基于Ih-GMH方法的断裂活动性监测研究

李晶晶

(广东省广州市地质调查院，广东 广州510440)

针对活动断裂的常用监测方法包括几大类型，即形变监测、应力监测和地球物理化学探测。使用的技术方法也多种多样，如:高精度 GPS多点联测、地应力监测、地面形变位移监测、断层气监测、微地震监测等。近年来，地电地磁监测技术在实践中得到了较好的发展。地电地磁监测技术是利用岩石受力状态发生变化时，所引起的地电阻率、电流、电磁等物理参数的变化而进行断裂活动性的监测。但是现有的地电地磁观测方法的装置一般都布设于地面浅表层，受人为干扰严重，难以区分有效信号。考虑到现有方法的局限性，本文探索构建了深孔地电/地磁/地下水位监测系统(In-hole Geo-Electric/Magnetic/Hydrograph Observation System，简称Ih-GMH系统)，其特点是先利用钻探准确探查断裂带的位置，然后将地电仪、地磁仪、水位仪安装于150～200 m的深孔之内，最后根据三组参数的变化进行断裂活动性的监测和解译。本文以广州市白云区金沙中学断裂监测站为例，阐述了站址选择、监测孔定位过程，介绍了监测系统的设备安装与调试方法，在断裂活动性监测研究方面开展了一项具有探索性和创新性的工作。

1 监测站址的地质环境背景

金沙中学位于广州市白云区金沙洲中心位置，附近一带主要是保障性住房小区。由于广从断裂的西支破碎带通过金沙中学，使得该区域地质环境条件十分脆弱。该区第四系覆盖有几米至十几米厚的填土、砂砾、淤泥和粘土层，基岩以灰岩为主，灰岩在受构造作用破碎后产生的大量裂隙成为地下水很好的渗流通道，使得岩溶现象发育明显，岩石中出现大量溶蚀孔洞、溶蚀裂隙，继而形成大的溶蚀通道。因此，研究区内溶洞、土洞普遍发育，并引发了地面塌陷和地面沉降地质灾害。据调查，金沙中学主教学楼墙体多处开裂。运动场总沉降量达50～70 cm。地面沉降变形使得塑胶跑道地面变形，高低不平，胶皮隆起。目前校方已经完成修缮工作。

2 监测站址的断裂定位探查

为了查清金沙中学的地质状况，并探查通过该区域断裂的准确位置，布置施工了9个钻孔，编号分别为 Z3#1、Z3#2、Z3#3、ZF1、ZF2、ZKDH101、ZKDH 102、ZKDH 401、ZKDH 402。根据上述钻孔资料，基本可以确定金沙中学候选场址附近的基底主破碎带的展布范围:西界位于 ZKDH402以西，该孔底部岩性较完整，推测为断裂下盘，故断裂下界面有可能向东斜;ZKDH101开孔后至孔深35.7 m处岩石完整，其下为断裂劈理化破碎带，故其应为破碎带上界面位置，断裂向东倾，上盘为相对完整的岩块。在上述两个破裂面之间，即金沙中学校园所处位置，基本为断裂主破碎带的范畴。

3 监测方案设计

本监测方案依据岩石的压电原理，测量断裂深部断面上的应力变化而引起的电磁场变化。方法是:(1)使用深孔地电场观测系统，将两对无极化电极分别置于钻入断裂破碎带内的主监测孔(ZKDH202)底部、破碎带及其上盘岩块之上的第四纪沉积层中，通过测量其间的电位差，了解断裂深部的应力状态变化;(2)将深孔地磁仪置于辅助监测孔(ZKDH201)底部，监测断裂压电效应而可能产生的磁场变化，目的是辅助电场数据的判断和解译;(3)将自动水位仪至于主监测孔(ZKDH202)地下水位之下一定深度，测量基岩破碎带中的水位变化。

主监测孔ZKDH202的孔深要求超过200 m，终孔孔径不少于 95 mm。该孔实际终孔深为203.80 m，终孔孔径95 m。辅助监测孔ZKDH201的设计孔深要求超过150 m，终孔孔径不少于110 mm。

图1 断裂监测系统金沙洲站平面设计图

从图中可见，金沙中学监测站共建4个监测点，其中监测点1(ZKDH202)放置电极和水位仪，监测点3(ZKDH201)放置地磁仪，监测点2和点4为浅埋电极，埋深均为2.5 m，电极置于第四系内。各监测点均有电缆与置于室内的监测仪器连接，电缆埋于土层下。为防雷击，整个监测系统安装了防雷地网。

4 监测设备安装与调试

Ih GMH系统需要配备安装的主要设备包括:

1)配置安装一套ATS-SR深孔地电场观测系统(包括电极布设、电源供电系统);

2)配置安装一套 PMT-ZK深孔地磁场观测系统(包括深孔磁探头、供电电源及极化电源);

3)配置安装一套EWT-A地下水位观测系统(包括井下探头、供电电源);

4)配置安装一套多路网络数传单元及数采、网页等控制软件;

5)设置井口及电极标志墩、各信号电缆的套管埋设等;

6)建设避雷接地地网工程;

上述硬件安装和系统调试一切正常后，可进行网络连接。

5 监测数据初步解译

地电场仪监测数据的采样间隔为10 s一组数据，每天形成一个数据文件。数据结果较平稳，变化一般在10～30 mV之间，且两个系列的曲线变化具有同步性。

图2 地电仪监测曲线图

水位仪观测数据的采样间隔也是10 s一组。地下水位仪比较清晰地测量到固体潮的变化:固体潮为半日潮，每天两个峰值，振幅50～60 mm。这与广东沿海的日潮是有显著区别的。

图3 水位仪监测曲线图

地磁仪观测数据的采样间隔为20 s一组。监测结果显示，监测点磁场干扰较强，初步分析主要与在附近的高铁高压供电装置和火车运行有关。要排除这种干扰，需查清强干扰源特点后，对深孔地磁仪的测控系统作进一步的改进和调试，以提高其抗干扰能力，实现测量稳定地磁背景场强的目的。

图4 地磁仪监测曲线图

6 结语

(1)金沙中学位于广从断裂的破碎带上，加之基岩是可溶性的灰岩，岩土条件复杂，易发岩溶地面塌陷和地面沉降地质灾害，地质环境十分脆弱。

(2)通过监测孔定位准确探查到了断裂带位置，将地电仪、地磁仪、水位仪安装于150～200 m的深孔之内，探索性地构建了深孔地电/地磁/地下水位监测系统(Ih GMH系统)。监测系统运行正常，监测数据与理论预期基本一致。

(3)后期应通过实验和模拟等手段，寻找深部应力积聚点及系统失衡的临界点，对断裂的突发活动进行监测预警。