王 升，韓世禮*，彭莎莎，張華麗，李國(guó)銀

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001;2.湖南省稀有金屬礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)與廢物地質(zhì)處置技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽(yáng)421001;3.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院路橋工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132;4.長(zhǎng)沙水業(yè)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410015)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水利工程建設(shè)越來(lái)越頻繁，施工區(qū)不穩(wěn)定的斷裂帶直接影響水利工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，正在活動(dòng)的斷層(如新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)劇烈、地震頻繁地區(qū)的斷層)對(duì)建筑物的影響更加巨大。在水利工程建設(shè)中這種潛在的安全隱患，會(huì)嚴(yán)重影響人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，當(dāng)下防范突發(fā)性災(zāi)難事故刻不容緩。

本文研究區(qū)位于湖南省常德市澧縣，1631年在區(qū)域上發(fā)生過(guò)大型破壞性地震[1-2]，該地震是迄今為止有記載的華南內(nèi)陸最大的地震之一，震中屬于洞庭湖盆地西南部的太陽(yáng)山隆起，發(fā)震斷裂則是太陽(yáng)山斷裂，這已是大多數(shù)研究者的共識(shí)[3]。據(jù)湖南省地震局有關(guān)記載，澧縣斷裂西段的石門(mén)縣、澧縣以及澧南地段近幾年曾發(fā)生過(guò)多次地震，由地震發(fā)展史可知，距離研究區(qū)最近的澧縣斷裂一直處于較活動(dòng)狀態(tài)，并且具備發(fā)震斷裂的一定條件。

研究區(qū)地處澧縣境內(nèi)澧水干流艷洲洲尾，位于澧陽(yáng)平原腹地，在澧水石門(mén)至澧縣航道建設(shè)工程的艷洲樞紐船閘工程中擬建設(shè)船只通行水道，目前正處于工程的初勘階段。由于研究區(qū)內(nèi)基巖風(fēng)化程度不均，巖土界面較復(fù)雜，加之區(qū)域上局部可能存在不穩(wěn)定斷層，若運(yùn)用鉆探方法，不僅費(fèi)用高周期長(zhǎng)，而且可能會(huì)出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象。高密度電法具有效率高，檢測(cè)靈活，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是工程中最常用的地球物理勘探方法之一[4-7]。

1 地質(zhì)概況及地球物理特征1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

第四紀(jì)洞庭盆地由臨澧凹陷、澧縣凹陷、太陽(yáng)山隆起、安鄉(xiāng)凹陷、武陵隆起等多個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元組成，展現(xiàn)了非常復(fù)雜的隆-凹構(gòu)造格局。一般隆起區(qū)多為崗狀平原以及低山丘陵區(qū)域，第四紀(jì)期間地勢(shì)起伏主要以抬升為主，因此區(qū)域上基巖出露偏多，第四系厚度明顯減小，并組成了多級(jí)階地。凹陷區(qū)主要為低平原地貌，第四紀(jì)期間沉降幅度較大，不同地層時(shí)代沉積會(huì)發(fā)生上下疊置，沉積疊置厚度較大[8]。上述隆-凹構(gòu)造格局主要受第四紀(jì)正斷裂控制(據(jù)柏道遠(yuǎn)等[9]，詳見(jiàn)圖1)。澧縣凹陷為洞庭盆地西北部的次級(jí)凹陷，北東面為江漢盆地，南面接安鄉(xiāng)凹陷和太陽(yáng)山隆起，西面為武陵隆起。澧縣凹陷是由3條邊界圍成的三角形凹陷地貌，每條邊界長(zhǎng)約50 km。主要受控于3條正斷裂的邊界，即南縣-黃山頭斷裂、復(fù)興廠斷裂、澧縣斷裂。

