高密度电法在奉节地区巴东组岩层勘察中的应用

2022-11-25李均山

铁道勘察 2022年6期

郭宇李均山

(1.重庆市地质矿产勘查开发局南江地质队，重庆 401120；2.核工业(天津)工程勘察院有限公司，天津 301800)

引言

重庆市奉节县地处长江三峡库区腹心，是渝东北城市圈重要组成部分，以及连接湘鄂渝陕南北经济走廊的枢纽。近年来，奉节地区基础设施建设工程越来越多，而三叠系中统巴东组岩层为该地区主要地层，经常作为建(构)筑物地基。因此，研究巴东组岩层工程地质特征对奉节地区工程勘察工作具有十分重要的意义。

奉节地区地处扬子准地台次级构造—四川台坳与上扬子地台褶皱带及大巴山台缘褶皱带的交接复合部位，县内以山地地貌为主，出露地层主要为三叠系中统巴东组岩层，巴东组岩层最典型特征为岩体软硬相间互层[1]，且作为碳酸盐岩存在隐伏岩溶问题，对工程建设极为不利。工程勘察中传统钻探手段因岩质软脆而岩芯采取率低，仅仅依靠钻探取芯对局部岩体特征难以鉴别，而导致地质勘察对巴东组岩体的工程地质评价存在一定的模糊性，因此采用综合勘察方法对研究巴东组岩层十分必要。

高密度电法作为一种地球物理勘探方法，在工程勘察中运用广泛，针对不同的地质问题，也取得了较多研究成果[2-6]。张加桂等利用电法EH-4、浅层地震、地震CT探测方法，得出了巴东组泥灰岩岩溶发育规律[7]；杨天春等通过研究高密度电法在隐伏岩溶中的应用，认为高密度电法勘探成果应该与工程地质资料相结合，方能有效地提高勘探结果的可靠性[8]；陈松等研究充电法和高密度电法在典型岩溶区勘查中的应用，认为充电法和高密度电法具有观测方式简单、工作效率较高和解译结果直观等优点[9]。以上研究多取得了较好的工程实践效果，但对高密度电法在巴东组岩层应用研究较少，以下将高密度电法运用于奉节巴东组岩层，着重查明岩层破碎带和隐伏岩溶，为岩体质量评价提供物探依据。

1 测区地层特征及工作原理

1.1 测区地层特征

测区位于重庆市奉节县东部的草堂镇境内，场地已进行整平，覆盖层厚6.0～45.0 m，下伏基岩为三叠系中统巴东组岩层。奉节地区巴东组岩层整合于嘉陵江组之上，为海退序列兼有震荡运动形式下形成的滨-浅海相不纯碳酸盐岩、泥砂岩建造[10]。

因沉积环境和构造作用比较复杂，使得巴东组岩层岩层地质结构复杂，工程力学性质总体较差。其总体特征为单层厚度不大、受节理切割严重、岩性呈脆性，容易破碎[11]。由于沉积交替回旋作用，巴东组岩层多呈现软硬互层的结构，岩质均匀性较差。

此外，巴东组泥灰岩、泥质灰岩中还发育有隐伏岩溶，具有由浅至深由强变弱的分层性和局部不均匀性，与原始地貌和地下水有密切关系。奉节一带泥灰岩边坡的溶蚀深度一般为5～8 m，野外泥灰岩岩体溶蚀形态主要以小型岩溶地貌为主体，包括小型溶沟及溶槽，微观下多表现为网状的微型溶孔。这些小型岩溶地貌破坏了岩石的完整结构，降低了岩石的力学强度[12-13]，测区巴东组岩层典型断面见图1。

图1 测区巴东组岩层典型断面

测区位于奉节县东部草堂工业园，地处草堂河阶地与山地交接部位，揭露岩层为灰黄色-灰色泥灰岩，覆盖层总体较薄且深浅不一，测区揭露地层如下。

(1)素填土。杂色，松散，稍湿，主要成分为泥岩、砂岩、泥灰岩、泥质灰岩碎块石及粉质黏土，碎块石含量为30%～70%，一般粒径2～30 cm，最大粒径约100 cm，回填时间3～4年。分布于场地表层，层厚0.40～11.80 m。

