高密度電法在北京宋莊地裂縫中的應(yīng)用

田苗壯，王 榮，趙 龍，羅 勇,2，王新惠，孔祥如，齊鳴歡，沙 特

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.中科院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

高密度電法在北京宋莊地裂縫中的應(yīng)用

田苗壯1，王 榮1，趙 龍1，羅 勇1,2，王新惠1，孔祥如1，齊鳴歡1，沙 特1

（1.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195；2.中科院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

宋莊地裂縫是北京地區(qū)最新發(fā)現(xiàn)的一條破壞性較大的地裂縫，對北京城市副中心地區(qū)人民生活和生產(chǎn)造成很大威脅。本文依據(jù)前人在研究區(qū)已有資料，結(jié)合本次研究區(qū)開展的高密度電法和槽探工作，對宋莊地裂縫開展淺層探測研究，確定地裂縫深度、位置及破裂模式。結(jié)果顯示：地裂縫深度約0m-30m之間，高密度電法反演裂縫傾向與調(diào)查地裂縫沿線房屋墻體開裂錯動現(xiàn)象吻合，槽探驗證地裂縫以拉張破裂模式，未發(fā)生地表錯動現(xiàn)象。此次研究工作為北京城市副中心建設(shè)提供地質(zhì)技術(shù)支持。

地裂縫；高密度電法；槽探

北京歷史上曾發(fā)生過較多嚴(yán)重的地裂縫。1976年唐山大地震后，平原區(qū)地裂縫大量出現(xiàn)：昌平南新村、通州西集鄉(xiāng)、順義俸伯鎮(zhèn)以及房山小次洛村等都出現(xiàn)地裂縫[1]。平原區(qū)地裂縫主要發(fā)生在順義地區(qū)及附近，典型的地裂縫主要有高麗營地裂縫、順義地裂縫、北小營地裂縫、孫河地裂縫等。伴隨著城市人口的不斷增長以及城市化建設(shè)，超量開采地下水導(dǎo)致地裂縫快速發(fā)展，給人類經(jīng)濟和生活造成不必要的損失。

2016年4月，開展野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)通州區(qū)雙埠頭村發(fā)現(xiàn)地裂縫（宋莊地裂縫）造成大量房屋破壞。為確保通州城市副中心地區(qū)地質(zhì)安全，對宋莊地裂縫開展調(diào)查與研究，研究區(qū)開展多條高密度電阻率勘探、并利用槽探等工作手段分析對比，對物探工作進行驗證。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興迭隆與北京迭斷凹起交界處，北京沖積平原中下部。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育南苑-通縣斷裂，南口-孫河斷裂及張家灣斷裂。

南苑-通縣斷裂總體呈北東向展布，南起涿州縣城，經(jīng)刁窩、陳家房、南苑、通州，繼續(xù)往東北方向延伸，全長約130km。斷裂總體走向為北東35～50,傾向北西，傾角為50～75。南苑-通縣斷裂北側(cè)為北京凹陷，第四系厚度約為700m，南側(cè)為大興隆起，第四系厚度約為300m。

20世紀(jì)80年代地震會戰(zhàn)中，在南苑–通縣斷裂北段布設(shè)了7條地震測線，其中“原石油部646廠317測線”(圖1)（通州和順義之間）比較好的反映了該斷裂深部特征。斷層面傾向北西，錯段了早、中更新統(tǒng)的地層，說明南苑-通縣斷裂北段在早、中更新世有一定的活動性，且在該地區(qū)斷裂兩側(cè)的第四系厚度有明顯差異，證明其為穿透第四系底部的活動性斷裂[2]。

圖1 原石油部646廠317測線Fig.1 The 317 survey line of the factory 646, the original petroleum department

2 地裂縫概況

宋莊地裂縫以潞苑北大街為起點，沿線經(jīng)過雙埠頭村、溝渠村、大龐村以及平家疃村，地裂縫長約9km，走向NE-SW。調(diào)查發(fā)現(xiàn)雙埠頭村和大龐村建構(gòu)筑物的破壞也最為嚴(yán)重。多處出現(xiàn)貫穿整面墻體的裂縫，少部分墻體出現(xiàn)扭動、錯斷現(xiàn)象；路面受裂縫活動影響，沿裂縫發(fā)育方向形成多條裂紋，部分嚴(yán)重地區(qū)路面產(chǎn)生垂直錯動。裂縫開裂寬度一般幾毫米至十幾毫米不等。南部樹林形成的地陷坑最大約300mm，地裂縫兩側(cè)地面垂直變形大小不一，大部分地段明顯差異，呈東南低，西北高（圖2）。根據(jù)資料與調(diào)查顯示，宋莊地裂縫位于南苑-通縣斷裂帶北段，地裂縫破壞帶與斷裂帶走向大致吻合。

