高密度電法探測斷層帶的有效性分析

陳挺，張世奇，肖繼文 （中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

1 引言

高密度電法是以探測目標地質體與其周圍介質之間存在電阻率差異為基礎，人工建立地下直流電場，通過預布置多道地表電極，掃描觀測地下電阻率變化情況，從而探測到低阻的目標地質體。其兼具電測深法和電剖面法的優(yōu)點，探測低電阻率區(qū)優(yōu)勢明顯。斷層附近一般呈現(xiàn)帶狀破碎區(qū)域，當斷層位于溝谷地區(qū)時，易富水形成低電阻率區(qū)，且延伸較長，具備高密度電法勘探的理論基礎。斷層對橋梁的結構設計及安全影響較大，須查清斷層的確切位置及影響區(qū)域。

2 工程概況

營盤大橋位于云南省魯?shù)榭h龍頭山鎮(zhèn)龍泉河旁，地勢低洼，為路線跨越龍泉河而設。擬采用整體式橋梁方案，設計橋長266.0m，屬大橋，橋面凈寬2m×12.5m，孔跨布置為13×20，橋梁上部結構擬采用預應力混凝土組合T梁，下部橋墩擬采用柱式墩、樁基礎，橋臺擬采用肋板臺、樁基礎。

根據(jù)區(qū)域地質資料得知，橋位區(qū)構造較復雜，橫跨所屬“昭通—魯?shù)椤被顒有詳嗔褞У尿咇R口斷層（F23）。該斷層沿線近期有地震發(fā)生，其震感有由南西向北東逐漸減弱之勢，斷層面向南東傾斜，傾角50以上，為設計安全，必須勘察該斷裂的分布及走向趨勢。經過物探方法的原理及精度等方面的比較，采取高密度電法的物探方法來勘察斷裂帶情況。

3 高密度電法工作原理

高密度電法的勘探前提條件是目的地質體與周圍地質體具有電阻率差異，通過在地面兩點向地下供電，其間任意兩點測量其電位差，反演計算地下介質的電阻率。巖石完整程度和含水率不同以致其電阻率范圍變化較大。斷層破碎帶由于巖石破碎，通常風化程度較高且含水率較高，故相對圍巖一般表現(xiàn)為低阻區(qū)，地層電阻率特征見表1。

地層電阻率特征統(tǒng)計表 表1

4 高密度電法施工方法

營盤大橋所處位置四面環(huán)山，地勢較低，緊鄰龍泉河，探測的斷裂帶具備充水條件，斷裂帶相對周圍巖層應為低阻區(qū)，具備電法勘探的條件。而且高密度電法同時具有電測深與電剖面法的優(yōu)點，又能彌補它們的不足，能同時探測垂向和橫向上電阻率的變化，可根據(jù)需要使用不同電極距及裝置類型，在采集數(shù)據(jù)時能夠獲得更多的信息，使用全自動的采集模式，采集精度高、速度快。

高密度電法的測線布置一般垂直于構造走向，也可根據(jù)實際地質地形條件進行調整。根據(jù)本次勘察的目的，設計2條高密度測線（如圖1所示）。根據(jù)地質資料推斷的斷層大致位置，控制在高密度電法的測線中間位置且測線足夠長。測試裝置選用受地形起伏影響較小的溫納排列裝置類型，由于被探測的斷層具體埋深和產狀未知，為保證勘探深度和長度，使用儀器最大荷載，測線長度為120個電極，電極距10m，隔離系數(shù)1～30。剖面采集層數(shù)為30層。施工時使用RTK提前放點，確保測線在設計位置上，完成測線布置后，再次使用RTK測量每個電極坐標和高程數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)反演后能獲得異常的真實位置。采集完電法數(shù)據(jù)后，室內多次反演分析，并結合地質資料，確定勘察目標體（斷層）的位置，并鉆探驗證。

