滇西龙陵地区地壳电性结构及其对大瑞铁路地质选线影响研究

高黎贡山地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带附近的横断山脉南段,是大理一瑞丽铁路(大瑞线)的必经之地,地形起伏大、构造复杂、活动性强,高黎贡山隧道作为全线控制性工程之一,其地质选线的最大困难就是对隧道深部构造环境的了解,特别是缺少对与地热、地震等联系紧密的深部地质构造的认识.为此,本文以大地电磁方法为手段,以高黎贡山隧道为主要研究对象,通过对滇西龙陵地区高黎贡山隧道越岭段两条大地电磁剖面数据的处理解释对研究区的地壳电性结构特征进行了勘探研究.结合区域地质构造特征与主要工程地质问题之间关系的分析,根据隧道主要断层地质条件设计了三维垂直断层模型,利用三维有限元开展正演模拟研究发现,测点点距、位置与横向分辨率密切相关,点距越密,分辨率越高,测点位于断层在地表投影位置能有效提高分辨率.采用大地电磁阻抗张量分解技术对两条剖面上各测点的二维偏离度和电性走向进行了计算和分析,对剖面视电阻率和阻抗相位数据进行了二维NLCG联合反演研究,揭示了沿剖面的腾冲地块、龙陵一瑞丽断裂带及保山地块10 km深度的电性结构特征及相互关系.结果表明:剖面CD电性结构呈现区域构造的三分性,腾冲地块电性结构成层性较好,保山地块成层性较差,两者均以中高阻电性特征为主,中间夹龙陵一瑞丽断裂带,电性结构反映从3 km深度以下存在几乎近于直立延伸的低阻带,推测为班公湖一怒江缝合带滇西段丁青一怒江缝合带的反映;剖面AB共划分了6条与工程密切相关的深部隐伏断裂,结合地震地质、地表地质及龙陵地震深部背景研究,推测F7-3断裂为1975龙陵7.3级地震断裂;从地表黄草坝断裂开始向下延伸,有一条发育最大深度约为4 km的低阻通道,推测为地热断裂深循环通道,其与黄草坝断裂共同控制研究区地下热水的补给、径流和排泄条件,在高黎贡山隧道线位位置形成了一个相对低温通道,为隧道方案成立的关键工程地质条件.勘探结果表明:滇西龙陵地区地壳电性结构有效的反映了高黎贡山隧道深部隐伏断裂和地热断裂深循环通道等深部构造特征,为大瑞线隧道工程地质选线提供了深部地质背景依据.     

CSAMT法在昆玉线宝峰深埋隧道勘察中的应用

宝峰深埋隧道洞深附近地质情况复杂,需对岩体完整性进行评价。依据可控源音频大地电磁法(CSAMT)的带地形二维非线性共轭梯度(NLCG)反演结果,把电阻率异常分为Ⅴ类、Ⅳ类、Ⅲ类及Ⅱ类,分别对应极破碎岩体(Ⅴ级围岩)、破碎岩体(Ⅳ级围岩)、较破碎岩体(Ⅲ级围岩)和完整岩体(Ⅱ级围岩)。结合围岩分级结果,查明了宝峰深埋隧道洞深附近岩性、断层破碎带及岩溶位置,对岩体完整性进行了评估。经钻孔及地质资料验证,CSAMT勘探达到了预期效果。      

