Question

华北地区以往大地电磁测深观测结果

Answer 1

图6.3 不同频率的电磁波场在导电介质中传播规律示意图

在勘探地球物理领域中，人们通常所指的“电磁测深”是指电磁感应类的电阻率测深，这是建立在法拉第电磁感应定律基础上的一类电法勘探方法。它利用人工或天然电磁场在地球内部激发的电磁感应现象，研究地下不同深度上地层的导电性结构。其中，利用天然电磁场的方法称为“大地电磁测深”，其工作频率为n×10-³～n×10² Hz；从“能量”的观点看，电磁场在地下导电空间的传播过程，必然伴随有“能量”的损耗，使电磁场的振幅随传播距离衰减，相位也随之改变。当电磁场为谐变场时，其趋肤深度和波长都与岩石的电阻率成正比，与电磁场的频率成反比（石应骏等，1985）；这就意味着电磁场对地球的探测深度与频率及地球内部的电性结构有关，频率不同的电磁场，探测深度不同。在岩石导电性一定的条件下，电磁场的频率高，探测深度小；反之，探测深度大（图6.3）。而对于频率一定的电磁场，当地下岩石的电阻率高，其探测深度大；反之，探测深度则小。这就是大地电磁测深的基本工作原理。

大地电磁测深是从导电性的角度研究地壳和上地幔结构不可缺少的方法。长期以来，国内对此投入了大量工作，在GGT地学大断面研究、华北地区地震预测、预报研究、青藏高原形成演化机理研究等方面都取得许多重要成果。

自20世纪70年代以来，在华北地区开展过大量以研究岩石圈结构和深部地质过程为目标的地球物理探测，但投入的方法技术以地震深探测为主，有关岩石圈电性结构的研究并不多。除了穿过本区的四条地学大断面包含少量大地电磁测深（MT）以外，还在京、津、唐、张地区布置过2条测线31个MT测点（秦馨菱等，1991）；在邢台地区布置过4条测线，共45个测点（邓前辉等，1997）；沿山西阳高—河北容城也布置了19个测点（赵国泽等，1997）。虽然，以往完成的工作量并不多，但通过这些大地电磁测深研究，人们对华北地区的岩石圈电性结构也有了一定的了解。

图6.4 响水—满都拉地学大断面地壳、上地幔电性结构图

（据江钊等，1990）

（a）满都拉－伊金霍洛旗段；（b）土默特右旗－淄博段；（c）泗水－响水段

图6.4为穿过华北地区的响水—满都拉地学大断面地壳、上地幔电性结构。如图所示，断面的深部电性结构以壳内、上地幔两个高导层为标志。在华北地台及其南、北两缘的构造边界上电性结构的差异明显。在北缘的槽、台分界线两侧，壳内高导层的埋深由34km跃变到21km，上部地壳的电阻率也有较大差异，意味着在两大地质构造单元之间电性分界面的存在；在南缘的郯庐断裂带及东侧的苏北胶南地体，壳内高导层消失，上地幔范围内相继出现两个高导层，与华北地区相比具有截然不同的电性结构特征。在华北地台内一系列新生代断陷盆地内，壳内高导层发育比较普遍，埋藏较浅，反映了新生代以来现代地壳运动强烈的特点。而在一些古老稳定的块体下，壳内高导层或者缺失，或者埋藏较深。上地幔高导层的埋藏深度横向变化剧烈，总的趋势是西北深、东南浅，并在呼包盆地、冀中坳陷以及郯庐断裂带下方分别形成局部上隆区，其中在郯庐带下方该层埋藏最浅，上隆幅度最大（江钊等，1990）。

图6.5 唐山地震区地壳电性结构

（据秦馨菱等，1991）

图6.5为唐山地震区地壳电性结构断面图。如图所示，唐山震中区（10～16号点）及其周围地区，除低阻沉积表层外，上地壳是高电阻层，下地壳是低阻层。上、下地壳高、低阻界面的起伏较大，以唐山地震区为最深。高阻上地壳厚度表现出明显的横向变化，以唐山地震区为最厚，其顶面隆起，底面下凹（秦馨菱等，1991）。

沿北京南郊狼垡—渤海北岸柏各庄剖面，穿越冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷，布置了7个大地电磁测深点。其结果发现，上地幔低阻区有明显的横向起伏，波动幅度由西向东变大，波峰与北京凹陷、武清凹陷和黄骅坳陷分别对应；波谷与大兴凸起和沧县隆起对应；在沧县隆起的下地壳、上地幔内有较大范围的高阻圈闭。另一特点是地壳内出现低阻带，电阻率小于25 Ω·m的范围呈“香肠状”结构，坳陷区厚，隆起区薄。地壳表层的低阻分布范围与区内的新生代沉积发育状况基本一致（赵国泽等，1986）。

