基于高密度电阻率法和瞬变电磁法的花岗岩岩体结构探测

黄志全，徐洋洋，袁广祥，陈世仲，张瑞超

(1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院,河南 郑州 450046;2.洛阳理工学院,河南 洛阳 471023;3.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司,湖南 长沙 410014)

在工程勘察阶段，获取目标深度的岩体结构特征，主要基于3个方面的数据：地表工程地质数据、钻孔数据和地球物理勘探数据。由于地表风化、卸荷现象严重，与目标深度的地质环境差异很大，很难以地表工程地质数据简单地预测目标深度岩体结构[1]。钻孔数据直接、真实，但数量有限，无法准确评价远离钻孔的岩体结构[2]。地球物理勘探获得的是岩体结构的间接数据，但测试方便，可以利用多种方法，布置多条测线，获得丰富的数据，而且岩体的地球物理学性质是岩体结构的综合反映。基于此，可以进一步建立地球物理勘探数据与岩体结构特征的对应关系，探明地下岩体结构分布特征。随着地球物理勘探技术的迅速发展以及它的独特优势，近些年来被广泛应用于目标深度岩体结构的探测与评估中[3-7]。刘宏岳[8]在海域工程勘察中，采用高密度电阻率法探测浅海海底沉积层厚度以及基岩面起伏情况，取得了理想的探测结果。刘明辉等[9]在工程场地隐伏断裂等地质结构探测中，采用高密度电阻率法和瞬变电磁法等综合物探方式，对断层的地震活动性做出了科学的评价。李富等[10]将高密度电阻率法应用到摩岗岭滑坡勘察中，有效地确定了基岩面埋深、滑带的厚度及深度，并预测了滑坡体的规模。马宏新等[11]将高密度电阻率法和探地雷达两种物探方法应用于水库坝体防渗检测中，探测到坝体下游分布的若干低阻区域，为大坝加固防渗提供了依据。汤克轩等[12]利用瞬变电磁法与微动探测相结合，分析了某水利枢纽区域的岩溶发育特征。王瑞丰等[13]将高密度电阻率法与瞬变电磁法相结合，在河北承德地区岩体结构探测中，精准地圈定了基岩裂隙含水区的位置。从某种程度来讲，地球物理勘探的研究水平与应用发展已成为现代地质勘察水平的重要衡量指标。

利用电阻率法或电磁法获得岩体的电阻率或视电阻率，不仅能反映岩石本身的性质，也能反映岩体的孔隙、裂隙发育程度、含水性等。高密度电阻率法主要用于探测浅部不均匀地质体的空间分布，在探测覆盖层厚度、风化界线、隐伏断层分布等方面得到了普遍应用[14-18]。瞬变电磁法通过直接测得的二次场，可以获得地下地质体的分布特征，由于其可以进行近区观测、受静态位移的影响小、测地工作简单高效等特点，广泛应用于工程勘察中[19]。

然而针对花岗岩地区，目前将此二种物探方式联合应用到岩体结构探测当中的相关研究成果甚少。因此，本文以河南五岳抽水蓄能电站上水库单薄分水岭花岗岩岩体为研究对象，针对五岳电站上水库可能存在的渗漏问题，探明库周范围内的构造发育特征，特别是断层和节理密集带，选择以高密度电阻率法为主，瞬变电磁法为辅的物探方法进行探测，以期为花岗岩地区岩体结构探测提供新的思路。

1 研究区概况

1.1 地层岩性

河南五岳抽水蓄能电站位于华北平原与大别山中段北麓的过渡带上，属潘新店—晏家河丘陵区。上库为季节性流水的冲沟，库内及库外边坡地形坡度变化较大，库内边坡坡度为21°～44°，局部为花岗岩陡崖，库外边坡地形坡度一般在25°～46°。

