低阻沉积岩区地表裂缝识别

王榭，杨晓林

吉林省区域地质矿产调查所，吉林 长春 130000

0 引言

地表裂缝对建筑建设施工过程当中是比较大的隐患，尤其是在沉积岩区地表，一方面因为砂泥岩岩性较脆，另一方面在砂泥岩互层的地层中裂缝延伸的终点并不明确[1]，所以在沉积岩区开展地面工程施工的过程中，对地表出现的裂缝应予以足够的重视。

本文以在吉林省延边州和龙市所开展的一处建筑项目开展过程中所出现的地表裂缝勘探为例，进一步探讨在该类粒级较细的沉积岩地层中出现裂缝时，开展地球物理勘探工作所要注意的一些要点与相应特殊情况的讨论。

考虑到裂缝所处地层物性与裂缝自身物性有所区别，故而对该实例中出现的地表裂缝的识别可以采用高密度电阻率法对地下电阻率进行测量，结合数据反演结果来对裂缝的倾角与延伸情况进行直观的识别[2-3]。

1 地质概况

出现地表裂隙的工作区所处位置地貌相对较为平坦，海拔高度为515～517 m。工作区内主要为沉积条件形成的地层，岩性以泥质粉砂岩为主。在表层有第四纪风化物覆盖，并有部分区域在农田地内，在工区地表多处有砂石回填与硬化路面。因为工区范围较小，地质情况相对单一。

1.1 地层概况

工区主要地层为白垩系下统大拉子组。该套地层为一套陆相碎屑沉积岩系，根据沉积旋回特征与古生物特征划分为上下两段，上段为红色砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩互层，下段以黄褐色砾岩、砂岩为主。

在该套地层中，由于砂泥岩互层情况的存在，使得地层在不同位置有不同的脆性表现，从而让裂缝发育更倾向于在脆性较高的砂岩层中发育，而脆性较低的泥岩层则会一定程度的延缓甚至阻止裂缝的发育。

1.2 构造概况

该工区的基础构造类型为一套盆地构造，在盆地南端存在侏罗纪与中元古代花岗岩的断层接触，证明该盆地的形成过程中受到南北向挤压的控制。

同时，在工区所在区域内有一纵贯南北的大断裂，该断裂为南北走向，向西倾，倾角40°～50°，切割了白垩纪及白垩纪以前的地层及岩浆岩。沿断裂有晚白垩世次火山岩侵入与脉岩填充，故而推断该构造对全区应力分布有着基础性的作用。

在之后的新构造运动中，工区所在区域呈现强烈的抬升特点，本区自第三纪初期至末期，地壳一直处于缓慢上升状态，正常沉积作用停止，缺失下第三纪地层，而第四纪下更新世玄武岩存在溢出现象，使得该区域没有接受第四纪沉积，表现出新构造运动的继承性的特点。

2 工作方法

为了探明工区内裂隙的展布情况，在对既有地质概况进行分析的基础上只能大体上分析裂隙发育方向，但对裂隙的纵向延伸深度与裂隙在地下走向、倾向、倾角等信息无法直接观测到，故而在这里需要采用地球物理方法进行勘探。

由于利用地球物理方法对地下勘测的方法众多，故而需要提前对工作区进行踏勘，进而选取合适的地球物理勘探方法。本次工作区内裂隙在地表处可见宽度约为1 m，考虑到其为表层裂隙且处于较为疏松的沉积岩区，故而应该选取分辨率较高的地球物理方法进行勘探[4]。考虑到裂隙与周围地层在电性上应该存在差异，在此基础上选取高密度电阻率剖面法进行探测较为合适。

在确定了具体勘探方法之后，根据工作区内裂隙的具体情况来制定具体施工计划，对此工区内出现的裂隙进行综合研判后，确定以电极间距1 m，剖面间距10 m来开展高密度电阻率工作。工作过程中利用测绳对电极进行严格的定位，从而确保采集数据的质量[5]。

