高密度电法在城市基础地质调查中的应用

陈实 李延清 李同贺

摘   要：城市基础地质调查工作的主要内容是查明城市发展区及规划区内的基础地质条件、隐伏地质构造及可利用地质资源。目前，高密度电法已在工程物探领域取得了成效显著的调查成果，本文将此方法推广应用在乌鲁木齐城市基础地质调查工作中，查明了工作区内隐伏活动断裂的位置及性质，有效识别出地层中的含水构造，圈定了煤矿采空区的埋深及空间展布形态，为后续城市地质调查工作提供有效的基础地质数据。

关键词：高密度电法;城市基础地质调查;隐伏活动断裂;煤矿采空区

近年来，多个城市频繁发生地面沉降塌陷、砂土液化、建筑物倾斜及地下建筑透水事故，这些事故的发生都与城市基础地质条件有密切关系。为保障城市发展区人员及建筑物安全，在城市建筑规划设计时合理避开隐伏不良地质体，需全面开展城市基础地质调查工作。

城市基础地质调查工作通过地下调查与地面调查相结合的方式，调查地层、活动构造及不良地质体的地质参数，为第四纪研究、区域稳定性评价和地基稳定性评价提供基础数据。高密度电法在诸多工程地质调查领域取得了良好的应用效果[1]，美国学者Loke M H博士系统总结了高密度电法在各国各地区的工程勘查成果[2]。罗登贵等运用数值模拟方法计算了活动断层在不同高密度电法采集装置中的响应特征并进行了实际应用[3];祁民等将高密度电法技术应用于山西阳泉某采空区勘查工作中，高精度预测了复杂采空区的空间形态[4];陈松等将高密度电法作为防城港地区水文地质调查中的主要物探工作手段，较准确地获取区内地下水含水层的埋深、厚度、空间展布形态[5]。

通过分析大量的乌鲁木齐城市地质资料，认为活动断裂及煤矿采空區为乌鲁木齐城区内主要不良地质构造，可诱发多种形式的城市基础地质灾害。对于乌鲁木齐市范围内的断裂构造，前人已做过很多研究和勘探工作，其中部分断裂属隐伏活动断裂，使得确定其位置成为工作难点[6-8]。同时，随着城市的不断扩张，六道湾煤矿也逐步被城市生活区及交通网包围。在六道湾煤矿开采过程中，沿煤层采空区形成了条带状地面塌陷，近年来有关单位对塌陷坑进行了回填治理。由于地处乌鲁木齐市中心城区，查清煤矿塌陷区的采空情况，对区内地质环境评价及未来城市发展具重要意义。因此，应用地球物理勘探手段准确探测活动断裂的位置及采空区影响范围成为乌鲁木齐市城市基础地质调查的关键性工作。

本文在地面地质调查难以开展工作的区域，开展了高密度电法剖面的测量工作。通过多条剖面的物探测量工作，完成了复杂城市条件下的地层岩性及构造识别工作，评价了断层两侧地下水资源分布状态，并划分了六道湾地区地下煤矿采空区的空间展布形态，为后续乌鲁木齐城市基础地质调查评价工作提供了重要的基础数据。

1  高密度电法探测活动断裂

及采空区的原理

1.1  高密度电法的基本原理

高密度电阻率法（又称电阻率层析成像法，以下简称高密度电法）的基本理论与传统的电阻率法完全相同，是以探测地下目标体与围岩之间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。工作时，将很多电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的控制，实现电阻率法中不同装置、不同极距的自动组合，从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下多种参数的方法。对取得的多种参数经相应程序的处理和自动反演成像，可快速、准确地给出所测地电断面的地质解释图件，从而提高了电阻率方法的工作效率[9]。在实际工作中，测点的视电阻率值计算公式为：

ρs=K[ΔUI…………………]（1）

式中，[ΔU]为测量电极之间的电位差（单位：mV），I为供电电流（单位：mA），K为装置系数。

高密度电法获取的电阻率剖面由于浅部异常被“放大”，不能准确反映深部异常体的位置，需要进行二维反演计算。本次工作使用基于圆滑约束的最小二乘法，方法基于以下方程：

（JT+μF）d=JTg [………………]（2）

式中，J为偏导数矩阵，JT为J的转置矩阵，μ为阻尼系数，d为模型参数修改矢量，g为残差矢量，F=fxfx1+fzfz1，fx为水平平滑滤波因子，fz为垂直平滑滤波因子。

反演计算采用基于平滑约束的最小二乘法，这种方法的优点是平面过滤器和阻尼系数能随着数据类型而自动调整。最优化方法主要是通过调整模型单元体的电阻率值来减小实测视电阻率值与正演计算视电阻率值之间的差异，这种差异的大小用均方根误差来衡量。从地质条件来说，最小均方差值时的模型并不一定符合实际地质情况。一般情况下可选取迭代后均方误差不再明显变化时的模型做地质解释，通常3～5次迭代计算后，均方差就不再明显变化（图1）[10]。