1.2 工程地質(zhì)概況

研究區(qū)處于澧陽(yáng)平原腹地，位于澧水河右岸階地，交通便利，距澧縣縣城5 km，地形略為起伏，地面標(biāo)高約27.1～55.5 m，相對(duì)高差28.4 m。根據(jù)前期實(shí)際鉆孔工程地勘結(jié)果可知，工作區(qū)地層分為第四系全新統(tǒng)(Q4)及泥盆系(K)兩個(gè)地層時(shí)代。其中第四系全新統(tǒng)地層分為三層，頂層為素填土與粉質(zhì)黏土，素填土結(jié)構(gòu)松散，為人工填筑，揭露層厚約0.5～5.8 m；粉質(zhì)黏土含砂，均勻性好，揭露層厚3.3～9.0 m；中間層為沖洪積卵礫石組成，卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)，分選性一般，磨圓度好，場(chǎng)地內(nèi)分布面積大，揭露層厚1.8～14.3 m；底層為卵石層，以砂及黏性土充填，揭露層厚約26 m。泥盆系地層巖性為中風(fēng)化石英砂巖，裂隙間可見(jiàn)充填褐紅色泥砂，裂面為紅褐色礦物質(zhì)浸染，全場(chǎng)地分布，最大揭露厚度7.2 m，最大深度約65 m。

1.3 地球物理特征

由于巖石和土壤塊的組成和厚度以及風(fēng)化裂隙帶的水和泥漿填充程度的不同，導(dǎo)致巖石和土壤塊的物理參數(shù)存在差異。巖層的電阻率與其巖性、孔隙率、含水量等性質(zhì)是相關(guān)的，不同巖性的電阻率差異是高密度電阻率方法物探工作的前提[10]。本工作區(qū)巖土體類型素填土、砂卵石與砂巖之間存在較大電阻率差異(詳見(jiàn)表1)，素填土電阻率在5～20 Ω·m之間，平均電阻率為12 Ω·m；砂卵石電阻率在20～100 Ω·m之間，平均電阻率為52 Ω·m；砂巖電阻率在120～480 Ω·m之間，平均電阻率為200 Ω·m。依據(jù)上述電性組合特性可以有效的探測(cè)巖土界面形態(tài)及裂隙疏松帶等不良地質(zhì)體。

1—前第四紀(jì)基巖出露區(qū)；2—第四系等厚線及厚度值/m；3—第四紀(jì)早期控盆或控凹正斷裂，齒向示下降盤(pán)；4—第四紀(jì)構(gòu)造單元界線；5—斷裂編號(hào)；6—構(gòu)造單元編號(hào)；7—研究區(qū)；F1—復(fù)興廠斷裂；F2—澧縣斷裂；F3—南縣—黃山頭斷裂；F4—石首斷裂；F5—雷公廟斷裂；F6—漸水?dāng)嗔?；F7—常德—益陽(yáng)斷裂；F8—周家店斷裂；U1—武陵隆起；U2—臨澧凹陷；U3—太陽(yáng)山隆起；U4—澧縣凹陷；U5—安鄉(xiāng)凹陷。圖1 第四紀(jì)洞庭盆地構(gòu)造格局及第四系等厚圖Fig.1 The Quaternary Dongting Basin Tectonic Framework and Quaternary Isobaric Map

表1 電阻率物性參數(shù)表Table 1 Parameter of resistivity for various media

2 高密度電法的工作原理及方法

2.1 高密度電法工作原理

高密度電法與常規(guī)的電阻率法基本工作原理大致相同，工作原理是利用巖土體的電性差異，通過(guò)施加電場(chǎng)作用后以地層中電流傳導(dǎo)的規(guī)律，然后觀測(cè)表現(xiàn)出不同電阻率的地質(zhì)體分布。在施工場(chǎng)地插入一定數(shù)量的電極，通過(guò)儀器智能控制排列電極，并接收電流信號(hào)，儀器通過(guò)A、B電極向地下供應(yīng)電流(I)，然后觀測(cè)MN電極之間的電位差(ΔV)，計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)(M、N之間)的視電阻率值[11]。高密度電法具有數(shù)據(jù)采集量大、效率高、成本低、智能跑極、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以很大程度上避免人為操作出現(xiàn)的誤差[12-13]。

