二維高密度電法在清徐縣地裂縫勘察中的應(yīng)用

薛 曉 東

(山西省地震局，山西 太原 030002)

二維高密度電法在清徐縣地裂縫勘察中的應(yīng)用

薛 曉 東

(山西省地震局，山西 太原 030002)

以二維高密度電法在清徐縣境內(nèi)地裂縫勘察的工作為例，介紹了二維高密度電法的工作原理，對(duì)其在地裂縫勘察中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，指出二維高密度電法是常用的電阻率測(cè)量方法，它集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)。進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，數(shù)據(jù)量大，信息多，觀測(cè)精度高，探測(cè)的深度靈活。

二維高密度電法，活動(dòng)斷裂，地裂縫

0 引言

交城斷裂為太原斷陷盆地的西界斷裂，是太原盆地內(nèi)規(guī)模最大的斷裂，對(duì)太原盆地的形成、發(fā)展起著決定性作用。1998年以來(lái)，在清徐縣西邊山一帶沿交城斷裂相繼出現(xiàn)了大量的地裂縫，使沿線的村莊、道路、廠房、農(nóng)田遭到了不同程度的破壞，為減輕地裂災(zāi)害對(duì)清徐縣西邊山一帶建、構(gòu)筑物的破壞，為清徐縣的城鄉(xiāng)建設(shè)提供規(guī)劃依據(jù)，開(kāi)展了山西省清徐縣境內(nèi)地裂縫勘察評(píng)價(jià)工作。

根據(jù)對(duì)區(qū)域地質(zhì)情況和已收集到的資料分析，斷裂帶地球物理勘探工作主要采用了二維高密度電法，用以查明地裂縫的分布。

1 項(xiàng)目概況

清徐縣位于山西省中部，太原市東南端，行政區(qū)劃隸屬太原市管轄。本次勘察范圍為清徐縣境內(nèi)交城斷裂帶的展布區(qū)北西1 km，南東4 km的范圍，其東起上固驛村北東，西至武家坡村西，其北起貓兒梁—?jiǎng)⒓覉@—方山一線，南至西支河渠一線。本次項(xiàng)目中用二維高密度電法來(lái)查明勘查區(qū)中地裂縫的位置展布。

2 工作原理

高密度電法是新型電阻率測(cè)量方法。它集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，數(shù)據(jù)量大，信息

多；觀測(cè)精度高，探測(cè)的深度靈活。在工程地質(zhì)勘察、斷裂勘察中的前景十分廣闊。

高密度電法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。和常規(guī)電阻率法一樣，它通過(guò)A,B電極向地下供電流I，然后在M,N極間測(cè)量電位差ΔV，從而求得該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs=KΔV/I。根據(jù)實(shí)測(cè)的視電阻率剖面，進(jìn)行計(jì)算、處理、分析，便可獲得地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層、圈閉異常等。

高密度電法的核心是在觀測(cè)上采用陣列電極系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)、數(shù)據(jù)處理上實(shí)施二維反演，由實(shí)測(cè)的視電阻率值得到真電阻率的分布圖像。由于電成像利用了豐富的信息量和非線性反演，所得結(jié)果的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)電法勘探。這種二維真電阻率的分布圖像十分便于地質(zhì)工作的分析與解釋，大大地降低了傳統(tǒng)電法勘探中的不確定性。由于真電阻率值與地層的巖性、巖石孔隙中液體的性質(zhì)有著密切關(guān)系，所以在識(shí)別斷層、破碎帶、油氣層及其污染源等方面非常有效。

測(cè)線布置。本次共布設(shè)高密度電法測(cè)線20條，布線原則是大體垂直交城斷裂構(gòu)造走向(NEE)，測(cè)線方向近SN向?，F(xiàn)選取幾條測(cè)線分析，測(cè)線參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各測(cè)線的參數(shù)一覽表

3 二維高密度電法資料的地質(zhì)解釋

3.1 高密度電法勘探解釋的地質(zhì)基礎(chǔ)

