高密度電法在城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

陳實 李延清 李同賀

摘 ? 要：城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作的主要內(nèi)容是查明城市發(fā)展區(qū)及規(guī)劃區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件、隱伏地質(zhì)構(gòu)造及可利用地質(zhì)資源。目前，高密度電法已在工程物探領(lǐng)域取得了成效顯著的調(diào)查成果，本文將此方法推廣應(yīng)用在烏魯木齊城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作中，查明了工作區(qū)內(nèi)隱伏活動斷裂的位置及性質(zhì)，有效識別出地層中的含水構(gòu)造，圈定了煤礦采空區(qū)的埋深及空間展布形態(tài)，為后續(xù)城市地質(zhì)調(diào)查工作提供有效的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高密度電法;城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查;隱伏活動斷裂;煤礦采空區(qū)

近年來，多個城市頻繁發(fā)生地面沉降塌陷、砂土液化、建筑物傾斜及地下建筑透水事故，這些事故的發(fā)生都與城市基礎(chǔ)地質(zhì)條件有密切關(guān)系。為保障城市發(fā)展區(qū)人員及建筑物安全，在城市建筑規(guī)劃設(shè)計時合理避開隱伏不良地質(zhì)體，需全面開展城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作。

城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作通過地下調(diào)查與地面調(diào)查相結(jié)合的方式，調(diào)查地層、活動構(gòu)造及不良地質(zhì)體的地質(zhì)參數(shù)，為第四紀(jì)研究、區(qū)域穩(wěn)定性評價和地基穩(wěn)定性評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高密度電法在諸多工程地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果[1]，美國學(xué)者Loke M H博士系統(tǒng)總結(jié)了高密度電法在各國各地區(qū)的工程勘查成果[2]。羅登貴等運用數(shù)值模擬方法計算了活動斷層在不同高密度電法采集裝置中的響應(yīng)特征并進(jìn)行了實際應(yīng)用[3];祁民等將高密度電法技術(shù)應(yīng)用于山西陽泉某采空區(qū)勘查工作中，高精度預(yù)測了復(fù)雜采空區(qū)的空間形態(tài)[4];陳松等將高密度電法作為防城港地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查中的主要物探工作手段，較準(zhǔn)確地獲取區(qū)內(nèi)地下水含水層的埋深、厚度、空間展布形態(tài)[5]。

通過分析大量的烏魯木齊城市地質(zhì)資料，認(rèn)為活動斷裂及煤礦采空區(qū)為烏魯木齊城區(qū)內(nèi)主要不良地質(zhì)構(gòu)造，可誘發(fā)多種形式的城市基礎(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害。對于烏魯木齊市范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造，前人已做過很多研究和勘探工作，其中部分?jǐn)嗔褜匐[伏活動斷裂，使得確定其位置成為工作難點[6-8]。同時，隨著城市的不斷擴(kuò)張，六道灣煤礦也逐步被城市生活區(qū)及交通網(wǎng)包圍。在六道灣煤礦開采過程中，沿煤層采空區(qū)形成了條帶狀地面塌陷，近年來有關(guān)單位對塌陷坑進(jìn)行了回填治理。由于地處烏魯木齊市中心城區(qū)，查清煤礦塌陷區(qū)的采空情況，對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境評價及未來城市發(fā)展具重要意義。因此，應(yīng)用地球物理勘探手段準(zhǔn)確探測活動斷裂的位置及采空區(qū)影響范圍成為烏魯木齊市城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的關(guān)鍵性工作。

本文在地面地質(zhì)調(diào)查難以開展工作的區(qū)域，開展了高密度電法剖面的測量工作。通過多條剖面的物探測量工作，完成了復(fù)雜城市條件下的地層巖性及構(gòu)造識別工作，評價了斷層兩側(cè)地下水資源分布狀態(tài)，并劃分了六道灣地區(qū)地下煤礦采空區(qū)的空間展布形態(tài)，為后續(xù)烏魯木齊城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查評價工作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 ?高密度電法探測活動斷裂

及采空區(qū)的原理

1.1 ?高密度電法的基本原理

高密度電阻率法（又稱電阻率層析成像法，以下簡稱高密度電法）的基本理論與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，是以探測地下目標(biāo)體與圍巖之間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法。工作時，將很多電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉(zhuǎn)換器的控制，實現(xiàn)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動組合，從而一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下多種參數(shù)的方法。對取得的多種參數(shù)經(jīng)相應(yīng)程序的處理和自動反演成像，可快速、準(zhǔn)確地給出所測地電斷面的地質(zhì)解釋圖件，從而提高了電阻率方法的工作效率[9]。在實際工作中，測點的視電阻率值計算公式為：