1.2  活动断裂及采空区地球物理响应特征

断层内岩石破碎、沉积物填充等因素，其与围岩具明显的电性差异，若断层内充水则表现为低阻条带，否则表现为高阻条带。因此在电阻率断面图上等值线连续变化或突然弯曲的梯度带可判断为断层。其中，断层明显穿过了第四系可作为推断断层活动时间的依据[11]。

煤矿采空区由浅至深可分为弯曲带、断落带及垮落带。通常情况下，煤矿采空区受地下含水层和围岩塌陷的影响，产生两类赋存状态：充填采空区和未充填采空区。充填采空区是指采空区底板位于地下水位线以下，上部顶板跨落或内部充填有淤泥粘土等沉积物，因充填物比围岩松散、潮湿而呈中阻或相对低阻特征，此时在电阻率断面图中表现为中低阻圈闭;未充填采空区是指底板位于地下水位线以上，内部为空洞未充水，表现为高阻圈闭[12]。因此采空区与围岩之间存在明显电性差异，根据采煤地区的地质构造，电阻率法可有效识别煤矿采空区的赋存特征。

2  工作区概况

调查区位于乌鲁木齐市东南部，位于天山兴蒙地层大区，北疆地层区，南准噶尔北天山地层分区   （图2）。区内出露上古生界、中生界和新生界，上古生界主要以二叠系为主，中生界发育三叠系、侏罗系，新生界遍及全区;在大地构造上，调查区属于天山-兴蒙造山系，准噶尔-吐哈地块之准噶尔地块南缘与博格达裂谷带过渡地区，以乌鲁木齐山前坳陷四级构造单元为主，次一级褶皱、断裂十分发育，复杂多样，对该区各类突发性地质灾害的空间分布和发育产生影响。同时，这些断裂对煤矿煤系地层构造和埋藏深度有控制作用。

区内侏罗系分布最广，岩相为一套河湖相泥岩沼泽沉积，包括下侏罗统三工河组，中侏罗统西山窑组和头屯河组，其中西山窑组为主要含煤地层。侏罗系西山窑组主要由砂岩、泥质砂岩及泥岩组成，呈条带状，地层厚达746.16 m，含可采煤层33层。因此，区内采空区分布范围较广，引起塌陷的陷落带位置不明，对区内工程建筑安全产生极大威胁。工作区地质调查结果表明，区内地层分层明显，各地层透水性不同，地层间存在电性差异，断层破碎带岩石较破碎，地下水易下渗，导致电阻率较低，与围岩间存在明显的电性差异。在本项目中，各地层结构及采空区之间存在较明显的电性差异，具备采用电阻率法探测地质体的地球物理前提。

3  应用成果

3.1  复杂地质条件综合勘察

WT1剖面位于乌鲁木齐市芦草沟，剖面总长4.2 km，采集道数120道，道间距10 m，温纳装置，测线范围内地形起伏较大，地质条件较复杂，剖面需要重点查明地层岩性、地质构造参数及地层含水特征等。该处属于山前洪积扇地貌，地表为次生黄土，下部为冲洪积卵砾石层沉积。总体地势南高北低，北侧位于芦草沟内部，向南地势逐渐升高并靠近山体，部分地区侏罗系基岩已经出露地表。

图3所示为WT1线电阻率等值线断面图，电阻率水平向具有很好的成层特征。结合已知周边地层分布特征推断剖面中的高阻条带（大于100 Ω·m）为第四系卵砾石层，主要分布在测线北侧。低阻条带（小于100 Ω·m）为侏罗系基岩，2 100～3 000 m、高程550～750 m段层内电阻率小于15 Ω·m，推断此处地层含水量较高，为断层控制的储水构造（表1）。

在测线150～225 m处，电阻率等值线出现明显尖灭，具有一定范围的梯度带，推断为碗窑沟断裂带，为逆冲性质的正断层，其中显示断层已错断上覆第四系，认定为晚更新世活动断层。定量分析可知，碗窑沟断裂带断面北倾，倾角约为70°，断层宽度约70 m。

在1 850～2 100 m附近，剖面北侧地层电阻率由浅至深逐渐减小，南侧地层电阻率变化规律则相反，图中该处的电阻率等值线突然向上弯曲呈梯度变化，推断此区域发育有构造运动较强烈的断层。分析可知，此断层为逆冲性质的正断层，断面北倾，倾角约为80°，断层构造活动形成的破碎带范围较大，约200 m，断层上盘为侏罗系泥砂岩，断层下盘为冲积卵砾石层。

经后期地面地质调查的异常查证工作，在测线180 m及1 880 m附近，可见有断层活动产生的陡坡、地面抬升等地质遗迹，验证了碗窑沟断层及另一正断层的真实存在。

3.2  雅玛里克山断裂带

WT2剖面位于乌鲁木齐市八道湾雪莲山北侧，剖面总长1.8 km，采集道数120道，道间距10 m，温纳装置，重点查明测线范围内雅玛里克山断裂的位置、断层宽度及地层结构。

