董 如 俊

(山西省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，山西 太原 030024)

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高密度電法在尋找淺埋斷層帶中的典型地電斷面

董 如 俊

(山西省第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，山西 太原 030024)

介紹了高密度電法的原理，工作方法及資料處理，建立了一種淺埋斷層地電模型，結(jié)合高密度電法在靈丘、五臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)淺埋斷層進(jìn)行了勘探，為今后類似工程提供參考。

高密度電法，淺埋斷層，地電模型，等值線

自20世紀(jì)80年代以來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，同時(shí)由于國(guó)家大力發(fā)展城市建設(shè)，對(duì)工程勘察提出了更高、更精的要求。為適應(yīng)這一要求，地球物理界不僅發(fā)展了許多新技術(shù)、新方法；同時(shí)將許多傳統(tǒng)地球物理勘探方法與電子計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合讓老方法煥發(fā)出新的生命力。高密度電法就是其中一種，高密度電阻率法又稱電阻率C—T法，是傳統(tǒng)直流電法與程控計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的結(jié)果。其在工程勘察、水文地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害勘察等過程中對(duì)于尋找淺部地下斷層破碎帶具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1 高密度電法原理及工作方法

高密度電阻率法測(cè)試也稱電阻率C—T法，該方法是利用常規(guī)電阻率法與數(shù)學(xué)排列組合、計(jì)算機(jī)程控、成像等高新技術(shù)結(jié)合進(jìn)行高分辨率、高效率的電法勘探，其理論是建立在直流電法勘探原理基礎(chǔ)上的。高密度電阻率法的基本原理與常規(guī)電阻率法完全相同，是以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的電探方法，研究在人工電場(chǎng)作用下地下半(全)空間地質(zhì)體傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。只不過是在普通電法基礎(chǔ)上引入了自動(dòng)化概念，即以某種數(shù)學(xué)邏輯，比如等差數(shù)列或其他數(shù)列陣列等排列組合法設(shè)計(jì)數(shù)列組，而后設(shè)計(jì)電極轉(zhuǎn)換模式，通過計(jì)算機(jī)邏輯控制實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)豐富，具有較高的橫、縱向分辨率，電極一次布設(shè)，減少電極布設(shè)干擾與故障，獲得豐富的地電斷面的信息。

2 高密度電法處理

高密度電法C—T的資料處理是通過野外數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集存儲(chǔ)后，通過RS232,USB,藍(lán)牙等方式傳輸入電腦，進(jìn)行下一步處理。首先由計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，突變點(diǎn)剔除，平滑，而后進(jìn)行地形校正，再進(jìn)行正反演計(jì)算，最后由物探技術(shù)人員根據(jù)電腦的處理結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)條件與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，做出地質(zhì)解釋。

