《Geosciences》：Subsoil Characterisation in an Abandoned Dam in Central Mexico Using Geoelectrical Methods
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在墨西哥中部，地面破坏（ground failure）和地面沉降（subsidence）已加速发生，Villa de Reyes地堑（graben）特别是El Hundido水坝（dam）即为明证，其主要原因归因于地下水过度开采（groundwater ove
在墨西哥中部，地面破坏（ground failure）和地面沉降（subsidence）已加速发生，Villa de Reyes地堑（graben）特别是El Hundido水坝（dam）即为明证，其主要原因归因于地下水过度开采（groundwater overexploitation）。本研究整合了电磁剖面法（electromagnetic profiling, EMP）、电阻率层析成像（electrical resistivity tomography, ERT）和瞬变电磁法（transient electromagnetic, TEM）调查，以确定El Hundido水坝裂缝（fractures）的起源。基于TEM调查，研究人员获得了一个地电剖面（geoelectric section），该剖面模拟了火成岩基岩（igneous bedrock）的深度和形态。在El Hundido水坝，火成岩基底（igneous basement）因压扭性应力（transpressional stresses）表现出凸起变形（convex deformation），这有利于正花状断层构造（positive flower-type fault structure）的形成。由基底地形（basement topography）和断层系统（fault system）引起的变形在100 m厚的第四系序列（Quaternary sequence）中清晰可见，如ERT研究所揭示。ERT和EMP调查显示存在一个粘土层（clayey layer），该层曾作为地表水入渗的屏障（barrier），使其能够储存在过去，而现在已被裂缝破坏。尽管地下水位（water table）下降导致了多边形裂缝（polygonal cracking）、水压实（hydro-compaction）和地面沉降，但局部构造活动（local tectonics）是控制El Hundido水坝地下层断层（subsoil faulting）的主要因素。
论文解读文章
研究背景与目的
地面破坏和地面沉降是影响全球多个地区的现象，由自然因素（如构造特征、地质断层、区域地震活动、水压实和岩溶过程）和人为因素（如地下水过度开采和土地利用变化）共同引起。在墨西哥，随着城市快速扩张和地下水开采增加，断裂和地面沉降问题日益加剧。在Villa de Reyes地堑的El Hundido废弃水坝，地面沉降速度在中心区域可达约50 mm/年，并伴有多边形裂缝和沉陷坑。此前Monge-Cerda等人采用电磁剖面法（EMP）、电阻率层析成像（ERT）和探地雷达（GPR）进行了地质-地球物理研究，但GPR和EMP方法的深度范围有限，无法有效刻画深层基底结构。因此，存在深层地球物理研究的空白，需要采用能达更深度的替代方法以评估深层构造的连续性和存在性。本研究旨在通过整合EMP、ERT和瞬变电磁法（TEM）调查，确定El Hundido水坝地下层裂缝的起源，区分自然构造因素与人为地下水开采的影响。
研究人员开展的研究及结论
研究人员在El Hundido水坝区域沿WNW-ESE方向布设了12个TEM测深点，建立了长6800 m的地电剖面，以模拟火成岩基岩的深度和形态。同时，采用EMP方法在15 m、30 m和60 m深度获取视电阻率图，以可视化横向电阻率变化。此外，沿NW-SE方向布设一条825 m长的ERT剖面，采用3 m和10 m两种电极间距分别获取高分辨率（34 m深度）和中分辨率（110 m深度）的地电断面。研究得出以下结论：TEM结果表明火成岩基底因压扭性应力呈现凸起变形，形成正花状断层构造；ERT和EMP调查揭示了一个粘土层，该层曾作为地表水入渗屏障，现已被裂缝破坏；尽管地下水位下降引发了多边形裂缝、水压实和地面沉降，但局部构造活动是控制El Hundido水坝地下层断层的主要因素。该研究发表在《Geosciences》期刊上。
关键技术方法
