臨汾地震監(jiān)測中心站深井地電阻率觀測場地地質(zhì)條件分析

靳寶萍，張亮娥，張聰聰，荊紅亮，楊 靜，李 軍

(1.山西省地震局臨汾地震監(jiān)測中心站，山西 臨汾 041000；2.山西省地震局太原地震監(jiān)測中心站，山西 太原 030025；3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地電阻率觀測是測量巖體介質(zhì)電化學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間的變化情況，其變化特征揭示區(qū)域內(nèi)應(yīng)力累積及地下巖體的變化過程，是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的手段之一[1]。由于地表地電阻率受人類活動(dòng)及自然環(huán)境因素影響較大[2]，為客觀反映巖體電性變化，國內(nèi)學(xué)者提出井下地電阻率觀測[3]。近年來，井下地電觀測技術(shù)已應(yīng)用于各地震監(jiān)測臺(tái)站，其觀測質(zhì)量高，干擾明顯降低[4-5]。為提升臨汾地震監(jiān)測中心站(以下簡稱臨汾站)地震監(jiān)測能力和異常信息識(shí)別能力，2020年7月在該監(jiān)測站建設(shè)深井地電阻率觀測系統(tǒng)，2021年2月投入試運(yùn)行。在施工過程中，發(fā)現(xiàn)觀測場地地下具有較復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，存在大量裂隙，巖溶較為發(fā)育，直接影響深井地電阻率觀測[6]。為明確觀測數(shù)據(jù)曲線變化特征，提升異常判斷能力，對觀測場地地質(zhì)條件進(jìn)行分析。

1 觀測場地區(qū)域地質(zhì)背景

臨汾站深井地電阻率觀測場地地處臨汾盆地西緣，緊鄰羅云山山前斷裂，斷裂為右旋走滑正斷層，走向NNE[7]。羅云山山前斷裂在中更新世末到晚更新世初活動(dòng)最強(qiáng)烈，在空間上呈現(xiàn)出不均一性。橫向上斷裂活動(dòng)控制臨汾盆地西緣第四系的發(fā)育，縱向上被西北向斷裂分割成五段。臺(tái)站的西面為斷層下盤，其出露基巖巖性為奧陶系中統(tǒng)馬家河組灰?guī)r；臺(tái)站的東面為斷層上盤，覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)黃土，臺(tái)站地勢表現(xiàn)為自西向東傾斜，東部地面為第四系上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)砂卵石、亞砂土，溝谷切割輕微。

2 場地地質(zhì)條件分析

場地地質(zhì)條件分析是指應(yīng)用鉆井資料、地球物理勘探等方法進(jìn)行勘察，確定場地地層巖性、地下水、裂隙、巖溶等的發(fā)育情況。

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是采用不同巖體的導(dǎo)電性差異來研究地下電性的地球物理探測方法[8]。該法可通過一次布極，同時(shí)探測水平與垂直方向地電阻率變化。臨汾站深井地電阻率觀測場地為一矩形場地，長150 m，寬80 m，受觀測場地地形地貌限制，布設(shè)一條以場地中心往東北方向布線300 m，西南方向布線300 m，共600 m長的測線(見第41頁圖1)。測線基本參數(shù)為電極間距5 m，數(shù)量120個(gè)，測線方向50°，高程507～524 m，坡升為26/1 000，坡角小于2°，沿線見高1～3 m的黃土陡坎，測線起始點(diǎn)及連接處坐標(biāo)如第41頁表1所示。

