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工程地質隊，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工程地質隊，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，結合高密度電法在靈丘、五臺的應用實例，對淺埋斷層進行了勘探，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80年代以來，電子計算機技術迅猛發展，同時由于國家大力發展城市建設，對工程勘察提出了更高、更精的要求。為適應這一要求，地球物理界不僅發展了許多新技術、新方法；同時將許多傳統地球物理勘探方法與電子計算機技術結合讓老方法煥發出新的生命力。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，是傳統直流電法與程控計算機技術結合的結果。其在工程勘察、水文地質、地質災害勘察等過程中對于尋找淺部地下斷層破碎帶具有明顯優勢。

1 高密度電法原理及工作方法

高密度電阻率法測試也稱電阻率C—T法，該方法是利用常規電阻率法與數學排列組合、計算機程控、成像等高新技術結合進行高分辨率、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上的。高密度電阻率法的基本原理與常規電阻率法完全相同，是以地下介質導電性差異為基礎的電探方法，研究在人工電場作用下地下半(全)空間地質體傳導電流的分布規律。只不過是在普通電法基礎上引入了自動化概念，即以某種數學邏輯，比如等差數列或其他數列陣列等排列組合法設計數列組，而后設計電極轉換模式，通過計算機邏輯控制實現。特點是：數據豐富，具有較高的橫、縱向分辨率，電極一次布設，減少電極布設干擾與故障，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據的自動采集存儲后，通過RS232,USB,藍牙等方式傳輸入電腦，進行下一步處理。首先由計算機中的數據處理系統對原始采集數據進行預處理，突變點剔除，平滑，而后進行地形校正，再進行正反演計算，最后由物探技術人員根據電腦的處理結果，結合地質條件與數據的對應關系，做出地質解釋。

3 淺埋斷層地質模型及地電模型

任何一種學術應用必定有明確的目標，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，于是有線索的人對照圖形，提供線索，罪犯無所遁形。這樣比較明確，不容易搞錯。同樣地球物理勘探中，如果建立一些比較明確的地質模型，而后進行推論、模擬或采用正演計算得出比較標準的地電斷面，這樣按圖索驥，較易上手。在應用當中，套用這些模型，好比套用數學公式，在此基礎上再進行正反演計算并根據不同的實際情況修正地質模型推出各種地電斷面，從而實現事半功倍。其實，早在二十世紀七八十年代，我國物化探工作者進行了大量的模型試驗，繪制出了很多地質、地電斷面模型，各大院校教科書上有很多電測深、電剖面地電模型。但以前的傳統方法數據量較少，使得模擬出的模型相對不夠精細，不能反映微觀變化。而高密度電法同時具有測深和剖面法的特點，更能反映精細地電斷面，因此有必要明確其在斷層破碎帶附近出現的電性特征，根據典型地質斷面模型建立常見的地電模型。斷層兩盤及破碎帶地質模型有以下特點。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，上升盤一側一般為較老較堅硬地層，下降盤一般為相對較新較軟地層；破碎帶為更軟地層；其上，地表往往沉積相對均勻的覆蓋層，這樣就會形成如下電性斷面：表層覆蓋層電阻率相對比較均勻；其下上升盤一側整體為較老較致密地層，表現為相對高阻；反之下降盤一側表現為整體相對低阻；中間破碎帶為更低電阻率，兩盤深部同一標準電性層相對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；同時在斷裂帶兩側往往受斷裂帶力學影響，出現一系列伴生的巖溶發育帶或裂隙帶，表現為次級低阻帶。典型地質及電性剖面如圖1所示：圖中巖性僅為相對示意方便，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，那么實踐過程當中這種模型體是否常見，在筆者多年工作實踐當中遇到這種模型體比較多，現舉例說明。

4 高密度電法勘探淺層斷層實例

4.1 高密度電法在靈丘某地應用

4.1.1 工區概況

工區位于靈丘縣西北部，從區域地質圖上看工區附近可能存在一條斷裂帶，地質推斷上升盤為奧陶系中統(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