ρs=K[ΔUI…………………]（1）

式中，[ΔU]為測量電極之間的電位差（單位：mV），I為供電電流（單位：mA），K為裝置系數(shù)。

高密度電法獲取的電阻率剖面由于淺部異常被“放大”，不能準(zhǔn)確反映深部異常體的位置，需要進(jìn)行二維反演計算。本次工作使用基于圓滑約束的最小二乘法，方法基于以下方程：

（JT+μF）d=JTg [………………]（2）

式中，J為偏導(dǎo)數(shù)矩陣，JT為J的轉(zhuǎn)置矩陣，μ為阻尼系數(shù)，d為模型參數(shù)修改矢量，g為殘差矢量，F(xiàn)=fxfx1+fzfz1，fx為水平平滑濾波因子，fz為垂直平滑濾波因子。

反演計算采用基于平滑約束的最小二乘法，這種方法的優(yōu)點是平面過濾器和阻尼系數(shù)能隨著數(shù)據(jù)類型而自動調(diào)整。最優(yōu)化方法主要是通過調(diào)整模型單元體的電阻率值來減小實測視電阻率值與正演計算視電阻率值之間的差異，這種差異的大小用均方根誤差來衡量。從地質(zhì)條件來說，最小均方差值時的模型并不一定符合實際地質(zhì)情況。一般情況下可選取迭代后均方誤差不再明顯變化時的模型做地質(zhì)解釋，通常3～5次迭代計算后，均方差就不再明顯變化（圖1）[10]。

1.2 ?活動斷裂及采空區(qū)地球物理響應(yīng)特征

斷層內(nèi)巖石破碎、沉積物填充等因素，其與圍巖具明顯的電性差異，若斷層內(nèi)充水則表現(xiàn)為低阻條帶，否則表現(xiàn)為高阻條帶。因此在電阻率斷面圖上等值線連續(xù)變化或突然彎曲的梯度帶可判斷為斷層。其中，斷層明顯穿過了第四系可作為推斷斷層活動時間的依據(jù)[11]。

煤礦采空區(qū)由淺至深可分為彎曲帶、斷落帶及垮落帶。通常情況下，煤礦采空區(qū)受地下含水層和圍巖塌陷的影響，產(chǎn)生兩類賦存狀態(tài)：充填采空區(qū)和未充填采空區(qū)。充填采空區(qū)是指采空區(qū)底板位于地下水位線以下，上部頂板跨落或內(nèi)部充填有淤泥粘土等沉積物，因充填物比圍巖松散、潮濕而呈中阻或相對低阻特征，此時在電阻率斷面圖中表現(xiàn)為中低阻圈閉;未充填采空區(qū)是指底板位于地下水位線以上，內(nèi)部為空洞未充水，表現(xiàn)為高阻圈閉[12]。因此采空區(qū)與圍巖之間存在明顯電性差異，根據(jù)采煤地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，電阻率法可有效識別煤礦采空區(qū)的賦存特征。

2 ?工作區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于烏魯木齊市東南部，位于天山興蒙地層大區(qū)，北疆地層區(qū)，南準(zhǔn)噶爾北天山地層分區(qū) ? （圖2）。區(qū)內(nèi)出露上古生界、中生界和新生界，上古生界主要以二疊系為主，中生界發(fā)育三疊系、侏羅系，新生界遍及全區(qū);在大地構(gòu)造上，調(diào)查區(qū)屬于天山-興蒙造山系，準(zhǔn)噶爾-吐哈地塊之準(zhǔn)噶爾地塊南緣與博格達(dá)裂谷帶過渡地區(qū)，以烏魯木齊山前坳陷四級構(gòu)造單元為主，次一級褶皺、斷裂十分發(fā)育，復(fù)雜多樣，對該區(qū)各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的空間分布和發(fā)育產(chǎn)生影響。同時，這些斷裂對煤礦煤系地層構(gòu)造和埋藏深度有控制作用。

區(qū)內(nèi)侏羅系分布最廣，巖相為一套河湖相泥巖沼澤沉積，包括下侏羅統(tǒng)三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組，其中西山窯組為主要含煤地層。侏羅系西山窯組主要由砂巖、泥質(zhì)砂巖及泥巖組成，呈條帶狀，地層厚達(dá)746.16 m，含可采煤層33層。因此，區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布范圍較廣，引起塌陷的陷落帶位置不明，對區(qū)內(nèi)工程建筑安全產(chǎn)生極大威脅。工作區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)地層分層明顯，各地層透水性不同，地層間存在電性差異，斷層破碎帶巖石較破碎，地下水易下滲，導(dǎo)致電阻率較低，與圍巖間存在明顯的電性差異。在本項目中，各地層結(jié)構(gòu)及采空區(qū)之間存在較明顯的電性差異，具備采用電阻率法探測地質(zhì)體的地球物理前提。

