雷琼火山区地下深部大地电磁探测与电性结构分析

雷琼火山区地下深部大地电磁探测与电性结构分析
^[1]

胡久常1，^[2]　白登海2　王薇华3　王立风4　何兆海4　韩吉民4

1.海南省地震局，海口，570203

2.中国科学院地质与地球物理研究所，北京，100029

3.中国地质大学，北京，100083

4.中国地震局地质研究所，北京，100029

摘要：通过大地电磁探测发现，在海口地区地下深部存在两个低阻体（层）。其一位于马鞍岭火山及其以西地区地下深部约5km以上，为浅部低阻层，推测为火山喷出玄武岩覆盖体、地下水及其他低阻物质，该低阻层以下为一正在退化的岩浆通道；其二位于琼山7.5级地震区深部约15km以下，为一直通到上地幔的深部低阻体，推测其为一正在上升的岩浆热源，即岩浆囊。另外还发现，琼州海峡南北两侧的地壳和上地幔结构在电性上具有连续性，推测整个雷琼火山区属于同一地质体，佐证了海南岛属于华南古陆的一部分。

主题词：电性；大地电磁；低阻体；岩浆囊；雷琼火山区

1　引言

雷琼（雷州半岛和海南岛）火山区是我国新生代以来火山活动最强烈、最频繁和持续时间最长的地区之一，也是我国强震活动区之一。探测并研究雷琼火山区地下深部电性结构，对于研究区域火山和地震成因具有重要的地球物理依据。自2002年以来，我们先后申请了由科技部社会公益基金资助的“海南琼北火山大地电磁探测”项目，以及由中国地震局地震联合基金资助的“海南琼山7.5级地震区深部电性异常及未来地震活动性”项目。两个项目共在雷琼火山区（重点在海口地区）布设了4条测线，开展大地电磁探测（MT），部分测点还进行了瞬变电磁探测（TEM）。根据探测结果，我们绘制了雷琼火山区深部电性结构剖面图，并对其进行了分析。

2　大地电磁的野外探测

2002年6月至7月、2003年10月和2004年3月，我们前后3次在雷琼火山区布设了HN1、HN2、HN3和HN4共4条测线，测点共53个，开展大地电磁探测，见图1所示。HN1测线为北东东向，长约101.3km，测点22个，平均每4.6km 1个测点；测线HN2为北北西向，长约101.4km，测点12个，平均每8.4km 1个测点；测线HN3为北北西向，大致沿雷州半岛长轴方向，长约96.6km，测点10个，平均每9.7km 1个测点；测线HN4为北北西向，长约57.5km，9个测点，平均每6.4km 1个测点。测点布局以探测目的为标准。海口地区是雷琼地区最后一期火山喷发地和1605年琼山7.5级地震发生地，因此，布设的测点主要集中在海口地区，在火山区和地震震中区测点加密，最小点距1—2km。

图1　雷琼火山区地质及MT测点位置图

为了保证观测质量和准确性，测点尽量选择在远离干扰源、开阔、平坦的地方；电极和磁探头的方位测量采用森林罗盘仪，保证x，y，z分量互相垂直，方位偏差小于±1°；电极距采用测绳测量，误差小于1％。电极埋于地下30cm以下，保证接地电阻小于2kΩ。为了减小风、牲畜等外界扰动，所有电、磁信号电缆均采用掩埋或压实措施。为了保证资料长度，有效观测时间最低不少于8h，个别存在噪音的地方适当延长观测时间，对于2000s的信号至少保证在10段以上。为了消除部分测点所存在的静态位移，我们于2005年8月，对存在静态位移的测点进行了瞬变电磁（TEM）观测。

为确保仪器工作正常，观测正确，我们随机选取了3个测点进行了间隔时间约1年的复测，各复测点前后观测结果平均相位偏差小于3％，平均视电阻率偏差小于4％。

为了能够对观测结果应用二维反演，我们在设计测线时尽量使测线垂直于构造走向和沿雷州半岛长轴方向，即分别垂直于马袅—铺前北东东向断裂、清澜—铺前北西向断裂和长流—仙沟北西向断裂。马袅—铺前断裂与清澜—铺前断裂的交汇地区为1605年琼山7.5级地震震中区，雷琼火山区最新一期火山喷发形成的火山沿长流—仙沟北西向断裂分布。