3 淺埋斷層地質(zhì)模型及地電模型

任何一種學(xué)術(shù)應(yīng)用必定有明確的目標(biāo)，所謂有的放矢。比如公安通緝罪犯一定要畫影圖形，而后通告全國(guó)，于是有線索的人對(duì)照?qǐng)D形，提供線索，罪犯無所遁形。這樣比較明確，不容易搞錯(cuò)。同樣地球物理勘探中，如果建立一些比較明確的地質(zhì)模型，而后進(jìn)行推論、模擬或采用正演計(jì)算得出比較標(biāo)準(zhǔn)的地電斷面，這樣按圖索驥，較易上手。在應(yīng)用當(dāng)中，套用這些模型，好比套用數(shù)學(xué)公式，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行正反演計(jì)算并根據(jù)不同的實(shí)際情況修正地質(zhì)模型推出各種地電斷面，從而實(shí)現(xiàn)事半功倍。其實(shí)，早在二十世紀(jì)七八十年代，我國(guó)物化探工作者進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)，繪制出了很多地質(zhì)、地電斷面模型，各大院校教科書上有很多電測(cè)深、電剖面地電模型。但以前的傳統(tǒng)方法數(shù)據(jù)量較少，使得模擬出的模型相對(duì)不夠精細(xì)，不能反映微觀變化。而高密度電法同時(shí)具有測(cè)深和剖面法的特點(diǎn)，更能反映精細(xì)地電斷面，因此有必要明確其在斷層破碎帶附近出現(xiàn)的電性特征，根據(jù)典型地質(zhì)斷面模型建立常見的地電模型。斷層兩盤及破碎帶地質(zhì)模型有以下特點(diǎn)。斷層分為上升盤、下降盤和破碎帶。淺埋斷層兩盤一般有一定落差，剝蝕不太厲害，上升盤一側(cè)一般為較老較堅(jiān)硬地層，下降盤一般為相對(duì)較新較軟地層；破碎帶為更軟地層；其上，地表往往沉積相對(duì)均勻的覆蓋層，這樣就會(huì)形成如下電性斷面：表層覆蓋層電阻率相對(duì)比較均勻；其下上升盤一側(cè)整體為較老較致密地層，表現(xiàn)為相對(duì)高阻；反之下降盤一側(cè)表現(xiàn)為整體相對(duì)低阻；中間破碎帶為更低電阻率，兩盤深部同一標(biāo)準(zhǔn)電性層相對(duì)位移距離可大致判斷落差，中間低阻帶延伸可判斷斷層傾向，傾角；綜合以上情況可判斷斷層性質(zhì)；同時(shí)在斷裂帶兩側(cè)往往受斷裂帶力學(xué)影響，出現(xiàn)一系列伴生的巖溶發(fā)育帶或裂隙帶，表現(xiàn)為次級(jí)低阻帶。典型地質(zhì)及電性剖面如圖1所示：圖中巖性僅為相對(duì)示意方便，包含不局限于圖示中的巖性。

以上斷面是較為理想的斷層模型，那么實(shí)踐過程當(dāng)中這種模型體是否常見，在筆者多年工作實(shí)踐當(dāng)中遇到這種模型體比較多，現(xiàn)舉例說明。

4 高密度電法勘探淺層斷層實(shí)例

4.1 高密度電法在靈丘某地應(yīng)用

4.1.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于靈丘縣西北部，從區(qū)域地質(zhì)圖上看工區(qū)附近可能存在一條斷裂帶，地質(zhì)推斷上升盤為奧陶系中統(tǒng)(O2)，下降盤有石炭系(C)地層，地表表層為(Q)覆蓋不厚，要求查明斷裂具體情況。

4.1.2 物探工作具體情況

現(xiàn)場(chǎng)情況相對(duì)平坦，目標(biāo)體埋深不大，利于高密度電法開展工作。此次工作使用重慶地質(zhì)儀器廠DUK-1高密度電法系統(tǒng)，采用施倫貝爾裝置剖面法進(jìn)行工作。該裝置采用等差數(shù)列數(shù)據(jù)組合設(shè)計(jì)供電邏輯，成倒梯形剖面圖。在本區(qū)共做兩條剖面，分別為1,2剖面，點(diǎn)距5 m，電極56路，最小隔離系數(shù)1，最大隔離系數(shù)16。