1)根據(jù)交城斷裂帶有關(guān)資料，本區(qū)的地層如下：

a.第四系(Q)。區(qū)內(nèi)分布較廣，巖性變化較大，主要分布于邊山一帶局部地區(qū)及山前平原區(qū)。包括中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層。

中更新統(tǒng)(Q2)：分布于邊山及平原區(qū)。邊山區(qū)巖性主要為棕紅色粉質(zhì)粘土，含古土壤層，并夾有砂、小礫石薄層，含少量鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)。厚2.0 m～10.0 m，為坡洪積地層。

上更新統(tǒng)(Q3)：分布于邊山及平原區(qū)。邊山區(qū)巖性為淡黃色黃土狀粉質(zhì)砂土，夾少量小的鈣質(zhì)結(jié)核。厚3.0 m～15.0 m，屬風(fēng)積成因。平原區(qū)埋深一般大于20 m，巖性為淺黃、灰黃色粉土、粉質(zhì)粘土夾砂礫石及中細(xì)砂層。厚度為15.0 m～20.0 m，屬?zèng)_洪積成因。

全新統(tǒng)(Q4)：分布于山前洪積扇群及白石河和其他河谷中，為現(xiàn)代河流堆積物，巖性主要為砂礫石層，厚20.0 m～40.0 m。

b.二疊系(P)。分上、下兩個(gè)統(tǒng)，為一套多旋回陸相碎屑巖建造。

下統(tǒng)下石盒子組(P1x1)：區(qū)內(nèi)基巖山區(qū)分布，分兩段。一段(P1x1)下部為黃綠色粗中粒長(zhǎng)石石英砂巖、硬砂巖，夾有灰色頁(yè)巖、薄煤層及煤線；上部為灰色、黃綠色砂質(zhì)頁(yè)巖，厚16.0 m～80.0 m，與山西組呈整合接觸。二段(P1x2)下部主要為黃綠色厚層長(zhǎng)石砂巖、硬砂巖夾砂質(zhì)頁(yè)巖；上部為黃綠色薄層細(xì)砂巖與黃綠色砂質(zhì)頁(yè)巖、頁(yè)巖、紫色頁(yè)巖互層。厚28.0 m～90.0 m。分布于邊山一帶。

上統(tǒng)上石盒子組(P2s)：分兩段，區(qū)內(nèi)主要分布一段，局部有二段分布。一段(P2s1)底部為黃綠色厚層含礫粗粒長(zhǎng)石砂巖，其上為黃綠色、杏黃色粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖以及頁(yè)巖夾黃綠色長(zhǎng)石砂巖及少量紫色頁(yè)巖。本段厚60.0 m～114.0 m。分布于邊山河溝溝坡的大部分地區(qū)。二段(P2s2)底部為黃綠色含礫硬砂質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，其上為紫色、黃綠色、杏黃色粉砂巖、砂質(zhì)頁(yè)巖及頁(yè)巖。本段厚63.0 m～122.0 m。分布于一段之上，區(qū)內(nèi)出露面積不大。

2)水文地質(zhì)條件。根據(jù)地層巖性的分布規(guī)律，清徐縣含水巖組包括第四系松散巖類孔隙水和石炭二疊系碎屑巖類裂隙水。其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水，排泄途徑則為人工開(kāi)采、采煤排水與向下游排泄。

a.松散巖類孔隙水主要分布在沖積平原區(qū)，汾河西岸水位埋藏深度1 m～2 m，太汾公路一線處于邊山洪積扇前緣，地下水埋深一般為0.5 m～1 m，形成以大孔隙要素為主的結(jié)構(gòu)特征，地下水以重力水形式存在于孔隙中，地下水徑流條件一般。

b.石炭、二迭系碎屑巖主要分布在西部邊山及溝谷兩側(cè)，主要巖性為砂巖，巖層裂隙不甚發(fā)育，巖石含水性微弱，砂巖透水性不良。

根據(jù)以上地層和水文地質(zhì)的分布特點(diǎn)，測(cè)區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)電性特性分為三套：全新統(tǒng)(Q4)為典型的相對(duì)高阻層；中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)為典型相對(duì)低阻層；上統(tǒng)上石盒子組(P2s)為典型的相對(duì)高阻層。

