临汾地震监测中心站深井地电阻率观测场地地质条件分析

靳宝萍，张亮娥，张聪聪，荆红亮，杨 静，李 军

(1.山西省地震局临汾地震监测中心站，山西 临汾 041000；2.山西省地震局太原地震监测中心站，山西 太原 030025；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地电阻率观测是测量岩体介质电化学性质随时间的变化情况，其变化特征揭示区域内应力累积及地下岩体的变化过程，是地震监测预报的手段之一[1]。由于地表地电阻率受人类活动及自然环境因素影响较大[2]，为客观反映岩体电性变化，国内学者提出井下地电阻率观测[3]。近年来，井下地电观测技术已应用于各地震监测台站，其观测质量高，干扰明显降低[4-5]。为提升临汾地震监测中心站(以下简称临汾站)地震监测能力和异常信息识别能力，2020年7月在该监测站建设深井地电阻率观测系统，2021年2月投入试运行。在施工过程中，发现观测场地地下具有较复杂的地质构造，存在大量裂隙，岩溶较为发育，直接影响深井地电阻率观测[6]。为明确观测数据曲线变化特征，提升异常判断能力，对观测场地地质条件进行分析。

1 观测场地区域地质背景

临汾站深井地电阻率观测场地地处临汾盆地西缘，紧邻罗云山山前断裂，断裂为右旋走滑正断层，走向NNE[7]。罗云山山前断裂在中更新世末到晚更新世初活动最强烈，在空间上呈现出不均一性。横向上断裂活动控制临汾盆地西缘第四系的发育，纵向上被西北向断裂分割成五段。台站的西面为断层下盘，其出露基岩岩性为奥陶系中统马家河组灰岩；台站的东面为断层上盘，覆盖层为第四系上更新统黄土，台站地势表现为自西向东倾斜，东部地面为第四系上更新统和全新统砂卵石、亚砂土，沟谷切割轻微。

2 场地地质条件分析

场地地质条件分析是指应用钻井资料、地球物理勘探等方法进行勘察，确定场地地层岩性、地下水、裂隙、岩溶等的发育情况。

2.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是采用不同岩体的导电性差异来研究地下电性的地球物理探测方法[8]。该法可通过一次布极，同时探测水平与垂直方向地电阻率变化。临汾站深井地电阻率观测场地为一矩形场地，长150 m，宽80 m，受观测场地地形地貌限制，布设一条以场地中心往东北方向布线300 m，西南方向布线300 m，共600 m长的测线(见第41页图1)。测线基本参数为电极间距5 m，数量120个，测线方向50°，高程507～524 m，坡升为26/1 000，坡角小于2°，沿线见高1～3 m的黄土陡坎，测线起始点及连接处坐标如第41页表1所示。

表1 测线lf1参数一览表Table 1 List of survey line lf1 parameters

图1 深井电阻率场地CT测线lf1布置图Fig.1 CT line lf1 layout of deep well resistivity site

该测线方向为NE-SW向，起始点位于西南侧，总长600 m。数据结果采用最小二乘法反演，形成原始数据图、正演数据模型图、反演成果图3张拟断面图(见第42页图2)。高密度电阻率法的原始图像由于受到各种干扰及畸变点的影响，不能准确反映地层分层及异常结构形态。经过修饰性处理后，不利频段成分和锯齿状边缘消失，各分层界线平滑过渡，异常特征较明显，易于后期处理、解译工作的进行。采用有限元法计算得出正演模型的视电阻率值，再通过迭代反演至均方根误差(RMS)小于0.05或误差变化不明显时，得到的反演模型即为较可靠的模型。从反演电阻率断面来看，观测场地内反演后的电阻率CT剖面在水平方向电阻率变化小，垂直方向稍有变化；在探测深度内，电阻率大小随深度的增加而略有变化。垂直方向大致可分为2层，第一层为低阻层，电阻率值在17.8～59.9(Ω·m)间变化，深度在地下0.0～15.0 m范围内，电阻率值较低；第二层为高阻层，阻值在59.9～149(Ω·m)间变化。

通过对剖面整体分析，观测场地内电阻率曲线呈连续水平分布，主要是由于观测场地表层为第四系上更新统黄土，场地电性介质变化不大。

2.2 地质钻孔勘察

钻孔柱状图能反映地下岩层在垂直方面的变化[9]，是进行地质条件分析的手段之一。临汾站深井地电阻率观测场地建设9个水平井孔，1个垂直井孔，1个水位井孔，分布位置如第42页图3所示。此次勘察仅对水位井钻孔进行岩芯编录，所有井孔采用井下录像视频系统进行观测。井下视频难以对岩性进行细致分析，但对裂隙、岩溶发育表现清晰，通过解译各钻孔井下视频，可统计各钻井裂隙发育程度(见第42页表2)。

