高密度电法在水库坝基隐伏断层探测中的应用

林峻

摘 要：利用高密度电法进行隐伏断层和基岩面埋深的探测具有简单快捷的特点，可查明隐伏断层大概的走向、规模和基岩面的埋深情况。在某水库坝基中采用高密度电法温纳装置和MNB装置两种方式对隐伏断裂带进行联合探查，两种结果相互验证，减少多解性，为后续的工作提供科学的依据。

关键词：高密度电法；水库；温纳装置；MNB装置；隐伏断裂带

中图分类号：P631.3 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）08-0057-03

Application of High Density Resistivity Method to Detecting

Concealed Fault in Reservoir Dam Foundation

LIN Jun

（Henan Water Conservancy Survey Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

Abstract： The character of using multi-electrode resistivity method to detect hidden faults and bedrock surfaces embedment depth is simple and quick. It can identify the possible trend and scale of hidden faults and the embedment depth of bedrock. In a reservoir dam foundation， taking high multi-electrode resistivity method by Wenner device and MNB device exploration make a joint detection of hidden faults， and the two kinds of results can be mutually authenticated and reducing ambiguity. The effect was obvious and provides a scientific basis for the follow-up work.

Keywords： multi-electrode resistivity method；reservoir； wenner device；MNB device； hidden fault zone

1 研究背景

高密度电法因为有许多优点而成为探查隐患的主要方法之一。高密度电法属电阻率范畴，是以介质电性差异为基础，研究在施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律。与常规电法相比，高密度电法设置了较高的测点密度，所提供的是二维信息，一定数量的二维剖面还可以组成一个拟三维图象，其是电剖面和电测深法的结合。高密度电法观测精度高，数据采集可靠，对地电结构有一定成像功能，可获得丰富的地质信息[1]。各种隐患在探测成果图上有明显、直观的反映，形象地反映出岩土体地电断面的电性分布和结构特征。

高密度电法具有测点密度高、信息量大的优势，在寻找地下水，查明采空区，探测隐伏构造和划分地层诸方面得到了广泛应用。本文结合水库坝址区隐伏构造探测工程实例，介绍该方法在隐伏断层勘查中的应用效果。隐伏断层是指在地表无明显或者出露不明显而潜伏在地表以下的断层[2]。了解隐伏断层在水库坝址区的分布情况，对后期水库坝基渗流问题的处理具有重要意义。

以位于淮河流域沙颍河支流北汝河上游的水库为例。该水库地属河南省，水库控制流域面积为1 325km2，总库容约5.33亿m3，水庫工程等别为Ⅱ等。区域地质资料上显示坝址区存在隐伏断层，断层的出露位置、产状特性和规模大小对拟建大坝的选型及处理方案具有关键的控制作用。本次高密度电法工作的主要目的是通过探测获得可靠的地电数据，进而查明隐伏断层的走向和规模，为后期工作提供科学的依据。

2 调查区地质概况及地球物理特征

2.1 地质概况

调查区处于豫西山地，其为秦岭东延余脉，由崤山、熊耳山、外方山和伏牛山等几条山脉构成，山势西高东低，呈扇形向东展开，海拔一般为500～2 000m，最高峰约2 500m。在山地前缘边坡的丘陵地带，挺立着雄伟峻拔的中岳嵩山，海拔1 440m。区域内主要河流有洛河、伊河和北汝河。受地质构造的影响，河流走向呈北东向，在洛河、伊河和北汝河下游有一些小型的山间盆地。区内冲沟发育，具有切割深、延伸长的特点。

库坝区主要为元古界熊耳群火山岩系和侵入岩，局部分布第三系砾岩、辉石橄榄玄武岩；第四系分布于河谷底部和阶地上（坝址区地层岩性）。

2.2 物性特征

根据该地区以往物性测试结果，通过整理、分析资料，统计的地层物性参数见表1。由表1可知，重粉质壤土、砂卵石，砂卵石与安山玢岩之间存在电性差异，具备高密度电法勘探条件。

3 高密度电法工作方法与数据处理

3.1 高密度电法的工作原理及测线的布设

高密度电法是一种阵列勘探方法，实质属于多道直流电法，其基本原理与常规电法相同，都是以不同岩石之间导电性能差异为基础，通过接地电极在地下建立人工电场，以电测仪器观测不同导电地质体存在时地表电场的变化，但其电极布设是一次完成的，减少了因电极设置而引起的故障和干扰[3]。采用的装置是一种组合式剖面装置，集电剖面法和电测深法的特点于一体的一种地学层析成像技术。实际上是多种排列的常规电阻率法与资料自动反演处理相结合的综合方法，自动的多种电极排列方式的扫描测量，可以获得地层横向和纵向地电断面结构特征的地质信息。

