高密度電法在斷裂構(gòu)造探測中的應(yīng)用

張建國，嚴(yán)江勇

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

工程建設(shè)場地受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動或人為地下施工擾動等影響，地表及地下一定范圍內(nèi)容易出現(xiàn)巖土體開裂，會對地表及地下工程構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，查明斷裂的地下空間分布規(guī)律對工程建設(shè)極為重要。斷裂作為一個軟弱夾層，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。一般來說，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，電阻率相對較小；地下和地表水越豐富，電阻率越??；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，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)造探測中是可行的[2]。文章以高密度電法為探測手段，用于某工程的斷裂構(gòu)造探測，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

在實際工作中，A、B為供電電極，M、N為測量電極，通過儀器測出電流I和MN處的電位差，電阻率按式（1）計算：

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

在實際測量中，由于地形起伏、地下介質(zhì)不均勻及各向異性等原因，使得實際測得的電阻率值不是巖石的真實電阻率，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較高，在深部淺部均有較大的一次場電壓VP值，在地表干燥、接地不良、供電電流較小時也有較高信噪比，地形起伏造成的干擾較??；其缺點是由于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為A→M→N→B（其中A和B是供電電極，M和N是測量電極）。開始測量時，AM=MN=NB為一個電極距，A、B、M、N逐點同時向右滾動，測得第一條剖面線；然后AM、MN、NB同時增加一個電極距，A、B、M、N逐點同時向右滾動，測得另外一條剖面線。測量過程中，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)過這種方法不斷采集直至結(jié)束，最終的測量斷面為倒梯形。

圖2 溫納排列電極位置示意圖

2 工程實例

某隧道出口區(qū)在施工過程中地表出現(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。

2.1 地質(zhì)地球物理特征

該測區(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條件。測區(qū)地質(zhì)情況如圖3所示。

圖3 測區(qū)地質(zhì)情況

2.2 工作布置

根據(jù)測區(qū)地質(zhì)和地形條件，布置了1條測線，測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，測線中點位于裂縫上方，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)域為高阻區(qū)，電阻率大部分超過1000Ω·m，對應(yīng)于相對較完整的基巖；而在反演色譜圖的右下方區(qū)域表現(xiàn)為相對低阻區(qū)，電阻率為100～600Ω·m，對應(yīng)基巖的完整性較差，推測巖溶較發(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，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

高密度電法在斷裂構(gòu)造探測中，對于不同的斷裂性質(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，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，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，采用高密度電法進(jìn)行探測，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。