表2 各钻井裂隙统计表Table 2 Statistics of fractures in each well

图3 钻孔布设图Fig.3 Borehole layout

建立各钻孔柱状图，根据9个水平井孔分布位置建立3个钻孔联合剖面，1-1地质剖面如第43页图4所示。根据3个钻孔剖面揭示的地层，观测场地地层岩性从上至下可大致分3层，第一层为第四系上更新统黄土，褐黄，松散，稍湿，无光泽反应，干强度及韧性低，摇振反应迅速，埋深0～5 m；第二层为砂砾层，圆砾，杂色，稍密，稍湿，分选性好，磨圆度一般，骨架间砂土充填，埋深6～41 m；第三层为灰岩层，42～81 m处灰岩段呈灰黄色，中风化，隐晶质结构，层状构造，岩心呈短柱状。82～110 m灰岩呈灰白色，隐晶质结构，层状构造，岩心呈短柱状，夹薄层泥岩，泥灰岩。

图4 1-1地质剖面图Fig.4 1-1 geological profile

根据井下视频系统及各钻孔裂隙统计表分析，该观测场地地下水位埋深在34.5～37 m间，地下水类型为新生界松散岩类孔隙水；场地灰岩层地下52 m开始裂隙发育较多，岩体完整性较差，地下102 m处出现溶洞。

3 场地三维地质模型

三维地质模型能表现出区域内各种地质构造，反映地质单元体在空间上的分布及关联，提升地质资料分析的准确性[10]。应用GEO5软件为建模平台，以地质钻孔数据为主要数据源，结合地形图及层序地层学相关知识，建立空间钻孔数据库，生成三维地质模型[11]。

3.1 地形建模

由于观测场地范围较小，地形起伏不明显，将观测场地边界四角为控制点，创建高程信息(见第43页表3)。

表3 控制点高程表Table 3 Elevation table of control points

3.2 钻孔数据处理

在钻孔数据中，可能出现地层缺失等多种异常情况，导致系统自动构建模型出现逻辑错误而无法建模，因此，需对数据进行质量检测。以深井地电阻率观测场地钻孔数据为基础，选其中9个水平钻孔地质数据，分析各钻孔资料有无地层缺失，保证钻孔数据完整后，根据各钻孔分布位置添加钻孔信息。

3.3 二维剖面数据处理

剖面数据处理最常见的问题为尖灭地层的处理，需要根据层序地层学相关知识经验，选择合适的尖灭位置，并手动添加该层的地层线。由于深井地电阻率观测场地地层均为水平状发育，不存在地层尖灭问题，根据水平井孔的分布位置，构建1-1、2-2、3-3共3条观测场地剖面。

3.4 建立三维地质模型

采用钻孔+剖面的混合建模方法，构建深井地电阻率观测场地的三维地质模型。首先，选择构建的3条剖面参与建模，整体控制模型；其次，选择控制钻孔，将钻孔数据带入建模计算中，生成三维地质模型(见图5)。模型显示，该观测场地岩层自上而下分为黄土层、砂砾层、灰岩层，各岩层产状均为145°∠6°。其中，黄土层厚度约5 m，砂砾层厚度约36 m，地下41～110 m均为灰岩。对比二维地质剖面图，三维地质模型以三维方式展现地质体的分布形态及特征，同时，能直观表现各地层分界面、厚度、延伸方向等。

图5 观测场地三维地质模型Fig.5 3D geological model of observation site

将观测场地原始勘探剖面图1-1与地质模型生成的剖面图进行比较发现，三维地质模型生成的剖面图与实际钻孔地质数据有较高的契合度，能准确反映观测场地地下岩层的发育情况。

4 结语

通过对观测场地地质条件的分析，采用钻井+剖面方法，建立场地三维地质模型，观测场地地层岩性由上至下分为表层覆盖黄土、砂砾层、灰岩层三类。通过解译井下视频得出，观测场地灰岩层裂隙岩溶较发育，主要存在于地表下52～90 m之间，地下102 m处发育溶洞。高密度电法反演结果与建立的三维地质模型表明，场地在探测深度范围内，岩层连续，倾向SE，基本呈小角度发育。该结果可为深井地电阻率观测后期的数据曲线特征分析、异常落实提供地质条件方面的参考依据，同时，为其他建设深井地电阻率的台站，在进行场地地质条件分析时提供借鉴。