現場情況相對平坦，目標體埋深不大，利于高密度電法開展工作。此次工作使用重慶地質儀器廠DUK-1高密度電法系統，采用施倫貝爾裝置剖面法進行工作。該裝置采用等差數列數據組合設計供電邏輯，成倒梯形剖面圖。在本區共做兩條剖面，分別為1,2剖面，點距5 m，電極56路，最小隔離系數1，最大隔離系數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，較為連續均一，雖稍有起伏但基本變化不大，推測第四系覆蓋層相對連續均勻。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°，推測其為斷層破碎帶。破碎帶以北電性與以南有明顯差別，北側呈現低—高—低—高四層電性結構，推測對應地層為第四系松散層—奧陶系灰巖—奧陶系巖溶發育—奧陶系較完整灰巖；南側呈現低—較高—更高三層電性結構，推測對應地層第四系松散層—石炭系—奧陶系灰巖。那么斷層落差如何判斷，我們以同一電性層130 Ω·m為基準，北側視深度13 m左右，南側視深度67 m左右，同一電性層北升南降相對縱向位移約54 m。至此斷層基本情況比較清楚，推測斷層破碎帶向南傾斜，視傾角約72°～75°；由于斷層南傾，且南側上盤下降，北側下盤上升，所以推測斷層為正斷層；同一電性層位移約54 m，推測斷層落差在54 m左右。北側第三電性層次級低阻帶可能為泥灰巖或斷層影響下的巖溶發育帶，同樣南側橫向192 m附近次級條帶低阻帶推測為斷裂影響下裂隙發育所致，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，同理可以推測表層第四系沉積物較為連續均一。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°，推測為斷層破碎帶。傾向明確了，上下盤就確定了，北側為下盤，南側為上盤。南側電阻率較低，推測初見基巖為石炭系地層；靠北側整體電阻率較高，推測初見基巖推測為奧陶系地層。本剖面背景值比前述剖面高，我們取同一電性層以160 Ω·m為基準，北側視深度10 m左右，南側視深度60 m左右，同一電性層北升南降相對縱向位移約50 m，意味斷層落差在50 m左右(取基準值應盡量接近下降盤下方，相對準確)。既然斷層南傾又北升南降，于是上盤下降，下盤上升推測其為正斷層。左側低阻帶橫向80 m～100 m縱向視深度40 m～60 m推測為斷層影響下的巖溶發育帶或泥灰巖；同樣右側橫向150 m～160 m,180 m～200 m附近次級低阻帶推測為受斷層力學影響形成的裂隙帶，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，可以把原始數據轉換出來，再用EXCEL數據篩選或SUFER等軟件截取出來，采用一維反演軟件進行處理，本例兩條剖面經反演處理，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，埋深差別推測由于后期剝蝕造成，此斷層在本工區通過位置及其參數基本確定。以上地電斷面和圖1中的模型相似度較高，本工區采用原始數據預處理成圖，未進行二維反演。這是因為目前技術情況下，有時候二維反演較接近真實情況，有時候收斂后反演模型與真實情況相差較大。在用高密度電法尋找斷層帶過程中往往預處理成圖更接近實際情況，工作中反演成圖要與預處理、原始數據結合來看，并適當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果。工作成果示意圖見圖4。

4.2 高密度電法在五臺某地應用

上例為正斷層情況，比較符合預想模型。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，下為奧陶系中統灰巖地層。此次采用施倫貝爾裝置剖面法，最小隔離系數1，最大10，點距5 m，60路電極。與前述兩剖面類似，表層電阻率較低相對連續均勻，中深部在剖面橫向70 m～95 m附近，存在一個小于450 Ω·m的向東傾斜的低阻帶。左側電阻率較低，右側相對較高；以500 Ω·m等值線為基準，左(西)降右(東)升，相對位移約16 m。斷層東傾，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處不同程度出現次級低阻帶，推測由于斷層應力作用產生巖溶裂隙帶，結合一維反演結果推測兩盤基巖埋深均在3 m左右。可見前述典型模型在逆斷層情況下也比較常見，具有一定的普遍性。

5 結語

這樣的實例很多，對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，屬于比較標準的斷層剖面，代表了比較標準地質斷面，在工程勘察、地基勘察等領域比較常見。簡而言之這個標準地電模型特征為：1)表層電性層相對均勻。2)下部存在一個典型的縱向條帶低阻帶，有時它還具有一定傾向、傾角。3)低阻帶兩側一側整體相對高阻，一般對應上升盤；一側整體相對低阻，一般對應下降盤。4)低阻帶兩側常常還伴有一系列的次級低阻帶。遇到此類情況實踐中可以像本文示例那樣，演化典型模型，代入應用，并根據實際情況增加或減少模型的電性層，更好解譯資料，判斷斷層。

地質現象是復雜的，本文不過指出一種最常見的斷裂帶物探模型。在實踐中因地質模型不同斷裂帶標準模型還有多種，需要結合地質模型具體分析，推衍，進行正反演計算。

[1] 水文地質工程地質物探教程[M].北京：地質出版社,1981.

[2] 陳仲候.工程與環境物探教程[M].北京：中國地質大學出版社,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

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