表1 測線lf1參數(shù)一覽表Table 1 List of survey line lf1 parameters

圖1 深井電阻率場地CT測線lf1布置圖Fig.1 CT line lf1 layout of deep well resistivity site

該測線方向?yàn)镹E-SW向，起始點(diǎn)位于西南側(cè)，總長600 m。數(shù)據(jù)結(jié)果采用最小二乘法反演，形成原始數(shù)據(jù)圖、正演數(shù)據(jù)模型圖、反演成果圖3張擬斷面圖(見第42頁圖2)。高密度電阻率法的原始圖像由于受到各種干擾及畸變點(diǎn)的影響，不能準(zhǔn)確反映地層分層及異常結(jié)構(gòu)形態(tài)。經(jīng)過修飾性處理后，不利頻段成分和鋸齒狀邊緣消失，各分層界線平滑過渡，異常特征較明顯，易于后期處理、解譯工作的進(jìn)行。采用有限元法計(jì)算得出正演模型的視電阻率值，再通過迭代反演至均方根誤差(RMS)小于0.05或誤差變化不明顯時(shí)，得到的反演模型即為較可靠的模型。從反演電阻率斷面來看，觀測場地內(nèi)反演后的電阻率CT剖面在水平方向電阻率變化小，垂直方向稍有變化；在探測深度內(nèi)，電阻率大小隨深度的增加而略有變化。垂直方向大致可分為2層，第一層為低阻層，電阻率值在17.8～59.9(Ω·m)間變化，深度在地下0.0～15.0 m范圍內(nèi)，電阻率值較低；第二層為高阻層，阻值在59.9～149(Ω·m)間變化。

通過對剖面整體分析，觀測場地內(nèi)電阻率曲線呈連續(xù)水平分布，主要是由于觀測場地表層為第四系上更新統(tǒng)黃土，場地電性介質(zhì)變化不大。

2.2 地質(zhì)鉆孔勘察

鉆孔柱狀圖能反映地下巖層在垂直方面的變化[9]，是進(jìn)行地質(zhì)條件分析的手段之一。臨汾站深井地電阻率觀測場地建設(shè)9個(gè)水平井孔，1個(gè)垂直井孔，1個(gè)水位井孔，分布位置如第42頁圖3所示。此次勘察僅對水位井鉆孔進(jìn)行巖芯編錄，所有井孔采用井下錄像視頻系統(tǒng)進(jìn)行觀測。井下視頻難以對巖性進(jìn)行細(xì)致分析，但對裂隙、巖溶發(fā)育表現(xiàn)清晰，通過解譯各鉆孔井下視頻，可統(tǒng)計(jì)各鉆井裂隙發(fā)育程度(見第42頁表2)。

表2 各鉆井裂隙統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of fractures in each well

圖3 鉆孔布設(shè)圖Fig.3 Borehole layout

建立各鉆孔柱狀圖，根據(jù)9個(gè)水平井孔分布位置建立3個(gè)鉆孔聯(lián)合剖面，1-1地質(zhì)剖面如第43頁圖4所示。根據(jù)3個(gè)鉆孔剖面揭示的地層，觀測場地地層巖性從上至下可大致分3層，第一層為第四系上更新統(tǒng)黃土，褐黃，松散，稍濕，無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性低，搖振反應(yīng)迅速，埋深0～5 m；第二層為砂礫層，圓礫，雜色，稍密，稍濕，分選性好，磨圓度一般，骨架間砂土充填，埋深6～41 m；第三層為灰?guī)r層，42～81 m處灰?guī)r段呈灰黃色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖心呈短柱狀。82～110 m灰?guī)r呈灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖心呈短柱狀，夾薄層泥巖，泥灰?guī)r。

圖4 1-1地質(zhì)剖面圖Fig.4 1-1 geological profile

根據(jù)井下視頻系統(tǒng)及各鉆孔裂隙統(tǒng)計(jì)表分析，該觀測場地地下水位埋深在34.5～37 m間，地下水類型為新生界松散巖類孔隙水；場地灰?guī)r層地下52 m開始裂隙發(fā)育較多，巖體完整性較差，地下102 m處出現(xiàn)溶洞。

