高密度電阻率法在水庫(kù)壩址區(qū)勘查中的應(yīng)用

湯 磊, 張 琦

(湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410116)

1 引言

大壩選址是興建水利水電工程的重頭戲，一項(xiàng)重要工程的壩址選擇，受到自然地理和地質(zhì)條件等諸多因素的制約。壩址選擇得當(dāng)，有利于工程布局，施工，節(jié)省工程投資；選擇不當(dāng)，引發(fā)一系列伴生問(wèn)題，如誘發(fā)斷層活動(dòng)，導(dǎo)致地震、滑坡和滲漏等不良后果，帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患[1-2]，因此，有必要對(duì)壩址區(qū)進(jìn)行科學(xué)合理的地質(zhì)勘查。而高密度電阻率法是同時(shí)具有電剖面和電測(cè)深相結(jié)合的方法，與傳統(tǒng)的電阻率法相比，具有成本低、效率高、信息豐富、解釋更加方便、橫向和縱向分辨率高等特點(diǎn)。近年來(lái)，此方法在大壩選址勘查中取得了明顯的效果[3-5]。

2 地質(zhì)概況及地球物理特征

根據(jù)收集工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，場(chǎng)地地表第四系為殘坡積層粉質(zhì)黏土(Q4el)，第四系沖積卵石層(Q4al)，下伏基巖為泥盆系跳馬澗組(D2t)灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r。

2.1 地層巖性

測(cè)區(qū)內(nèi)沿線出露地層為：

第四系(Q)：殘坡積層(Q4el)，主要分布在探測(cè)區(qū)域山體斜坡，褐黃色-褐灰色粉質(zhì)黏土，厚度約2～7 m。沖積卵石層(Q4al)，主要分布在探測(cè)區(qū)域溝谷緩坡及河流兩側(cè)，褐黃色-褐灰色黏土，卵石粒徑一般為2～10 cm，厚度約5～18 m。

灰?guī)r(D2t)：勘查區(qū)內(nèi)廣泛分布，灰色、深灰色厚至巨厚層灰層，生物碎屑灰?guī)r，夾白云巖，白云質(zhì)灰?guī)r，局部含燧石結(jié)核。巖溶裂隙較為發(fā)育，區(qū)內(nèi)地勢(shì)高處(斜坡、山頂)大面積出露。

2.2 地球物理特征

場(chǎng)地覆蓋層主要為第四系黏土，電阻率較低，一般<100 Ω·m，灰?guī)r電阻率較高，一般102～104Ω·m，含水裂隙、構(gòu)造帶的電阻率相對(duì)較低，物性差異明顯，具有較好的地球物理?xiàng)l件。

3 高密度電法基本原理及工作方法

3.1 基本原理

高密度電阻率法是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下，地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種物探方法，因此，它的理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，所不同的是觀測(cè)技術(shù)，由人工向地下供電，在地下形成穩(wěn)定的電流場(chǎng)(如圖1)。高密度電阻率法野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，將測(cè)量結(jié)果輸入微機(jī)后，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。

圖1 高密度電法測(cè)量電場(chǎng)分布示意圖

3.2 工作方法技術(shù)

本次勘查投入的設(shè)備為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2B型高密度電法觀測(cè)系統(tǒng)，采用溫納-施倫貝爾四極裝置觀測(cè)系統(tǒng)，區(qū)域A布置3條測(cè)線，測(cè)線線距為20 m，測(cè)點(diǎn)距離為5 m，3條測(cè)線平行布置。儀器最大觀測(cè)層數(shù)18層，探測(cè)深度達(dá)50 m，供電電流大于800 mA，供電電壓大于450 V。觀測(cè)前進(jìn)行接地電阻檢查，對(duì)大于2 kΩ的電極進(jìn)行澆灌鹽水處理，保證一次場(chǎng)電流在100 mA以上，一次場(chǎng)電位差在50 mV以上。若發(fā)現(xiàn)觀測(cè)異常及時(shí)進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 資料處理與成果解釋

4.1 解釋方法

在視電阻率等值線圖上，巖溶發(fā)育區(qū)的異常特征是整體高電阻率區(qū)域里存在局部低阻區(qū)或低阻畸變，縱橫向梯度大，局部低阻區(qū)與近地表低阻體相連，往往發(fā)育溶洞、溶槽。強(qiáng)風(fēng)化帶巖體視電阻率等值下凹，視電阻率等值線下部稀疏并伴有閉合圈等現(xiàn)象的低阻異常多為巖體風(fēng)化程度高，巖體破碎引起；而中、微風(fēng)化帶巖體視電阻率等值下凹、稀疏，異常范圍較窄，則多為裂隙發(fā)育；視電阻率高低阻明顯分界線則多為斷層破碎等地質(zhì)構(gòu)造引起。

最后根據(jù)視電阻率等值線圖圈定劃分巖層界面及異常劃分。資料解釋時(shí)要排除地形陡坎、基巖裸露使電極接觸不良等引起的假異常，并結(jié)合各剖面相應(yīng)地段的地質(zhì)特點(diǎn)(如微地貌、地層、巖性、構(gòu)造、含水條件等)進(jìn)行綜合解釋推斷。

4.2 資料處理

高密度電法數(shù)據(jù)應(yīng)用驕佳(Geogiga RImager)專(zhuān)業(yè)軟件將野外采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，與野外記錄仔細(xì)核對(duì)后，對(duì)個(gè)別畸變點(diǎn)進(jìn)行剔除或圓滑處理，數(shù)據(jù)重疊部分采用平均值替代，對(duì)起伏地形進(jìn)行校正，以消除地形起伏造成的影響，最后生成視電阻率反演斷面圖，為資料解釋提供基礎(chǔ)資料。

