高密度電法在水庫壩基隱伏斷層探測中的應(yīng)用

林峻

摘 要：利用高密度電法進(jìn)行隱伏斷層和基巖面埋深的探測具有簡單快捷的特點，可查明隱伏斷層大概的走向、規(guī)模和基巖面的埋深情況。在某水庫壩基中采用高密度電法溫納裝置和MNB裝置兩種方式對隱伏斷裂帶進(jìn)行聯(lián)合探查，兩種結(jié)果相互驗證，減少多解性，為后續(xù)的工作提供科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高密度電法；水庫；溫納裝置；MNB裝置；隱伏斷裂帶

中圖分類號：P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0057-03

Application of High Density Resistivity Method to Detecting

Concealed Fault in Reservoir Dam Foundation

LIN Jun

（Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： The character of using multi-electrode resistivity method to detect hidden faults and bedrock surfaces embedment depth is simple and quick. It can identify the possible trend and scale of hidden faults and the embedment depth of bedrock. In a reservoir dam foundation， taking high multi-electrode resistivity method by Wenner device and MNB device exploration make a joint detection of hidden faults， and the two kinds of results can be mutually authenticated and reducing ambiguity. The effect was obvious and provides a scientific basis for the follow-up work.

Keywords： multi-electrode resistivity method；reservoir； wenner device；MNB device； hidden fault zone

1 研究背景

高密度電法因為有許多優(yōu)點而成為探查隱患的主要方法之一。高密度電法屬電阻率范疇，是以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律。與常規(guī)電法相比，高密度電法設(shè)置了較高的測點密度，所提供的是二維信息，一定數(shù)量的二維剖面還可以組成一個擬三維圖象，其是電剖面和電測深法的結(jié)合。高密度電法觀測精度高，數(shù)據(jù)采集可靠，對地電結(jié)構(gòu)有一定成像功能，可獲得豐富的地質(zhì)信息[1]。各種隱患在探測成果圖上有明顯、直觀的反映，形象地反映出巖土體地電斷面的電性分布和結(jié)構(gòu)特征。

高密度電法具有測點密度高、信息量大的優(yōu)勢，在尋找地下水，查明采空區(qū)，探測隱伏構(gòu)造和劃分地層諸方面得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合水庫壩址區(qū)隱伏構(gòu)造探測工程實例，介紹該方法在隱伏斷層勘查中的應(yīng)用效果。隱伏斷層是指在地表無明顯或者出露不明顯而潛伏在地表以下的斷層[2]。了解隱伏斷層在水庫壩址區(qū)的分布情況，對后期水庫壩基滲流問題的處理具有重要意義。

以位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游的水庫為例。該水庫地屬河南省，水庫控制流域面積為1 325km2，總庫容約5.33億m3，水庫工程等別為Ⅱ等。區(qū)域地質(zhì)資料上顯示壩址區(qū)存在隱伏斷層，斷層的出露位置、產(chǎn)狀特性和規(guī)模大小對擬建大壩的選型及處理方案具有關(guān)鍵的控制作用。本次高密度電法工作的主要目的是通過探測獲得可靠的地電數(shù)據(jù)，進(jìn)而查明隱伏斷層的走向和規(guī)模，為后期工作提供科學(xué)的依據(jù)。

2 調(diào)查區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

2.1 地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)處于豫西山地，其為秦嶺東延余脈，由崤山、熊耳山、外方山和伏牛山等幾條山脈構(gòu)成，山勢西高東低，呈扇形向東展開，海拔一般為500～2 000m，最高峰約2 500m。在山地前緣邊坡的丘陵地帶，挺立著雄偉峻拔的中岳嵩山，海拔1 440m。區(qū)域內(nèi)主要河流有洛河、伊河和北汝河。受地質(zhì)構(gòu)造的影響，河流走向呈北東向，在洛河、伊河和北汝河下游有一些小型的山間盆地。區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，具有切割深、延伸長的特點。

庫壩區(qū)主要為元古界熊耳群火山巖系和侵入巖，局部分布第三系礫巖、輝石橄欖玄武巖；第四系分布于河谷底部和階地上（壩址區(qū)地層巖性）。

2.2 物性特征

根據(jù)該地區(qū)以往物性測試結(jié)果，通過整理、分析資料，統(tǒng)計的地層物性參數(shù)見表1。由表1可知，重粉質(zhì)壤土、砂卵石，砂卵石與安山玢巖之間存在電性差異，具備高密度電法勘探條件。

3 高密度電法工作方法與數(shù)據(jù)處理

3.1 高密度電法的工作原理及測線的布設(shè)

高密度電法是一種陣列勘探方法，實質(zhì)屬于多道直流電法，其基本原理與常規(guī)電法相同，都是以不同巖石之間導(dǎo)電性能差異為基礎(chǔ)，通過接地電極在地下建立人工電場，以電測儀器觀測不同導(dǎo)電地質(zhì)體存在時地表電場的變化，但其電極布設(shè)是一次完成的，減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾[3]。采用的裝置是一種組合式剖面裝置，集電剖面法和電測深法的特點于一體的一種地學(xué)層析成像技術(shù)。實際上是多種排列的常規(guī)電阻率法與資料自動反演處理相結(jié)合的綜合方法，自動的多種電極排列方式的掃描測量，可以獲得地層橫向和縱向地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息。

