三維高密度電法在隱伏斷層探測中的應用

2019-11-23 06:16:00李朝輝時向陽任云峰張連忠

人民黃河 2019年11期

朱瑞，李朝輝，時向陽，任云峰，吳松，張連忠

（河南省水利勘測設計研究有限公司，河南鄭州450016）

水庫大壩常常修筑在地勢險峻的山嶺之中，地質條件復雜多變，隱伏斷層等地質構造常隱藏在覆蓋層之下，故通過常規的地質調查、鉆探等技術手段很難發現，是工程勘察中的難點。隨著物探技術的快速發展，高精度地球物理勘探技術已成為探測隱伏斷層的重要手段，而高密度電法因儀器設備輕便、效率高等特點而被廣泛應用于水、工、環等地質工程勘察中［1-2］。

目前，二維高密度電法應用居多，然而實際地質體是三維的，顯然二維高密度電法無法直觀反映地下結構，因此引入三維高密度探測技術可有效避免二維解釋的弊端，更加直觀地反映三維地質結構，擁有二維電法勘探無法比擬的優點［3］。近年來，國內外學者對三維高密度電法探測技術及電法數據三維可視化做了大量研究。祁民等利用相關軟件實現了二維高密度電法數據的三維反演，并利用成圖軟件實現了反演結果的三維可視化，直觀再現地下結構，具有一定的應用價值［4-7］。而高衛富等直接采用三維布極方式對數據進行三維反演，效果良好，說明三維高密度電法技術具有廣泛的推廣應用價值［8-11］。黃真萍等對多種地質模型進行正反演研究，通過對比得到最優化的正反演模擬參數，合適的參數能有效提高反演分辨率和精度，從而得到更加精確的工程地質結構信息［12］。徐佳等運用Voxler三維成圖軟件對三維高密度電法反演數據進行三維可視化處理，通過切片和等值面旋轉顯示可直觀反映三維地質結構［13］。

本文以豫北某擬建水庫為例，在壩址區開展三維高密度電法勘探，并輔以二維高密度電法、鉆探、鉆孔電視等技術手段，綜合分析二維、三維高密度電法探測結果和鉆孔資料，查明了壩址區隱伏斷層的位置、產狀及空間發育特征。

1 三維高密度電法

1.1 三維高密度電法基本原理

高密度電法基于目標地質體與周圍巖土體之間的電性差異，通過觀測在被動源電場作用下地質體的電性響應特征來研究地下結構。常規二維高密度電法勘探是在指定測線上進行縱橫向觀測，獲取測線下方地質體二維電性結構，通常沒有垂直測線方向的寬度概念。而三維高密度電法與二維不同，大量電極一次性鋪設在工區指定平面范圍內（見圖1），通過多個電極組合觀測，采集海量視電阻率數據，從而獲取研究區范圍內地下全空間任意方向豐富的地電信息。

圖1 三維高密度電法測線布置示意

天然狀態下，地質結構復雜多變，呈現典型的三維各向異性特征，是三維空間地電體。尤其是淺層地質體，受人類后期活動影響大，各項異性明顯，具有典型的三維結構。因此，電阻率可以表示為關于空間坐標（x，y，z）的函數，即 ρ＝（x，y，z）。在理想狀態下，假設無限半空間的地下電阻率呈現各向同性分布，在地表觀測的電位U可表示為［14］

在三維空間直角坐標系中，假設 A（xA，yA，zA）點的點電流源電流強度為 +I，則

式中：δ為狄拉克函數。

在三維空間地電條件下，電導率σ和電位U都可表示為關于空間坐標（x，y，z）的函數：

整理可得

此外，對于地面的一個點電流源場，其邊界條件如下：①在地面邊界L1上，電流沿地表流過，因此其電位U＝0；②在其他邊界L2上，電位U為正常場值。

1.2 數據處理原理

正演和反演是三維高密度電法數據處理的核心。正演是在已知模型參數的前提下，模擬觀測模型在外加作用下的響應特征，是從模型空間到數據空間的映象，具有唯一解，正演也叫正問題、正模擬［15］。三維高密度電法正演采用有限差分法，其核心思想是將連續模型剖分成離散的小單元體，每個單元體有4個節點，每個節點上的電位值可表示為電位函數U（x，y，z）。正演計算時，地電場中的實際電位U包含背景場電位U0和異常體所引起的異常電位Ua，即

數據反演采用基于平滑約束的最小二乘法［16-17］，該方法的優點是根據不同類型的數據來調節阻尼系數和平滑濾波器，得到理想的反演結果。基于平滑約束的最小二乘法公式為

式中：J為雅可比偏微分矩陣；λ為阻尼系數；d為模型參數擾動矢量；g為實測電阻率與計算值之間的對數差異矢量；F為平滑濾波因子；fx、 fy、fz為x、y、z方向平滑濾波系數矩陣。

