巖石裂隙電阻率特征研究

宋文杰,吳子泉,姜早峰,杜歷英

(山東省工程地震研究中心,濟南 250021)

巖石裂隙電阻率特征研究

宋文杰,吳子泉,姜早峰,杜歷英

(山東省工程地震研究中心,濟南 250021)

巖石的電阻率差是電阻率法的物理前提,利用電阻率法研究斷層是比較有效的方法。利用斷層破碎帶與周圍巖石的電阻率差異,跨斷層做了大量的實驗數(shù)據(jù),通過對比和分析,得出了研究破碎帶與周圍巖石的電性差異,尋找變化規(guī)律,研究其變化特征。對今后斷層探測具有重要價值,對防震減災(zāi)具有重要意義。

電阻率;反演;層狀介質(zhì)

0 引言

地震的發(fā)生有其特定的構(gòu)造環(huán)境,大地震與斷裂的活動性、規(guī)模、構(gòu)造位置和深部構(gòu)造差異有良好的相關(guān)性,研究破碎帶與其周圍巖石的電性差異是研究斷裂的重要依據(jù),在地震小區(qū)劃和地震安全性評價過程中具有重要意義[1-2]。

巖石的電阻率差是電阻率法的物理前提,也是高密度電阻率法的物理前提。影響巖石導(dǎo)電的因素很多,其中主要因素為巖石的成分、結(jié)構(gòu)、所含水分及溫度等[3-4]。在斷裂構(gòu)造中,破碎帶與周圍巖石的成分、結(jié)構(gòu)等都有一定的差異,但是地質(zhì)條件具有復(fù)雜性,隨著長時間的地質(zhì)作用,其電阻率的差異極其復(fù)雜。本文在前人基礎(chǔ)上研究破碎帶與周圍巖石的電性差異,尋找其變化規(guī)律,研究其變化特征。

電阻率法實際上是一種陣列電探的思想,早在70年代末期就有人考慮實施,英國學(xué)者設(shè)計的電測深偏置系統(tǒng)實際上就是高密度電阻率法的最初模式。80年代中期,日本地質(zhì)計測株式會社曾借助電極轉(zhuǎn)換板實現(xiàn)了野外高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集,只是由于整體設(shè)計的不完善性,這套設(shè)備沒有充分發(fā)揮高密度電阻率法的優(yōu)越性。80年代后期,我國地礦系統(tǒng)率先開展了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究,從理論和實際結(jié)合的角度,進一步探討并完善了方法理論及有關(guān)技術(shù)問題。近年來該方法先后在重大場地的工程地質(zhì)調(diào)查、斷層探測等方面得到了應(yīng)用,特別是國家地震局地球物理研究所對其進行了大量實驗[5-6]。

很多專家在方法應(yīng)用上做了大量研究,但是對巖石裂隙電阻率差異沒有深入研究,由于缺乏足夠的實驗?zāi)Ｐ鸵罁?jù),使得解釋工作面臨很大的困難。因此研究介質(zhì)的電性差異是電阻率法發(fā)展的根本。

1 電阻率與孔隙度之間的關(guān)系

電阻率參數(shù)受到很多因素的影響,在進行電阻率參數(shù)標(biāo)定的時候,必須充分考慮到這些因素才能夠正確進行電阻率標(biāo)定工作。在一般情況下,巖石的電阻率有如下的經(jīng)驗公式。

式中,ΠM為礦物導(dǎo)電參數(shù),相對于水的電阻率可以看作無限大,故當(dāng)巖石裂隙中充滿水時,可以忽略不計;ΠΠ為表面導(dǎo)電參數(shù),它表示了巖石電阻率和吸附在巖石表面的離子層導(dǎo)電性的關(guān)系,在一般情況下也可忽略不計;PΠ為孔隙度參數(shù),它與裂隙度成反比指數(shù)關(guān)系;Ph為飽和度參數(shù),表示部分裂隙在填充非導(dǎo)電液體(石油、瀝青等)時巖石電阻率的升高,本次研究電阻率與孔隙度的關(guān)系時,認為巖石裂隙中水飽和,所以Ph在所有的巖石與地層中是一樣的;ρR為隨著地層溫度改變而改變的地層水的電阻率,在進行本次研究中,地層溫度變化不大,所以也近似認為是不變的。我們可以近似地認為,當(dāng)巖石地層中充滿裂隙水時,公式(1)可以簡化為:

式中,k1為比例系數(shù)。裂隙度參數(shù)與裂隙度成反比指數(shù)關(guān)系。

等式中,k2為比例系數(shù),k為巖石的孔隙度,所以有:

式中,k=k1×k2。

試驗表明,近地表淺部巖石,尤其是沉積盆地中的砂巖、頁巖、泥巖和碳酸鹽巖的電阻率主要與巖石的裂隙度和裂隙水的含量有關(guān),裂隙水的電阻率一般在0.1～10Ω·m之間變化。巖石具有一定的孔隙度且孔隙水具有較好的連通性,則其電阻率可降到幾至10Ω·m。另外影響巖石電阻率的因素還有很多,比如溫度、礦物成分與結(jié)構(gòu)、巖石所處位置的壓力環(huán)境、組成巖石的顆粒粗細、是否各向異性以及在一定條件下巖石發(fā)生物理化學(xué)變化的程度等等。但在一般情況下,它們對野外測量結(jié)果的影響相對于裂隙度來說很小,可以不予考慮。

2 實例分析

2.1 工作參數(shù)