3 ?應(yīng)用成果

3.1 ?復(fù)雜地質(zhì)條件綜合勘察

WT1剖面位于烏魯木齊市蘆草溝，剖面總長4.2 km，采集道數(shù)120道，道間距10 m，溫納裝置，測線范圍內(nèi)地形起伏較大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，剖面需要重點查明地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)及地層含水特征等。該處屬于山前洪積扇地貌，地表為次生黃土，下部為沖洪積卵礫石層沉積。總體地勢南高北低，北側(cè)位于蘆草溝內(nèi)部，向南地勢逐漸升高并靠近山體，部分地區(qū)侏羅系基巖已經(jīng)出露地表。

圖3所示為WT1線電阻率等值線斷面圖，電阻率水平向具有很好的成層特征。結(jié)合已知周邊地層分布特征推斷剖面中的高阻條帶（大于100 Ω·m）為第四系卵礫石層，主要分布在測線北側(cè)。低阻條帶（小于100 Ω·m）為侏羅系基巖，2 100～3 000 m、高程550～750 m段層內(nèi)電阻率小于15 Ω·m，推斷此處地層含水量較高，為斷層控制的儲水構(gòu)造（表1）。

在測線150～225 m處，電阻率等值線出現(xiàn)明顯尖滅，具有一定范圍的梯度帶，推斷為碗窯溝斷裂帶，為逆沖性質(zhì)的正斷層，其中顯示斷層已錯斷上覆第四系，認(rèn)定為晚更新世活動斷層。定量分析可知，碗窯溝斷裂帶斷面北傾，傾角約為70°，斷層寬度約70 m。

在1 850～2 100 m附近，剖面北側(cè)地層電阻率由淺至深逐漸減小，南側(cè)地層電阻率變化規(guī)律則相反，圖中該處的電阻率等值線突然向上彎曲呈梯度變化，推斷此區(qū)域發(fā)育有構(gòu)造運動較強(qiáng)烈的斷層。分析可知，此斷層為逆沖性質(zhì)的正斷層，斷面北傾，傾角約為80°，斷層構(gòu)造活動形成的破碎帶范圍較大，約200 m，斷層上盤為侏羅系泥砂巖，斷層下盤為沖積卵礫石層。

經(jīng)后期地面地質(zhì)調(diào)查的異常查證工作，在測線180 m及1 880 m附近，可見有斷層活動產(chǎn)生的陡坡、地面抬升等地質(zhì)遺跡，驗證了碗窯溝斷層及另一正斷層的真實存在。

3.2 ?雅瑪里克山斷裂帶

WT2剖面位于烏魯木齊市八道灣雪蓮山北側(cè)，剖面總長1.8 km，采集道數(shù)120道，道間距10 m，溫納裝置，重點查明測線范圍內(nèi)雅瑪里克山斷裂的位置、斷層寬度及地層結(jié)構(gòu)。

該處屬于山前洪積扇地貌，地表為黃土沉積，下部為沖洪積卵礫石層沉積?？傮w地勢平坦，未見有高壓線、管道等干擾因素。測線中段有水系發(fā)育，為本區(qū)域的主要灌溉用水來源。

從圖4的探測結(jié)果可知，該剖面整體表現(xiàn)為表層高阻深部低阻，反映出本區(qū)的沉積地層電性特征，推測紅色調(diào)的高阻區(qū)為第四系礫石層，藍(lán)色調(diào)的低值區(qū)應(yīng)該為含水侏羅系砂巖、泥巖，地層穩(wěn)定性及連續(xù)性較高。局部電阻率等值線變化范圍較大，存在高阻或低阻圈閉，推斷高阻圈閉為斷層活動造成巖石破碎，低阻圈閉為地下含水空洞。

在1 000～1 100 m之間，電阻率等值線出現(xiàn)明顯的斜向高阻條帶，條帶形態(tài)較為規(guī)則且向下延伸，推斷此高阻條帶為雅瑪里克山斷裂，圖中反映的斷層與上覆第四系地層的錯斷關(guān)系不明，尚需進(jìn)一步物探測量工作。定量分析可知，斷層總體向南傾斜，傾角約為80°，斷距較小具走滑運動性質(zhì)，斷層的構(gòu)造破碎帶寬度較寬，約100 m。探測結(jié)果與以往地質(zhì)資料及地面地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相符。

3.3 ?采空區(qū)

WT3剖面位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)六道灣，布設(shè)2條平行剖面，剖面間距600 m，剖面總長2.4 km，采集道數(shù)120道，道間距5 m，溫納裝置，重點查明采空區(qū)的位置、充填狀況及地面塌陷范圍。