大地电磁探测仪器采用的是加拿大Phoenix公司生产的V5－2000型仪器，观测的信号频率范围为300Hz—2000s，有效深度可从地下500m到上地幔。

3　数据处理与结果反演

3.1　数据处理

大地电磁探测法的观测原理是基于电磁波穿透的深度与其频率有关，即电磁波穿透大地的深度与地下介质的电阻率、磁导率、周期等参数的关系可表示为：

其中ρ为介质的电阻率，μ是磁导率（通常取4π×10－7），T是电磁波的周期。

大地电磁探测野外记录的资料是时间序列，即电场和磁场各分量随时间的变化。其数据处理就是经过一系列的手段从时间序列求取反演解释所需要的电性参数，需要采用先进的具Robust分析功能的大地电磁测深处理软件来完成。其主要步骤如下：

（1）视电阻率和相位曲线的求取

这个过程首先需要对原始数据进行挑选，剔除受强噪音污染的数据段，然后加入适当的窗口进行滤波。其次是对部分受到非高斯噪声影响的数据采用Robust方法进行处理。Robust方法是根据观测误差的剩余功率谱的大小对数据进行加权，重视未受干扰的正态分布的数据，降低“飞点”的权。所以该方法的本质是减少“飞点”的作用，达到改善阻抗估算的品质、提高信噪比的目的。经过Robust方法处理后的数据序列被用于计算视电阻率和相位曲线，但计算所得曲线还需静态位移校正和畸变校正。

（2）视电阻率曲线的静态位移及其校正

视电阻率曲线的静态位移将给反演产生严重的影响，使解释结果偏离实际情况。因此，在反演解释之前必须进行校正。目前对视电阻率曲线的静态位移的校正还没有一个理论上的标准。实际中常根据地质结构进行一些经验性的校正，因而带有一定的人为因素。近年来许多人采用瞬变电磁法所得到的视电阻率曲线为标准，对MT曲线进行校正取得了很好的效果。在野外观测中，我们对部分测点进行了瞬变电磁观测，并取得了满意的效果。

（3）大地电磁曲线的畸变及其校正

如果横向不均匀边界不是位于浅部，而是位于较深的位置，那么在外场的作用下，横向不均匀边界附近将产生附加场（附加电流和附加电荷）。这种附加场与频率有关，在不同频率范围对MT曲线的影响不同，从而使曲线发生畸变，而且视电阻率和相位曲线都将发生畸变。如局部的地垒和地堑效应容易引起假薄层。畸变效应一般出现在中、低频段，往往很难判断，校正也比较困难。目前比较有效且实用的办法主要有两种：其一是适用于一维反演的有效阻抗法；其二是适用于二维反演的阻抗张量分解技术。HN2和HN4测线与雷琼火山区的构造走向平行，不满足二维反演的条件，为此我们采用了有效阻抗法，以减小畸变的影响。阻抗张量分解技术仅适用于存在地质噪音的情况，在实际处理中，我们对位于火山区的几个测点进行分解后有明显改善，其他测点改善不明显。

3.2　结果反演

所谓反演解释，就是把视电阻率随周期的变化转化为电阻率随深度的变化，即由大地电磁曲线得到地下的电性结构。大地电磁反演有一维、二维和三维，目前比较成熟的是一维和二维。由一维反演得到的是一个测点的层状模型，由二维反演可得到一条测线的剖面模型。二维反演需要满足两个条件：（1）地下介质具有二维性，即需要有一个比较明显的主轴方位。这一条件对于具有构造走向的多数地区是可以满足的。（2）测线应垂直于构造走向。为了能够应用二维反演，我们往往在设计测线时尽量使测线垂直于构造走向。但在多数情况下，由于地形、交通等客观条件的限制，测线无法垂直于构造走向。这时只要测线与构造走向的夹角不是很小（比如大于60°），仍然可以采用二维反演进行近似。

