濟(jì)南市城區(qū)劉志遠(yuǎn)斷裂的高密度電法探測(cè)及活動(dòng)性探討

李曉東，劉海生

（1.山東建材勘察測(cè)繪研究院有限公司，山東濟(jì)南250100；2.山東同方防震技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250001）

斷裂不僅是地震發(fā)生的根源，也是地震發(fā)生時(shí)建筑物破壞最嚴(yán)重的的區(qū)域，這一認(rèn)識(shí)越來越受到大家的關(guān)注，尤其是建筑行業(yè)和設(shè)計(jì)部門在遇到斷裂的工程時(shí)，更加謹(jǐn)慎地對(duì)待斷裂的避讓和地基處理問題。從工程的角度去考慮，要解決這一問題，首先要準(zhǔn)確探明斷裂的位置、破碎帶影響范圍等，鑒定其活動(dòng)性，評(píng)價(jià)其對(duì)工程的影響，從而為規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程建設(shè)提出合理的建議和應(yīng)對(duì)措施，減輕或避免地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失，保護(hù)生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。

劉志遠(yuǎn)斷裂，又稱東塢斷裂，北起烈士山附近，往南經(jīng)劉志遠(yuǎn)村，在小漢峪附近與郭店斷裂交匯，向南延伸至南部山區(qū)，斷層通過的部位往往有泉水涌出[2]，通常被認(rèn)為是濟(jì)南泉域的西邊界[3-4]。該斷裂可大致以郭店斷裂為界分為兩段，南段為低山區(qū)，對(duì)城市影響相對(duì)較小，北段由低山區(qū)逐漸過渡到山前沖洪積平原區(qū)，所在位置是目前濟(jì)南高速發(fā)展的區(qū)域，因此本次工作主要針對(duì)劉志遠(yuǎn)斷裂北段，探明其具體位置，并對(duì)其活動(dòng)性進(jìn)行鑒定，為該地區(qū)后期城市建設(shè)提供依據(jù)。

目前用于城市斷層探測(cè)的方法很多，對(duì)于基巖埋深較淺的地區(qū)，高密度電法是有效的方法之一[5-6]，高密度電法兼容電測(cè)深法與剖面法，測(cè)點(diǎn)較密，對(duì)于橫向和縱向電阻率異常都有較好的分辨[7]，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能分辨出基巖起伏、地質(zhì)界線、斷裂構(gòu)造等諸多構(gòu)造現(xiàn)象。本文根據(jù)劉志遠(yuǎn)斷裂分布區(qū)的地質(zhì)情況，采用了高密度電法探測(cè)，并進(jìn)行鉆孔聯(lián)合剖面驗(yàn)證。

1 高密度電法探測(cè)原理簡(jiǎn)介

高密度電法是20 世紀(jì)80 年代提出的一種電法勘探新技術(shù)，其基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法相同，所不同的是高密度電法在觀測(cè)中設(shè)置了較高密度的測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只需將全部電極布置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，然后進(jìn)行觀測(cè)。在設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)施上，高密度電測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)控制理論和大規(guī)模集成電路，使用電極數(shù)量多，而且電極之間可自由組合，這樣就可以提取更多的地電信息。因此，高密度電阻率法是一種成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力顯著提高的電法勘探新方法[8]。

2 工作布置

根據(jù)劉志遠(yuǎn)斷裂北段所處地質(zhì)條件，主要為山前沖洪積平原及丘陵區(qū)，并向南延伸至低山區(qū)。本次工作布設(shè)4條高密度電法測(cè)線，測(cè)線間距大致為2～3km，基本控制了斷裂北段分布范圍。布設(shè)測(cè)線區(qū)域地形較為平坦，電極接地條件良好，測(cè)線布設(shè)如圖1所示。

為保證探測(cè)深度、精度及數(shù)據(jù)的可靠性，本次工作采用溫納裝置（α排列裝置），它適用于固定斷面測(cè)量。該測(cè)量方法在測(cè)量時(shí)以剖面線為單位進(jìn)行測(cè)量，啟動(dòng)一次測(cè)量最少測(cè)一條剖面線，存儲(chǔ)與顯示時(shí)亦以剖面線為單位進(jìn)行。一個(gè)斷面由若干條剖面線組成，且每條剖面線有唯一編號(hào)，簡(jiǎn)稱剖面號(hào)。即測(cè)量某一剖面N 時(shí)，AMNB 相鄰電極保持極距a，每測(cè)量完一點(diǎn)向前移動(dòng)一個(gè)基本點(diǎn)距x，直至B 極為最后一個(gè)電極為止，剖面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)隨剖面號(hào)增大而減少，其斷面上測(cè)點(diǎn)呈倒梯形分布。

