吳翔飛

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

山西省萬家寨引黃入晉工程是解決太原市、大同市、朔州市水資源緊缺矛盾的大型跨流域調(diào)水工程，輸水線路全長158.075 km。輸水線路工程由總干線、南干線、聯(lián)結段和北干線四部分組成。北干線由下土寨分水閘向東行經(jīng)大梁水庫至中溝灣后，鋪管道沿平魯、朔州市、山陰、懷仁至大同市。輸水線路的地質情況，對管線的設計起著重要的作用。從構造形跡上來看，魏家窯擔水溝的隱伏斷層對北干線2#隧洞倒虹吸輸水線路存在著直接影響。由于斷層被第四系物覆蓋，地質、鉆探均無法確定其準確空間位置，這給設計和施工帶來了很大困難。如何查清隱伏斷層空間分布情況，就成為亟待解決的問題。

1 地層視電阻率的測定原理

物探主要是利用物性差異來解決地質問題的。自然界不同的巖石導電性能是不同的，不同的巖性地層導電性能也是不同的。地殼物質的組成從巖石成因上可劃分為火成巖、變質巖和沉積巖，它們的電阻率大小有較大差別。從表1[1]可看出，火成巖和變質巖的電阻率在102～105Ω·m范圍變化，沉積巖在100～105Ω·m范圍變化。巖石經(jīng)過長期的地質構造運動作用、風化作用、化學作用、溫度變化及水因素等影響，改變了原生賦存狀態(tài)，電阻率值又會逐漸變小。巖石及地層的電阻率大小，決定了在向地下供電時，電流線的空間分布狀態(tài)。通過測量兩點間的電位差和電流，就可以計算出地層的電阻率。

表1 常見巖石電阻率分布范圍表

那么，如何確定空間兩點間的視電阻率大小呢？圖1為點電源電場。假定在地表，通過點電源A（+I）和B（-I）向地下供電，那么在M、N點分別形成的電位為UM和UN，在M、N兩點間形成的電位差ΔUMN（其中k為裝置系數(shù)）。

視電阻率

圖1 點電源電場

2 高密度電阻率法

2.1 測試原理

高密度電阻率法原理實際上與地層視電阻率測定原理相同，它集中了電剖面法和電測深法的特點，能快速準確地獲取豐富的地下信息。電剖面法是各電極間保持一定距離，同時沿著測線移動并逐點觀測和計算出視電阻率ρs值，其測線上的各個測點探測深度基本一致，反映了測線下一定深度范圍內(nèi)的地電斷面特征。電測深法是測點固定，電極間距離按照一定規(guī)律由近到遠不斷變化，從而測試固定點位不同深度的視電阻率ρs值，反映了測點處不同深度范圍的視電阻率特征。

2.2 數(shù)據(jù)采集裝置

高密度電阻率法，實際上是將原來人工布置的4根電極，改為一次性布置60根電極（或更多根電極），通過轉換電極箱達到供電極距和接收電極極距的轉換，極大地提高了工作效率和數(shù)據(jù)采集量。目前，高密度電法已經(jīng)實現(xiàn)了自動化數(shù)據(jù)采集。從裝置來講共有13種電極排列方式，分為固定斷面掃描測量和變斷面連續(xù)掃描測量方式。本次采用的α2排列為固定斷面掃描測量。圖2為α2裝置數(shù)據(jù)采集示意圖。

圖2 α2裝置數(shù)據(jù)采集示意圖

從圖2中可以看出，測量斷面為倒梯形。AM=MN=NB為一個電極間距。測量時，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到一條剖面線；接著AM、NB增大一個電極間距（MN始終為一個電極間距），A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

2.3 數(shù)據(jù)反演原理及數(shù)據(jù)預處理

國內(nèi)外開發(fā)了各種不同的高密度電法反演軟件，本次使用的二維反演程序是RES2DINV，它是基于圓滑約束最小二乘法[2]，其方程為：

式中：J——偏導數(shù)矩陣；

J’——J的轉置矩陣；

u——阻尼系數(shù)。

fx——水平平滑濾波系數(shù)矩陣；

fx’——水平平滑濾波系數(shù)的轉置矩陣；

fz——垂直平滑濾波系數(shù)矩陣；

fz’——垂直平滑濾波系數(shù)的轉置矩陣；

d——模型參數(shù)修改矢量；

g——殘差矢量。

反演程序使用的二維模型把地下空間分為許多模型子塊，然后確定這些子塊的電阻率，使得正演計算出來的視電阻率擬斷面與實測擬斷面值相吻合。

對于采集得到的大量數(shù)據(jù)首先要進行數(shù)據(jù)預處理。采集數(shù)據(jù)時選擇的采集層數(shù)少，供電極距較短將得不到深部數(shù)據(jù)；如果層數(shù)多，雖可以獲得深部數(shù)據(jù)，但隨著供電極距的加大，一次場電位差將會越來越小。當游移電流干擾或有激發(fā)極化效應時，將會使電阻率出現(xiàn)負值，這就需要進行數(shù)據(jù)預處理。

