直流電法在人防工程探測(cè)斷層中的應(yīng)用

曹 靜，吳燦燦

宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院，宿州，234000

隨著地下空間的開發(fā)和利用，地鐵、地下商場(chǎng)和地下停車場(chǎng)等人防工程得到更大的發(fā)展，地下結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)價(jià)成為關(guān)注的重要問(wèn)題[1]。然而，城市斷層的存在，對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)產(chǎn)生不可忽視的影響。因此，快速有效地探測(cè)城市地下隱伏斷層的空間結(jié)構(gòu)分布情況，為人防工程提供參考方案不可或缺。當(dāng)前主要探測(cè)城市斷層的方法有CSAMT法、地震勘探法和電法等[2-4]。CSAMT法易受到城市電磁干擾，特別是高壓線、通訊電纜等；城市行人車輛等會(huì)對(duì)地震勘探結(jié)果造成隨機(jī)干擾，而直流電阻率法作為一種多極距、高分辨率的勘探方法，已經(jīng)在水文工程地質(zhì)[5]、礦井水害防治[6]、環(huán)境污染探測(cè)[7]等方面取得了良好勘探效果。隨著城市的快速發(fā)展與采集技術(shù)的不斷提高，利用該方法探測(cè)斷層的隱伏位置能夠有效加快工程進(jìn)度，為人防工程提供資料[8]。

1 直流電法工作原理

自然界中巖石和礦石之間存在電性性質(zhì)差異，通過(guò)人工或自然建立起電場(chǎng)分布，在地表進(jìn)行觀測(cè)并分析場(chǎng)的變化規(guī)律，分析出地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理勘探方法，即為電法勘探[9]。直流電法可認(rèn)為是一種常規(guī)電阻率法(如圖1),在地表借助供電電極A、B向地下供入電流I，待電場(chǎng)分布穩(wěn)定后，測(cè)量接收電極M、N之間的電位差ΔU，利用公式求得測(cè)點(diǎn)在此深度下的視電阻率值。

圖1 半空間局部不均勻體對(duì)正常地電場(chǎng)的擾動(dòng)示意圖

供電電極將電流傳到地下后，建立起穩(wěn)定電流場(chǎng)，電場(chǎng)流經(jīng)電性性質(zhì)不同的地質(zhì)體時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)研究電場(chǎng)的變化，推斷地質(zhì)體的賦存情況。利用實(shí)測(cè)出來(lái)的視電阻率值，繪制視電阻率斷面圖、視電阻率平面圖、視電阻率曲線圖等，以數(shù)據(jù)擬合地層中的層參數(shù)(電阻率和厚度)，從而劃分地層、圈定異常范圍等。

直流電法包括電測(cè)深法和電剖面法，其中，電測(cè)深法包括對(duì)稱四級(jí)、三極和偶極測(cè)深等裝置形式。因三極裝置為非對(duì)稱系統(tǒng)，對(duì)局部電性異常的響應(yīng)較大[10]，所以在勘探區(qū)域的斷層中能夠有效反映地層變化情況。

2 勘探區(qū)概況與測(cè)線位置

資料顯示，郯廬斷裂帶穿過(guò)宿遷城區(qū)，且斷裂帶均處于隱伏狀態(tài)。郯廬斷裂帶在蘇北由5條斷層組成，分別是昌邑-大店斷裂(F1)、白芬子-浮來(lái)山斷裂(F2)、沂水-湯頭斷裂(F3)、鄌郚-葛溝斷裂(F4)和安丘-莒縣斷裂(F5)[11-12]。據(jù)《宿遷市新規(guī)劃區(qū)地震動(dòng)小區(qū)劃工作報(bào)告》(江蘇省地震工程研究院1997.8)，勘探區(qū)場(chǎng)地位于郯廬斷裂帶內(nèi)宿遷-泗洪段內(nèi)，在北北東向斷裂橋北鎮(zhèn)——宿遷斷裂(F5)和大官莊——雙莊西斷裂(F2)之間(圖2)。

場(chǎng)地地貌類型屬?gòu)U黃河高漫灘，場(chǎng)地大部分現(xiàn)為道路和廣場(chǎng)，較平整。根據(jù)實(shí)際情況，測(cè)線鋪設(shè)于宿遷市黃運(yùn)路，起點(diǎn)在黃運(yùn)路中山郵政儲(chǔ)蓄，測(cè)線走向東西向，全長(zhǎng)260 m，點(diǎn)距30 m(圖3)。由于三極裝置現(xiàn)場(chǎng)布極靈活，而且其非對(duì)稱測(cè)量系統(tǒng)使得對(duì)異常體響應(yīng)明顯，所以選擇三極電測(cè)深方法。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)位置，通過(guò)增大或減小供電電極距(AB長(zhǎng))來(lái)測(cè)量測(cè)點(diǎn)不同深度下的視電阻率大小，之后，以相同的供電極距在下一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行反演形成一個(gè)完整的剖面。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，具體測(cè)點(diǎn)參數(shù)見表1。

