二维高密度电法在清徐县地裂缝勘察中的应用

薛 晓 东

(山西省地震局，山西 太原 030002)

二维高密度电法在清徐县地裂缝勘察中的应用

薛 晓 东

(山西省地震局，山西 太原 030002)

以二维高密度电法在清徐县境内地裂缝勘察的工作为例，介绍了二维高密度电法的工作原理，对其在地裂缝勘察中的应用进行了研究，指出二维高密度电法是常用的电阻率测量方法，它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，数据量大，信息多，观测精度高，探测的深度灵活。

二维高密度电法，活动断裂，地裂缝

0 引言

交城断裂为太原断陷盆地的西界断裂，是太原盆地内规模最大的断裂，对太原盆地的形成、发展起着决定性作用。1998年以来，在清徐县西边山一带沿交城断裂相继出现了大量的地裂缝，使沿线的村庄、道路、厂房、农田遭到了不同程度的破坏，为减轻地裂灾害对清徐县西边山一带建、构筑物的破坏，为清徐县的城乡建设提供规划依据，开展了山西省清徐县境内地裂缝勘察评价工作。

根据对区域地质情况和已收集到的资料分析，断裂带地球物理勘探工作主要采用了二维高密度电法，用以查明地裂缝的分布。

1 项目概况

清徐县位于山西省中部，太原市东南端，行政区划隶属太原市管辖。本次勘察范围为清徐县境内交城断裂带的展布区北西1 km，南东4 km的范围，其东起上固驿村北东，西至武家坡村西，其北起猫儿梁—刘家园—方山一线，南至西支河渠一线。本次项目中用二维高密度电法来查明勘查区中地裂缝的位置展布。

2 工作原理

高密度电法是新型电阻率测量方法。它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，数据量大，信息

多；观测精度高，探测的深度灵活。在工程地质勘察、断裂勘察中的前景十分广阔。

高密度电法的物理前提是地下介质间的导电性差异。和常规电阻率法一样，它通过A,B电极向地下供电流I，然后在M,N极间测量电位差ΔV，从而求得该记录点的视电阻率值ρs=KΔV/I。根据实测的视电阻率剖面，进行计算、处理、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而可以划分地层、圈闭异常等。

高密度电法的核心是在观测上采用阵列电极系统(见图1)、数据处理上实施二维反演，由实测的视电阻率值得到真电阻率的分布图像。由于电成像利用了丰富的信息量和非线性反演，所得结果的分辨率远远高于常规电法勘探。这种二维真电阻率的分布图像十分便于地质工作的分析与解释，大大地降低了传统电法勘探中的不确定性。由于真电阻率值与地层的岩性、岩石孔隙中液体的性质有着密切关系，所以在识别断层、破碎带、油气层及其污染源等方面非常有效。

测线布置。本次共布设高密度电法测线20条，布线原则是大体垂直交城断裂构造走向(NEE)，测线方向近SN向。现选取几条测线分析，测线参数见表1。

表1 各测线的参数一览表

3 二维高密度电法资料的地质解释

3.1 高密度电法勘探解释的地质基础

1)根据交城断裂带有关资料，本区的地层如下：

a.第四系(Q)。区内分布较广，岩性变化较大，主要分布于边山一带局部地区及山前平原区。包括中更新统、上更新统及全新统地层。

中更新统(Q2)：分布于边山及平原区。边山区岩性主要为棕红色粉质粘土，含古土壤层，并夹有砂、小砾石薄层，含少量钙质结构。厚2.0 m～10.0 m，为坡洪积地层。

上更新统(Q3)：分布于边山及平原区。边山区岩性为淡黄色黄土状粉质砂土，夹少量小的钙质结核。厚3.0 m～15.0 m，属风积成因。平原区埋深一般大于20 m，岩性为浅黄、灰黄色粉土、粉质粘土夹砂砾石及中细砂层。厚度为15.0 m～20.0 m，属冲洪积成因。

全新统(Q4)：分布于山前洪积扇群及白石河和其他河谷中，为现代河流堆积物，岩性主要为砂砾石层，厚20.0 m～40.0 m。

b.二叠系(P)。分上、下两个统，为一套多旋回陆相碎屑岩建造。

下统下石盒子组(P1x1)：区内基岩山区分布，分两段。一段(P1x1)下部为黄绿色粗中粒长石石英砂岩、硬砂岩，夹有灰色页岩、薄煤层及煤线；上部为灰色、黄绿色砂质页岩，厚16.0 m～80.0 m，与山西组呈整合接触。二段(P1x2)下部主要为黄绿色厚层长石砂岩、硬砂岩夹砂质页岩；上部为黄绿色薄层细砂岩与黄绿色砂质页岩、页岩、紫色页岩互层。厚28.0 m～90.0 m。分布于边山一带。