通常在獲得高密度電法的視電阻率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)行初步探討，后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，即可知曉巖土體中電阻率的分布情況，從而確定基巖以及巖礦在地下空間的分布。

2.2 工作方法及測(cè)線布置

本次研究投入儀器設(shè)備為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以WDA-1、1B超級(jí)數(shù)字直流電法儀為測(cè)控主機(jī)，通過(guò)集中式高密度電阻率電纜、電極，實(shí)現(xiàn)二維高密度電阻率測(cè)量。

進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作之前，首先進(jìn)行了方法試驗(yàn)，通過(guò)綜合對(duì)比各裝置類型，最終選定對(duì)稱四極測(cè)深(施侖貝謝爾)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)初勘推斷斷層走向及場(chǎng)地條件所限，設(shè)計(jì)物探測(cè)線近東西向，共布置了3條測(cè)線(圖2)：其中W1線點(diǎn)距5 m，電極120根，長(zhǎng)度600 m，總體方位110°；W2線點(diǎn)距4 m，電極79根，長(zhǎng)度312 m，總體方位100°；W3線點(diǎn)距4 m，電極51根，長(zhǎng)度200 m，總體方位96°。同時(shí)為得到盡量多的測(cè)深數(shù)據(jù)，提高測(cè)深數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)場(chǎng)地情況，盡量向兩側(cè)延長(zhǎng)測(cè)線長(zhǎng)度。

圖2 高密度電法工作布置圖及推斷斷裂成果圖Fig.2 Work layout of high-density electrical method

3 數(shù)據(jù)處理及異常解釋推斷

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法的數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理和反演計(jì)算[14]。數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、拼接合并、排序、突變點(diǎn)剔除、濾波等；反演計(jì)算主要采用2DRES反演軟件進(jìn)行計(jì)算，本次工作主要采用的是基于圓滑約束的最小二乘法進(jìn)行反演，繪制視電阻率等值線圖。

3.2 異常推斷解譯

高密度電法推斷解譯，主要依據(jù)二維反演成果圖并結(jié)合工程地質(zhì)情況進(jìn)行分析。需要注意的是，二維反演成果圖由于會(huì)受軟件算法和收斂條的件限制，深度會(huì)受到一定程度的限制。若地質(zhì)條件整體電阻率較高，其反映深度會(huì)相應(yīng)增大，反之地質(zhì)條件整體電阻率較低，其反映深度也會(huì)相應(yīng)減小。

通過(guò)高密度二維反演圖(圖3)可知，高密度電法W1線、W2線、W3線上部表現(xiàn)為低阻體(深藍(lán)色)，主要由素填土和含水砂卵石層引起。W1線顯示厚度在2～50 m左右，整體表現(xiàn)為中間厚兩邊薄，特別是西側(cè)厚度在1～3 m左右；W2線顯示低阻體逐漸向東延伸，整體緩慢增厚；W3線上部低阻體顯示厚度在20～45 m左右。W2、W3線的長(zhǎng)度受場(chǎng)地影響，測(cè)線長(zhǎng)度有所限制，測(cè)量深度相對(duì)較淺。由W1線二維反演圖可知，深度在40 m以下存在3處呈陡直或傾斜條帶狀的中低阻異常帶，電阻率在120～180 Ω·m左右，分別位于測(cè)線275 m、330 m、425 m處，推測(cè)由斷裂破碎帶引起，分別命名為F1、F2、F3(圖4)。另外位于120 m點(diǎn)位附近，深度在40 m以下存在一低阻異常帶W1-1(圖4中虛線橢圓)；位于475 m點(diǎn)位附近淺部電阻率無(wú)明顯下凹，深度在50 m以下存在一低阻異常帶W1-4，推測(cè)兩處異常由臨近河床含水量較大所致。

圖3 高密度電法視電阻率反演圖Fig.3 Apparent resistivity inversion map of high-density electrical method

