
1.1 区域地质背景
1.2 基岩地层及物性特征
2. 数据及处理
3. 结果与讨论
3.1 基岩面埋深及密度分布
3.2 讨论
4. 结论

深岩溶区浅部结构CSAMT探测解译方法探索——以桂林兴安县谢必湾村—上界富坪村段为例

作者简介: 刘永亮(1986-)，男，博士，助理研究员，从事电磁法理论、三维正反演技术及岩溶地质勘探方法研究。E-mail: liuyongliang198718@163.com

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