上统上石盒子组(P2s)：分两段，区内主要分布一段，局部有二段分布。一段(P2s1)底部为黄绿色厚层含砾粗粒长石砂岩，其上为黄绿色、杏黄色粉砂岩、砂质页岩以及页岩夹黄绿色长石砂岩及少量紫色页岩。本段厚60.0 m～114.0 m。分布于边山河沟沟坡的大部分地区。二段(P2s2)底部为黄绿色含砾硬砂质长石砂岩，其上为紫色、黄绿色、杏黄色粉砂岩、砂质页岩及页岩。本段厚63.0 m～122.0 m。分布于一段之上，区内出露面积不大。

2)水文地质条件。根据地层岩性的分布规律，清徐县含水岩组包括第四系松散岩类孔隙水和石炭二叠系碎屑岩类裂隙水。其补给来源主要为大气降水，排泄途径则为人工开采、采煤排水与向下游排泄。

a.松散岩类孔隙水主要分布在冲积平原区，汾河西岸水位埋藏深度1 m～2 m，太汾公路一线处于边山洪积扇前缘，地下水埋深一般为0.5 m～1 m，形成以大孔隙要素为主的结构特征，地下水以重力水形式存在于孔隙中，地下水径流条件一般。

b.石炭、二迭系碎屑岩主要分布在西部边山及沟谷两侧，主要岩性为砂岩，岩层裂隙不甚发育，岩石含水性微弱，砂岩透水性不良。

根据以上地层和水文地质的分布特点，测区在勘探深度范围内电性特性分为三套：全新统(Q4)为典型的相对高阻层；中更新统(Q2)、上更新统(Q3)为典型相对低阻层；上统上石盒子组(P2s)为典型的相对高阻层。

当有地裂缝存在时，可能存在两种情况：一种是地裂缝未被填充，发育于全新统(Q4)砂砾石层时，此时在电性剖面上表现与地层的电性表现相似，发育于该层的地裂缝无法从电性剖面上反映；发育于上更新统(Q3)的粉质粘土层中表现为相对高阻；另一种是地裂缝被填充，发育于全新统(Q4)砂砾石层时，表现为相对低阻，发育于中更新统(Q2)、上更新统(Q3)的粉质粘土层中，此时在电性剖面上表现与地层的电性表现相似，发育于该层的地裂缝无法从电性剖面上反映。

以上特征电性层之地质属性确认形成“地质—地球物理模型”，为高密度电法在本区解决地质构造问题奠定了地质基础。

3.2 二维高密度电法测线分析

1)qx-4(方山村与马家坡相邻路上)。该测线位于方山村与马家坡相邻的路上，测线起始点在北，电极距5 m，总电极数20个，测线长95 m。反演电阻率剖面图见图2。

从图2可以看出：剖面揭露的电性特征非常明显，电阻率呈现南低北高的特征。电阻率在垂向上大致分为两层，1层：该层电阻率呈现相对低阻，电性层厚度约为0.5 m～12.0 m，厚度变化较大，沿剖面方向分布不均匀，在离测线起点约47 m处电性厚度发生突变，电阻率值约为40 Ω·m～86 Ω·m，推测该层为中更新统或上更新统粉质粘土层；2层：该层电阻率表现为相对高阻区，电性层厚度约为3.1 m～12.4 m，电阻率值约为100 Ω·m～150 Ω·m，该层在离起点约47.0 m处电阻率发生突变，由于在该深度范围内未见地下水，剖面两侧的电性差异是两侧岩土层的物性差异引起的，高阻层分布特征沿剖面南倾，符合山前基岩的分布特点，且在测线北段基岩出露，推测该地层岩性为基岩。

综合剖面上的电阻率分布特征，由此可以推断有断层(F1)通过剖面，断层两侧电阻率差异明显。断层在地面上的投影位置位于测线起点约47.0 m处，上棱埋深约11.0 m。

