高密度電法探測斷層帶的有效性分析

陳挺，張世奇，肖繼文 （中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100089）

1 引言

高密度電法是以探測目標(biāo)地質(zhì)體與其周圍介質(zhì)之間存在電阻率差異為基礎(chǔ)，人工建立地下直流電場，通過預(yù)布置多道地表電極，掃描觀測地下電阻率變化情況，從而探測到低阻的目標(biāo)地質(zhì)體。其兼具電測深法和電剖面法的優(yōu)點(diǎn)，探測低電阻率區(qū)優(yōu)勢明顯。斷層附近一般呈現(xiàn)帶狀破碎區(qū)域，當(dāng)斷層位于溝谷地區(qū)時，易富水形成低電阻率區(qū)，且延伸較長，具備高密度電法勘探的理論基礎(chǔ)。斷層對橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全影響較大，須查清斷層的確切位置及影響區(qū)域。

2 工程概況

營盤大橋位于云南省魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)龍泉河旁，地勢低洼，為路線跨越龍泉河而設(shè)。擬采用整體式橋梁方案，設(shè)計橋長266.0m，屬大橋，橋面凈寬2m×12.5m，孔跨布置為13×20，橋梁上部結(jié)構(gòu)擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合T梁，下部橋墩擬采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋臺擬采用肋板臺、樁基礎(chǔ)。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料得知，橋位區(qū)構(gòu)造較復(fù)雜，橫跨所屬“昭通—魯?shù)椤被顒有詳嗔褞У尿咇R口斷層（F23）。該斷層沿線近期有地震發(fā)生，其震感有由南西向北東逐漸減弱之勢，斷層面向南東傾斜，傾角50以上，為設(shè)計安全，必須勘察該斷裂的分布及走向趨勢。經(jīng)過物探方法的原理及精度等方面的比較，采取高密度電法的物探方法來勘察斷裂帶情況。

3 高密度電法工作原理

高密度電法的勘探前提條件是目的地質(zhì)體與周圍地質(zhì)體具有電阻率差異，通過在地面兩點(diǎn)向地下供電，其間任意兩點(diǎn)測量其電位差，反演計算地下介質(zhì)的電阻率。巖石完整程度和含水率不同以致其電阻率范圍變化較大。斷層破碎帶由于巖石破碎，通常風(fēng)化程度較高且含水率較高，故相對圍巖一般表現(xiàn)為低阻區(qū)，地層電阻率特征見表1。

地層電阻率特征統(tǒng)計表 表1

4 高密度電法施工方法

營盤大橋所處位置四面環(huán)山，地勢較低，緊鄰龍泉河，探測的斷裂帶具備充水條件，斷裂帶相對周圍巖層應(yīng)為低阻區(qū)，具備電法勘探的條件。而且高密度電法同時具有電測深與電剖面法的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)它們的不足，能同時探測垂向和橫向上電阻率的變化，可根據(jù)需要使用不同電極距及裝置類型，在采集數(shù)據(jù)時能夠獲得更多的信息，使用全自動的采集模式，采集精度高、速度快。

高密度電法的測線布置一般垂直于構(gòu)造走向，也可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)地形條件進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)本次勘察的目的，設(shè)計2條高密度測線（如圖1所示）。根據(jù)地質(zhì)資料推斷的斷層大致位置，控制在高密度電法的測線中間位置且測線足夠長。測試裝置選用受地形起伏影響較小的溫納排列裝置類型，由于被探測的斷層具體埋深和產(chǎn)狀未知，為保證勘探深度和長度，使用儀器最大荷載，測線長度為120個電極，電極距10m，隔離系數(shù)1～30。剖面采集層數(shù)為30層。施工時使用RTK提前放點(diǎn)，確保測線在設(shè)計位置上，完成測線布置后，再次使用RTK測量每個電極坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)反演后能獲得異常的真實(shí)位置。采集完電法數(shù)據(jù)后，室內(nèi)多次反演分析，并結(jié)合地質(zhì)資料，確定勘察目標(biāo)體（斷層）的位置，并鉆探驗證。

圖1 高密度電法測線布置示意圖

5 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法資料的處理主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首選剔除壞點(diǎn)，然后數(shù)據(jù)平滑，使用不同的反演方法，反演后繪制視電阻率等值線剖面圖。