當(dāng)有地裂縫存在時(shí)，可能存在兩種情況：一種是地裂縫未被填充，發(fā)育于全新統(tǒng)(Q4)砂礫石層時(shí)，此時(shí)在電性剖面上表現(xiàn)與地層的電性表現(xiàn)相似，發(fā)育于該層的地裂縫無(wú)法從電性剖面上反映；發(fā)育于上更新統(tǒng)(Q3)的粉質(zhì)粘土層中表現(xiàn)為相對(duì)高阻；另一種是地裂縫被填充，發(fā)育于全新統(tǒng)(Q4)砂礫石層時(shí)，表現(xiàn)為相對(duì)低阻，發(fā)育于中更新統(tǒng)(Q2)、上更新統(tǒng)(Q3)的粉質(zhì)粘土層中，此時(shí)在電性剖面上表現(xiàn)與地層的電性表現(xiàn)相似，發(fā)育于該層的地裂縫無(wú)法從電性剖面上反映。

以上特征電性層之地質(zhì)屬性確認(rèn)形成“地質(zhì)—地球物理模型”，為高密度電法在本區(qū)解決地質(zhì)構(gòu)造問(wèn)題奠定了地質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 二維高密度電法測(cè)線分析

1)qx-4(方山村與馬家坡相鄰路上)。該測(cè)線位于方山村與馬家坡相鄰的路上，測(cè)線起始點(diǎn)在北，電極距5 m，總電極數(shù)20個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)95 m。反演電阻率剖面圖見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出：剖面揭露的電性特征非常明顯，電阻率呈現(xiàn)南低北高的特征。電阻率在垂向上大致分為兩層，1層：該層電阻率呈現(xiàn)相對(duì)低阻，電性層厚度約為0.5 m～12.0 m，厚度變化較大，沿剖面方向分布不均勻，在離測(cè)線起點(diǎn)約47 m處電性厚度發(fā)生突變，電阻率值約為40 Ω·m～86 Ω·m，推測(cè)該層為中更新統(tǒng)或上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土層；2層：該層電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻區(qū)，電性層厚度約為3.1 m～12.4 m，電阻率值約為100 Ω·m～150 Ω·m，該層在離起點(diǎn)約47.0 m處電阻率發(fā)生突變，由于在該深度范圍內(nèi)未見(jiàn)地下水，剖面兩側(cè)的電性差異是兩側(cè)巖土層的物性差異引起的，高阻層分布特征沿剖面南傾，符合山前基巖的分布特點(diǎn)，且在測(cè)線北段基巖出露，推測(cè)該地層巖性為基巖。

綜合剖面上的電阻率分布特征，由此可以推斷有斷層(F1)通過(guò)剖面，斷層兩側(cè)電阻率差異明顯。斷層在地面上的投影位置位于測(cè)線起點(diǎn)約47.0 m處，上棱埋深約11.0 m。

2)qx-7(東馬峪)。該測(cè)線位于東馬峪村，測(cè)線起始點(diǎn)在北。電極距3 m，總電極數(shù)60個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)178 m。反演電阻率剖面圖見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出：整個(gè)剖面電性結(jié)構(gòu)在垂直方向上大體分為兩層。1層：電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻區(qū)，該層在橫向上分布不均勻，厚度變化較大，大體呈透鏡狀分布，電性層厚度約為18.0 m～27.1 m，電阻率值約為100 Ω·m～150 Ω·m。測(cè)線位于山前洪積扇，推測(cè)該層為全新統(tǒng)(Q4)的砂礫石層。該層在離測(cè)線起點(diǎn)約24 m,108 m處有小范圍低阻異常，異常自斷面頂部向下延伸2.0 m～2.75 m。推測(cè)該處有地裂縫通過(guò)，且地裂縫被沖刷后填充；2層：電阻率表現(xiàn)為相對(duì)低阻區(qū)，電阻率值約為20 Ω·m～50 Ω·m，該層在水平方向分布較均勻，呈現(xiàn)出舒緩波狀，電性層連續(xù)，推測(cè)該層為中更新統(tǒng)(Q2)或上更新統(tǒng)(Q3)的粉質(zhì)粘土層，無(wú)地層斷錯(cuò)。

