電阻率參數解譯地層結構

王清玉 王志豪 王 睿

1 問題的提出

利用波速和電阻率等參數劃分建筑物基礎的地層結構，通常條件適宜、方法得當均可得到比較滿意的解譯效果。但有時也會遇到按照一般的認知難以解釋清楚的情況?，F舉一例，共同分析。

2 工程實例

2.1 工程地質條件

某壩址樞紐區(qū)為低山丘陵、河流侵蝕地貌，地表多被水系和沖溝切割。壩址河谷較窄，呈U形谷，河谷寬度50～100 m。覆蓋層主要是坡殘積碎石土、腐殖質和大塊石，基巖主要為砂巖。

2.2 技術方法

聯合利用高密度電法、折射波法探測某水利項目壩址區(qū)覆蓋層厚度并結合聲波測井綜合劃分其基巖風化帶等。

2.3 工作布置

根據現場情況，測區(qū)共布置9條高密度電法測線，總長2 510 m；在相應的測線還布置了折射波相遇觀測系統(tǒng)，并完成240 m、4個鉆孔的聲波測井。

2.4 電、震特征和常規(guī)解譯

2.4.1 高密度電法

測區(qū)高密度電法反演電阻率斷面圖其共性是縱向電性結構多概分為3層，電阻率從上到下呈現高→低→高的特點。

圖1為典型剖面（圖中水平距離60～200 m段，測試時正值雨季，zk1處地下水位高程約176 m，深度約8 m）。

第1電性綜合層厚度2～12 m，電阻率為1 400～7 910 Ω·m；第2電性層厚度5～25 m，電阻率為600～1 700 Ω ·m；第3電性層電阻率為1 700～5 050 Ω · m。

圖1 L8測線的高密度電法反演斷面圖

第1電性層比較好解釋，主要是坡殘積碎石土、腐殖質和大塊石、全強風化、弱風化砂巖的綜合反映。第2、3電性層電阻率差別顯著，按照一般的認識，巖層結構特征應有較大的差別，通常會賦予第2電性層巖體裂隙發(fā)育、破碎、完整性差、孔隙率高、含水率高等類似認識，第3電性層賦予巖體完整等類似解釋。按照高密度反演經驗，位于ZK1鉆孔處第1電性層綜合厚度為7.5 m，第2電性層7.5～25 m，第3電性層反應深度25～35 m。

2.4.2 地震折射波法

探測深度范圍內地層可分為二元結構，第1層波速400～1 640 m/s，平均波速730 m/s，層厚3.2～8.4 m，第2層波速3 960～5 600 m/s，平均波速4 010 m/s。推斷第1層系覆蓋層、全強風化層和弱風化層底部的綜合反映，換言之，折射界面為弱風化底界面或微風化基巖頂界面。

2.5 鉆探情況

L8測線ZK1鉆孔揭露的具體情況是：孔深0～3.5 m，坡殘積土，含碎石粉質黏土。

孔深3.5～7.2 m，強風化中、細粒砂巖，塊狀結構，中厚層構造。巖芯呈碎塊狀。

孔深7.2～8.3 m，弱風化中、細粒砂巖，塊狀結構，中厚層構造，巖芯呈短柱狀、長柱狀。

孔深8.3～70.1 m，微風化中、細粒砂巖，塊狀結構，中厚層構造。巖芯呈短柱狀、長柱狀，多平直光滑。

2.6 常規(guī)解譯與震探、鉆探比較

第1電性層和折射界面與實際情況吻合，第2、3電性層常規(guī)認識與實際情況相差較大。即鉆孔揭露：位于地下水位之上的上層高阻層為覆蓋層和強風化、弱風化砂巖的綜合反映，其相應風化層也基本吻合；中間低阻層和下部高阻層為位于地下水位以下的微風化完整砂巖。

2.7 深化分析

為達到知其所以然，對ZK1孔孔深8.5～25 m與25～35 m（高密度電法探測深度按35 m計），即第2、3電性層就巖芯采取率、RQD指標、裂隙發(fā)育情況、透水率、聲波和錄像觀察成果綜合比較分析。ZK1鉆孔孔深70 m，表1列出了相關試驗、測試成果。

表1 ZK1鉆孔測試成果表

表1說明第2、3電性層巖芯采取率，RQD指標，裂隙發(fā)育情況，透水率基本一致，總體均可判定為微新完整巖體。

第2電性層電阻率為600～1 700 Ω·m、第3電性層電阻率為1 700～5 050 Ω·m，兩者差值顯著。兩層波速均值絕對差值僅為1 50 m/s，相對差值僅為2.5%。下面通過相關研究成果，分析電阻率差異顯著，波速基本一致的原因。

2.7.1 楊為民等【1】相關研究成果

現摘編并借鑒楊為民等[1]采用水泥砂漿制作30組孔隙率不同的類巖石材料試樣研究飽水過程中巖石波速和電阻率變化規(guī)律及其相互關系的成果加以分析。楊為民等[1]試驗認為：

（1） 飽水過程中，類巖石材料試樣的波速隨飽和度的變化可分為緩慢下降和快速上升2個階段（如圖2所示）。

圖2 理論計算與試驗結果對比（孔隙率14.5%）

即當孔隙率不變的情況下，類巖石材料試樣飽和度達到某一閾值時，其波速將快速上升。其試驗波速大致為3 900～4 200 m/s，絕對差值為300 m/s，相對差值為7.4%。