(2)卵石。褐色-灰色，稍密-中密。母岩成分为泥岩、砂岩、泥灰岩、泥质灰岩，级配较好，一般粒径2～20 cm，最大粒径80 cm，卵石含量55%～75%，层厚0.70～58.66 m。

(3)泥灰岩。灰黄色，隐晶质结构，薄层-中厚层状构造，主要由碳酸盐矿物及黏土矿物组成，局部可见方解石脉，遇稀盐酸不起泡，裂隙较发育，局部有褐色铁质氧化面及溶隙。

根据测区岩层特征，隐伏岩溶、破碎带是测区主要工程地质问题，对工程建设存在不利影响。由于岩体较破碎，岩芯采取率低，采用单一钻探手段来判定隐伏岩溶、破碎带存在局限性，需辅以物探方法进行探测。

1.2 高密度电法工作原理

高密度电法是一种阵列勘探方法，也称为自动电阻率系统，相当于四极测深法与电剖面法的结合[14]。采用电极向地下供电形成人工电场，其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρ的分布密切相关，通过对地表不同部位人工电场的测量，了解地下介质视电阻率ρs的分布，再根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质结构。高密度电法原理清晰，图像直观，是一种分辨率较高的物探方法。高精度测深法可以实现电阻率的快速采集和现场数据的实时处理，集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，观测精度高、速度快。

高密度电法野外勘探采用高密度四极装置，测量时，通过隔离系数控制供电电极A、B和测量电极M、N的间距，探测深度一般为AB5-AB3。A、M、N、B逐点向右移动，得到第一组数据；接着AM、MN、NB增大1个电极间距，A、M、N、B逐点向右移动，得到另一组数据；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形电阻率断面(见图2)。

图2 高密度电法四极装置断面扫描示意

电阻率计算公式为

(1)

(2)

式中，ρs为视电阻率；ΔV为M、N之间的电位差；I为供电电流；K为设备系数；DAM、DAN、DBM、DBN为各电极之间的水平距离。

高密度电法现场采集数据为岩土体视电阻率，还需要将采集数据进行反演，国内常用最小二乘法进行反演[15]。平滑限定的最小二乘法计算基本方程为

(3)

本次测试采用顶峰DFDK-2高密度电法仪(见图3)，该仪器采用分布式电缆，通过程控开关可组成四极、单边三极等多种装置形式，仪器测量电压最大值-6 000～+6 000 mV，电压分辨率为0.01 mV。

图3 DFDK-2高密度电法仪

2 高密度电法测试与成果分析

测区共布置3条测线(WT1、WT2、WT3)，测点距离为5.0 m，测点总数227个。测线布置在原始冲沟以及原始河道边缘地带，WT1、WT2测线横跨一条古溶蚀冲沟，测线与流向垂直；WT3测线布设在草堂河岸坡边缘，与草堂河流向平行。这些区域往往是地下水易汇聚区域。为检验各测线结果准确性，采用钻探进行验证。

2.1 成果分析

3条测线剖面解译成果如下。

WT1-1’测线存在3个电阻率异常区域(见图4)。YC1-1距测线起点90～125 m、高程为174～195 m，呈低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育，并由低电阻率物质填充；YC1-2距测线起点150～195 m、高程为191～213 m，呈相对低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育；YC1-3距测线起点232～280 m、高程为173～193 m，呈相对低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育。

图4 WT1-1’高密度测线成果解译(单位：m)

WT2-2’测线存在2个电阻率异常区域(见图5)。YC2-1距测线起点31～55 m、高程为205～220 m，呈低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育，并由低电阻率物质填充；YC2-2距测线起点68～102 m、高程为203～222 m，呈相对低电阻率，推断该区域岩体破碎，溶蚀发育并由低电阻率物质填充。

图5 WT2-2’高密度测线成果解译(单位：m)

