基于Ih-GMH方法的斷裂活動性監(jiān)測研究

李晶晶

(廣東省廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州510440)

針對活動斷裂的常用監(jiān)測方法包括幾大類型，即形變監(jiān)測、應力監(jiān)測和地球物理化學探測。使用的技術方法也多種多樣，如:高精度 GPS多點聯(lián)測、地應力監(jiān)測、地面形變位移監(jiān)測、斷層氣監(jiān)測、微地震監(jiān)測等。近年來，地電地磁監(jiān)測技術在實踐中得到了較好的發(fā)展。地電地磁監(jiān)測技術是利用巖石受力狀態(tài)發(fā)生變化時，所引起的地電阻率、電流、電磁等物理參數(shù)的變化而進行斷裂活動性的監(jiān)測。但是現(xiàn)有的地電地磁觀測方法的裝置一般都布設于地面淺表層，受人為干擾嚴重，難以區(qū)分有效信號。考慮到現(xiàn)有方法的局限性，本文探索構建了深孔地電/地磁/地下水位監(jiān)測系統(tǒng)(In-hole Geo-Electric/Magnetic/Hydrograph Observation System，簡稱Ih-GMH系統(tǒng))，其特點是先利用鉆探準確探查斷裂帶的位置，然后將地電儀、地磁儀、水位儀安裝于150～200 m的深孔之內(nèi)，最后根據(jù)三組參數(shù)的變化進行斷裂活動性的監(jiān)測和解譯。本文以廣州市白云區(qū)金沙中學斷裂監(jiān)測站為例，闡述了站址選擇、監(jiān)測孔定位過程，介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的設備安裝與調(diào)試方法，在斷裂活動性監(jiān)測研究方面開展了一項具有探索性和創(chuàng)新性的工作。

1 監(jiān)測站址的地質(zhì)環(huán)境背景

金沙中學位于廣州市白云區(qū)金沙洲中心位置，附近一帶主要是保障性住房小區(qū)。由于廣從斷裂的西支破碎帶通過金沙中學，使得該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件十分脆弱。該區(qū)第四系覆蓋有幾米至十幾米厚的填土、砂礫、淤泥和粘土層，基巖以灰?guī)r為主，灰?guī)r在受構造作用破碎后產(chǎn)生的大量裂隙成為地下水很好的滲流通道，使得巖溶現(xiàn)象發(fā)育明顯，巖石中出現(xiàn)大量溶蝕孔洞、溶蝕裂隙，繼而形成大的溶蝕通道。因此，研究區(qū)內(nèi)溶洞、土洞普遍發(fā)育，并引發(fā)了地面塌陷和地面沉降地質(zhì)災害。據(jù)調(diào)查，金沙中學主教學樓墻體多處開裂。運動場總沉降量達50～70 cm。地面沉降變形使得塑膠跑道地面變形，高低不平，膠皮隆起。目前校方已經(jīng)完成修繕工作。

2 監(jiān)測站址的斷裂定位探查

為了查清金沙中學的地質(zhì)狀況，并探查通過該區(qū)域斷裂的準確位置，布置施工了9個鉆孔，編號分別為 Z3#1、Z3#2、Z3#3、ZF1、ZF2、ZKDH101、ZKDH 102、ZKDH 401、ZKDH 402。根據(jù)上述鉆孔資料，基本可以確定金沙中學候選場址附近的基底主破碎帶的展布范圍:西界位于 ZKDH402以西，該孔底部巖性較完整，推測為斷裂下盤，故斷裂下界面有可能向東斜;ZKDH101開孔后至孔深35.7 m處巖石完整，其下為斷裂劈理化破碎帶，故其應為破碎帶上界面位置，斷裂向東傾，上盤為相對完整的巖塊。在上述兩個破裂面之間，即金沙中學校園所處位置，基本為斷裂主破碎帶的范疇。