反演過程首先計算每個被剖分單元格的電阻率，然后與實測的電阻率進行比較并優化迭代，優化迭代算法的核心是：通過自動調整模型的電阻率來減小電阻率的計算值與測量值之間的均方根誤差，直到相鄰兩次均方根誤差變化小于允許值時停止迭代，即得到真實反映地下地電結構的反演結果。

2 應用實例

2.1 研究區概況

研究區在大地構造上位于華北地臺的東部邊緣。區內構造體系以“山”字形構造輪廓為主，伴隨北西向構造帶和緯向構造帶。工區地處豫北“山”字形構造弧頂內側，太行山臺拱南緣。區內巖層總體走向近東西向或北東向，多為平緩的單斜構造。區內構造發育主要由一套近東西向高傾角正斷層組成，局部伴生小型褶皺。主斷裂上下盤往往發育多條次級小斷層。區內出露地層由老到新依次為太古界變質巖、元古界震旦系沉積巖、古生界沉積巖、新生界第四系松散堆積物等。

2.2 壩址區地層巖性

壩址地處豫北太行山區，勘探深度范圍內揭露地層主要為中元古奧陶系中統馬家溝組和峰峰組，地層主要為灰巖、灰質白云巖、白云質灰巖和泥灰巖、石炭系本溪組黏土巖、第四紀覆蓋層。灰巖呈深灰色、灰色，隱晶質結構，厚層狀構造，局部有溶蝕現象；灰質白云巖呈深灰色，隱晶質結構或角礫結構，中厚層構造；白云質灰巖呈黃灰色、淺灰色，隱晶質結構，中厚層構造，受卸荷與風化作用，溶蝕現象較發育，一般呈上寬下窄型的溶隙，充填泥土及礫屑；泥灰巖呈黃灰色、灰色，隱晶結構，中厚層構造；黏土巖成分以褐灰、紫灰色菱鐵質水云母為主，該層底部為鐵礦或鋁土礦，分布于兩岸山頂，與奧陶系地層呈平行不整合接觸；第四紀地層以黃褐色黃土狀重粉質壤土、碎石土、粉質黏土、卵石為主，主要分布在兩岸階地、漫灘及河床。研究區屬于硬質巖地區，地層電阻存在明顯差異，尤其是基巖與覆蓋層之間，可視為理想的電性分界面，為三維高密度電法工作的開展提供了前提條件。

2.3 探測方案

根據現場地質條件及地質測繪資料，重點在壩址區開展三維高密度電法作業，探測區為100 m×20 m的矩形區域，面積2 000 m2。采用重慶地質儀器廠的DZD-8型分布式超級高密度電法儀，共布設電極100個，順河向為x方向，垂直河道方向為y方向，電極距和線距均為5 m，測線呈S形布置（見圖2），測線總長500 m。由于電極數量有限，因此為獲得海量數據，真實刻畫地質結構，采用二極全測裝置進行數據采集，并同時將電極B、N置于無窮遠處［18］。為驗證三維高密度電法探測結果，在壩址區河道內側及左右岸布設3條二維高密度電法測線，采用溫納裝置進行數據采集，根據高密度電法電極距與分辨率的關系及斷層規模，所有測線電極距均設為5 m，并遵循自左岸到右岸、自上游到下游的原則盡可能沿直線布設。

圖2 高密度電法測線及推測斷層位置

2.4 數據處理與解譯

在壩軸線下游布設三維高密度電法測線，采用二級全測裝置一次性采集完成，利用Res3Dinv軟件對數據進行反演處理，將反演結果導入Voxler軟件進行三維成圖（見圖3），并沿不同方向切片（見圖4），展示等值面、形體渲染（見圖5）等。

圖3 三維高密度電法反演結果

圖4 三維切片

圖5 三維基巖等值面

從圖3可以看出，反演結果電阻率整體平穩連續，符合研究區地層特征。整體上分為2層，10 m以淺地層電阻率多在200Ω?m以下，推測為河道覆蓋層，這與鉆孔LZK5揭露地層一致。覆蓋層自上游至下游、自左岸至右岸均逐漸變厚，厚度為5～10 m，經過現場踏勘，右岸黃土出露且分布不均；10～30 m厚地層電阻率大于500Ω?m，推測為基巖。在y方向48～80 m處，基巖面突然斷開，同時出現直立漏斗狀低阻異常區，異常區電阻率與圍巖差異較大，推測為隱伏斷層。圖4三維切片顯示，斷層上下貫通，深部發育，橫切河床，具有一定規模。圖5直觀反映了基巖面的起伏形態，同時揭露了斷層的空間發育情況，圖中顯示斷層傾角近直立，視傾角可達65°，傾向SE，局部存在孤立假異常點，可能是反演不收斂造成的。在異常區布設鉆孔ZK3，在20 m深處發現斷層，并伴隨溶蝕現象，鉆孔電視（見圖6）顯示孔壁較破碎，21.7 m深處發現溶洞，這與高密度電法探測結果一致，由于鉆孔深度有限，因此溶洞規模并未查明。勘察期間正值盛夏，孔口冒風，推測鉆孔揭露溶洞延伸較遠與山體溶洞連通，溶洞規模較大。