该处属于山前洪积扇地貌，地表为黄土沉积，下部为冲洪积卵砾石层沉积。总体地势平坦，未见有高压线、管道等干扰因素。测线中段有水系发育，为本区域的主要灌溉用水来源。

从图4的探测结果可知，该剖面整体表现为表层高阻深部低阻，反映出本区的沉积地层电性特征，推测红色调的高阻区为第四系砾石层，蓝色调的低值区应该为含水侏罗系砂岩、泥岩，地层稳定性及连续性较高。局部电阻率等值线变化范围较大，存在高阻或低阻圈闭，推断高阻圈闭为断层活动造成岩石破碎，低阻圈闭为地下含水空洞。

在1 000～1 100 m之间，电阻率等值线出现明显的斜向高阻条带，条带形态较为规则且向下延伸，推断此高阻条带为雅玛里克山断裂，图中反映的断层与上覆第四系地层的错断关系不明，尚需进一步物探测量工作。定量分析可知，断层总体向南倾斜，倾角约为80°，断距较小具走滑運动性质，断层的构造破碎带宽度较宽，约100 m。探测结果与以往地质资料及地面地质调查结果相符。

3.3  采空区

WT3剖面位于乌鲁木齐市水磨沟区六道湾，布设2条平行剖面，剖面间距600 m，剖面总长2.4 km，采集道数120道，道间距5 m，温纳装置，重点查明采空区的位置、充填状况及地面塌陷范围。

根据地质资料，测区主要分布4个地质单元：第四系覆盖区、煤层、煤田采空区、侏罗系基岩。第四系覆盖中及回填土中因含泥和水而整体表现为低阻，含煤地层为中高阻特征，侏罗系基岩（泥岩、砂岩）为中低阻特征。因为测区内地下水位线较深，采空及塌陷区内岩体裂隙发育，空隙内无水，故采空区表现为高阻圈闭特征。

两条测线的二维反演电阻率剖面如图5所示，两条测点地电结构特征基本相同，地面至深度20 m范围内为第四系覆盖层，向北第四系逐渐变厚，    20 m深度以下为含煤侏罗系基岩组成。浅部在两条剖面的中部，均出现南倾的中高阻异常条带，推测为含煤地层，倾角约为35°～40°，走向约75°～80°，该产状与地层的产状基本一致。在高阻条带的两端各有一个电阻率大于100 Ω·m的高阻圈闭，推测为采空及塌陷区，各条测线中的采空区物探异常解释见表2。

对比两条测线中采空区的异常特征及深度范围，推测C1与D1属同一煤矿采空区，巷道基本处于同一水平面，巷道走向75°;C2与D2属同一煤矿采空区，巷道延西南方向深度逐渐增大，巷道走向80°;同时，两个采空区所形成的塌陷区有互相连通的趋势。WT3线高密度电法解释资料较为精确的反映出地下采空区的位置及形态特征，方法有效性达到了预期的城市地质调查目的与要求。根据调查资料，本区附近的煤矿均已关停，为确保安全仍需持续监测采空区的塌陷情况。

4  结论

（1） 城市范围内的隐伏活动断层难以通过地面调查确定其位置及其产状，高密度电法可依据断层与围岩的电性差异有效识别出断层的基本形态及其性质。一般情况下断层在电阻率断面图中会表现为等值线突然升高（降低）或者突然尖灭的异常条带，再结合地质资料定量解释断层的地质参数，并可根据断层是否穿过第四系判断断层的活动时间。

（2） 煤田采空區可引起地面变形、塌陷等地质灾害，会对地面交通设施及建筑物安全产生严重威胁。因此，在城市基础地质调查中，需要准确定位采空区及其塌陷带的影响范围。本文针对六道湾煤矿采空区应用高密度电法进行探测，结果表明180 m以上的煤矿采空区可反映在电阻率断面图中，采空区的异常形态反映为低（高）阻圈闭，采空区的电阻率特征与其内的充填物和围岩含水率密切相关。结合地质资料及采空区模型正演结果并可开展定量解释。如果高密度电法的测线间距进一步加密，则可建立测区地下高精度的三维电性异常结构模型。

（3） 结合文中的探测实例，高密度电法可有效运用于城市基础地质勘查中的断层识别、地层与基岩底界面划分、地层划分、采空区与岩溶地质灾害调查等领域。但该技术也存在探测深度有限的问题，以及城市地电噪声干扰问题，建议今后加大数据采集量及相关正反演方法技术研究，提高探测效果。

致谢：感谢新疆地质调查院物探分队的数据采集工作支持和各位审稿专家对本文提出的宝贵意见和建议。

参考文献

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Abstract：The main content of the urban basic geological survey is to find out the basic geological conditions in the urban development area and the planning area，the concealed geological structure and the available geological resources.At present，the high-density resistivity method has made remarkable achievements in the field of engineering geophysical prospecting.In this paper，this method is popularized and applied in the basic geological survey of Urumqi city.The location and character of hidden active faults in the working area are found out in detail and the water bearing structure in strata is identificated effectively.Also，the buried depth and spatial distribution form of the coal goaf are delineation. These provide effective basic geological data for subsequent urban geological survey.

Key Words：High density resistivity method;Urban basic geological survey;Concealed active fault;Coal goaf