1.2 地质构造

研究区位于信阳南部测区，如图1所示。该区属于秦岭—大别造山带东部的大别山地区，断裂构造的主要走向为近NWW～SEE，另有NW～SE和NE～SW断裂数条。其中，控制该区域构造运动的深大断裂为桐柏—商城断裂带。上库区内无明显断裂特征显示，根据前期调查推测，影响到研究区结构稳定的隐伏断裂有3条，分别为F2、F3、F4。F2断层走向70°～80°，倾向SE，倾角60°～75°，切割花岗岩岩体，由于地表大部分被植被覆盖，岩石露头很少，未见直接断层证据，地貌上无明显反映。F3断层从东侧穿过库区，走向64°，倾向SE，倾角65°，由于地表大部分被植被覆盖，岩石露头很少，未见直接断层证据，地貌上无明显反映。F4断层分布于研究区西部，走向340°～20°，倾向SW或NW，倾角65°～75°，切割牢山花岗岩岩体，沿断层分布有2个泉点。

图1 信阳南部测区地质图

研究区的花岗岩以构造成因的节理裂隙为主，倾角多大于54°，缓倾角节理在该区不太发育。根据走向，节理主要分为4组，分别为10°～35°、70°～85°、280°～290°和310°～355°；规模中等，延伸长度一般2～4 m，少数达4～10 m，极少数超过10 m，节理间距几厘米至数米不等；在卸荷作用下，岩体浅表层裂隙部分呈张开状态，张开宽度0.5～5.0 cm，充填风化碎屑、泥或少量石英脉，部分连通性较好，可见明显水蚀痕迹。此外，沿断层带等部位节理发育程度有明显的增加。

2 探测方法及测线布置

2.1 探测方法

岩石之间的电学性质差异是应用电阻率法研究地质构造的前提条件，作为一种阵列勘探方法，高密度电阻率法相较传统电阻率法，其原理与之完全相同，但在方法技术上有较大进步，且成本低，效率高，获得地电断面结构特征信息丰富。它的主要特点是电极一次性布设完成，能够进行多种电极排列方式的测量，集电剖面与电测深于一体[20-22]；可以快速、有效、准确地进行野外数据采集和现场资料整理，通过分析电阻率的变化情况，来实现对岩体结构低阻异常区的有效探测。

瞬变电磁法是利用电磁感应原理寻找地下良导体的地球物理方法，通过不接地回线或电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场的空间和时间分布，来解决有关地质问题的时间域电磁法，感应磁场的大小取决于地下介质的导电性[23]。

2.2 高密度电阻率法测线布置

本次勘探工作采用中地装(重庆)地质仪器有限公司研制的DUK-2B高密度电阻率法测量系统。根据地质任务对勘探深度的要求，结合现场施工条件，本次高密度电阻率法使用60道采集设备，供电电源为200 V直流电，供电脉宽为0.5 s，供电周期为1 s。采用四极观测方式中的温纳装置(Wenner)进行探测，最大隔离系数设为19层，每条小剖面采集570个数据。此次共布置2条测线(剖面):第1条测线A(黄色)由9条小测线组成，编号为1000、1002、…、1016；第2条测线B(蓝色)由10条小测线组成，编号为2000、2004、…、2018。测线布置情况如图2所示，测线布置参数见表1。

图2 物探测线布置图

表1 测线布设参数

本次高密度电阻率法的测量工区地形复杂，地表接地条件较差，出露大量岩石。在正式检测之前，应对各个电极进行接地电阻检测，确保各个电极的接地电阻率都在1 kΩ以内，电阻率较大的采取用水浇灌电极的方式改善接地条件，或稍微变动一下电极位置。

2.3 瞬变电磁法测线布置

仪器选用瞬变电磁法T4专用发射机，采用外置电池组，工作电压36 V，发射电流7～9 A。接收装置采用PHOENIX V8瞬变电磁仪，该仪器为3电道3磁道的主接收装置，除了记录自身数据外，还可用来监控其他辅助接收装置的数据。

根据前期研究结果以及高密度电阻率法的探测结果，圈出低阻异常区3个。受限于工作区域的地形地貌条件，应用瞬变电磁法进一步探测地下岩体结构特征，布设工作区域用红色矩形框标识，测线编号为L1、L2、L3，如图2所示，具体布设参数见表2。