高密度电法具有测点密度大、信息量大和工作效率高等特點[3]。在测量过程中，通过转换装置控制电极间的不同排列组合，能实现直流电法勘探中各种装置形式的探测，如温纳、偶极、施伦贝尔、微分和温施等，可以提供更多的地电断面信息，有利于对比分析。

本次工作使用仪器的设备是重庆数控研究所产的WDJD-3型高密度电法测量系统（在标定有效期内），测量时单剖面电极数[m]=60，最大供电电压400V，最小供电电流300mA，接地电阻检查以小于1 000Ω为宜。在分析已有地质资料的基础上，为了更好地探测断层的产状和规模，共布设5条电剖面：沿坝轴线布设1条物探剖面（W1-1）；在坝轴线上游布设2条物探剖面（W3-3、W4-4）；在坝轴线下游布设2条物探剖面（W2-2、W5-5），具体工作布置见图1。

3.2 高密度电法工作方法

通过对调查区以往地质资料和地形地貌的综合分析，本次工作采用温纳装置和MNB装置两种方法进行观测，对比分析，能更好地进行资料解释。

3.2.1 高密度电法温纳装置。电极总数[Psum]=60根，电极间距[Δx]=10m，隔离系数[n]=19。

实测时，首先把60根电极一次性布置完毕，进行接地电阻检查、仪器电池电压及供电电源检查，剖面参数设置、启动测量。观测数据自动记录存储，现场严格按操作规程进行人工监视，确保观测质量。

温纳装置测量及滚动线示意图见图2。

3.2.2 高密度电法采用MN-B装置。电极总数[Psum]=60根，电极间距[Δx]=10m，隔离系数[n]=29，采用三极装置MN-B（A∞）连续滚动扫描装置。MN-B装置测量及滚动线示意图见图3。

3.3 资料数据的处理方法

对采集后的数据进行全面检查、复核，并将观测数据转换成二维高密度电法反演程序格式进行存贮，正反演计算、成像采用瑞典的2DRES高密度电法反演程序处理软件。具体流程如图4所示。

4 综合探测结果分析

从5条电剖面MNB和温纳两种方法二维反演成果图看（见图5），浅部视电阻率[ρs]小于200Ω·m的等值线近似呈层状分布，推测为覆盖层。中深部视电阻率[ρs]为200～1 000Ω·m的等值线呈不均匀分布，推测为砂卵石。[ρs]大于1 000Ω·m的等值线呈高阻闭合圈、半闭合圈的反映，推测为安山玢岩。在W1-1剖面水平坐标280～300m处、W2-2剖面水平坐标270～300m处、W3-3剖面水平坐标210～250m处、W4-4剖面水平坐标235～260m处和W4-4剖面水平坐标280～310m处，温纳反演成果图和MNB反演成果图中[ρs]等值线呈低阻下凹，低阻隆起，两边高阻中间低阻闭合圈、断开的异常反映，推测此异常范围可能为断裂破碎带的反映。

通过对5条电剖面两种反演图件进行综合对比分析，结合区域地质资料，推测在W1-1线的290m、W2-2线的290m、W3-3线的240m、W4-4线的250m和W5-5线的300m位置异常反映较好，推测为隐伏断裂破碎带F1引起（见图4）。

5 结论

①通过对高密度电法MNB装置和温纳装置反演二维地电断面图的综合分析，结合地质资料，能清晰地反映出隐伏断层的位置及产状特性；在覆盖层与基岩面的分界线方面，MNB装置的反映没有温纳装置的反映效果好，故在确定覆盖层方面仍以温纳装置为主，有条件的可辅助其他方法综合解释。

②通过对高密度电法成果数据与地质资料进行对比，误差较小，说明利用高密度电法探测隐伏断层是可行的。

③通过高密度电法温纳和MNB两种装置反演结果看，采用不同装置进行探测，能弥补一种装置反映不足的问题，充分体现各自的优点，具有更好的实用性和有效性。

④通过高密度电法探测成果与钻孔资料的对比，能较好地对应破碎带位置，证明了用高密度电法探测隐伏断层是有效的。

参考文献：

[1]刘国兴.电法勘探原理方法[M].北京：地质出版社，2005.

[2]邓起东，徐锡伟，张先康，等.城市活动断裂探测方法和技术[J].地学前缘，2003（1）：93-104.

[3]武汉地院金属物探教研室.电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1980.