4.3 1線綜合成果解釋

從圖2可看出覆蓋層厚度約為0～20 m，視電阻率50～5 000 Ω·m之間，下伏灰?guī)r，該段共發(fā)現(xiàn)7處低阻異常。在17～20號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高322～310 m，標(biāo)高297～281 m之間，有兩側(cè)相對(duì)高阻中間夾低阻異常，呈“V”字形展布，一直往深部有延伸，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A1；在19～26號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高317～267 m，有兩側(cè)相對(duì)高阻中間夾低阻異常特征，一直往深部有延伸，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在34～43號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高310～254 m，有高-低阻異常錯(cuò)位特征，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約20 m；在51～56號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高288～278 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，往深部略有延伸，在61～64號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高290～276 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，往深部略有延伸，在66～68號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高300～290 m，有相對(duì)低阻區(qū)域，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A2；在79～85號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高355～316 m，有“V”字形相對(duì)低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A3。

圖2 1線綜合解釋斷面圖

4.4 2線綜合成果解釋

從圖3可看出覆蓋層厚度約為0～20.6 m，視電阻率50～4 500 Ω·m之間，下伏灰?guī)r，該段共發(fā)現(xiàn)7處低阻異常。在20～28號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高316～263 m，有兩側(cè)相對(duì)高阻中間夾低阻異常，視電阻率梯度變化較大，等值線密集且往深部略有延伸，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在35～45號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高308～255 m，有兩側(cè)相對(duì)高阻中間夾低阻異常，等值線一直往深部延伸，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約20 m；在51～56號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高292～282.5 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在58～61號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高297～283 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在65～68號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高297～286 m，有寬緩的“V”字形低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A2；在79～84號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高339～308 m，有“U”字形低阻異常，在84～87號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高362～348 m，有相對(duì)低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A3。

圖3 2線綜合解釋剖面

4.5 3線綜合成果解釋

從圖4可看出覆蓋層厚度為0～21.2 m，視電阻率50～4 000 Ω·m之間，下伏灰?guī)r，該段共發(fā)現(xiàn)8處低阻異常。在18～21號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高285～268 m，有相對(duì)低阻異常，在20～23號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高316～303 m，有相對(duì)低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A1；在21～30號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高316～265 m，有高-低阻異常錯(cuò)位特征，視電阻率梯度變化較大，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在36～46號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高308～255 m，有兩側(cè)相對(duì)高阻中間夾低阻異常，且高-低阻異常錯(cuò)位特征明顯，等值線一直往深部延伸，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°；在53～56號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高291～284 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在57～62號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高296～281 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在66～71號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高297～283 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A2；在77～82號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高333～312 m，有“U”字形低阻異常，在85～88號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，標(biāo)高352～339 m，有相對(duì)低阻異常，解釋為巖溶發(fā)育區(qū)A3。

圖4 3線綜合解釋剖面

4.6 平面綜合成果

根據(jù)三條高密度電法測(cè)線數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)背景資料，在成果平面圖5中圈定了三處巖溶發(fā)育帶(A1、A2、A3)，其中A1推測(cè)巖溶發(fā)育程度中等，巖溶形態(tài)以溶溝、溶槽發(fā)育為主，局部發(fā)育串珠狀小溶洞；A2推測(cè)巖溶發(fā)育程度中等～強(qiáng)發(fā)育，巖溶形態(tài)以溶溝、溶槽發(fā)育為主，局部發(fā)育溶洞；A3推測(cè)巖溶發(fā)育程度較為強(qiáng)烈，推測(cè)溶溝、溶槽、溶洞均較發(fā)育。推測(cè)該區(qū)域內(nèi)存在2條隱伏斷層破碎帶(F1和F2)，F(xiàn)1位于探測(cè)區(qū)域東北側(cè)，性質(zhì)不明，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；受其影響，斷層破碎帶范圍內(nèi)巖體相對(duì)破碎，溶蝕裂隙發(fā)育。F2位于探測(cè)區(qū)域中西部，性質(zhì)不明，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約25 m；受其影響，斷層破碎帶范圍內(nèi)巖體相對(duì)破碎，溶蝕裂隙發(fā)育。對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，YZ01號(hào)鉆孔位于1號(hào)測(cè)線62號(hào)電極A2巖溶發(fā)育帶內(nèi)，在進(jìn)尺28 m深度處均揭露有溶溝和溶槽發(fā)育，YZ02號(hào)鉆孔位于2號(hào)測(cè)線81號(hào)電極A3巖溶發(fā)育帶內(nèi)，在進(jìn)尺23 m深度處均揭露有溶溝和溶槽發(fā)育。

圖5 高密度電法綜合成果平面圖

5 結(jié)論

本次物探工作初步探明了勘查區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育規(guī)模、位置及空間分布，對(duì)物探異常區(qū)域進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，均為巖溶發(fā)育區(qū)域，取得了良好的勘查效果，達(dá)到了地球物理勘查的具體任務(wù)要求。

高密度電法在大壩選址工程勘察中能較好地查明第四系覆蓋層厚度，通過(guò)視電阻率的高低阻異常特征變化趨勢(shì)，能有效圈定巖溶裂隙和斷裂破碎帶的位置和深度，為大壩選址、設(shè)計(jì)和施工提供重要的地球物理依據(jù)。