預處理的一般步驟是：①對電位差小于3 mV的點舍棄后，用周圍4點平均代替；②對于同一層電阻率數(shù)據(jù)，出現(xiàn)單點遠大于或小于相鄰點數(shù)據(jù)，應將該數(shù)據(jù)剔除后，用左右相鄰的4個點平均值代替；如果連續(xù)出現(xiàn)2個點遠大于或遠小于相鄰點數(shù)據(jù)，剔除應斟酌處理；如果連續(xù)出現(xiàn)3個點（或更多）遠大于或遠小于相鄰點數(shù)據(jù)，應予以保留；③電阻率為負值的點一律舍棄。

3 應用分析研究

3.1 區(qū)域地質概況

山西省萬家寨引黃入晉工程北干線位于呂梁—太行斷塊云岡塊坳西北部，西部與偏關神池塊坪相鄰。從區(qū)域地質構造形跡上來看，大同至朔州區(qū)間分布有多個斷裂帶。構造線方向最為顯著的是北東向、北北東向構造，其次是南北向構造。區(qū)內(nèi)最大的斷裂構造為山前大斷裂，在北部大同至山陰斷裂（口泉大斷裂）走向N30°～45°E左右，傾向SE；在南部山陰至朔州斷層由走向S50°E、N40°E、近WE、N10°E、N30°E五條斷裂組成，展布呈“S”型。2#隧洞倒虹吸輸水線路所在的魏家窯擔水溝斷裂走向近WE，西起平魯縣，向東經(jīng)魏家窯、大平易，直至朔州市神頭一帶，長度30 km，為正斷層。在勘察區(qū)域被第四系物所覆蓋，為隱伏斷層。

3.2 斷層位置的推斷解釋

為了查清隱伏斷層的具體位置，我們在魏家窯村東的擔水溝中布置了高密度電法剖面。溝谷為近南北走向，寬100～250 m，地表為耕地，溝中有小溪。從地形特征來看，地表平整，適宜作電法勘察工作；從地電條件來看，溝中溪水的常年滲透，使巖石中大量含水，導電性能良好。

（1）高密度電阻率反演結果

圖3是距離起點120～420 m電阻率反演地電斷面圖。為了突出淺部地電斷面特征，縱向采用對數(shù)坐標，橫向采用算術坐標。從圖2可以看出，經(jīng)過反演后地層視電阻率斷面基本呈層狀分布。左部地層成傾斜狀，右上部地層成水平狀，推斷有斷層通過。

圖3 電阻率反演地電斷面圖

圖4 視電阻率等值線斷面圖

（2）視電阻率等值線斷面特征

圖4為視電阻率等值線斷面圖。

從圖4中可以看出，斷面分成左右兩個區(qū)域。左側視電阻率為10～50 Ω·m，相對于右側較高，而且等值線密集。造成這種現(xiàn)象的原因是，受構造應力作用，軟的地層變形被擠壓成破碎狀，視電阻率表現(xiàn)為低阻特征，硬的底層保持了較好的狀態(tài)，視電阻率表現(xiàn)為相對高阻特征?？拷胁?，等值線向深部展布，有斷層破碎帶的特征。右側上部視電阻率值相對左側較小，曲線成層狀分布，反映了上部第四系沉積物的特征。

（3）AB/2為30 m電剖面電阻率特征分析

電剖面法是電阻率法中的一種。特點是電極間的距離保持一定，沿著測線逐點測試視電阻率。由于AB/2和MN/2距離一定，因此電剖面反映了大致AB/2深度范圍的地層電阻率變化情況。對于高密度電法的固定斷面裝置來說，按層提取的數(shù)據(jù)就是某一深度的電剖面。圖5揭示了距離起點0～300 m的視電阻率值小于距離起點300～560 m的視電阻率值；電阻率的起伏變化揭示了地電斷面的不均勻性。

根據(jù)上述分析，推斷有正斷層F12存在。下盤地層完整性較差，上盤上部覆蓋層幾乎成水平狀，在靠近斷層滑動面附近為斷層破碎帶，斷層面傾角60°左右。推斷的物探地質剖面見圖6。

圖5 AB/2=30 m電剖面圖

圖6 物探地質解釋圖

（4）鉆孔驗證

為了驗證物探推斷結論，在距離剖面起點230 m、262 m處布置了兩個鉆孔，其情況見表2。ZK06-1號鉆孔絕對誤差為2.3 m，相對誤差為5.9%；ZK06-2號鉆孔絕對誤差為4.5 m，相對誤差為6.3%。由此可見，物探的解釋結論與鉆探結果基本吻合。

表2 鉆孔揭露斷層與物探解釋深度分析表

5 結語

利用物探方法可以有效解決隱伏斷層的空間位置。高密度電法勘察時，要充分利用采集到的數(shù)據(jù)，要將不同斷面、同一斷面的不同剖面進行分析解釋，要充分利用原始視電阻率數(shù)據(jù)勾繪等值線圖，達到反演解釋、原始等值線和同一深度剖面間解釋的相互佐證。物探解釋前，要對原始數(shù)據(jù)按照一定的原則進行畸變點的剔除，以保證數(shù)據(jù)的可靠。

［1］付良魁.電法勘探教程［M］.北京：地質出版社，1983年。

［2］康 健，等.高密度電法在火山熔巖臺地地質調(diào)查中的探討［J］.華北地震科學，2008，26（4）31-35.