圖2 地裂縫破壞圖Fig.2 The damage of the ground fssure

3 工作方法及測線布設(shè)

3.1 工作方法

高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法基本相同。通過地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異結(jié)果探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，研究在施加電場的作用下探明地下傳導(dǎo)電流的規(guī)律。現(xiàn)場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上進行觀測。電極之間可以自由組合，可以提供更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測量方式。野外工作時將電極布設(shè)完畢后，電極即可作為供電電極也可作為測量電極。

圖3為高密度電阻率系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括數(shù)據(jù)接收和資料處理兩部分，通過控制電極轉(zhuǎn)換開關(guān)便可實現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)快速自動采集，計算機應(yīng)用軟件處理系統(tǒng)對原始數(shù)據(jù)進行計算、分析、處理，對比地質(zhì)資料最終解譯最終成圖。目前的高密度電阻率法實際上是多個排列的常規(guī)電阻率法與資料自動處理相結(jié)合的一種綜合方法[3]。數(shù)據(jù)采集過程中針對性的采取以下措施：測量前，每陣列電極均進行接地電阻檢查，要求電阻控制在2kΩ以內(nèi)，接地電阻過大應(yīng)采用澆水。打孔及復(fù)合電極處理方法；測量中，電位差一般不小于5mV，電流一般大于5mA，測量過程中采用電極滾動數(shù)據(jù)的覆蓋式測量方法，每滾動一次將有50%的數(shù)據(jù)進行復(fù)測。

3.2 測線布設(shè)

此次探測工作針對宋莊地裂縫布設(shè)兩條高密度電法勘探測線，即雙埠頭村測線AA和BB。測線總長度1.19km，電極距設(shè)置為5m，范圍角為北偏東140。

雙埠頭村測線AA布設(shè)在村南林地以北附近，沿線發(fā)育地表串珠狀土洞NE-SW向，測線NW-SE向，長約600m，測線位置見圖4，該條測線起始與農(nóng)田小路，末端穿過林地，總體上道路平坦，起伏較小。

雙埠頭村測線BB布設(shè)在村林地以南附近，沿線發(fā)育較長地表土體開裂現(xiàn)象NE-SW向，測線NW-SE向，長約600m，測線位置見圖4，該條測線與AA測線地形相同，未存在起伏較大現(xiàn)象。

圖3 高密度電阻率工作結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The structural diagram of the high-density electrical resistivity method

圖4 高密度電法側(cè)測線布設(shè)Fig.4 The arrangement diagram of the high-density electrical method survey line

4 成果與分析

高密度電法探測技術(shù)是探測地裂縫的一中有效的方法，解譯結(jié)果直觀，實用方法簡單。通過專業(yè)軟件Earth Imager 2D進行反演，獲得電阻率剖面同時，結(jié)果采用代表性鉆孔進行驗證。根據(jù)反演圖中現(xiàn)實的電性分布特征，判斷地質(zhì)體的電阻率范圍，圈定電性異常點，充分利用已知的地質(zhì)資料以及電極裝置分析電極異常的原因，判斷出地裂縫具體深度和兩側(cè)差異性。結(jié)合槽探驗證地裂縫位置，分析宋莊地裂縫活動性。

4.1 高密度電法成果解譯分析

測線AA布設(shè)雙埠頭村林地北，數(shù)據(jù)處理未發(fā)現(xiàn)異常點，不需校正。高密度電法成果（圖5）顯示測線AA的高密度電阻率反演剖面圖，探測結(jié)果顯示第四系厚度在99m之內(nèi)的視電阻率為0～2000Ω.m.大致分為三層，0～13m巖性為粉砂、砂質(zhì)黏土，視電阻率較高；13～30m巖性為中砂、粉質(zhì)黏土，視電阻率較低；30～99m巖性為細沙、粉質(zhì)黏土，視電阻率中等。

宋莊地裂縫位于樁號310～320處之間，30m以淺兩側(cè)電阻率存在明顯差異，地裂縫西側(cè)以下5～10m處，視電阻率在50～90Ω.m之間，而地裂縫東側(cè)電阻率在600～2000Ω.m之間，地表35m以下地裂縫兩側(cè)視電阻率趨于穩(wěn)定在50～90Ω.m之間，無明顯電阻率變化特征。綜合對比分析樁號315兩側(cè)剖面的電性差異推斷裂縫傾向東與調(diào)查地裂縫沿線房屋墻體開裂錯動現(xiàn)象吻合，確定裂縫深度0m～30m之間，地裂縫垂向發(fā)育。