圖2 宿遷市及周邊地質(zhì)構(gòu)造略圖

圖3 直流電法施工測(cè)線布置示意圖

表1測(cè)點(diǎn)參數(shù)(單位：m)

OA510121520305080100120130150180OM0.511.21.523581012131518

3 資料處理及解釋

為保證野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，采集過(guò)程中根據(jù)電測(cè)深曲線(圖4)進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)跳躍較大的畸變點(diǎn)采用多次測(cè)量或者回測(cè)的方式來(lái)提高野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，保證后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的校正結(jié)果。

圖4 測(cè)線測(cè)點(diǎn)VES曲線

圖4中各個(gè)測(cè)點(diǎn)的VES曲線大體屬于“H”型，符合華東北部地區(qū)的地層整體分布情況，表層由于第四系覆蓋層表現(xiàn)出視電阻率值較高，淺部(100～200米)因存在含水層視電阻率值偏低。各個(gè)地區(qū)的區(qū)域性差異使得VES曲線存在略微變化。

野外施工結(jié)束后，對(duì)野外采集數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯：利用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的視電阻率曲線圖，去除畸變點(diǎn)，校正數(shù)據(jù)；之后，用suffer軟件繪制視電阻率斷面圖(圖5)，由于地球物理勘探存在多解性的問(wèn)題，解釋過(guò)程中易存在多種誤差，所以，結(jié)合勘探區(qū)域內(nèi)的鉆探、測(cè)井和地質(zhì)等資料，可以有效減小相對(duì)誤差，達(dá)到對(duì)探測(cè)區(qū)域橫縱方向的電性變化情況的定性解釋。

圖5 三極測(cè)深視電阻率斷面圖

從圖5的三極測(cè)線視電阻率斷面圖上可以看出，深度方向上電性變化情況基本屬于“H”型，成層性較明顯。根據(jù)斷面圖中視電阻率的等值線來(lái)劃分相對(duì)低阻體范圍，可以看出低阻異常體表現(xiàn)十分清晰(圖中所標(biāo)A和B區(qū))。該區(qū)所圈A范圍推斷為一斷層發(fā)育地帶，從圖3和圖5的對(duì)應(yīng)關(guān)系可看出，距離黃運(yùn)中路與幸福南路交叉的環(huán)形路往西約10～70 m(圖5中的相對(duì)零坐標(biāo)20 m遠(yuǎn)左右)推斷為斷層的出露，地下120 m深處斷層從環(huán)形路的中間往西30 m(圖5中的相對(duì)零坐標(biāo)130 m左右)，斷層發(fā)育推斷為從西往東延伸，而且此斷層的規(guī)模可能會(huì)影響到該處人防工程的施工及安全問(wèn)題。所圈B范圍推斷為一低阻異常區(qū)，地下90m處以上的地區(qū)可能是一范圍較大的含水沙石，巖石的硬度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較松軟，估計(jì)此處基巖面在90m深左右，基巖面上面的低阻異常幾乎全部坐落在基巖面之上，這樣的地質(zhì)條件同樣不利于人防工程的建設(shè)。

4 結(jié) 語(yǔ)

電法勘探的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，為保證野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量及保證后期結(jié)果分析，可繼續(xù)沿用電測(cè)深(VES)曲線判斷野外數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，數(shù)據(jù)編輯、濾波等處理方法不會(huì)使結(jié)果失真；此外，面對(duì)多解性問(wèn)題，可利用地質(zhì)、鉆探和測(cè)井等資料補(bǔ)充。

根據(jù)前期資料[13]的對(duì)比分析，直流電法在探測(cè)城市斷層中可以取得良好效果，而且該方法在施工過(guò)程中能靈活地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)條件，勘探結(jié)果亦能及時(shí)反饋，查明不良地質(zhì)作用的類型、成因、分布范圍，提出整治方案建議，評(píng)價(jià)場(chǎng)地的穩(wěn)定，是城市人防工程建設(shè)的一種較優(yōu)勘探手段。

致謝：向中國(guó)礦業(yè)大學(xué)鄧帥奇博士給予項(xiàng)目實(shí)施期間的技術(shù)指導(dǎo)、儀器使用等表示感謝。