高密度電法W2線216 m點(diǎn)位附近與W3線75 m點(diǎn)位附近，電阻率曲線均出現(xiàn)明顯下凹趨勢(shì)，并具有一定的延伸性，推測(cè)由F1斷裂構(gòu)造引起的破碎帶充水引起。高密度電法W2線反演圖的72 m點(diǎn)號(hào)附近，深度在32～56 m之間，存在一狹長(zhǎng)條帶狀低阻異常，電阻率在10～160 Ω·m之間，推測(cè)由該場(chǎng)地的建筑施工地面水下滲引起，低阻異常帶命名為W2-1；測(cè)線西側(cè)位于60 m和90 m的淺部，存在兩個(gè)孤立的局部高阻體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，推測(cè)可能由修路時(shí)某種高阻人工填渣或不含水卵石引起。各測(cè)線推斷巖性界面及異常位置詳見(jiàn)推斷解譯圖(見(jiàn)圖4)。

圖4 高密度電法推斷解譯圖Fig.4 Interpretation diagram of high-density electrical method

3.3 綜合異常分析

根據(jù)上述異常推斷解譯模式，對(duì)3條測(cè)線剖面二維反演圖進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況加以綜合評(píng)價(jià)，直觀揭示了各剖面的素填土、砂卵石層與紫紅色砂巖的巖性界面。上部素填土、砂卵石層主要呈低電阻率特征，厚度2～55 m左右，下部砂巖呈中高電阻率特征，基底砂巖界面波動(dòng)起伏較大，整體由西向東砂巖界面逐漸變淺(見(jiàn)圖4)。

本次工作共推斷出3條斷裂破碎帶，分別編號(hào)為F1、F2和F3，其中W1線的F3處于剖面延長(zhǎng)線位置，屬于研究區(qū)外圍的單點(diǎn)異常，其走向不明，未列入本次綜合異常帶推斷解譯表(見(jiàn)表2)。本次工作共圈定單獨(dú)異常體8處，分別是W1-1、W1-2、W1-3、W1-4、W2-1、W2-2、W3-1、W3-2異常體，其中W1-1異常位于W1線120 m處，W1-2異常位于W1線265 m處，W1-3異常位于W1線325 m處，W1-4異常位于W1線470 m處，4處異常體的深度均約為40 m；W2-1異常位于W2線72 m處，深度約32～56 m；W2-2異常位于W2線216 m處，深度約40 m；W3-1異常位于W3線75 m處，深度約35 m；W3-2異常位于W3線110 m處，深度約40 m。各測(cè)線推斷巖性界面及綜合異常位置詳見(jiàn)高密度電法推斷解譯圖(見(jiàn)圖4)。

表2 高密度電法綜合異常帶推斷解譯表Table 2 Inference and interpretation table of high-density electrical method

4 鉆探結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)高密度電法二維反演圖的綜合解譯，分別對(duì)3條斷裂破碎帶進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。

選取W2線220 m、W3線120 m處、W1線420 m處，進(jìn)行F1、F2、F3斷裂破碎帶的驗(yàn)證，分別在孔深38.2 m、32 m和16.5 m處見(jiàn)有中風(fēng)化石英砂巖破碎帶，巖石破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間充填泥砂，與高密度電法推斷結(jié)果一致。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)各剖面二維反演圖，結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況分析，較好地揭示了各剖面素填土、砂卵石層與紫紅色砂巖之間的界面起伏形態(tài)及深度。

2)本次高密度電法工作共推斷出3條斷裂破碎帶，其中F1和F2在各剖面反映一致，電阻率曲線明顯下凹，多呈條帶狀低阻異常，且具有一定的延伸性；F3處于剖面延長(zhǎng)線位置，屬于研究區(qū)外圍的單點(diǎn)異常。經(jīng)過(guò)鉆孔驗(yàn)證，破碎帶內(nèi)多巖石破碎，與高密度電法推斷結(jié)果一致。

3)高密度電法有效查明了澧縣艷洲樞紐船閘工程不良地質(zhì)體破碎帶及隱伏斷裂的空間分布位置，為擬建船只通行水道的設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)地質(zhì)資料支撐。