高密度电法在北京宋庄地裂缝中的应用

田苗壮，王 荣，赵 龙，罗 勇,2，王新惠，孔祥如，齐鸣欢，沙 特

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中科院地质与地球物理研究所，北京 100029）

高密度电法在北京宋庄地裂缝中的应用

田苗壮1，王 荣1，赵 龙1，罗 勇1,2，王新惠1，孔祥如1，齐鸣欢1，沙 特1

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195；2.中科院地质与地球物理研究所，北京 100029）

宋庄地裂缝是北京地区最新发现的一条破坏性较大的地裂缝，对北京城市副中心地区人民生活和生产造成很大威胁。本文依据前人在研究区已有资料，结合本次研究区开展的高密度电法和槽探工作，对宋庄地裂缝开展浅层探测研究，确定地裂缝深度、位置及破裂模式。结果显示：地裂缝深度约0m-30m之间，高密度电法反演裂缝倾向与调查地裂缝沿线房屋墙体开裂错动现象吻合，槽探验证地裂缝以拉张破裂模式，未发生地表错动现象。此次研究工作为北京城市副中心建设提供地质技术支持。

地裂缝；高密度电法；槽探

北京历史上曾发生过较多严重的地裂缝。1976年唐山大地震后，平原区地裂缝大量出现：昌平南新村、通州西集乡、顺义俸伯镇以及房山小次洛村等都出现地裂缝[1]。平原区地裂缝主要发生在顺义地区及附近，典型的地裂缝主要有高丽营地裂缝、顺义地裂缝、北小营地裂缝、孙河地裂缝等。伴随着城市人口的不断增长以及城市化建设，超量开采地下水导致地裂缝快速发展，给人类经济和生活造成不必要的损失。

2016年4月，开展野外调查中发现通州区双埠头村发现地裂缝（宋庄地裂缝）造成大量房屋破坏。为确保通州城市副中心地区地质安全，对宋庄地裂缝开展调查与研究，研究区开展多条高密度电阻率勘探、并利用槽探等工作手段分析对比，对物探工作进行验证。

1 研究区概况

研究区位于大兴迭隆与北京迭断凹起交界处，北京冲积平原中下部。区内主要发育南苑-通县断裂，南口-孙河断裂及张家湾断裂。

南苑-通县断裂总体呈北东向展布，南起涿州县城，经刁窝、陈家房、南苑、通州，继续往东北方向延伸，全长约130km。断裂总体走向为北东35～50,倾向北西，倾角为50～75。南苑-通县断裂北侧为北京凹陷，第四系厚度约为700m，南侧为大兴隆起，第四系厚度约为300m。

20世纪80年代地震会战中，在南苑–通县断裂北段布设了7条地震测线，其中“原石油部646厂317测线”(图1)（通州和顺义之间）比较好的反映了该断裂深部特征。断层面倾向北西，错段了早、中更新统的地层，说明南苑-通县断裂北段在早、中更新世有一定的活动性，且在该地区断裂两侧的第四系厚度有明显差异，证明其为穿透第四系底部的活动性断裂[2]。

图1 原石油部646厂317测线Fig.1 The 317 survey line of the factory 646, the original petroleum department

2 地裂缝概况

宋庄地裂缝以潞苑北大街为起点，沿线经过双埠头村、沟渠村、大庞村以及平家疃村，地裂缝长约9km，走向NE-SW。调查发现双埠头村和大庞村建构筑物的破坏也最为严重。多处出现贯穿整面墙体的裂缝，少部分墙体出现扭动、错断现象；路面受裂缝活动影响，沿裂缝发育方向形成多条裂纹，部分严重地区路面产生垂直错动。裂缝开裂宽度一般几毫米至十几毫米不等。南部树林形成的地陷坑最大约300mm，地裂缝两侧地面垂直变形大小不一，大部分地段明显差异，呈东南低，西北高（图2）。根据资料与调查显示，宋庄地裂缝位于南苑-通县断裂带北段，地裂缝破坏带与断裂带走向大致吻合。

