直流电法在人防工程探测断层中的应用

曹 静，吴灿灿

宿州学院资源与土木工程学院，宿州，234000

随着地下空间的开发和利用，地铁、地下商场和地下停车场等人防工程得到更大的发展，地下结构的安全性评价成为关注的重要问题[1]。然而，城市断层的存在，对城市规划建设产生不可忽视的影响。因此，快速有效地探测城市地下隐伏断层的空间结构分布情况，为人防工程提供参考方案不可或缺。当前主要探测城市断层的方法有CSAMT法、地震勘探法和电法等[2-4]。CSAMT法易受到城市电磁干扰，特别是高压线、通讯电缆等；城市行人车辆等会对地震勘探结果造成随机干扰，而直流电阻率法作为一种多极距、高分辨率的勘探方法，已经在水文工程地质[5]、矿井水害防治[6]、环境污染探测[7]等方面取得了良好勘探效果。随着城市的快速发展与采集技术的不断提高，利用该方法探测断层的隐伏位置能够有效加快工程进度，为人防工程提供资料[8]。

1 直流电法工作原理

自然界中岩石和矿石之间存在电性性质差异，通过人工或自然建立起电场分布，在地表进行观测并分析场的变化规律，分析出地质问题的一种地球物理勘探方法，即为电法勘探[9]。直流电法可认为是一种常规电阻率法(如图1),在地表借助供电电极A、B向地下供入电流I，待电场分布稳定后，测量接收电极M、N之间的电位差ΔU，利用公式求得测点在此深度下的视电阻率值。

图1 半空间局部不均匀体对正常地电场的扰动示意图

供电电极将电流传到地下后，建立起稳定电流场，电场流经电性性质不同的地质体时，电场会发生变化，通过研究电场的变化，推断地质体的赋存情况。利用实测出来的视电阻率值，绘制视电阻率断面图、视电阻率平面图、视电阻率曲线图等，以数据拟合地层中的层参数(电阻率和厚度)，从而划分地层、圈定异常范围等。

直流电法包括电测深法和电剖面法，其中，电测深法包括对称四级、三极和偶极测深等装置形式。因三极装置为非对称系统，对局部电性异常的响应较大[10]，所以在勘探区域的断层中能够有效反映地层变化情况。

2 勘探区概况与测线位置

资料显示，郯庐断裂带穿过宿迁城区，且断裂带均处于隐伏状态。郯庐断裂带在苏北由5条断层组成，分别是昌邑-大店断裂(F1)、白芬子-浮来山断裂(F2)、沂水-汤头断裂(F3)、鄌郚-葛沟断裂(F4)和安丘-莒县断裂(F5)[11-12]。据《宿迁市新规划区地震动小区划工作报告》(江苏省地震工程研究院1997.8)，勘探区场地位于郯庐断裂带内宿迁-泗洪段内，在北北东向断裂桥北镇——宿迁断裂(F5)和大官庄——双庄西断裂(F2)之间(图2)。

场地地貌类型属废黄河高漫滩，场地大部分现为道路和广场，较平整。根据实际情况，测线铺设于宿迁市黄运路，起点在黄运路中山邮政储蓄，测线走向东西向，全长260 m，点距30 m(图3)。由于三极装置现场布极灵活，而且其非对称测量系统使得对异常体响应明显，所以选择三极电测深方法。在每个测点位置，通过增大或减小供电电极距(AB长)来测量测点不同深度下的视电阻率大小，之后，以相同的供电极距在下一个测点进行测量。测得数据进行反演形成一个完整的剖面。根据现场施工条件，具体测点参数见表1。

图2 宿迁市及周边地质构造略图

图3 直流电法施工测线布置示意图

表1测点参数(单位：m)

OA510121520305080100120130150180OM0.511.21.523581012131518

3 资料处理及解释

为保证野外数据质量，采集过程中根据电测深曲线(图4)进行分析，对数据跳跃较大的畸变点采用多次测量或者回测的方式来提高野外数据质量，保证后期数据处理过程中的校正结果。

图4 测线测点VES曲线

图4中各个测点的VES曲线大体属于“H”型，符合华东北部地区的地层整体分布情况，表层由于第四系覆盖层表现出视电阻率值较高，浅部(100～200米)因存在含水层视电阻率值偏低。各个地区的区域性差异使得VES曲线存在略微变化。

野外施工结束后，对野外采集数据进行编辑：利用双对数坐标下的视电阻率曲线图，去除畸变点，校正数据；之后，用suffer软件绘制视电阻率断面图(图5)，由于地球物理勘探存在多解性的问题，解释过程中易存在多种误差，所以，结合勘探区域内的钻探、测井和地质等资料，可以有效减小相对误差，达到对探测区域横纵方向的电性变化情况的定性解释。

图5 三极测深视电阻率断面图

从图5的三极测线视电阻率断面图上可以看出，深度方向上电性变化情况基本属于“H”型，成层性较明显。根据断面图中视电阻率的等值线来划分相对低阻体范围，可以看出低阻异常体表现十分清晰(图中所标A和B区)。该区所圈A范围推断为一断层发育地带，从图3和图5的对应关系可看出，距离黄运中路与幸福南路交叉的环形路往西约10～70 m(图5中的相对零坐标20 m远左右)推断为断层的出露，地下120 m深处断层从环形路的中间往西30 m(图5中的相对零坐标130 m左右)，断层发育推断为从西往东延伸，而且此断层的规模可能会影响到该处人防工程的施工及安全问题。所圈B范围推断为一低阻异常区，地下90m处以上的地区可能是一范围较大的含水沙石，岩石的硬度相对来说比较松软，估计此处基岩面在90m深左右，基岩面上面的低阻异常几乎全部坐落在基岩面之上，这样的地质条件同样不利于人防工程的建设。

4 结 语

电法勘探的数据量相对较少，为保证野外数据采集质量及保证后期结果分析，可继续沿用电测深(VES)曲线判断野外数据采集质量，数据编辑、滤波等处理方法不会使结果失真；此外，面对多解性问题，可利用地质、钻探和测井等资料补充。

根据前期资料[13]的对比分析，直流电法在探测城市断层中可以取得良好效果，而且该方法在施工过程中能灵活地适应现场条件，勘探结果亦能及时反馈，查明不良地质作用的类型、成因、分布范围，提出整治方案建议，评价场地的稳定，是城市人防工程建设的一种较优勘探手段。

致谢：向中国矿业大学邓帅奇博士给予项目实施期间的技术指导、仪器使用等表示感谢。