圖1 高密度電法測線布置示意圖

5 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法資料的處理主要是對數(shù)據(jù)進行處理，首選剔除壞點，然后數(shù)據(jù)平滑，使用不同的反演方法，反演后繪制視電阻率等值線剖面圖。

①刪除壞點：在讀入數(shù)據(jù)后，首先要刪除那些電阻率值有明顯錯誤的數(shù)據(jù)點。這些壞數(shù)據(jù)點可能源于某個電極的連接失效，干燥土壤中電極接觸不良或由于非常潮濕的環(huán)境條件，導致的電纜短路等。這些壞數(shù)據(jù)點的視電阻率值通常比相鄰點高得多或低得多。

②反演：本次使用較成熟的最小二乘法反演，根據(jù)資料的噪音情況把阻尼系數(shù)設置為0.15，由于電阻率法的分辨率隨著深度的增加按指數(shù)規(guī)律降低，為了穩(wěn)定反演過程，阻尼系數(shù)逐層增大，阻尼系數(shù)增加因子設為1.2，由于本次探測斷層的空間分布特征，水平分布特征對工程影響很大，故垂向/水平濾波比設為1；不同的迭代次數(shù)對反演結果影響較大，本次對比迭代5次～10次的結果，綜合資料分析，使用迭代6次的反演結果。其他反演參數(shù)使用系統(tǒng)默認即可。

6 成果分析

高密度電法解釋主要依據(jù)是電阻率等值線剖面圖。根據(jù)電阻率差異劃分異常，并根據(jù)異常位置增加鉆探，并根據(jù)鉆探揭露地質情況校正物探資料，最終形成物探成果。以下就各條剖面進行分析。

①LTSDQZ物探剖面

該剖面位置為樁號K44+050～K45+100，測線長度1200m。探測深度為240m左右。K45+050到K44+600附近，電阻率較高，覆蓋層較薄，推測為中風化砂巖、較破碎、不富水；K44+600～K44+450附近，存在低阻異常帶①，結合地質資料，推測為斷層F23；K44+450～K44+050，電阻率偏低，上部為第四系覆蓋層，下部推測為砂巖、灰?guī)r或泥質灰?guī)r，巖層破碎、富水。

圖2 LTSDQZ高密度電法測線電阻率剖面圖

②LTSDQY物探剖面

該剖面位置為樁號K43+800～K44+750，測線長度1200m。探測深度為240m左右。K44+350到K44+450附近，電阻在 200Ω·m ～500Ω·m，推測為中風化砂巖；K44+450～K44+200附近，電阻率較低，存在低阻異常①，結合地質資料，推測為斷層F23；K44+200～K43+800，電阻率中等偏低，推測為砂巖、灰?guī)r或泥質灰?guī)r，巖層破碎。

圖3 LTSDQY高密度電法測線電阻率剖面圖

為了驗證斷裂帶的位置情況，在物探異常區(qū)布置多個鉆孔，具體如圖1所示。其 中 LTSQZK7、LTSQZK8、LTSQZK9、LTSQZK10在物探異常區(qū)域內，對物探異常區(qū)的實際情況進行揭露，為工程提供了斷層破碎帶的范圍數(shù)據(jù)，并繪制了地質剖面圖。表2為鉆孔柱狀圖統(tǒng)計表，鉆孔柱狀圖均顯示基巖破碎，與斷層破碎帶吻合，驗證了物探的準確性。

鉆孔柱狀圖統(tǒng)計表 表2

7 結語

高密度電法已經在工程中被廣泛應用。地球物理勘察的前提是目的體與周圍地質體具有物性差異，在選擇高密度電法時，要充分了解工區(qū)地質情況，確認具備施工條件，選擇合適的測線長度及電極距，根據(jù)構造走向布置測線方向。本次在勘察營盤橋址勘察斷層破碎帶中合理布設了2條測線，后經鉆探驗證，效果較好，揭示了斷層破碎帶的位置及走向，為進一步勘查提供了依據(jù)，高密度電法如果緊密結合地質資料，對斷層探測可以作出準確地解釋，是行之有效的方法。