（1）瞬变电磁法（TEM）：采用TerraTEM24仪器和150×150 m电缆回路，沿WNW-ESE剖面布设12个测深点，通过时间域控制源技术获取二次电磁场衰减曲线，经WinGLink软件反演为1-D地电模型，用于建模火成岩基底深度和形态。（2）电磁剖面法（EMP）：采用CMD DUO仪器，在VD模式下分别使用10 m、20 m和40 m电缆测量，获取最大研究深度15 m、30 m和60 m的视电导率数据并转换为视电阻率图，用于可视化浅层横向电阻率变化。（3）电阻率层析成像（ERT）：采用SuperSting R8多电极电阻率仪和偶极-偶极装置，沿同一剖面分别以3 m和10 m电极间距采集数据，经Res2DInv软件反演获得高分辨率（34 m深度）和中分辨率（110 m深度）的2-D电阻率断面。研究未涉及试剂、培养或质粒构建，样本为地球物理测量数据。
研究结果
3.1 TEM结果
3.1.1 地电剖面
沿WNW-ESE方向的长6800 m剖面包含12个测深点（TEM1至TEM12），TEM8位于水坝中心。地电剖面显示三个主要单元：第一层为干燥松散的冲积层（ρ>65 Ωm，厚30–60 m）；第二层为含水土层（ρ=9–55 Ωm）；第三层为电阻率较高的火成岩基岩（ρ>65 Ωm）。基岩顶部深度变化大：在剖面3000–6500 m区间基岩抬升，最低深度在TEM8处为140 m（ρ>100 Ωm）；在0–2500 m区间基岩加深，最深在TEM2处达450 m（ρ≈70 Ωm）。
3.1.2 水坝水库的1-D地质-地电模型
以TEM8测深点为例，1-D模型显示：第一层为干燥砾石和砂质壤土（ρ=78 Ωm，厚25 m）；第二层为粘土质砂质沉积物和第四系砾岩（ρ<10至40 Ωm，总厚68 m）；第三层为第三系流纹岩（Panalillo流纹岩），分上层焊接凝灰岩（ρ=90 Ωm）和下层碎屑凝灰岩（ρ=6 Ωm）；基底为Portezuelo Latite（ρ≈216 Ωm）。该模型揭示了基底在2450–6600 m区间呈地垒状上升，而在250–2450 m区间形成地堑。
3.2 EMP调查
EMP获得的视电阻率图显示：15 m深度图中，西北部存在低阻异常（ρ<30 Ωm，对应粘土物质），而南部有高阻异常（与多边形裂缝区和干裂疏松物质有关）；30 m深度图中，低阻和高阻异常均消失，说明粘土层和裂缝带限于20 m以浅；60 m深度图中，ρ值总体升高（37–90 Ωm），可能受砾岩影响，且该深度接近地下水位（64 m）。
3.3 ERT结果
高分辨率（34 m深度）ERT剖面中，北部325 m段表层存在6–7 m厚的导电粘土层（ρ=6–16 Ωm），该层在中部325–575 m段消失，正好对应主要裂缝和沉陷坑区域；古河道表现为高阻异常（ρ>55 Ωm）；主要裂缝平面显示高阻特性，表明存在干裂多孔物质。中分辨率（110 m深度）ERT剖面显示，在405–470 m区间存在逆断层，两侧裂缝构成正花状断层系统；主要裂缝延伸超过100 m深度，低于地下水位（64 m），排除人为成因；剖面中部可见砾岩层变薄和底部砂质粘土层变形。
讨论总结
研究人员对比不同深度分辨率的地电剖面，发现TEM结果虽无法直接模拟裂缝平面，但显示了火成岩基底的凸起地形；ERT中分辨率剖面揭示了变形砾岩分布及延伸至饱和带以下的主裂缝，证明其为地质断层而非表面裂缝；高分辨率剖面则详细呈现了基底抬升引起的浅层变形。EMP和ERT均表明粘土层在水库储水中的关键作用，现已大部分破坏。因此，局部构造活动是地下层断层的自然控制因素，而地下水位下降（人为原因）加剧了多边形裂缝和水压实过程（沉降）。研究结果与Villase?or-Reyes等在Zamora城的结果一致，均表明基底构造对沉降的控制作用。水坝区的基底凸起由压扭应力引起，对应正花状断层系统（Nkodia等描述），该断层系统在地表表现为SSW-NNE方向的裂缝。
研究结论翻译
这项对El Hundido水坝的综合地电研究提供了有力证据，表明地表变形和裂缝受深层、活动构造活动控制。TEM结果勾画出一个具有凸起形态的火山基底，解释为被逆断层限制的地垒。ERT图像确认了切割并变形上覆材料的断层构造和宏观构造的存在。不同分辨率剖面的整合揭示了一个由挤压和压扭应力产生的正花状断层系统。虽然局部构造活动是地质断层形成的控制因素，但地下水过度开采和地下水位下降放大了该现象，并促进了多边形表面裂缝、水压实引起的沉降和沉陷坑的形成。本研究结果强调了在活动断层区域整合多分辨率地球物理方法以区分人为因素与构造因素的重要性。这种区分对于构造活动盆地的风险评估、城市发展规划和土地利用管理至关重要。本工作的方法论可推广到全球其他具有类似构造活动盆地的地区。未来工作应纳入高分辨率地震和大地电磁调查以更好地定义深层构造结构几何形态，并利用InSAR技术监测和量化地面变形速率。
