高密度電法在斷裂構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

張建國(guó)，嚴(yán)江勇

（1.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

工程建設(shè)場(chǎng)地受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或人為地下施工擾動(dòng)等影響，地表及地下一定范圍內(nèi)容易出現(xiàn)巖土體開裂，會(huì)對(duì)地表及地下工程構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，查明斷裂的地下空間分布規(guī)律對(duì)工程建設(shè)極為重要。斷裂作為一個(gè)軟弱夾層，其連續(xù)性和完整性與兩盤完整巖體相比，發(fā)生了明顯變化，相對(duì)于圍巖的電阻率，斷裂處的電阻率可表現(xiàn)為低阻或高阻，這取決于斷裂性質(zhì)、破碎帶寬度、膠結(jié)程度、含水特征、巖脈侵入等特性及圍巖電阻率特性。一般來(lái)說(shuō)，新斷裂電阻率較低，斷裂越老，膠結(jié)程度隨之越強(qiáng)，電阻率越高；破碎帶越寬，越破碎，電阻率相對(duì)較小；地下和地表水越豐富，電阻率越小；有巖脈順裂縫侵入，多表現(xiàn)為高阻[1]。這種斷裂處的地質(zhì)表現(xiàn)形式和電性特征為電法探測(cè)提供了物理前提。

高密度電法作為一種地球物理勘探方法，具有成本低、勘探效率高，用于斷裂構(gòu)造探測(cè)，可直觀地展示地下結(jié)構(gòu)電阻率的分布，可在一定程度上反映斷裂的空間分布情況，在斷裂構(gòu)造探測(cè)中是可行的[2]。文章以高密度電法為探測(cè)手段，用于某工程的斷裂構(gòu)造探測(cè)，取得了較好效果。

1 基本原理與工作方法

1.1 基本原理

高密度電法是一種陳列式電阻率勘探方法，是以巖石、礦石的電阻率差異為基礎(chǔ)，研究在人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)作用下，地質(zhì)體傳導(dǎo)電流的分布特征和變化規(guī)律，以便查明地質(zhì)構(gòu)造的一種地球物理勘探方法[3]。高密度電法的基本原理與常規(guī)電阻率法相同，如圖1所示。

圖1 電法工作原理示意圖

在實(shí)際工作中，A、B為供電電極，M、N為測(cè)量電極，通過(guò)儀器測(cè)出電流I和MN處的電位差，電阻率按式（1）計(jì)算：

式中：ρ為巖石電阻率，為MN極測(cè)得的電位差，V；I為測(cè)得的電流，A；K為裝置系數(shù)，與A、B、M、N各電極間的相對(duì)位置有關(guān)。

在實(shí)際測(cè)量中，由于地形起伏、地下介質(zhì)不均勻及各向異性等原因，使得實(shí)際測(cè)得的電阻率值不是巖石的真實(shí)電阻率，而是地下電性不均勻體和地形起伏的一種綜合反映，稱之為視電阻率[4]。

1.2 工作方法

高密度電法在實(shí)際工作中常用排列方式有溫納排列α、偶極排列β、施倫貝謝爾排列α2、三極AMN排列或三極MNB排列。一般情況下，溫納排列的垂向分辨率相對(duì)較高，在深部淺部均有較大的一次場(chǎng)電壓VP值，在地表干燥、接地不良、供電電流較小時(shí)也有較高信噪比，地形起伏造成的干擾較小；其缺點(diǎn)是由于MN隨著AB的增大而增大，在地層深部分辨率降低[5]。綜合考慮探測(cè)目標(biāo)和地形條件，該次工作選擇溫納排列形式，如圖2所示。溫納排列的電極排列順序?yàn)锳→M→N→B（其中A和B是供電電極，M和N是測(cè)量電極）。開始測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB為一個(gè)電極距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右滾動(dòng)，測(cè)得第一條剖面線；然后AM、MN、NB同時(shí)增加一個(gè)電極距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右滾動(dòng)，測(cè)得另外一條剖面線。測(cè)量過(guò)程中，MN的電極間距與AB的電極間距始終保持著1∶3的關(guān)系，即AM=MN=NB，經(jīng)過(guò)這種方法不斷采集直至結(jié)束，最終的測(cè)量斷面為倒梯形。