2)qx-7(东马峪)。该测线位于东马峪村，测线起始点在北。电极距3 m，总电极数60个，测线长178 m。反演电阻率剖面图见图3。

从图3可以看出：整个剖面电性结构在垂直方向上大体分为两层。1层：电阻率表现为相对高阻区，该层在横向上分布不均匀，厚度变化较大，大体呈透镜状分布，电性层厚度约为18.0 m～27.1 m，电阻率值约为100 Ω·m～150 Ω·m。测线位于山前洪积扇，推测该层为全新统(Q4)的砂砾石层。该层在离测线起点约24 m,108 m处有小范围低阻异常，异常自断面顶部向下延伸2.0 m～2.75 m。推测该处有地裂缝通过，且地裂缝被冲刷后填充；2层：电阻率表现为相对低阻区，电阻率值约为20 Ω·m～50 Ω·m，该层在水平方向分布较均匀，呈现出舒缓波状，电性层连续，推测该层为中更新统(Q2)或上更新统(Q3)的粉质粘土层，无地层断错。

综合上述剖面电性层的分布特征，推测在离测线起点约24 m,108 m处有地裂缝通过。

3)qx-15(清徐高速公路收费站西)。该测线位于清徐高速公路收费站西小树林，测线起始点在南，电极距2 m，总电极数120个，测线长238 m。

反演电阻率剖面图见图4。

从图4可以看出：剖面揭露的电性比较紊乱，但仍能分辨电阻率在垂向上大致分为三层。1层：电阻率表现为相对高阻，该层不连续，沿测线方向分布不均匀，部分地段呈透镜状，厚度变化较大，范围约为0.5 m～11.6 m，电阻率值约为40 Ω·m～60 Ω·m，推测该层为全新统(Q4)的砂砾石层。在该层约118 m处有一低阻异常，异常影响宽度约为6 m，推测该处有一地裂缝，该地裂缝被冲刷的土层所填充；2层：电阻率表现为相对低阻，该层在横向上分布不均匀，厚度变化较大，电性层埋深约为28.00 m～35.0 m，电阻率值约为15 Ω·m～30 Ω·m。推测该层为中更新统(Q2)或

上更新统(Q3)的粉质粘土层；3层：电阻率表现为相对高阻，电阻率值约为40 Ω·m～60 Ω·m，该层在水平方向分布均匀，该电性层在剖面上反映的较少，推测为中更新统(Q2)或上更新统(Q3)的砾石层或砂层。

综合上述剖面电性层的分布特征，推测在离测线起点约为118 m有地裂缝通过。

4 结语

1)根据地质调查结果，综合分析地球物理勘探的结果，位于西边山一带，分布于交城断裂带上或其上盘250 m的范围内的地裂缝与交城断裂的活动有关，距断层10 m～20 m的地裂缝下部与断层直接相连，是断层活动在地表的表现形式，断裂10 m～20 m之外的地裂缝均为受到断裂上盘地层下降影响产生的裂缝，均属构造裂缝。

2)本次物探工作的重点是查明交城断裂带地裂缝的位置，工作结果表明，二维高密度电法对地下电结构具有高分辨率，是研究浅层地质结构行之有效的方法。同时，由于某些勘查工程受地质地形影响较大，在一定程度上影响勘探测量的精度，所以，结合勘察区域的地质及其他资料，勘探的准确度会更高。

[1] 李金铭，罗延钟.电法勘探新进展[M]．北京：地质出版社，1996．

[2] 董浩斌，王传雷．高密度电法的发展与应用[J]．地学前缘，2003，10(1)：171-176．

[3] 侯烈忠，秋兴国，罗 奕．高密度电法在地基勘探中的效果[J]．煤田地质与勘探，1997(4)：58-60．

[4] 吕玉增，阮百尧．高密度电法工作中的几个问题研究[J]．工程地球物理学报，2005，2(4)：264-269.

The application of two dimensional high-density electrical exploratio in the investigation of ground crack in Qingxu County

Xue Xiaodong

(EarthquakeAdministrationofShanxiProvince,Taiyuan030002,China)

Taking the work of 2D high-density electrical method in Qingxu ground cracks for example, this paper introduced the working principle of 2D high-density electrical method, researched its application in ground crack survey, pointed out that the 2D high-density electrical method was commonly used specific resistance survey method, it integrated electric profile and electric sounding, using high density stationing, made 2D geoelectric section measurement, had large amount of data, information, observation precision, depth and flexible detection.

2D high-density electrical method, active fault, ground crack

1009-6825(2015)32-0079-03

2015-09-06

薛晓东(1982- )，男，工程师

P624

A