青藏高原东缘地壳上地幔电性结构研究进展

经过数十年的努力,中国学者针对青藏高原东缘地壳上地幔探测,累积完成超过20000 km的大地电磁测深剖面,取得了一系列重要科学数据和认识,为青藏高原东缘构造格局、地壳上地幔电性结构、地震机制和动力学研究奠定了基础.根据青藏高原东缘的主要构造和断裂分布特征,本文重点对龙门山构造带、川滇构造带和三江构造带三个构造带分区进行研究,主要依据大地电磁探测工作成果和壳幔电性结构特征,系统地对青藏高原东缘地壳上地幔电性结构、与扬子西缘接触关系、汶川地震和芦山地震的电性孕震环境及弱物质流通道等几个方面进行了梳理和分析.一是青藏高原东缘地壳表层岩块和物质沿壳内高导层向龙门山造山带仰冲推覆,表现为逆冲推覆特征的薄皮构造;二是高原东部地壳中下部及上地幔顶部向龙门山造山带和上扬子地块西缘岩石圈深部俯冲,呈现刚性的上扬子地块西缘高阻楔形体向西插入柔性青藏块体的楔形构造;三是将汶川地震和芦山地震的震源投影到大地电磁剖面上,发现震源位于剖面下方的高阻块体与低阻体之间靠近高阻体的一侧,龙门山构造带岩石圈表现出高阻、高密度和高速的"三高"特征,这种非均匀电性结构可能构成地震孕育发生条件;四是川滇和三江地区的多条大地电磁剖面探测结果表明,在青藏高原东缘中下地壳存在下地壳流和局部管道流,大地电磁结果对其空间分布形态、位置及大小进行了较好的刻画.根据研究区壳幔电性结构特征的构造解析和综合实例分析,总结了青藏高原东缘六类壳幔电性结构模型,提出了下一步重点研究领域和目标.总之,青藏高原东缘壳幔电性结构的研究对揭示研究区岩石圈结构和构造格局提供了重要依据,对油气及矿产资源远景评价提供了背景资料,对"Y"型多地震区的构造关系和发震机理研究具有重要指导意义.     

汶川8.0级特大地震震源断裂特征及其动力学分析

笔者根据地壳表层地质构造和地震地质研究与地震测深和大地电磁测深成果,运用现代构造解析理论与方法,论证了汶川8.0级特大地震的深部构造环境,探讨了汶川8.0级特大地震震源区的地震断裂和震源断裂基本特征与相互关系,及其形成的地球动力学问题。笔者认为龙门山碰撞造山带深处隐伏壳幔韧性剪切带可能是汶川8.0级特大地震主震区的震源断裂,而地壳表层发育的映秀断裂带、北川断裂带和彭县—灌县断裂带等可能是汶川8.0级特大地震主震区的地震断裂,该区震源断裂与地震断裂既有显著区别,又有密切联系。研究表明,在印度板块与太平洋板块和菲律宾海板块对欧亚板块俯冲碰撞的动力学作用下,形成上扬子地块向青藏高原东缘碰撞—楔入以及青藏高原东缘向东仰冲,深部向东俯冲的动力学态势,造成龙门山碰撞造山带切割莫霍界面的壳幔韧性剪切带向中上地壳扩展,应力高度集中与能量快速释放破裂,从而引起汶川8.0级特大地震的发生,以及大型同震地表破裂带的形成。探索震源断裂与地震断裂区别与联系,对进一步研究地震机制与发震动力学以及防震减灾有重要意义。     

青藏高原东缘龙门山逆冲构造深部电性结构特征

通过对汶川地震前观测的碌曲—若尔盖—北川—中江大地电磁剖面的数据处理和反演解释,揭示了沿剖面的松潘—甘孜地块、川西前陆盆地、龙门山构造带及秦岭构造带50 km深度的电性结构特征及相互关系,表明青藏高原东缘向东挤压,迫使向东流动的地壳物质沿高原东缘堆积,并向扬子陆块逆冲推覆.龙门山恰好位于松潘—甘孜地块与扬子陆块对挤部位,主要受松潘—甘孜地块壳内高导层滑脱和四川盆地基底高阻体阻挡的约束,地壳深部存在着西倾且连续展布的壳内低阻层,表明龙门山深部确实存在着逆冲推覆构造,其逆冲断裂系中的三条断裂不仅以不同的倾角向西北倾斜,并且向深部逐渐汇集,但茂县—汶川断裂可能在深部与北川—映秀断裂是分离的.龙门山两翼的四川盆地和松潘甘孜褶皱带的电性结构既具有明显差异性,又具有一定的相关性.四川盆地显示巨厚的低阻沉积盖层和连续稳定的高阻基底的二元电性结构,而松潘—甘孜地块则表现为反向二元结构,即上部大套高阻褶皱带,下部整体为低阻的变化带,龙门山逆冲构造带本身又表现为松潘地块逆冲上覆在四川盆地之上,构成上部高阻褶皱带、中部低阻逆冲断裂带和底部盆地高阻基底的三层电性结构.对比龙门山逆冲构造断裂带的西倾延伸上下盘两侧的两个反对称的二元电性结构,松潘区块深部推断的结晶基底与龙门山断裂带下盘推断的下伏盆地结晶基底又存在某种内在对应关系,推断可能存在一个西延至若尔盖地块的泛扬子陆块.因此,龙门山构造带地壳电性结构研究对于揭示青藏高原东缘陆内造山动力过程,探索汶川大地震的深部生成机理都具有重要意义.     