4.1.3 物探剖面分析

1)高密度電法1剖面分析。

1剖面由北向南布置，可以看出表層電性層以小于75 Ω·m等值線為界，較為連續(xù)均一，雖稍有起伏但基本變化不大，推測(cè)第四系覆蓋層相對(duì)連續(xù)均勻。再往下看，剖面中部視電阻率等值線逐漸開始向下扭曲，中深部存在一個(gè)明顯的條帶狀低阻帶(深部視電阻率約在90 Ω·m～95 Ω·m)把剖面分成了兩部分。低阻帶淺部在剖面橫向90 m～120 m處，深部在剖面橫向110 m～140 m處，明顯向南傾斜，視傾角約72°～75°，推測(cè)其為斷層破碎帶。破碎帶以北電性與以南有明顯差別，北側(cè)呈現(xiàn)低—高—低—高四層電性結(jié)構(gòu)，推測(cè)對(duì)應(yīng)地層為第四系松散層—奧陶系灰?guī)r—奧陶系巖溶發(fā)育—奧陶系較完整灰?guī)r；南側(cè)呈現(xiàn)低—較高—更高三層電性結(jié)構(gòu)，推測(cè)對(duì)應(yīng)地層第四系松散層—石炭系—奧陶系灰?guī)r。那么斷層落差如何判斷，我們以同一電性層130 Ω·m為基準(zhǔn)，北側(cè)視深度13 m左右，南側(cè)視深度67 m左右，同一電性層北升南降相對(duì)縱向位移約54 m。至此斷層基本情況比較清楚，推測(cè)斷層破碎帶向南傾斜，視傾角約72°～75°；由于斷層南傾，且南側(cè)上盤下降，北側(cè)下盤上升，所以推測(cè)斷層為正斷層；同一電性層位移約54 m，推測(cè)斷層落差在54 m左右。北側(cè)第三電性層次級(jí)低阻帶可能為泥灰?guī)r或斷層影響下的巖溶發(fā)育帶，同樣南側(cè)橫向192 m附近次級(jí)條帶低阻帶推測(cè)為斷裂影響下裂隙發(fā)育所致，如圖2所示。

2)高密度電法2剖面分析。

2剖面由北向南，與前一剖面類似，同理可以推測(cè)表層第四系沉積物較為連續(xù)均一。中部存在典型縱向條帶低阻帶淺部在剖面橫向100 m～125 m處，深部在剖面橫向115 m～143 m處，明顯向南傾斜，視傾角約75°，推測(cè)為斷層破碎帶。傾向明確了，上下盤就確定了，北側(cè)為下盤，南側(cè)為上盤。南側(cè)電阻率較低，推測(cè)初見基巖為石炭系地層；靠北側(cè)整體電阻率較高，推測(cè)初見基巖推測(cè)為奧陶系地層。本剖面背景值比前述剖面高，我們?nèi)⊥浑娦詫右?60 Ω·m為基準(zhǔn)，北側(cè)視深度10 m左右，南側(cè)視深度60 m左右，同一電性層北升南降相對(duì)縱向位移約50 m，意味斷層落差在50 m左右(取基準(zhǔn)值應(yīng)盡量接近下降盤下方，相對(duì)準(zhǔn)確)。既然斷層南傾又北升南降，于是上盤下降，下盤上升推測(cè)其為正斷層。左側(cè)低阻帶橫向80 m～100 m縱向視深度40 m～60 m推測(cè)為斷層影響下的巖溶發(fā)育帶或泥灰?guī)r；同樣右側(cè)橫向150 m～160 m,180 m～200 m附近次級(jí)低阻帶推測(cè)為受斷層力學(xué)影響形成的裂隙帶，如圖3所示。

3)高密度電法剖面綜合分析。

把前兩剖面異常位置連線得到斷層帶走向118°左右，傾向208°左右，視傾角75°左右，真傾角推測(cè)在73°左右，為正斷層，落差約50 m。那么基巖埋深如何確定，可以把原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換出來，再用EXCEL數(shù)據(jù)篩選或SUFER等軟件截取出來，采用一維反演軟件進(jìn)行處理，本例兩條剖面經(jīng)反演處理，基巖埋深在2 m～6 m左右變化，兩盤初見基巖埋深變化不大，埋深差別推測(cè)由于后期剝蝕造成，此斷層在本工區(qū)通過位置及其參數(shù)基本確定。以上地電斷面和圖1中的模型相似度較高，本工區(qū)采用原始數(shù)據(jù)預(yù)處理成圖，未進(jìn)行二維反演。這是因?yàn)槟壳凹夹g(shù)情況下，有時(shí)候二維反演較接近真實(shí)情況，有時(shí)候收斂后反演模型與真實(shí)情況相差較大。在用高密度電法尋找斷層帶過程中往往預(yù)處理成圖更接近實(shí)際情況，工作中反演成圖要與預(yù)處理、原始數(shù)據(jù)結(jié)合來看，并適當(dāng)增加二維正演一步步修改模型，逐漸逼近，不能一味迷信反演結(jié)果。工作成果示意圖見圖4。