雷琼火山区的地质构造走向为近南北向（或北北西向）。在四条测线中，测线HN1为近东西向（或北东东向），与构造走向基本垂直，我们对该测线的解释采用了共轭梯度二维反演，结果见图2。测线HN2，HN3和HN4为近南北向（或北北西向）展布，与构造走向近于平行，不满足二维反演的条件，所以这3条测线的解释主要依据一维反演。

图2　雷琼火山区南北向剖面地壳上地幔电性结构图

4　反演结果分析及结论

通过对雷琼火山区的大地电磁探测和观测数据反演，我们获得了雷琼火山区地下80km深度范围内的电性结构。

图2是测线HN3和HN2的大地电磁探测资料反演的结果。图中上半部分是一条纵贯雷琼火山区的南北向地质剖面，下半部分是由测线HN3和HN2所连成的一条与地质剖面近于平行的大地电磁剖面。由图2我们可以得到以下两点推论：

（1）琼州海峡南北两侧的地壳上地幔结构在电性上具有连续性，说明雷琼火山区虽隔琼州海峡，但仍属于同一地质体。因此，关于海南岛的形成，就并非如一些学者所说：海南岛是从其他地方漂移而来的。海南岛应该属于华南古陆的一部分，后由于区域上地幔上升，致使地壳拉张而产生雷琼裂谷，随后海水侵入而形成。雷琼裂谷北以遂溪—安铺断裂为界，南以王五—文教断裂为界。现今裂谷内的陆地，即雷琼火山区是裂谷内火山喷发和第四纪沉积（包括海相沉积和陆相沉积）的产物；琼州海峡是雷琼裂谷内火山活动相对较弱的部分，并成为裂谷内的低洼区，因海水侵入而成为海峡。

图3　HN1测线大地电磁探测数据反演电性结构剖面图

（2）在海南岛北部火山区存在一个直通上地幔的低阻体。测线HN1和HN4的资料反演的结果（图3和4），更清楚地显示出这一低阻体呈东西向宽、南北向窄的饼形体，其顶部距离地表约15km，向下一直通向上地幔。推测其为一个规模较小的地幔柱，即由从软流层或下地幔涌起并穿透岩石圈而形成的热地幔物质柱状体。进一步推测，正是这一地幔柱物质（或称岩浆），早期沿其上部断裂上涌喷出地表而形成海南岛北部的“热点”火山。在地幔柱上部是一厚约15km的高阻体，在地表上东西长约21km，南北宽约12km，面积约252km2。该高阻体东西两侧分别被清澜—铺前和琼华—莲塘村两条北西向断裂切割，南北两侧则分别被富昌—群善村北东东向断裂和儒关村—三江近东西向断裂切割。其中心正好位于海口美兰机场，因此我们将其称为“美兰块体”。美兰块体四周的断裂在图3和图4中也有不同程度的显示。根据地形变观测，美兰块体的东寨港地区，目前正以平均每年约1cm的速率下降，而西部正以大致相应的速率上隆。推测可能是其地下深部地幔柱缓慢偏西侧上升引起美兰块体西部上抬而东部形成拉张下陷所致。

图4　HN4测线大地电磁探测数据反演电性结构剖面图

（3）HN1测线大地电磁探测数据反演结果（图3）显示，美兰块体以西的整个火山地区地下浅部则为一低阻层。该低阻层平均厚约5km。根据钻孔探测分析，该地区地下350m以上浅层为琼北承压水盆地，地下350—800m为琼北地热田，再往下，目前只在海口市以西的澄迈福山拗陷有深钻孔，井深1732 m，井底温度为83℃；井深3200 m，井底温度达147℃。由此推测，整个火山区地下浅部的低阻层可能为高温岩体。火山区地下热矿水正是其下部高温岩体加热所致。

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【注释】

[1]本文发表于《华南地震》2007年第1期。

[2]胡久常，男，40岁，北京大学硕士，现任海南省地震局火山监测研究中心主任，副研究员。联系地址：海口市白龙南路42号万福大厦6楼；邮编：570203。