工作中采用了地表測量,各測線均采用靈敏度最高的溫納(Wenner)裝置。在本次探測中,采用的道間距為3.5m,最大隔離系數(shù)均為40,測量參數(shù)如下:

(1)電位測量:

①測量范圍:±5000mV

②測量精度:±0.5%(>3mV);±2%(1～3mV)

③電位測量分辨率:1μV

(2)自然電位補償方式及補償范圍:

①跟蹤式自動補償

②在全量程內(nèi)(±5000mV)補償

(3)輸入阻抗:30MΩ

(4)最大供電電壓:600vdc

(5)供電電流:2.5A

(6)A/D位數(shù)及采樣間隔:16;1,2,4ms

(7)儀器工作電壓:12～30V,直流;

(8)工作環(huán)境溫度:0～40℃

(9)體積、重量:300mm×400mm×320mm(W×L×H);13kg

(10)電極道數(shù):200

2.2 測線布置

本次試驗是跨沂水—湯頭斷裂來布置的,測線分布如圖1,主要目的是根據(jù)斷層破碎帶與周圍巖石的電阻率差異來判斷斷裂的展布情況。進而分析巖石電阻率與破碎帶的孔隙度和含水量有直接關(guān)系。

圖1 高密度電法測線分布圖

2.3 地層電性信息

本次勘測揭露地層上部為全新統(tǒng)沖洪積層,下部基巖為泥巖、砂巖,巖石節(jié)理發(fā)育。其中包括強風(fēng)化層、中風(fēng)化層。在這種風(fēng)化程度不同的情況下,特別是在斷裂帶上,介質(zhì)的裂隙度和裂隙水的含量差異很大,因此本次探測得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)高,電阻率大都在20～200Ω·m之間,有明顯差異。數(shù)據(jù)見表1,反演結(jié)果見表2。

地電剖面數(shù)據(jù)通過一維反演得到的結(jié)果。其中迭代次數(shù)為5次,收斂到5%。結(jié)果見圖2和圖3。

表1 某工程測得部分數(shù)據(jù)表

表2 反演結(jié)果表

圖2 破碎帶探測結(jié)果(測線一)圖

圖3 破碎帶探測結(jié)果(測線二)圖

從探測結(jié)果來看,沂水—湯頭斷裂從何官莊、相公莊通過,總體走向為N10°E。斷裂經(jīng)多期活動,表現(xiàn)為強烈的擠壓、破碎,平面剖面形態(tài)均呈舒緩坡狀,其破碎帶內(nèi)介質(zhì)的孔隙度與周圍巖性形成鮮明對比,在層析圖上顯示出電阻率變化較大的態(tài)勢。

3 結(jié)論

(1)巖石的電阻率不僅與巖石孔隙度的大小有關(guān),而且還取決于孔隙的結(jié)構(gòu)。通常當(dāng)孔隙連通較好時,其中水分對巖石電阻率影響較小。節(jié)理或裂隙式孔隙,亦具有明顯的方向性,沿節(jié)理或裂隙方向巖石電阻率較低,而垂直于節(jié)理或裂隙方向電阻率較高。

(2)變質(zhì)巖孔隙度與風(fēng)化程度有關(guān),通常是巖石分化程度越低,巖石越致密,孔隙度越小,其電阻率越大。因此,片麻巖電阻率的級次與花崗巖相當(dāng),而泥質(zhì)板巖的電阻率較低。

[1] 崔青發(fā),段文倉.乾陵寶雞兩臺地電阻率異常與關(guān)中鄰區(qū)中強地震的對應(yīng)特征[J].華北地震科學(xué),2008,26(1):26-29.

[2] 孫麗娜,金學(xué)申.晉獲斷裂帶構(gòu)造和地震活動特征[J].華北地震科學(xué),2009,27(4):11-15.

[3] 王德利,何樵登,韓立國.裂隙各向異性介質(zhì)中的NMO速度[J].地球物理學(xué)進展,2007,22(6):1698-1705.

[4] 黃偉傳,楊長春,范桃園,等.巖石物理分析技術(shù)在儲層預(yù)測中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進展,2007,22(6):1791-1795.

[5] 張鳳旭,張風(fēng)琴,劉財,等.斷裂構(gòu)造精細解釋技術(shù)——三方向小子域濾波[J].地球物理學(xué)報,2007,50(5):1543-1550.

[6] 姚保華,章振銓,王家林,等.上海地區(qū)地殼精細結(jié)構(gòu)的綜合地球物理探測研究[J].地球物理學(xué)報,2007,50(2):482-491.

Study on Resistivity Characteristic of Rock Fracture

SONG Wen-jie,WU Zi-quan,J IANG Zao-feng,DU Li-ying
(Earthquake Engineering Research Center of Shandong Province,Jinan 250021,China)

Resistivity difference of rock is the physical basis of resistivity method,which is a more efficient method.On basis of mass data obtained from cross fault experiment according to resistivity difference of rock between fault fracture zone and its surroundings.The electrical property difference between fault fracture zone and its surroundings is determined through contrasting analysis,which has active significance for future fault exploration and earthquake prevention and disaster alleviation.

electrical resistivity;inversion;layered media

P315.5

A

1003-1375(2010)04-0024-03

2010-03-11

山東省防震減災(zāi)“十一五”重點項目(SD115-6-6,SD115-6-7)

宋文杰(1980-),男(漢族),山東沂水人,工程師,主要從事地球物理方面研究.E-mail:wenjie1980@sina.com