圖2 溫納排列電極位置示意圖

2 工程實(shí)例

某隧道出口區(qū)在施工過(guò)程中地表出現(xiàn)了裂縫，最大裂縫寬度為7.6cm，延伸約27m。為查明該斷裂的地下空間分布形態(tài)和影響范圍，為施工提供指導(dǎo)，采用高密度電法進(jìn)行探測(cè)。

2.1 地質(zhì)地球物理特征

該測(cè)區(qū)自然地形坡度較陡，海拔為1890～1985m，出露地層為第三系（N）礫巖、粉砂巖、砂礫層、黏土和石炭系中上統(tǒng)（C2+3）鮞狀灰?guī)r、生物灰?guī)r、灰?guī)r夾白云巖。第四系覆蓋層或全—強(qiáng)風(fēng)化層電阻率一般比較低，通常＜200Ω·m，但是淺部松散層電阻率相對(duì)較高，甚至可高達(dá)1000Ω·m以上。砂巖主要呈中低阻分布，電阻率為100～800Ω·m。完整的灰?guī)r電阻率較高，通常＞2000Ω·m，巖體越完整，電阻率越高。在巖體風(fēng)化、破碎強(qiáng)烈、巖溶發(fā)育、節(jié)理裂隙發(fā)育的情況下，電阻率會(huì)出現(xiàn)不同程度降低，最低可達(dá)100Ω·m以下。根據(jù)各地層電性變化特征，巖（土）層的電性存在差異，具備高密度電法開展的地球物理?xiàng)l件。測(cè)區(qū)地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 測(cè)區(qū)地質(zhì)情況

2.2 工作布置

根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)和地形條件，布置了1條測(cè)線，測(cè)線方向垂直于地表裂縫走向，采用溫納排列，電極間距為5m，剖面總電極數(shù)為60根。由于裂縫出露地表位置已知，測(cè)線中點(diǎn)位于裂縫上方，即第31根電極位于裂縫上方。

2.3 成果分析

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理、反演后，得到高密度電法反演色譜圖，如圖4所示。從圖4可以看出，地表層主要呈低阻反應(yīng)，局部表現(xiàn)為高阻，主要為碎石土及不良接地條件所致，電阻率變化范圍較大，推測(cè)為第四系覆蓋層及全—強(qiáng)風(fēng)化基巖；反演色譜圖的左下方區(qū)域?yàn)楦咦鑵^(qū)，電阻率大部分超過(guò)1000Ω·m，對(duì)應(yīng)于相對(duì)較完整的基巖；而在反演色譜圖的右下方區(qū)域表現(xiàn)為相對(duì)低阻區(qū)，電阻率為100～600Ω·m，對(duì)應(yīng)基巖的完整性較差，推測(cè)巖溶較發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。在反演色譜圖的中間位置，存在近似直立條帶狀的低阻異常，電阻率與兩邊基巖的分界明顯，形態(tài)直觀。由圖3可知，該斷裂較新，裂隙尚未充填膠結(jié)，加上進(jìn)入雨季，當(dāng)裂隙被水或泥質(zhì)物充填時(shí)，斷裂及圍巖一定范圍內(nèi)主要呈低阻反映，地表裂縫位于第31根電極處，因此推測(cè)該條帶狀低阻異常區(qū)（圖中虛線范圍內(nèi)）為斷裂帶核部的反映，斷裂分布形態(tài)明顯，向下繼續(xù)延伸[6]。

圖4 高密度電法反演色譜圖

3 結(jié)束語(yǔ)

高密度電法在斷裂構(gòu)造探測(cè)中，對(duì)于不同的斷裂性質(zhì)、埋深、規(guī)模大小、含水性、填充情況以及圍巖等，其電阻率剖面的異常特征不同。斷裂破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，一般有較大的透水性和含水性，當(dāng)斷裂被水、黏土、碎石等充填時(shí)，通常表現(xiàn)為低阻反映；斷裂被巖脈侵入，膠結(jié)程度較強(qiáng)時(shí)，電阻率主要表現(xiàn)為高阻。斷裂規(guī)模越大，電阻率反映越明顯，產(chǎn)狀易識(shí)別。當(dāng)斷裂與兩側(cè)巖層的電阻率差異明顯，且斷裂具有一定規(guī)模時(shí)，采用高密度電法進(jìn)行探測(cè)，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，能夠較為準(zhǔn)確地反映斷裂構(gòu)造破碎帶的空間分布形態(tài)、斷裂影響范圍以及圍巖情況。