珠穆朗玛峰自然保护区生态环境数据集成方案

多源生态环境数据的科学组织与集成方法,对开展区域生态环境研究意义重大。本文以西藏珠穆朗玛峰国家级自然保护区为例,研究典型高原生态环境系统的数据特征和组织分类、数据模型构建、编码和元数据等有关数据集成的关键问题。设计了生态环境数据集成概念模型框架,从数据集分层组织、属性编码和元数据标准制定等多层面描述其基本语义结构,建立了珠峰自然保护区多源生态环境数据库。通过CASE工具Microsoft Visio2003建模和数据预处理,无缝集成FGDB(File Geodatabase)数据库中的生态环境专题信息;结合空间认知规则,并叠加要素类所表现的语义特征,实现面向数据集成分析的基本信息提取,乃至产生新的知识和规律。本文提出的珠峰自然保护区生态环境数据组织和集成方案,形成了一套初步可行的"数据集成-信息提取-知识发现"生态信息流映射机制,为区域生态环境研究提供了实用、可靠的数据基础保障。     

龙门山大地电磁深部结构及汶川地震(MS 8.0)

2008年5月12日汶川发生的MS 8.0地震使四川、甘肃和陕西等省遭受重大人员伤亡及财产损失,本文通过震前完成的穿过龙门山构造带中段的松潘中江大地电磁测深剖面的反演解释,揭示了龙门山构造带及其两侧松潘甘孜褶皱带、川西前陆盆地地壳内部30 km深处电性结构。龙门山构造带东侧四川盆地为上部较厚低阻沉积盖层之下存在连续稳定高阻的扬子基底特征,而以西的松潘甘孜褶皱带分上部和下部两部分,上部为高阻古生界夹低阻中新生界,下部（中下地壳）呈连续低阻层,推测可能存在一个连续稳定的壳内高导层。而龙门山恰好是青藏高原与扬子地台联合作用的结果,形成了上部高阻及下部基底高阻,中间夹西倾低阻带,低阻带最厚10 km,其深度从地表10 km连续向西延伸至20 km深处,与松潘甘孜褶皱带15～20 km的低阻层相连。这个异常低阻带可能是松潘甘孜地块向东向上移动的传输带,北川映秀断层逆冲分量显然大于右行走滑分量,因此汶川地震属于右行平移-逆冲断裂型地震。     

大地电磁相位张量和倾子的三维主轴各向异性反演

地壳和上地幔普遍存在的电性各向异性是大地电磁测深方法在实践应用中的关键和难点问题，而由近地表局部地电异常引起的电流型畸变可进一步加剧各向异性反演的多解性和不确定性.为压制电流型畸变影响，本文实现了一种利用大地电磁相位张量和倾子数据获取地下介质主轴电性各向异性结构的三维反演算法.该算法正演问题的求解采用交错采样有限差分法，反演问题的求解采用非线性共轭梯度法.理论模型测试表明，相位张量和倾子的三维各向异性反演不仅恢复了真实的各向异性异常分布特征，且压制了为拟合电流型畸变出现的假异常.由于相位张量和倾子数据不含幅值信息，先验模型选取对反演模型电阻率值的恢复效果影响较大，但初始模型的改变基本不影响反演结果.为进一步验证该算法的有效性，将其应用于USArray项目在美国西北部采集的109个长周期大地电磁实测数据.反演结果表明，相对于阻抗数据，相位张量和倾子数据的各向异性反演结果对浅层结构的刻画更为准确，与地表地质特征更为吻合.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.     

音频大地电磁测深法在地热勘查中的应用研究

从介绍和分析研究区的地质特征出发,通过介绍音频大地电磁(AMT)法工作布置、资料采集和处理流程,说明了该方法在地热资源勘查中的应用效果,同时对自主开发的二维大地电磁处理与反演解释及成像软件系统(MTSoft2D2.0)的功能特点进行了介绍,并将系统中改进的二维非线性共轭梯度(NLCG)方法应用于资料反演解释,取得了较好的效果。研究成果确定了研究区的热储地层的深度与厚度,以及地质构造分布的基本情况。结果证明,音频大地电磁法在探测含水层及地热资源方面是有效的。