图2 地裂缝破坏图Fig.2 The damage of the ground fssure

3 工作方法及测线布设

3.1 工作方法

高密度电法的基本原理与传统的电阻率法基本相同。通过地下介质间的导电性差异结果探测地下地质结构特征，研究在施加电场的作用下探明地下传导电流的规律。现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上进行观测。电极之间可以自由组合，可以提供更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式。野外工作时将电极布设完毕后，电极即可作为供电电极也可作为测量电极。

图3为高密度电阻率系统的结构示意图，它包括数据接收和资料处理两部分，通过控制电极转换开关便可实现仪器数据快速自动采集，计算机应用软件处理系统对原始数据进行计算、分析、处理，对比地质资料最终解译最终成图。目前的高密度电阻率法实际上是多个排列的常规电阻率法与资料自动处理相结合的一种综合方法[3]。数据采集过程中针对性的采取以下措施：测量前，每阵列电极均进行接地电阻检查，要求电阻控制在2kΩ以内，接地电阻过大应采用浇水。打孔及复合电极处理方法；测量中，电位差一般不小于5mV，电流一般大于5mA，测量过程中采用电极滚动数据的覆盖式测量方法，每滚动一次将有50%的数据进行复测。

3.2 测线布设

此次探测工作针对宋庄地裂缝布设两条高密度电法勘探测线，即双埠头村测线AA和BB。测线总长度1.19km，电极距设置为5m，范围角为北偏东140。

双埠头村测线AA布设在村南林地以北附近，沿线发育地表串珠状土洞NE-SW向，测线NW-SE向，长约600m，测线位置见图4，该条测线起始与农田小路，末端穿过林地，总体上道路平坦，起伏较小。

双埠头村测线BB布设在村林地以南附近，沿线发育较长地表土体开裂现象NE-SW向，测线NW-SE向，长约600m，测线位置见图4，该条测线与AA测线地形相同，未存在起伏较大现象。

图3 高密度电阻率工作结构示意Fig.3 The structural diagram of the high-density electrical resistivity method

图4 高密度电法侧测线布设Fig.4 The arrangement diagram of the high-density electrical method survey line

4 成果与分析

高密度电法探测技术是探测地裂缝的一中有效的方法，解译结果直观，实用方法简单。通过专业软件Earth Imager 2D进行反演，获得电阻率剖面同时，结果采用代表性钻孔进行验证。根据反演图中现实的电性分布特征，判断地质体的电阻率范围，圈定电性异常点，充分利用已知的地质资料以及电极装置分析电极异常的原因，判断出地裂缝具体深度和两侧差异性。结合槽探验证地裂缝位置，分析宋庄地裂缝活动性。

4.1 高密度电法成果解译分析

测线AA布设双埠头村林地北，数据处理未发现异常点，不需校正。高密度电法成果（图5）显示测线AA的高密度电阻率反演剖面图，探测结果显示第四系厚度在99m之内的视电阻率为0～2000Ω.m.大致分为三层，0～13m岩性为粉砂、砂质黏土，视电阻率较高；13～30m岩性为中砂、粉质黏土，视电阻率较低；30～99m岩性为细沙、粉质黏土，视电阻率中等。

宋庄地裂缝位于桩号310～320处之间，30m以浅两侧电阻率存在明显差异，地裂缝西侧以下5～10m处，视电阻率在50～90Ω.m之间，而地裂缝东侧电阻率在600～2000Ω.m之间，地表35m以下地裂缝两侧视电阻率趋于稳定在50～90Ω.m之间，无明显电阻率变化特征。综合对比分析桩号315两侧剖面的电性差异推断裂缝倾向东与调查地裂缝沿线房屋墙体开裂错动现象吻合，确定裂缝深度0m～30m之间，地裂缝垂向发育。

测线BB布设在村南树林中，高密度电法成果（图6）显示测线BB的高密度电阻率反演剖面图，探测结果显示整条测线剖面电性结构起伏明显。桩号0～170段视电阻率较低，在50～90Ω.m之间。桩号170～375段电阻率明显上升趋势，视电阻率达到1000Ω.m。桩号380～595段视电阻率在50～90Ω.m之间，视电阻率处于低值。桩号375～380处两侧电阻率差异明显，探测地表开裂现象，地裂缝西侧桩号170～375区间段视电阻率较高，东侧桩号380段视电阻率30m以浅电阻率较高，30m以深电阻率较低。综合对比分析桩号375两侧剖面的电性差异推断裂缝倾向东，确定裂缝深度0～30m之间。与测线AA’剖面探测结果吻合。