3 監(jiān)測方案設計

本監(jiān)測方案依據(jù)巖石的壓電原理，測量斷裂深部斷面上的應力變化而引起的電磁場變化。方法是:(1)使用深孔地電場觀測系統(tǒng)，將兩對無極化電極分別置于鉆入斷裂破碎帶內(nèi)的主監(jiān)測孔(ZKDH202)底部、破碎帶及其上盤巖塊之上的第四紀沉積層中，通過測量其間的電位差，了解斷裂深部的應力狀態(tài)變化;(2)將深孔地磁儀置于輔助監(jiān)測孔(ZKDH201)底部，監(jiān)測斷裂壓電效應而可能產(chǎn)生的磁場變化，目的是輔助電場數(shù)據(jù)的判斷和解譯;(3)將自動水位儀至于主監(jiān)測孔(ZKDH202)地下水位之下一定深度，測量基巖破碎帶中的水位變化。

主監(jiān)測孔ZKDH202的孔深要求超過200 m，終孔孔徑不少于 95 mm。該孔實際終孔深為203.80 m，終孔孔徑95 m。輔助監(jiān)測孔ZKDH201的設計孔深要求超過150 m，終孔孔徑不少于110 mm。

圖1 斷裂監(jiān)測系統(tǒng)金沙洲站平面設計圖

從圖中可見，金沙中學監(jiān)測站共建4個監(jiān)測點，其中監(jiān)測點1(ZKDH202)放置電極和水位儀，監(jiān)測點3(ZKDH201)放置地磁儀，監(jiān)測點2和點4為淺埋電極，埋深均為2.5 m，電極置于第四系內(nèi)。各監(jiān)測點均有電纜與置于室內(nèi)的監(jiān)測儀器連接，電纜埋于土層下。為防雷擊，整個監(jiān)測系統(tǒng)安裝了防雷地網(wǎng)。

4 監(jiān)測設備安裝與調(diào)試

Ih GMH系統(tǒng)需要配備安裝的主要設備包括:

1)配置安裝一套ATS-SR深孔地電場觀測系統(tǒng)(包括電極布設、電源供電系統(tǒng));

2)配置安裝一套 PMT-ZK深孔地磁場觀測系統(tǒng)(包括深孔磁探頭、供電電源及極化電源);

3)配置安裝一套EWT-A地下水位觀測系統(tǒng)(包括井下探頭、供電電源);

4)配置安裝一套多路網(wǎng)絡數(shù)傳單元及數(shù)采、網(wǎng)頁等控制軟件;

5)設置井口及電極標志墩、各信號電纜的套管埋設等;

6)建設避雷接地地網(wǎng)工程;

上述硬件安裝和系統(tǒng)調(diào)試一切正常后，可進行網(wǎng)絡連接。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)初步解譯

地電場儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的采樣間隔為10 s一組數(shù)據(jù)，每天形成一個數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)結果較平穩(wěn)，變化一般在10～30 mV之間，且兩個系列的曲線變化具有同步性。

圖2 地電儀監(jiān)測曲線圖

水位儀觀測數(shù)據(jù)的采樣間隔也是10 s一組。地下水位儀比較清晰地測量到固體潮的變化:固體潮為半日潮，每天兩個峰值，振幅50～60 mm。這與廣東沿海的日潮是有顯著區(qū)別的。

圖3 水位儀監(jiān)測曲線圖

地磁儀觀測數(shù)據(jù)的采樣間隔為20 s一組。監(jiān)測結果顯示，監(jiān)測點磁場干擾較強，初步分析主要與在附近的高鐵高壓供電裝置和火車運行有關。要排除這種干擾，需查清強干擾源特點后，對深孔地磁儀的測控系統(tǒng)作進一步的改進和調(diào)試，以提高其抗干擾能力，實現(xiàn)測量穩(wěn)定地磁背景場強的目的。

圖4 地磁儀監(jiān)測曲線圖

6 結語

(1)金沙中學位于廣從斷裂的破碎帶上，加之基巖是可溶性的灰?guī)r，巖土條件復雜，易發(fā)巖溶地面塌陷和地面沉降地質(zhì)災害，地質(zhì)環(huán)境十分脆弱。

(2)通過監(jiān)測孔定位準確探查到了斷裂帶位置，將地電儀、地磁儀、水位儀安裝于150～200 m的深孔之內(nèi)，探索性地構建了深孔地電/地磁/地下水位監(jiān)測系統(tǒng)(Ih GMH系統(tǒng))。監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論預期基本一致。

(3)后期應通過實驗和模擬等手段，尋找深部應力積聚點及系統(tǒng)失衡的臨界點，對斷裂的突發(fā)活動進行監(jiān)測預警。