WT3-3’测线存在4个电阻率异常区域(见图6)。YC3-1距测线起点56～85 m、高程为195～215 m，呈低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育，并由低电阻率物质填充；YC3-2距测线起点130～150 m、高程为198～208 m，呈相对低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育，并由低电阻率物质填充；YC3-3距测线起点179～200 m、高程为203～216 m，呈相对低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育，并由低电阻率物质填充；YC3-4距测线起点220～235 m、高程为197～207 m，呈低电阻率，推断该区域岩体破碎或溶蚀发育。高密度电法测线剖面与钻探剖面分析对比见表1。

图6 WT3-3’高密度测线成果解译(单位：m)

由表1可知，高密度电法能查明异常区具体分布，钻探法能通过取芯查明岩土成分，二者相互验证，能精确查明测区隐伏岩溶、破碎带规模及分布。破碎带或岩溶充填物电阻率值为30～50 Ω·m，较完整基岩电阻率值为100～160 Ω·m，表明两者电阻率存在较大差异。

表1 高密度电法测线剖面与钻探剖面分析对比

2.2 地质成因分析

据上述测试成果，测区巴东组岩层主要工程地质问题为溶蚀冲沟、溶洞及破碎带。巴东组泥灰岩具有泥岩、灰岩的双重性质，岩石遇水时，灰岩成分被水溶蚀，发生化学变化，而泥质成分遇水软化，发生物理变化。其地质成因可根据其溶蚀风化产物归纳为两种类型。

(1)溶蚀冲沟(YC1-2、YC2-2)

由于地形由陡变缓，山体雨水顺沟谷流下，在平缓处流速变缓，一部分地表水顺裂隙渗入地下，不断溶蚀岩体，冲沟不断下切，泥灰岩中的灰质成分被溶蚀，而泥质成分则残留在冲沟内。奉节地区气候夏、秋两季多暴雨，汛期山洪频繁暴发，因地形由陡变缓，山洪携坡洪积物不断充填冲沟(见图7)。岩体溶蚀作用与风化剥蚀不同，溶蚀冲沟发育形态与水流通道相关，一般侧向溶蚀面近乎垂直，基岩面在溶蚀冲沟两侧由“水平”突变为“垂直”，基岩面在钻孔剖面上呈“U”形。溶蚀冲沟内部一般充填松散物质及溶蚀残物，其电阻率也呈现为低阻异常。

图7 溶蚀冲沟地质成因示意

(2)溶洞、破碎带(YC1-1、YC1-3、YC2-1、YC3-1-YC3-4)

由于测区东侧草堂河不断下切，致使岸坡岩体卸荷，岩体裂隙张开发育，为河水渗入岩体内部提供了通道，岸坡一定范围内溶蚀作用较发育，当溶蚀作用发育一定阶段后形成溶洞，部分溶洞还充填河床冲洪积物质。由于泥灰岩中的黏土矿物具有较强的亲水性，当水从岩石裂隙通道进入后，引起黏土矿物(蒙脱石)膨胀，致使岩石结构遭受破坏，形成破碎带(见图8)。

图8 河道附近隐伏岩溶及破碎带成因

岩体破碎带因其致密程度较完整岩石差，其电阻率呈现为低阻异常，对于岩体内部溶洞，多为空洞状态或被松散物质填充，其电阻率也呈现为低阻异常。

2.3 高密度电法布线原则

据上述成因分析可知，奉节地区巴东组岩层破碎带和隐伏岩溶发育是在特定的地质环境下形成的。因此，为准确查明测区岩层破碎带和隐伏岩溶分布，应遵循以下布线原则。

(1)巴东组岩层破碎带和隐伏岩溶发育呈现不规律性，应先进行工程地质测绘及钻探，初步确定其范围，对存在破碎带和隐伏岩溶的区域，应适当加密钻孔，然后根据钻探结果针对性布置物探线，并使两种手段相互验证。

(2)巴东组岩层隐伏岩溶和破碎带发育特征与地形地貌，地表水、地下水密切相关。其中，坡脚，沟谷、冲沟由陡变缓等雨水易汇聚地带会加速岩石风化和溶蚀，这些地方为重点布线区域，且测线布置应尽量与水流向垂直。水活跃的地带也是隐伏岩溶及破碎带发育地带，如河道、水库等地表水体附近，这些地方也应重点考虑布线，测线应尽量与水流向平行，且越靠近水体，测线应越密。