表2 测线布设参数

3 探测结果分析及验证

3.1 物探结果分析

由于物探测量工区地形复杂，此次结果解译基于两种物探方法反演得到的电阻率断面图，如图3—6所示。结合踏勘认识和其他先验信息，得出如下结论。

图3 东侧垭口附近测线2002高密度电阻率法反演电阻率断面图

图4 南侧垭口附近测线2016高密度电阻率法反演电阻率断面图

图5 西南探槽附近测线2018高密度电阻率法反演电阻率断面图

图6 瞬变电磁法反演电阻率断面图

1)由图3可以看出：该区域地表接地条件相差较大，测线前半段红色矩形圈出处埋深20 m附近有相对显著的高、低阻分界面，且该界面较为连续；分界面下大部分为低阻区，但界面多为闭合，推测有断裂存在和节理发育迹象。在该点位布设瞬变电磁测线L1进一步探测(图2)，剖面反演结果如图6(a)所示。

由图6(a)可知，测线后半段中深部存在显著高电阻值，推测是深部基岩的反映，在30 m左右埋深处存在高、低阻分界面，分界面上方低阻异常区为较厚的覆盖层。瞬变电磁法L1测线在该区域测量时，因降雨量较大，反演结果显示剖面整体电阻率偏低(图6(a))，电阻率最低约17.8 Ω·m，探测深度可达80 ms，约70 m，两种物探方法反演结果基本一致。

2)由图4可知，测线前半段对应南部垭口，低阻区明显贯通下切基岩，图中用红色矩形框圈出，推断该区域节理密集带较发育或有断裂存在。在该位置应用瞬变电磁线L2进一步探测(图2)，测线后半段的浅表地层有低阻异常区显示，结合现场勘探，此处为覆盖层。由图6(b)瞬变电磁测线L2反演断面图可知：该区域从地面向下约35 m范围，低阻异常明显；电阻率最低约34.7 Ω·m，探测深度可达80 ms，约70 m，结合前期踏勘工作，可断定南侧垭口区域存在较大范围的低阻区。

3)由图5可见：高、低阻分界面连续，中深部基岩完整性好；测线中后部存在大片低阻区(图中用红色矩形框圈出)，但低阻分界面较为连续，测线末端有连续高阻区，现场踏勘断定为山脊裸露完整基岩，推测该测线中后部区域存在节理密集发育带或有小断裂。在该位置布设瞬变电磁测线L3进一步探测(图2)，剖面反演结果如图6(c)所示。由图6(c)可知，该区域整体呈现明显的低电阻率值，电阻率最低约23.5 Ω·m，探测深度可达80 ms，约为70 m，与高密度电阻率法的探测结果一致，推测该区域节理密集带发育。

3.2 钻探结果验证

为验证此次物探成果的可靠性，在3个低阻异常区域布设了钻孔，低阻异常区的位置已在反演的高密度电阻率断面图(图3—5)中圈出，钻孔ZK1、ZK2、ZK3的布设位置对应瞬变电磁测线位置(图2)。结合钻探结果与物探成果进行对比验证，结果见表3，部分钻孔岩芯实际照片如图7所示。

表3 物探成果与钻探结果对比

图7 部分钻孔岩芯

从钻探结果来看，对比岩芯的节理裂隙发育情况，岩体的风化程度以及节理裂隙较发育的位置均与物探结果较吻合。

4 结论

将高密度电阻率法和瞬变电磁法相结合，对河南五岳抽水蓄能电站上水库花岗岩岩体结构进行探测，得到结论如下：

1)此次高密度电阻率法测线布置基本上环库周，圈定了3个低阻异常区域：第1处为东侧垭口，宽约40 m，深约65 m；第2处为南侧垭口，宽约40 m，深约60 m；第3处为西南部探槽附近，宽约50 m，深约70 m。判断此3个异常区域节理密集带较发育或有小断层。

2)在高密度电阻率法圈定的3个异常区域补充瞬变电磁法进行探测，结果显示，异常区域整体电阻率值偏低，说明高密度电阻率法探测结果是可靠的。因探测条件限制，瞬变电磁法反演得到的电阻率剖面低阻区下边界精度不够，但整体效果足以验证高密度电阻率法的探测结果。

3)通过现场钻探，钻孔岩芯显示确实存在节理密集带，验证了物探成果的可靠性，为下一步解决水库渗漏问题提供了依据，亦为类似的水利水电工程勘察工作提供了参考方案。