測(cè)線1 位于義和莊村北，由東向西布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度237m，電極間距3m，測(cè)試層數(shù)11層，電極數(shù)80個(gè)，供電時(shí)間2s，供電電壓100V。測(cè)線2位于劉志遠(yuǎn)村北，由東向西布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度206m，電極間距2m，測(cè)試層數(shù)15層，電極數(shù)104 個(gè)，供電時(shí)間2s，供電電壓100V。測(cè)線3 位于南湖村東，由西向東布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度190m，電極間距2m，測(cè)試層數(shù)15層，電極數(shù)96個(gè)，供電時(shí)間2s，供電電壓100V。測(cè)線4位于小漢峪村東，由東向西布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)度237m，電極間距3m，測(cè)試層數(shù)15 層，電極數(shù)80 個(gè)，供電時(shí)間2s，供電電壓100V。各測(cè)線設(shè)置參數(shù)見表1。

3 資料解釋分析

通常情況下，高密度電法剖面中的視電阻率值在橫向上幾乎沒有變化，或者變化緩慢、連續(xù)；在縱向上，視電阻率值遞增或遞減。如果有地層斷錯(cuò)并且兩盤電阻率值有較大變化，視電阻率等值線擬斷面圖上會(huì)有明顯的帶狀或“U”、“V”型高阻或低阻異常，結(jié)合地質(zhì)資料可判斷構(gòu)造異常。

表1 高密度電法測(cè)試參數(shù)設(shè)置

測(cè)線1 位于義和莊村北，由于地表耕土影響，電阻率在縱向上，表現(xiàn)為高—低—高特征；剖面橫向上，在距離剖面起點(diǎn)90m處被錯(cuò)斷，表現(xiàn)為明顯低阻異常帶；測(cè)線2西部人工填土較厚，道路硬化，原始電阻率偏高，地表電阻率分布稍不均，橫向電阻率在距離起點(diǎn)約70m處出現(xiàn)一個(gè)低阻異常；測(cè)線3橫向上在距離剖面起點(diǎn)90m處被錯(cuò)斷，斷層上下盤電阻率躍變；揭示出劉志遠(yuǎn)斷裂位置。由于篇幅所限，本文僅給出測(cè)線4電阻率剖面圖。

測(cè)線4位于小漢峪村東，視電阻率資料采集環(huán)境一般，電阻率背景噪聲中等，反演時(shí)采用中等阻尼參數(shù)，結(jié)合電阻率值和相關(guān)地質(zhì)信息，調(diào)整計(jì)算后給出正演模型，最后用基于圓滑約束最小二乘法反演。距離測(cè)線起點(diǎn)120m處電阻率值明顯躍變，為斷裂的地球物理響應(yīng)。斷裂西側(cè)為發(fā)育溶洞且呈現(xiàn)高阻的石灰?guī)r，斷裂東側(cè)上部為發(fā)育溶洞且呈現(xiàn)高阻的石灰?guī)r、下部為燕山期閃長(zhǎng)巖，結(jié)合1∶5萬地質(zhì)圖、鉆探資料以及劉志遠(yuǎn)斷裂規(guī)模、性質(zhì)特征，該處揭示出劉志遠(yuǎn)斷裂位置。

4 鉆孔聯(lián)合剖面驗(yàn)證

為驗(yàn)證高密度電法探測(cè)結(jié)果并進(jìn)一步判定斷裂最新活動(dòng)性，在測(cè)線4、測(cè)線2 附近分別開展了鉆探工作P1、P2。

其中P1 處布設(shè)4 個(gè)鉆孔，編號(hào)自西向東依次為Z1-Z4，間距分別為15m、8m、10m，孔深28.3～32.0m，均揭示至中風(fēng)化石灰?guī)r或閃長(zhǎng)巖。根據(jù)鉆探結(jié)果，場(chǎng)地上覆第四系填土、粉質(zhì)粘土、碎石層，下伏奧陶系石灰?guī)r、白堊系閃長(zhǎng)巖：

全新統(tǒng)（Qh）：主要為松散的填土，底界埋深1.0～3.0m。

上更新統(tǒng)（QP3）：以褐紅色粉質(zhì)粘土為主，含網(wǎng)狀鈣質(zhì)條紋及姜石，底界埋深3.0～3.3m，對(duì)比良好，無錯(cuò)斷跡象。