4.2 高密度電法在五臺(tái)某地應(yīng)用

上例為正斷層情況，比較符合預(yù)想模型。那么逆斷層情況如何，前述模型是否有普遍意義，這是五臺(tái)某地的一條由西向東的剖面(見圖5)，其位于河道附近，地表覆蓋第四系河道沉積物，下為奧陶系中統(tǒng)灰?guī)r地層。此次采用施倫貝爾裝置剖面法，最小隔離系數(shù)1，最大10，點(diǎn)距5 m，60路電極。與前述兩剖面類似，表層電阻率較低相對(duì)連續(xù)均勻，中深部在剖面橫向70 m～95 m附近，存在一個(gè)小于450 Ω·m的向東傾斜的低阻帶。左側(cè)電阻率較低，右側(cè)相對(duì)較高；以500 Ω·m等值線為基準(zhǔn)，左(西)降右(東)升，相對(duì)位移約16 m。斷層?xùn)|傾，那么東為上盤西為下盤，且又下盤下降，上盤上升可見其為逆斷層，視傾角約76°，落差約16 m。橫向130 m，190 m，240 m處不同程度出現(xiàn)次級(jí)低阻帶，推測(cè)由于斷層應(yīng)力作用產(chǎn)生巖溶裂隙帶，結(jié)合一維反演結(jié)果推測(cè)兩盤基巖埋深均在3 m左右?？梢娗笆龅湫湍Ｐ驮谀鏀鄬忧闆r下也比較常見，具有一定的普遍性。

5 結(jié)語

這樣的實(shí)例很多，對(duì)于高密度電法尋找淺埋斷層，不管正、逆斷層前文所述的地電模型都有一定的普遍性，屬于比較標(biāo)準(zhǔn)的斷層剖面，代表了比較標(biāo)準(zhǔn)地質(zhì)斷面，在工程勘察、地基勘察等領(lǐng)域比較常見。簡(jiǎn)而言之這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地電模型特征為：1)表層電性層相對(duì)均勻。2)下部存在一個(gè)典型的縱向條帶低阻帶，有時(shí)它還具有一定傾向、傾角。3)低阻帶兩側(cè)一側(cè)整體相對(duì)高阻，一般對(duì)應(yīng)上升盤；一側(cè)整體相對(duì)低阻，一般對(duì)應(yīng)下降盤。4)低阻帶兩側(cè)常常還伴有一系列的次級(jí)低阻帶。遇到此類情況實(shí)踐中可以像本文示例那樣，演化典型模型，代入應(yīng)用，并根據(jù)實(shí)際情況增加或減少模型的電性層，更好解譯資料，判斷斷層。

地質(zhì)現(xiàn)象是復(fù)雜的，本文不過指出一種最常見的斷裂帶物探模型。在實(shí)踐中因地質(zhì)模型不同斷裂帶標(biāo)準(zhǔn)模型還有多種，需要結(jié)合地質(zhì)模型具體分析，推衍，進(jìn)行正反演計(jì)算。

[1] 水文地質(zhì)工程地質(zhì)物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社,1981.

[2] 陳仲候.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2010.

Typical geo-electric section of high-density electrical technique in seeking for shallow fault

Dong Rujun

(Shanxi1stHydrologicalEngineeringGeologyDepartment,Taiyuan030024,China)

The paper introduces high-density electrical technique principles and working methods and data processing, establishes shallow fault geo-electric model, and surveys shallow fault by combining with the application examples of high-density electrical technique in Lingqiu and Wutai, which has provided some guidance for similar engineering in future.

high-density electrical technique, shallow fault, geo-electric model, contour line

1009-6825(2017)17-0074-03

2017-03-14

董如俊(1976- )，男，助理工程師

P642

A