（2）飽水過程中，類巖石材料試樣的電阻率隨飽和度的變化可分為迅速降低和緩慢降低二個階段（如圖3所示）。

圖3 不同孔隙率下電阻率隨飽和度變化曲線

即當孔隙率不變的情況下，類巖石材料試樣飽和度達到某一閾值時，其電阻率由快速降低變?yōu)榫徛陆怠?/p>

按孔隙率14.5%計，其電阻率大致為780～50 Ω·m，絕對差值為730 Ω·m，相對差值為176%。

（3）以孔隙率和飽和度為橋梁，得到了波速與電阻率之間的關系表達式，該表達式計算結果與實際試驗數據基本一致（如圖4所示），并通過石灰?guī)r原巖試樣測試驗證了其普適性和合理性。

圖4 計算結果與試驗數據對比

圖4說明，孔隙率一定的條件下，有關因素如引起波速微小的變化，電阻率將發(fā)生顯著的變化。即當波速大致為3 650～3 750 m/s時，電阻率大致為70～500 Ω·m；波速的絕對差值100 m/s、相對差值為2.7%，電阻率的相對差值為150%，電阻率的變化幅度明顯大于波速的變化幅度。

3) 對于氣動執(zhí)行機構，若從經濟角度考慮不便安裝防火保護罩時，可以選擇在氣缸上加裝易熔塞。當發(fā)生火災時由于溫度急劇升高，氣缸溫度達到或超過易熔塞的熔點時，易熔塞熔化將氣缸內的壓力泄放掉，使另一側氣缸內的彈簧或儲氣罐內的壓縮空氣推動活塞將閥門自動關閉。

2.7.2 張磊等[2]相關研究成果

張磊[2]、吳海波[3]、李術才[4]等研究了巖石受荷載變形的電阻率變化規(guī)律。他們認為，在巖石壓縮的過程中砂巖等巖性表現出：

（1）微裂隙與孔隙閉合階段，巖石電阻率有所下降；

（2）彈性變形階段，巖石電阻率基本無變化；

（3）微裂隙穩(wěn)定傳播階段，巖石出現塑性變形，電阻率突然增大；

（4）巖石破裂階段，巖石出現宏觀裂隙，巖石電阻率處于上升階段；

（5）殘余變形階段，在該階段巖石破裂面已完全形成，巖石的電阻率也達到了穩(wěn)定的數值。

上述試驗可以認為：巖體裂隙、孔隙對其電阻率影響顯著。

2.7.3 相關工程經驗和研究成果

有關試驗和工程經驗證明：（1）巖體中的裂隙發(fā)育程度和風化程度對波速影響很明顯。新鮮的中硬巖沒有裂隙時，波速多分布在5 000～6 000 m/s，如果裂隙發(fā)育，可降低到2 000～3 000 m/s，若巖石風化強烈，則下降幅度更大。（2）孔隙率與波速的關系，波速隨孔隙率的增加，急劇下降。有研究表明，當砂巖孔隙率約3%時，波速是6 600 m/s；若孔隙率增加到8%時，則速度下降到5 000 m/s。（3）含水量與波速的關系，含水量對波速的影響是很大的?？偟内厔菔遣ㄋ佟? 000 m/s的巖體，波速隨含水量（孔隙為水所充滿）增加而增加；波速約為6 000 m/s的巖體，含水量對波速的影響不明顯；而波速約為3 000 m/s以下的巖體，波速隨含水量增加反而減小，這種現象對波速不大于2 000 m/s的巖體特別明顯。

2.7.4 類比分析

2.7.1節(jié)，孔隙率一定的條件下，有關因素如引起波速微小的變化，電阻率將發(fā)生顯著的變化。即當波速大致為3 650～3 750 m/s時，電阻率大致為70～500 Ω·m；波速的絕對差值100 m/s、相對差值為2.7%，電阻率的相對差值為150%，電阻率的變化幅度明顯大于波速的變化幅度。

2.7.2節(jié)的試驗認為，巖體裂隙、孔隙對巖石電阻率影響顯著。

2.7.3節(jié)認為高波速下，含水量對波速影響不明顯。

上述試驗和分析可為實際工程中巖石電阻率與波速相互表征以及綜合地球物理探測中波速、電阻率聯合反演提供借鑒。

第2、3電性層縱波速度均值大于5 800 m/s，均屬于完整巖體。借鑒2.7.3節(jié)可以認為含水量對兩層的波速影響不明顯，但可推斷兩電性層電阻率因裂隙、孔隙、特別是因裂隙發(fā)育應有所差別。

第2、3電性層縱波速度均值分別為5 840、5 990 m/s，兩層波速均值絕對差值為150 m/s、相對差值為2.5%；第2、3電性層電阻率分別為600～1 700 Ω·m和1 700～5 050 Ω·m，其電阻率均值分別約為1 200、3 000 Ω·m，兩層電阻率均值絕對差值為1 800 Ω·m、相對差值為85%。電阻率的變化幅度明顯大于波速的變化幅度。

至此，綜合分析2.7.1～2.7.3節(jié)和綜合物探成果可大致推斷：導致第2、第3電性層微新完整砂巖電阻率變化較大的原因是微小的裂隙（隱裂隙）、孔隙和含水量變化所致。換言之，第2、3電性層實為同一層微新完整砂巖。

3 結語

物探方法的應用是基于一定的物理前提，且地質、地球物理條件和邊界環(huán)境特征對物探測試結果具有較大的影響，故采用單一的物探方法往往難以得到滿意的結果。實例再次表明，針對要解決的地質問題，特別是復雜的地質問題，開展綜合物探，實施物探參數相關性分析，特別是與地質特征的相關性深入分析是提高物探成果質量的關鍵。