中更新統(tǒng)（QP2）：上部為棕紅色粉質(zhì)粘土，下部為石灰?guī)r碎石層標(biāo)志層，多呈次棱角狀，磨圓度差，厚度與埋深基本一致。

基巖：主要為奧陶系石灰?guī)r，在Z2、Z3孔底部揭示有白堊系閃長(zhǎng)巖侵入，有碎裂巖發(fā)育（圖2），主要成分為石灰?guī)r和閃長(zhǎng)巖碎塊，泥質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)，碎裂巖中可見擦痕（圖3）。基巖揭露厚度2～2.5m，該層有明顯錯(cuò)位，垂直位移量約3m，上盤下降，下盤上升，顯示正斷性質(zhì)，傾角較大。

圖2 跨劉志遠(yuǎn)斷裂鉆孔聯(lián)合剖面圖

圖3 碎裂巖照片

P2布設(shè)4個(gè)鉆孔，編號(hào)自西向東依次為Z5-Z8，間距分別為20m、6m、3m。鉆探結(jié)果顯示，場(chǎng)地上覆第四系填土、粉質(zhì)粘土、碎石層，底界埋深為3.5～4.3m，土層連續(xù)性較好，下伏奧陶系石灰?guī)r，鉆探深度Z5 為20m，Z6-Z8為30m，其中Z5揭示的石灰?guī)r相對(duì)較為完整，局部溶蝕，未見明顯碎裂巖，Z6-Z8 揭示的石灰?guī)r風(fēng)化溶蝕較為嚴(yán)重，發(fā)育蜂窩狀溶孔，大部分貫通，可見強(qiáng)風(fēng)化角礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，強(qiáng)度較低。根據(jù)鉆探結(jié)果判定，Z6-Z8鉆孔應(yīng)該都位于斷裂破碎帶內(nèi)，顯示斷裂位置與高密度電法測(cè)試結(jié)果一致，Z5 鉆孔位于斷裂西側(cè)，斷裂破碎帶范圍應(yīng)大于9m。

5 斷裂活動(dòng)性探討

為對(duì)斷裂活動(dòng)時(shí)代進(jìn)行分析，在南胡村東、測(cè)線3附近沿?cái)嗔堰M(jìn)行人工探槽開挖（圖4）。探槽長(zhǎng)約20m，深度約3～5m，剖面揭示斷層發(fā)育在泥灰質(zhì)頁(yè)巖、奧陶系石灰?guī)r之間，斷層上覆第四系雜填土、殘坡積土，斷層破碎帶寬約12m。斷層主滑動(dòng)面不明顯，斷層帶內(nèi)主要為膠結(jié)碎裂巖，呈透鏡體狀。由該點(diǎn)沿?cái)鄬幼呦蛳虮奔s300m，經(jīng)人工開挖剝落上盤，斷層面及下盤清晰可見，斷層走向155°，南西傾向，傾角70°，斷層帶內(nèi)碎裂巖已鈣質(zhì)膠結(jié)，對(duì)上覆第四系地層無影響。

結(jié)合高密度電法測(cè)試結(jié)果、鉆探結(jié)果和地質(zhì)考察結(jié)果來看，劉志遠(yuǎn)斷裂未錯(cuò)斷中更新世地層，斷層兩側(cè)基巖為奧陶系石灰?guī)r，斷層附近伴有燕山期閃長(zhǎng)巖侵入，斷裂對(duì)地貌基本無影響，破碎帶寬度范圍約8～12m，沿?cái)嗔盐窗l(fā)生過破壞性地震，1970年以來斷裂兩側(cè)10km范圍內(nèi)僅在2017年1月11日發(fā)生過1次西營(yíng)2.0級(jí)地震。綜合分析認(rèn)為該斷裂中更新世以來不活動(dòng)。

6 結(jié)論及工程意義

（1）對(duì)劉志遠(yuǎn)斷裂北段開展高密度電法測(cè)試及鉆探驗(yàn)證、地質(zhì)考察，結(jié)果有較好的一致性，確定了大比例尺下斷裂分布位置，斷裂走向北北西，傾向南西。

（2）根據(jù)地層錯(cuò)斷特征、地質(zhì)地貌情況綜合分析認(rèn)為劉志遠(yuǎn)斷裂主要發(fā)育在基巖中，對(duì)地貌無影響，活動(dòng)性較弱。小漢峪村附近斷裂垂直位移量約3m。

（3）根據(jù)本次工作結(jié)果，在該斷裂及其附近進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）相關(guān)規(guī)定，劉志遠(yuǎn)斷裂屬非全新世活動(dòng)斷裂，可不避讓該斷裂，考慮斷裂破碎帶內(nèi)基巖承載力相對(duì)較低，存在地基不均一性問題，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行地基處理。

（4）具體工程建設(shè)中，應(yīng)進(jìn)一步研究確定工程所在地?cái)嗔训钠扑閹Х植技捌溆绊懛秶?，并尋找斷裂最新活?dòng)證據(jù)。