高密度电法探测断层带的有效性分析

陈挺，张世奇，肖继文 （中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

1 引言

高密度电法是以探测目标地质体与其周围介质之间存在电阻率差异为基础，人工建立地下直流电场，通过预布置多道地表电极，扫描观测地下电阻率变化情况，从而探测到低阻的目标地质体。其兼具电测深法和电剖面法的优点，探测低电阻率区优势明显。断层附近一般呈现带状破碎区域，当断层位于沟谷地区时，易富水形成低电阻率区，且延伸较长，具备高密度电法勘探的理论基础。断层对桥梁的结构设计及安全影响较大，须查清断层的确切位置及影响区域。

2 工程概况

营盘大桥位于云南省鲁甸县龙头山镇龙泉河旁，地势低洼，为路线跨越龙泉河而设。拟采用整体式桥梁方案，设计桥长266.0m，属大桥，桥面净宽2m×12.5m，孔跨布置为13×20，桥梁上部结构拟采用预应力混凝土组合T梁，下部桥墩拟采用柱式墩、桩基础，桥台拟采用肋板台、桩基础。

根据区域地质资料得知，桥位区构造较复杂，横跨所属“昭通—鲁甸”活动性断裂带的骡马口断层（F23）。该断层沿线近期有地震发生，其震感有由南西向北东逐渐减弱之势，断层面向南东倾斜，倾角50以上，为设计安全，必须勘察该断裂的分布及走向趋势。经过物探方法的原理及精度等方面的比较，采取高密度电法的物探方法来勘察断裂带情况。

3 高密度电法工作原理

高密度电法的勘探前提条件是目的地质体与周围地质体具有电阻率差异，通过在地面两点向地下供电，其间任意两点测量其电位差，反演计算地下介质的电阻率。岩石完整程度和含水率不同以致其电阻率范围变化较大。断层破碎带由于岩石破碎，通常风化程度较高且含水率较高，故相对围岩一般表现为低阻区，地层电阻率特征见表1。

地层电阻率特征统计表 表1

4 高密度电法施工方法

营盘大桥所处位置四面环山，地势较低，紧邻龙泉河，探测的断裂带具备充水条件，断裂带相对周围岩层应为低阻区，具备电法勘探的条件。而且高密度电法同时具有电测深与电剖面法的优点，又能弥补它们的不足，能同时探测垂向和横向上电阻率的变化，可根据需要使用不同电极距及装置类型，在采集数据时能够获得更多的信息，使用全自动的采集模式，采集精度高、速度快。

高密度电法的测线布置一般垂直于构造走向，也可根据实际地质地形条件进行调整。根据本次勘察的目的，设计2条高密度测线（如图1所示）。根据地质资料推断的断层大致位置，控制在高密度电法的测线中间位置且测线足够长。测试装置选用受地形起伏影响较小的温纳排列装置类型，由于被探测的断层具体埋深和产状未知，为保证勘探深度和长度，使用仪器最大荷载，测线长度为120个电极，电极距10m，隔离系数1～30。剖面采集层数为30层。施工时使用RTK提前放点，确保测线在设计位置上，完成测线布置后，再次使用RTK测量每个电极坐标和高程数据，确保数据反演后能获得异常的真实位置。采集完电法数据后，室内多次反演分析，并结合地质资料，确定勘察目标体（断层）的位置，并钻探验证。

图1 高密度电法测线布置示意图

5 数据处理方法

高密度电法资料的处理主要是对数据进行处理，首选剔除坏点，然后数据平滑，使用不同的反演方法，反演后绘制视电阻率等值线剖面图。

①删除坏点：在读入数据后，首先要删除那些电阻率值有明显错误的数据点。这些坏数据点可能源于某个电极的连接失效，干燥土壤中电极接触不良或由于非常潮湿的环境条件，导致的电缆短路等。这些坏数据点的视电阻率值通常比相邻点高得多或低得多。

②反演：本次使用较成熟的最小二乘法反演，根据资料的噪音情况把阻尼系数设置为0.15，由于电阻率法的分辨率随着深度的增加按指数规律降低，为了稳定反演过程，阻尼系数逐层增大，阻尼系数增加因子设为1.2，由于本次探测断层的空间分布特征，水平分布特征对工程影响很大，故垂向/水平滤波比设为1；不同的迭代次数对反演结果影响较大，本次对比迭代5次～10次的结果，综合资料分析，使用迭代6次的反演结果。其他反演参数使用系统默认即可。

6 成果分析

高密度电法解释主要依据是电阻率等值线剖面图。根据电阻率差异划分异常，并根据异常位置增加钻探，并根据钻探揭露地质情况校正物探资料，最终形成物探成果。以下就各条剖面进行分析。

①LTSDQZ物探剖面

该剖面位置为桩号K44+050～K45+100，测线长度1200m。探测深度为240m左右。K45+050到K44+600附近，电阻率较高，覆盖层较薄，推测为中风化砂岩、较破碎、不富水；K44+600～K44+450附近，存在低阻异常带①，结合地质资料，推测为断层F23；K44+450～K44+050，电阻率偏低，上部为第四系覆盖层，下部推测为砂岩、灰岩或泥质灰岩，岩层破碎、富水。

图2 LTSDQZ高密度电法测线电阻率剖面图

②LTSDQY物探剖面

该剖面位置为桩号K43+800～K44+750，测线长度1200m。探测深度为240m左右。K44+350到K44+450附近，电阻在 200Ω·m ～500Ω·m，推测为中风化砂岩；K44+450～K44+200附近，电阻率较低，存在低阻异常①，结合地质资料，推测为断层F23；K44+200～K43+800，电阻率中等偏低，推测为砂岩、灰岩或泥质灰岩，岩层破碎。

图3 LTSDQY高密度电法测线电阻率剖面图

为了验证断裂带的位置情况，在物探异常区布置多个钻孔，具体如图1所示。其 中 LTSQZK7、LTSQZK8、LTSQZK9、LTSQZK10在物探异常区域内，对物探异常区的实际情况进行揭露，为工程提供了断层破碎带的范围数据，并绘制了地质剖面图。表2为钻孔柱状图统计表，钻孔柱状图均显示基岩破碎，与断层破碎带吻合，验证了物探的准确性。

钻孔柱状图统计表 表2

7 结语

高密度电法已经在工程中被广泛应用。地球物理勘察的前提是目的体与周围地质体具有物性差异，在选择高密度电法时，要充分了解工区地质情况，确认具备施工条件，选择合适的测线长度及电极距，根据构造走向布置测线方向。本次在勘察营盘桥址勘察断层破碎带中合理布设了2条测线，后经钻探验证，效果较好，揭示了断层破碎带的位置及走向，为进一步勘查提供了依据，高密度电法如果紧密结合地质资料，对断层探测可以作出准确地解释，是行之有效的方法。