測線BB布設(shè)在村南樹林中，高密度電法成果（圖6）顯示測線BB的高密度電阻率反演剖面圖，探測結(jié)果顯示整條測線剖面電性結(jié)構(gòu)起伏明顯。樁號0～170段視電阻率較低，在50～90Ω.m之間。樁號170～375段電阻率明顯上升趨勢，視電阻率達到1000Ω.m。樁號380～595段視電阻率在50～90Ω.m之間，視電阻率處于低值。樁號375～380處兩側(cè)電阻率差異明顯，探測地表開裂現(xiàn)象，地裂縫西側(cè)樁號170～375區(qū)間段視電阻率較高，東側(cè)樁號380段視電阻率30m以淺電阻率較高，30m以深電阻率較低。綜合對比分析樁號375兩側(cè)剖面的電性差異推斷裂縫傾向東，確定裂縫深度0～30m之間。與測線AA’剖面探測結(jié)果吻合。

圖5 雙埠頭測線AA高密度電法剖面Fig.5 The high-density electrical method profle of the survey line AA’in Shuangfutou

圖6 雙埠頭測線BB高密度電法剖面Fig.6 The high-density electrical method profle of the survey line BB’in Shuangfutou

4.2 人工探槽

人工探槽位于高密度電法測線AA 310-320段。在林地中開挖探槽（圖7），探槽長約30m，寬約1.5m，深2.45m，走向NW327。該剖面垂直于地表陷坑，可揭示地裂縫垂向特征。主裂縫近似垂向展布，兩側(cè)衍生出數(shù)條垂向發(fā)育的小裂隙，部分裂隙延伸至探槽底部。主裂縫受拉張作用明顯，開裂處受降雨淋溶作用，原有的沉積物淋失，被時代較新的混雜堆積土充填。裂隙寬度由地表1.14m向下逐漸變窄，探槽底部裂縫寬1cm。

人工探槽驗證地裂縫位于測線AA310-320段，地裂縫以垂向發(fā)育，拉漲破裂模式為主，地裂縫兩側(cè)整體未發(fā)生錯動。高密度電法剖面反演分析表明地裂縫主要發(fā)育地表30m以淺，傾向與調(diào)查地裂縫沿線房屋墻體開裂錯動現(xiàn)象一致。

通過兩條高密度電法剖面的反演分析表明，宋莊地裂縫以淺層地表發(fā)育，南苑-通縣斷裂北段斷點未延伸至地表，并通過探槽進行驗證。

圖7 人工探槽剖面實測圖Fig.7 The measured drawing of the artifcial trenching profle

5 結(jié)論

（1）高密度電法在宋莊地裂縫探測裂縫兩側(cè)視電阻率較為清晰，準(zhǔn)確的判斷分析出地裂縫所在位置以及深度、傾向等特征。裂縫深度約0m～30m之間，北東向傾斜與南苑-通縣斷裂傾向、走向一致，100m以淺探測深度具有良好效果。

（2）南苑–通縣斷裂是地裂縫形成的背景條件，地裂縫沿斷裂破碎帶發(fā)育,槽探揭示宋莊地裂縫以拉張形破裂模式為主，垂向發(fā)育，未發(fā)生土體錯動。

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High-density electrical method application in the Beijing Songzhuang ground fssure

TIAN Miao-Zhuang1, WANG Rong1, ZHAO Long1, LUO Yong1,2, WANG Xin-Hui1, KONG Xiang-Ru1, QI Ming-Huan1, SHA Te1
(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

The latest discovered ground fssure in Songzhuang is very destructive, presenting a great threat to the people and critical infrastructure of the sub-center of Beijing.Based on work from previous studies, this thesis presents research into the shallow exploration of the ground fssure, confrming the depth, location, and burst mode of the ground fssure, by combining with the research methods of high-density resistivity analysis and trenching.The depth of ground fssures is determined to vary from 0 to 30 m, and the tendency of the high-density electrical method parameter inversion of the fracture is consistent with the phenomenon of wall cracks on buildings.In tensile crack mode, the ground fissure is verified by trenching, as there is no occurrence of surface dislocation.This study provides technical support for the construction of the sub-center in Beijing.

ground fssure; high-density electrical method; trenching

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0090-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.020

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

田苗壯(1991-),男,學(xué)士,助理工程師,主要從事地面沉降監(jiān)測與防治研究.

電子郵箱: tianmiaozhuang@126.com

聯(lián)系電話: 010-51560375

北京市科技計劃課題(Z13110000561 3022);北京市自然科學(xué)基金項目(8162043);北京市地面沉降監(jiān)測系統(tǒng)年運行費項目(PXM2015-158305-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗衛(wèi)星的地面沉降監(jiān)測(121211220184);通州城市副中心地區(qū)重大地質(zhì)問題調(diào)查與評價項目地面沉降專題(PXM2016-158203-000008)