高密度電法在地質災害探測中的應用

李 茹

(廣州市地質調查院,廣東 廣州 510440)

1 引言

高密度電法對地下典型結構具有高分辨率，是研究淺層地質結構的有效方法[1]。高密度電法近年來被應用于災害地質調查及工程勘察中[2]，兼具剖面法和測深的功能，具有點距小、數據采集密度大的特點。高密度電法在淺層小煤窯采空區探測[3]、巖溶區勘查[4]、地質災害評價[5]等方面提供了有力的物探資料，在地下空洞探測等地質災害調查領域地質效果顯著[6]。何清立等利用高密度電法在滑坡地質災害勘查中獲取滑坡體的形態、規模、結構等信息，對滑動面的分析起到很好的指導作用[7]。

廣州某鹽礦經過多年開采，地面沉降持續發生，房屋地面出現裂縫，礦區突發局部震動，給當地居民帶來極大恐慌。為了解本次地質災害發生的原因，選用高密度電法對礦區淺部100 m以內地層進行探測，為分析研究地質災害發生原因提供基礎地球物理依據。

2 地質概況及地球物理特征

2.1 地質概況

礦區處于珠江三角洲廣從斷裂帶控制的龍歸盆地南部，該盆地呈北東向狹長狀展布，長約46 km，最寬可達9 km，面積206 km2。該盆地沉積了一套厚度較大的以河湖相為主的下第三系碎屑巖，基底及邊緣由古、中生界和燕山期花崗巖組成。硝鹽礦區主要采用水溶法開采石鹽和伴生無水芒硝礦，鹽層埋深為480～640 m，井深大多在600 m以內，礦區有3個含水帶，第一含水帶為第四系承壓裂隙水，水位較淺，與地表關系密切，季節性變化大，第二含水帶與第一含水帶有直接水力聯系，最大埋深230 m左右，第三含水帶靠近鹽層，埋深在420～490 m之間。礦區淺部地層以人工填土、第四系黏土與砂層互層的沖積層、殘積層、古近系砂泥風化層為主。

2.2 地球物理特征

黏土層電阻率1～20 Ω·m，砂巖與泥巖互層20～200 Ω·m，泥巖1～20 Ω·m，砂礫巖通常電阻率較高，鹵水電阻率平均值約0.05 Ω·m。采鹽區塌陷坑或鹵井周邊地下，只要存在洞穴、斷裂、裂隙等，就會有鹵水充填、運移、侵蝕，而鹵水是良導體，電阻率極低，與圍巖存在較大的電性差異，為高密度電法開展提供了良好物性條件。

3.1 高密度電法基本原理

高密度電阻率法(High Density Resistivity Method)是一種陣列式的直流電測勘探方法，由日本學者發明并于20世紀80年代被引入國內。高密度電法是兼具電阻率測深法與電阻率剖面法的觀測系統，一次布設多根電極，向地下施加穩定電流場可獲得多裝置、多極距電阻率參數的常規直流電法[8]。其中溫納裝置的垂向分辨率相對較高，對地質體垂向分布的反映有比較高的靈敏度。施倫貝爾1裝置對地質體在水平方向的變化反應非常靈敏，水平分辨率很高[9～12]。

3.2 方法技術參數

物探遵循由已知到未知的原則，首先選擇已知且有代表性地段進行物探方法試驗，根據方法試驗結果，選定較為有效的方法技術參數進行探測。根據試驗結果，選用施倫貝爾1裝置(SB1)、溫納裝置(WN)，極距分別為4 m、5 m(表1)。

高密度電法測量數據處理利用瑞典反演軟件Res2dinv進行反演解釋，其數據處理流程:將原始數據從儀器導入計算機并儲存→剔除壞點數據、改正干擾數據→格式轉換(轉換為瑞典格式)→繪制視電阻率瑞典軟件反演地質解釋圖。

4 資料解譯及推測

4.1 測線資料解譯

本次運用高密度電法對硝鹽礦區淺部(地表以下100 m)進行探測，共布置測線12條，探明低阻異常區19處。以下對D1、D3、D10三條典型剖面進行分析。

表1 高密度電法測量參數

D1測線地質反演剖面(圖1)：出現2處低阻異常，一處位于導線130～160 m處，電阻率范圍0.01～0.19 Ω，另一處位于導線225～240 m處，電阻率小于1 Ω，此兩處電阻率都極低，因鹵水是良導體，其電阻率極低，結合礦區情況推測可能為采鹵水下滲或采鹵井管道破損導致地下存在含鹵水帶。D1、D8-D9、D11-D12，高密度電法探測深度約50 m，剖面呈現高低組相間分布的特征，與剖面D3(圖2)對比，此處地質體成層性差，不均一。且其上蓋民房多處出現裂縫，并且這幾條測線所在范圍監測到的地表年平均沉降量較其他測線所在位置大。

D3測線地質反演剖面：剖面地層層狀特征相對明顯，剖面深度2.5～40 m地質體電阻率較高，推測可能是砂巖層，40 m以下電阻率逐漸減小，推測可能與含水層有關。剖面出現2處低阻異常，一處異常位于測線225～275 m，深度60～90 m，電阻率范圍0.4～3.0 Ω·m，另一處異常位于測線385～435 m，深度65～95 m，電阻率范圍0.4～3.0 Ω·m，電阻率較低，兩處低阻上升至近地表，經查證均存在采鹵井，推測該處由于采鹵井管道常年老化，發生鹵水外泄，導致附近巖層存在鹵水滲透，形成含鹵水帶。

圖1 D1號測線高密度電法(WN裝置)Res2dinv軟件ρs二維反演地質解釋剖面圖

圖2 D3號測線高密度電法(WN裝置)Res2dinv軟件ρs二維反演地質解釋剖面圖

圖3 D10號測線高密度電法(WN裝置)Res2dinv軟件ρs二維反演地質解釋剖面圖

D10測線高密度電法二維反演地質解釋剖面存在多個低阻異常區，且剖面右側地層明顯受到擠壓作用(作用力方向用紅色箭頭表示)，這與此次地質災害中出現的擠壓爆裂情況相一致。該剖面位于測線310～340 m處出現低阻異常，且延伸至地表，電阻率范圍為3～10 Ω·m，推測與構造相關。

4.2 地質災害原因推測

本次探測到的低阻異常處電阻率最小值小于0.1 Ω·m，結合礦區實際情況，礦區采用水溶法開采，在開采過程中可能存在鹵水泄露問題，且因鹵水是良導體，其電阻率極低，推斷低阻異常區可能是深部鹵水通過構造、裂隙運移至淺部形成的含鹵水帶。加之礦區下部地層泥巖廣泛存在，含鹵水的泥巖構成軟弱帶，導致地面沉降發生，礦區表面地層逐年沉降，在沉降持續發生的時候導致上部地層應力失穩、巖層破裂，地表發生震動，或產生裂縫[13～16]。

5 結論

(1)對鹽礦區應用高密度電法進行探測，共探明低阻異常區19處，解釋為含鹵水帶或構造帶。

(2)對高密度電法異常地段可以進一步開展淺層地震反射波法工作，區分高密度電法異常是含鹵水帶或構造，并進行鉆探驗證。

(3)對于高密度電法在采空區探測到的異常點，應加強監測工作，預防預警地質災害的發生。