图5 双埠头测线AA高密度电法剖面Fig.5 The high-density electrical method profle of the survey line AA’in Shuangfutou

图6 双埠头测线BB高密度电法剖面Fig.6 The high-density electrical method profle of the survey line BB’in Shuangfutou

4.2 人工探槽

人工探槽位于高密度电法测线AA 310-320段。在林地中开挖探槽（图7），探槽长约30m，宽约1.5m，深2.45m，走向NW327。该剖面垂直于地表陷坑，可揭示地裂缝垂向特征。主裂缝近似垂向展布，两侧衍生出数条垂向发育的小裂隙，部分裂隙延伸至探槽底部。主裂缝受拉张作用明显，开裂处受降雨淋溶作用，原有的沉积物淋失，被时代较新的混杂堆积土充填。裂隙宽度由地表1.14m向下逐渐变窄，探槽底部裂缝宽1cm。

人工探槽验证地裂缝位于测线AA310-320段，地裂缝以垂向发育，拉涨破裂模式为主，地裂缝两侧整体未发生错动。高密度电法剖面反演分析表明地裂缝主要发育地表30m以浅，倾向与调查地裂缝沿线房屋墙体开裂错动现象一致。

通过两条高密度电法剖面的反演分析表明，宋庄地裂缝以浅层地表发育，南苑-通县断裂北段断点未延伸至地表，并通过探槽进行验证。

图7 人工探槽剖面实测图Fig.7 The measured drawing of the artifcial trenching profle

5 结论

（1）高密度电法在宋庄地裂缝探测裂缝两侧视电阻率较为清晰，准确的判断分析出地裂缝所在位置以及深度、倾向等特征。裂缝深度约0m～30m之间，北东向倾斜与南苑-通县断裂倾向、走向一致，100m以浅探测深度具有良好效果。

（2）南苑–通县断裂是地裂缝形成的背景条件，地裂缝沿断裂破碎带发育,槽探揭示宋庄地裂缝以拉张形破裂模式为主，垂向发育，未发生土体错动。

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High-density electrical method application in the Beijing Songzhuang ground fssure

TIAN Miao-Zhuang1, WANG Rong1, ZHAO Long1, LUO Yong1,2, WANG Xin-Hui1, KONG Xiang-Ru1, QI Ming-Huan1, SHA Te1
(1.Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Beijing 100195, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Science, Beijing 100029, China)

The latest discovered ground fssure in Songzhuang is very destructive, presenting a great threat to the people and critical infrastructure of the sub-center of Beijing.Based on work from previous studies, this thesis presents research into the shallow exploration of the ground fssure, confrming the depth, location, and burst mode of the ground fssure, by combining with the research methods of high-density resistivity analysis and trenching.The depth of ground fssures is determined to vary from 0 to 30 m, and the tendency of the high-density electrical method parameter inversion of the fracture is consistent with the phenomenon of wall cracks on buildings.In tensile crack mode, the ground fissure is verified by trenching, as there is no occurrence of surface dislocation.This study provides technical support for the construction of the sub-center in Beijing.

ground fssure; high-density electrical method; trenching

P642.26

A

2095-1329(2017)03-0090-04

10.3969/j.issn.2095-1329.2017.03.020

2017-04-07

修回日期: 2017-06-03

田苗壮(1991-),男,学士,助理工程师,主要从事地面沉降监测与防治研究.

电子邮箱: tianmiaozhuang@126.com

联系电话: 010-51560375

北京市科技计划课题(Z13110000561 3022);北京市自然科学基金项目(8162043);北京市地面沉降监测系统年运行费项目(PXM2015-158305-000011;PXM2016-158305-000004);基于北斗卫星的地面沉降监测(121211220184);通州城市副中心地区重大地质问题调查与评价项目地面沉降专题(PXM2016-158203-000008)