为了研究邢台强震区地壳、上地幔电性结构，布置了4条大地电磁测深剖面；其中1～3号剖面沿北西西向横穿区各构造单元，4号剖面近北北东向沿构造的走向展布。

如图6.6、图6.7所示，沿1号剖面地下介质的导电性分为3个区段，西北、东南区段结构简单，中间段复杂。太行断隆为高阻块体，其电阻率由西北向东南降低。壳内10～20km深处见有明显的电性梯度带，推断为壳内滑脱面的痕迹。断面电性结构特征表明，太行山与华北平原之间存在深断裂。在太行山前20km深度以下发现一组直立电性异常体与上地幔低阻体相连，这可能是上地幔物质沿太行山前断裂上涌通道的证据，或是太行山山前断裂长期活动导致岩石圈电阻率降低的结果。牛家桥两侧的电性结构截然不同，可能反映地下存在深断裂。此外，在剖面的东南部地下30km深存在一组低阻体（邓前辉等，1997）。

图6.6 邢台1号剖面二维反演模型（101～117号点等值线为电阻率对数值）

（据邓前辉等，1997）

图6.7 邢台1号剖面一维层状电性结构图

（据邓前辉等，1997）

1—可靠地层界线；2—推断地层界线；3—断层；4—隐伏断层；5—电阻率值（Ω·m）

图6.8、图6.9为2号剖面的二维反演电性结构模型和一维层状结构模型。如图所示，该剖面浅部断裂发育，控制了凹陷的形成；其西北部在10km和20km深度存在两组电性梯度带，推断为壳内滑脱带的显示。剖面深部存在电阻率为十几欧姆米的低阻电性物质，该低阻带在束鹿断凹和宁晋断凸下方上隆至28km深，在新河断凸下埋深大于35km，并向东南倾伏，这可能意味着上地幔部分熔融物质侵入到束鹿断凹和宁晋断凸的下地壳之内。以东汪为界，剖面两边的电性特征截然不同，推断这里存在着隐伏的高角度深断裂（邓前辉等，1997）。

图6.8 邢台2号剖面二维反演电性结构模型（等值线为电阻率对数值）

（据邓前辉等，1997）

图6.9 邢台2号剖面一维层状电性结构图

（据邓前辉等，1997）

邢台地区3号剖面的电性结构较为简单，与2号剖面有一定的相似性，差别在于上地幔低阻带的深度在束鹿断凹和宁晋断凸下方变浅，在新河断凸变深。4号剖面几乎是沿构造走向布置，因而电性结构简单（邓前辉等，1997）。

中国地震局地质研究所于1994年完成了山西阳高—河北容城剖面的大地电磁观测。剖面自山西阳高县镇边堡起，向东南至河北安新县于庄，长约252km，共布置19个测点。观测资料的反演结果表明，剖面上地表附近相对低阻带对应于阳高、阳原、蔚县等山间盆地和河北平原盆地。沿剖面，中、下地壳存在断断续续的低阻带，其下为高阻带。低阻带的底界由北西向南东变浅，变化趋势与该区莫霍面的分布规律相符。从剖面上的电性结构特点可以看出，沿剖面大致可分为三个电性区：蔚县以西，壳内低阻带发育，结构较复杂；蔚县到易县之间，壳内低阻带发育不明显；易县以东，为相对低阻区，壳内低阻带埋深浅。在剖面范围内见有上地幔低阻带，其顶面深度在河北平原区小于100km，在山西断隆深达150km或更深；易县附近为该低阻带上隆的梯度带，这与我国东部发现的巨型重力梯度带在该区的位置相对应。因此，认为这上地幔低阻带可能是软流层的显示（赵国泽等，1997）。

在华北地区，以往前人所完成的这些大地电磁测深的数据采集，多数是在20世纪90年代以前完成的，使用的仪器有从德国引进的MMS-03大地电磁系统和国内自行研制的SD-1型大地电磁仪，它们与现代的MT-24或V5-2000大地电磁系统相比，性能上存在较大差距，这势必影响数据采集的质量。另一方面，由于当时技术发展水平的限制，大地电磁测深数据处理和反演技术远比现在落后，这很可能影响当时大地电磁测深资料解释结果的可靠性。此外，除4条地学大断面以外，区内现有的大地电磁测深剖面通常较短，不利于研究大区域性的壳幔结构；而在地学大断面上大地电磁测深的点距较大，一般在30～50km之间，有些地方甚至更大，这显然不可能对岩石圈电性结构有比较深入的认识。

但是，深入研究华北岩石圈的电性结构，不仅可以提供有关岩石圈地质构造轮廓的信息，更重要的是可以间接反映现今地下深部的热结构特征和物质状态分布特点。这可以为研究华北岩石圈减薄的动力学机制提供重要的科学依据，同时，对于华北油气、矿产、地热资源预测和评价，以及地震灾害预测、预报也有明显的实际意义。