根據(jù)地質(zhì)資料，測區(qū)主要分布4個地質(zhì)單元：第四系覆蓋區(qū)、煤層、煤田采空區(qū)、侏羅系基巖。第四系覆蓋中及回填土中因含泥和水而整體表現(xiàn)為低阻，含煤地層為中高阻特征，侏羅系基巖（泥巖、砂巖）為中低阻特征。因為測區(qū)內(nèi)地下水位線較深，采空及塌陷區(qū)內(nèi)巖體裂隙發(fā)育，空隙內(nèi)無水，故采空區(qū)表現(xiàn)為高阻圈閉特征。

兩條測線的二維反演電阻率剖面如圖5所示，兩條測點地電結(jié)構(gòu)特征基本相同，地面至深度20 m范圍內(nèi)為第四系覆蓋層，向北第四系逐漸變厚， ? ?20 m深度以下為含煤侏羅系基巖組成。淺部在兩條剖面的中部，均出現(xiàn)南傾的中高阻異常條帶，推測為含煤地層，傾角約為35°～40°，走向約75°～80°，該產(chǎn)狀與地層的產(chǎn)狀基本一致。在高阻條帶的兩端各有一個電阻率大于100 Ω·m的高阻圈閉，推測為采空及塌陷區(qū)，各條測線中的采空區(qū)物探異常解釋見表2。

對比兩條測線中采空區(qū)的異常特征及深度范圍，推測C1與D1屬同一煤礦采空區(qū)，巷道基本處于同一水平面，巷道走向75°;C2與D2屬同一煤礦采空區(qū)，巷道延西南方向深度逐漸增大，巷道走向80°;同時，兩個采空區(qū)所形成的塌陷區(qū)有互相連通的趨勢。WT3線高密度電法解釋資料較為精確的反映出地下采空區(qū)的位置及形態(tài)特征，方法有效性達(dá)到了預(yù)期的城市地質(zhì)調(diào)查目的與要求。根據(jù)調(diào)查資料，本區(qū)附近的煤礦均已關(guān)停，為確保安全仍需持續(xù)監(jiān)測采空區(qū)的塌陷情況。

4 ?結(jié)論

（1） 城市范圍內(nèi)的隱伏活動斷層難以通過地面調(diào)查確定其位置及其產(chǎn)狀，高密度電法可依據(jù)斷層與圍巖的電性差異有效識別出斷層的基本形態(tài)及其性質(zhì)。一般情況下斷層在電阻率斷面圖中會表現(xiàn)為等值線突然升高（降低）或者突然尖滅的異常條帶，再結(jié)合地質(zhì)資料定量解釋斷層的地質(zhì)參數(shù)，并可根據(jù)斷層是否穿過第四系判斷斷層的活動時間。

（2） 煤田采空區(qū)可引起地面變形、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，會對地面交通設(shè)施及建筑物安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，在城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查中，需要準(zhǔn)確定位采空區(qū)及其塌陷帶的影響范圍。本文針對六道灣煤礦采空區(qū)應(yīng)用高密度電法進(jìn)行探測，結(jié)果表明180 m以上的煤礦采空區(qū)可反映在電阻率斷面圖中，采空區(qū)的異常形態(tài)反映為低（高）阻圈閉，采空區(qū)的電阻率特征與其內(nèi)的充填物和圍巖含水率密切相關(guān)。結(jié)合地質(zhì)資料及采空區(qū)模型正演結(jié)果并可開展定量解釋。如果高密度電法的測線間距進(jìn)一步加密，則可建立測區(qū)地下高精度的三維電性異常結(jié)構(gòu)模型。

（3） 結(jié)合文中的探測實例，高密度電法可有效運用于城市基礎(chǔ)地質(zhì)勘查中的斷層識別、地層與基巖底界面劃分、地層劃分、采空區(qū)與巖溶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域。但該技術(shù)也存在探測深度有限的問題，以及城市地電噪聲干擾問題，建議今后加大數(shù)據(jù)采集量及相關(guān)正反演方法技術(shù)研究，提高探測效果。

致謝：感謝新疆地質(zhì)調(diào)查院物探分隊的數(shù)據(jù)采集工作支持和各位審稿專家對本文提出的寶貴意見和建議。

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Abstract：The main content of the urban basic geological survey is to find out the basic geological conditions in the urban development area and the planning area，the concealed geological structure and the available geological resources.At present，the high-density resistivity method has made remarkable achievements in the field of engineering geophysical prospecting.In this paper，this method is popularized and applied in the basic geological survey of Urumqi city.The location and character of hidden active faults in the working area are found out in detail and the water bearing structure in strata is identificated effectively.Also，the buried depth and spatial distribution form of the coal goaf are delineation. These provide effective basic geological data for subsequent urban geological survey.

Key Words：High density resistivity method;Urban basic geological survey;Concealed active fault;Coal goaf