綜合上述剖面電性層的分布特征，推測(cè)在離測(cè)線起點(diǎn)約24 m,108 m處有地裂縫通過(guò)。

3)qx-15(清徐高速公路收費(fèi)站西)。該測(cè)線位于清徐高速公路收費(fèi)站西小樹(shù)林，測(cè)線起始點(diǎn)在南，電極距2 m，總電極數(shù)120個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)238 m。

反演電阻率剖面圖見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出：剖面揭露的電性比較紊亂，但仍能分辨電阻率在垂向上大致分為三層。1層：電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻，該層不連續(xù)，沿測(cè)線方向分布不均勻，部分地段呈透鏡狀，厚度變化較大，范圍約為0.5 m～11.6 m，電阻率值約為40 Ω·m～60 Ω·m，推測(cè)該層為全新統(tǒng)(Q4)的砂礫石層。在該層約118 m處有一低阻異常，異常影響寬度約為6 m，推測(cè)該處有一地裂縫，該地裂縫被沖刷的土層所填充；2層：電阻率表現(xiàn)為相對(duì)低阻，該層在橫向上分布不均勻，厚度變化較大，電性層埋深約為28.00 m～35.0 m，電阻率值約為15 Ω·m～30 Ω·m。推測(cè)該層為中更新統(tǒng)(Q2)或

上更新統(tǒng)(Q3)的粉質(zhì)粘土層；3層：電阻率表現(xiàn)為相對(duì)高阻，電阻率值約為40 Ω·m～60 Ω·m，該層在水平方向分布均勻，該電性層在剖面上反映的較少，推測(cè)為中更新統(tǒng)(Q2)或上更新統(tǒng)(Q3)的礫石層或砂層。

綜合上述剖面電性層的分布特征，推測(cè)在離測(cè)線起點(diǎn)約為118 m有地裂縫通過(guò)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，綜合分析地球物理勘探的結(jié)果，位于西邊山一帶，分布于交城斷裂帶上或其上盤250 m的范圍內(nèi)的地裂縫與交城斷裂的活動(dòng)有關(guān)，距斷層10 m～20 m的地裂縫下部與斷層直接相連，是斷層活動(dòng)在地表的表現(xiàn)形式，斷裂10 m～20 m之外的地裂縫均為受到斷裂上盤地層下降影響產(chǎn)生的裂縫，均屬構(gòu)造裂縫。

2)本次物探工作的重點(diǎn)是查明交城斷裂帶地裂縫的位置，工作結(jié)果表明，二維高密度電法對(duì)地下電結(jié)構(gòu)具有高分辨率，是研究淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)行之有效的方法。同時(shí)，由于某些勘查工程受地質(zhì)地形影響較大，在一定程度上影響勘探測(cè)量的精度，所以，結(jié)合勘察區(qū)域的地質(zhì)及其他資料，勘探的準(zhǔn)確度會(huì)更高。

[1] 李金銘，羅延鐘.電法勘探新進(jìn)展[M]．北京：地質(zhì)出版社，1996．

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The application of two dimensional high-density electrical exploratio in the investigation of ground crack in Qingxu County

Xue Xiaodong

(EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030002,China)

Taking the work of 2D high-density electrical method in Qingxu ground cracks for example, this paper introduced the working principle of 2D high-density electrical method, researched its application in ground crack survey, pointed out that the 2D high-density electrical method was commonly used specific resistance survey method, it integrated electric profile and electric sounding, using high density stationing, made 2D geoelectric section measurement, had large amount of data, information, observation precision, depth and flexible detection.

2D high-density electrical method, active fault, ground crack

1009-6825(2015)32-0079-03

2015-09-06

薛曉東(1982- )，男，工程師

P624

A