①刪除壞點(diǎn)：在讀入數(shù)據(jù)后，首先要刪除那些電阻率值有明顯錯誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)。這些壞數(shù)據(jù)點(diǎn)可能源于某個電極的連接失效，干燥土壤中電極接觸不良或由于非常潮濕的環(huán)境條件，導(dǎo)致的電纜短路等。這些壞數(shù)據(jù)點(diǎn)的視電阻率值通常比相鄰點(diǎn)高得多或低得多。

②反演：本次使用較成熟的最小二乘法反演，根據(jù)資料的噪音情況把阻尼系數(shù)設(shè)置為0.15，由于電阻率法的分辨率隨著深度的增加按指數(shù)規(guī)律降低，為了穩(wěn)定反演過程，阻尼系數(shù)逐層增大，阻尼系數(shù)增加因子設(shè)為1.2，由于本次探測斷層的空間分布特征，水平分布特征對工程影響很大，故垂向/水平濾波比設(shè)為1；不同的迭代次數(shù)對反演結(jié)果影響較大，本次對比迭代5次～10次的結(jié)果，綜合資料分析，使用迭代6次的反演結(jié)果。其他反演參數(shù)使用系統(tǒng)默認(rèn)即可。

6 成果分析

高密度電法解釋主要依據(jù)是電阻率等值線剖面圖。根據(jù)電阻率差異劃分異常，并根據(jù)異常位置增加鉆探，并根據(jù)鉆探揭露地質(zhì)情況校正物探資料，最終形成物探成果。以下就各條剖面進(jìn)行分析。

①LTSDQZ物探剖面

該剖面位置為樁號K44+050～K45+100，測線長度1200m。探測深度為240m左右。K45+050到K44+600附近，電阻率較高，覆蓋層較薄，推測為中風(fēng)化砂巖、較破碎、不富水；K44+600～K44+450附近，存在低阻異常帶①，結(jié)合地質(zhì)資料，推測為斷層F23；K44+450～K44+050，電阻率偏低，上部為第四系覆蓋層，下部推測為砂巖、灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r，巖層破碎、富水。

圖2 LTSDQZ高密度電法測線電阻率剖面圖

②LTSDQY物探剖面

該剖面位置為樁號K43+800～K44+750，測線長度1200m。探測深度為240m左右。K44+350到K44+450附近，電阻在 200Ω·m ～500Ω·m，推測為中風(fēng)化砂巖；K44+450～K44+200附近，電阻率較低，存在低阻異常①，結(jié)合地質(zhì)資料，推測為斷層F23；K44+200～K43+800，電阻率中等偏低，推測為砂巖、灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r，巖層破碎。

圖3 LTSDQY高密度電法測線電阻率剖面圖

為了驗證斷裂帶的位置情況，在物探異常區(qū)布置多個鉆孔，具體如圖1所示。其 中 LTSQZK7、LTSQZK8、LTSQZK9、LTSQZK10在物探異常區(qū)域內(nèi)，對物探異常區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行揭露，為工程提供了斷層破碎帶的范圍數(shù)據(jù)，并繪制了地質(zhì)剖面圖。表2為鉆孔柱狀圖統(tǒng)計表，鉆孔柱狀圖均顯示基巖破碎，與斷層破碎帶吻合，驗證了物探的準(zhǔn)確性。

鉆孔柱狀圖統(tǒng)計表 表2

7 結(jié)語

高密度電法已經(jīng)在工程中被廣泛應(yīng)用。地球物理勘察的前提是目的體與周圍地質(zhì)體具有物性差異，在選擇高密度電法時，要充分了解工區(qū)地質(zhì)情況，確認(rèn)具備施工條件，選擇合適的測線長度及電極距，根據(jù)構(gòu)造走向布置測線方向。本次在勘察營盤橋址勘察斷層破碎帶中合理布設(shè)了2條測線，后經(jīng)鉆探驗證，效果較好，揭示了斷層破碎帶的位置及走向，為進(jìn)一步勘查提供了依據(jù)，高密度電法如果緊密結(jié)合地質(zhì)資料，對斷層探測可以作出準(zhǔn)確地解釋，是行之有效的方法。