3 場地三維地質(zhì)模型

三維地質(zhì)模型能表現(xiàn)出區(qū)域內(nèi)各種地質(zhì)構(gòu)造，反映地質(zhì)單元體在空間上的分布及關(guān)聯(lián)，提升地質(zhì)資料分析的準(zhǔn)確性[10]。應(yīng)用GEO5軟件為建模平臺(tái)，以地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合地形圖及層序地層學(xué)相關(guān)知識(shí)，建立空間鉆孔數(shù)據(jù)庫，生成三維地質(zhì)模型[11]。

3.1 地形建模

由于觀測場地范圍較小，地形起伏不明顯，將觀測場地邊界四角為控制點(diǎn)，創(chuàng)建高程信息(見第43頁表3)。

表3 控制點(diǎn)高程表Table 3 Elevation table of control points

3.2 鉆孔數(shù)據(jù)處理

在鉆孔數(shù)據(jù)中，可能出現(xiàn)地層缺失等多種異常情況，導(dǎo)致系統(tǒng)自動(dòng)構(gòu)建模型出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤而無法建模，因此，需對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測。以深井地電阻率觀測場地鉆孔數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選其中9個(gè)水平鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)，分析各鉆孔資料有無地層缺失，保證鉆孔數(shù)據(jù)完整后，根據(jù)各鉆孔分布位置添加鉆孔信息。

3.3 二維剖面數(shù)據(jù)處理

剖面數(shù)據(jù)處理最常見的問題為尖滅地層的處理，需要根據(jù)層序地層學(xué)相關(guān)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的尖滅位置，并手動(dòng)添加該層的地層線。由于深井地電阻率觀測場地地層均為水平狀發(fā)育，不存在地層尖滅問題，根據(jù)水平井孔的分布位置，構(gòu)建1-1、2-2、3-3共3條觀測場地剖面。

3.4 建立三維地質(zhì)模型

采用鉆孔+剖面的混合建模方法，構(gòu)建深井地電阻率觀測場地的三維地質(zhì)模型。首先，選擇構(gòu)建的3條剖面參與建模，整體控制模型；其次，選擇控制鉆孔，將鉆孔數(shù)據(jù)帶入建模計(jì)算中，生成三維地質(zhì)模型(見圖5)。模型顯示，該觀測場地巖層自上而下分為黃土層、砂礫層、灰?guī)r層，各巖層產(chǎn)狀均為145°∠6°。其中，黃土層厚度約5 m，砂礫層厚度約36 m，地下41～110 m均為灰?guī)r。對比二維地質(zhì)剖面圖，三維地質(zhì)模型以三維方式展現(xiàn)地質(zhì)體的分布形態(tài)及特征，同時(shí)，能直觀表現(xiàn)各地層分界面、厚度、延伸方向等。

圖5 觀測場地三維地質(zhì)模型Fig.5 3D geological model of observation site

將觀測場地原始勘探剖面圖1-1與地質(zhì)模型生成的剖面圖進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，三維地質(zhì)模型生成的剖面圖與實(shí)際鉆孔地質(zhì)數(shù)據(jù)有較高的契合度，能準(zhǔn)確反映觀測場地地下巖層的發(fā)育情況。

4 結(jié)語

通過對觀測場地地質(zhì)條件的分析，采用鉆井+剖面方法，建立場地三維地質(zhì)模型，觀測場地地層巖性由上至下分為表層覆蓋黃土、砂礫層、灰?guī)r層三類。通過解譯井下視頻得出，觀測場地灰?guī)r層裂隙巖溶較發(fā)育，主要存在于地表下52～90 m之間，地下102 m處發(fā)育溶洞。高密度電法反演結(jié)果與建立的三維地質(zhì)模型表明，場地在探測深度范圍內(nèi)，巖層連續(xù)，傾向SE，基本呈小角度發(fā)育。該結(jié)果可為深井地電阻率觀測后期的數(shù)據(jù)曲線特征分析、異常落實(shí)提供地質(zhì)條件方面的參考依據(jù)，同時(shí)，為其他建設(shè)深井地電阻率的臺(tái)站，在進(jìn)行場地地質(zhì)條件分析時(shí)提供借鑒。