高密度電法具有測點密度大、信息量大和工作效率高等特點[3]。在測量過程中，通過轉(zhuǎn)換裝置控制電極間的不同排列組合，能實現(xiàn)直流電法勘探中各種裝置形式的探測，如溫納、偶極、施倫貝爾、微分和溫施等，可以提供更多的地電斷面信息，有利于對比分析。

本次工作使用儀器的設(shè)備是重慶數(shù)控研究所產(chǎn)的WDJD-3型高密度電法測量系統(tǒng)（在標(biāo)定有效期內(nèi)），測量時單剖面電極數(shù)[m]=60，最大供電電壓400V，最小供電電流300mA，接地電阻檢查以小于1 000Ω為宜。在分析已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，為了更好地探測斷層的產(chǎn)狀和規(guī)模，共布設(shè)5條電剖面：沿壩軸線布設(shè)1條物探剖面（W1-1）；在壩軸線上游布設(shè)2條物探剖面（W3-3、W4-4）；在壩軸線下游布設(shè)2條物探剖面（W2-2、W5-5），具體工作布置見圖1。

3.2 高密度電法工作方法

通過對調(diào)查區(qū)以往地質(zhì)資料和地形地貌的綜合分析，本次工作采用溫納裝置和MNB裝置兩種方法進(jìn)行觀測，對比分析，能更好地進(jìn)行資料解釋。

3.2.1 高密度電法溫納裝置。電極總數(shù)[Psum]=60根，電極間距[Δx]=10m，隔離系數(shù)[n]=19。

實測時，首先把60根電極一次性布置完畢，進(jìn)行接地電阻檢查、儀器電池電壓及供電電源檢查，剖面參數(shù)設(shè)置、啟動測量。觀測數(shù)據(jù)自動記錄存儲，現(xiàn)場嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行人工監(jiān)視，確保觀測質(zhì)量。

溫納裝置測量及滾動線示意圖見圖2。

3.2.2 高密度電法采用MN-B裝置。電極總數(shù)[Psum]=60根，電極間距[Δx]=10m，隔離系數(shù)[n]=29，采用三極裝置MN-B（A∞）連續(xù)滾動掃描裝置。MN-B裝置測量及滾動線示意圖見圖3。

3.3 資料數(shù)據(jù)的處理方法

對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面檢查、復(fù)核，并將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二維高密度電法反演程序格式進(jìn)行存貯，正反演計算、成像采用瑞典的2DRES高密度電法反演程序處理軟件。具體流程如圖4所示。

4 綜合探測結(jié)果分析

從5條電剖面MNB和溫納兩種方法二維反演成果圖看（見圖5），淺部視電阻率[ρs]小于200Ω·m的等值線近似呈層狀分布，推測為覆蓋層。中深部視電阻率[ρs]為200～1 000Ω·m的等值線呈不均勻分布，推測為砂卵石。[ρs]大于1 000Ω·m的等值線呈高阻閉合圈、半閉合圈的反映，推測為安山玢巖。在W1-1剖面水平坐標(biāo)280～300m處、W2-2剖面水平坐標(biāo)270～300m處、W3-3剖面水平坐標(biāo)210～250m處、W4-4剖面水平坐標(biāo)235～260m處和W4-4剖面水平坐標(biāo)280～310m處，溫納反演成果圖和MNB反演成果圖中[ρs]等值線呈低阻下凹，低阻隆起，兩邊高阻中間低阻閉合圈、斷開的異常反映，推測此異常范圍可能為斷裂破碎帶的反映。

通過對5條電剖面兩種反演圖件進(jìn)行綜合對比分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，推測在W1-1線的290m、W2-2線的290m、W3-3線的240m、W4-4線的250m和W5-5線的300m位置異常反映較好，推測為隱伏斷裂破碎帶F1引起（見圖4）。

5 結(jié)論

①通過對高密度電法MNB裝置和溫納裝置反演二維地電斷面圖的綜合分析，結(jié)合地質(zhì)資料，能清晰地反映出隱伏斷層的位置及產(chǎn)狀特性；在覆蓋層與基巖面的分界線方面，MNB裝置的反映沒有溫納裝置的反映效果好，故在確定覆蓋層方面仍以溫納裝置為主，有條件的可輔助其他方法綜合解釋。

②通過對高密度電法成果數(shù)據(jù)與地質(zhì)資料進(jìn)行對比，誤差較小，說明利用高密度電法探測隱伏斷層是可行的。

③通過高密度電法溫納和MNB兩種裝置反演結(jié)果看，采用不同裝置進(jìn)行探測，能彌補一種裝置反映不足的問題，充分體現(xiàn)各自的優(yōu)點，具有更好的實用性和有效性。

④通過高密度電法探測成果與鉆孔資料的對比，能較好地對應(yīng)破碎帶位置，證明了用高密度電法探測隱伏斷層是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國興.電法勘探原理方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[2]鄧起東，徐錫偉，張先康，等.城市活動斷裂探測方法和技術(shù)[J].地學(xué)前緣，2003（1）：93-104.

[3]武漢地院金屬物探教研室.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1980.