3 资料处理及解释推断

3.1 资料处理

在确保所采集的电阻率数据质量的基础上，对资料开展后期处理工作。

首先对资料中明显有错漏的数据进行剔除，假如异常数据较多的剖面应该进行重新采集，而后对原始数据进行成图分析。

如图1，对工区7线原始数据进行成图可以看出，该地区由于地层较为稀疏，加之连续阴雨导致地下含水量较高，表现在电阻率剖面上的即为断面图上出现大面积低阻区域，且可能存在浅层低阻屏蔽的情况，进一步对最终结果的分析进行了干扰。

图1 7线视电阻率原始数据断面图

面对这种由于地层富含水分导致的电阻率较低的情况，就要从施工与数据处理两方面入手予以解决：一方面在施工时要密切关注接地电阻，保证各个电极接地电阻大致相等，从而减小浅层低阻屏蔽对最终数据的影响；另一方面在数据处理过程中要在对每一条剖面进行反演的时候密切关注数据质量，对误差较大的数据进行重采，并充分优化反演过程中各项参数，以期达到最好的效果。

在此次工作中的反演阶段，采用的是瑞典的二维高密度反演软件进行数据反演计算，在最小二乘拟合反演的过程中通过不断对比正演模型与反演数据体来不断拟合，从而减小误差，提升结果可信度。在参数控制方面，本次反演过程中使用最精细网格作为正演过程中的约束，并对每次拟合迭代都选择重新完全的计算雅克比矩阵。

3.2 数据解译推断

通过对最终的反演电阻率断面图进行分析，结合地质认识来对区域内裂隙情况进行综合评判见图2、图3。

图2 1线二维反演视电阻率断面图

图3 11线二维反演视电阻率断面图

首先，对工区两端的1线与11线剖面进行分析。

从图中可见并无明显的高阻或低阻条带竖向向下延伸切割地层，且剖面内各层具有较好的成层性，符合该地区在地质上的砂岩、泥质粉砂岩与泥岩互层沉积的沉积岩背景。11线剖面靠近地表的高阻层是由于现场31-60号电极处为硬化路面，表现在剖面上为成层性较好的高阻条带，而10-31号电极处为渣土，材质疏松且电阻率较高，同时由于推平后覆盖厚度不一，表现在电阻率剖面上即为不规则显示的高阻层。通过11号剖面可以从一个侧面反映出，对表层的低阻或是高阻屏蔽而言，通过施工与数据处理两方面手段双管齐下之下仍是可以取得质量较好的剖面数据。

从上述两剖面可以看出，裂隙并未穿透工区所设置的两边，接下来就应该对有裂隙电性显示的剖面进行分析，在此我们先对在地表有明确裂隙显示的7线进行分析见图4。

图4 7线二维反演视电阻率断面图

如图4可见两条明显高阻条带以一定角度向深部延伸，且其中F2所在位置的近地表处即为地面所观测到的裂隙位置，据此可以对工区内裂隙有一个初步的认识，即对工区内测线，由于工区范围较小，基础地质情况无太大变化，是以砂岩与泥质粉砂岩为主的沉积地层。针对沉积地层在高密度电阻率法剖面上预期表现为由地表开始自上而下电阻率逐渐升高。这在工区内所测的剖面的特征中也印证了上述猜想，即在大多数剖面中大体上为由浅层至深层电阻率表现为层状逐渐升高。但由于工区所处范围内施工等因素影响，导致地面上会有外源性的石子沙土等物质覆盖，导致在一些剖面的近地表处出现较多的串珠状高阻区域与高阻条带。结合当地连绵阴雨导致地下富含水分，从而使地层因含水率增高而表现的相对低阻情况，对工区内裂隙在电阻率断面上的特征推测如下：裂隙在电阻率断面图中表现应为相对高阻，形态上要与沉积地层的大致展布方向有所差异，且要在多条电阻率断面上有所延续或是在地表有所出露来侧面印证单条剖面中的判断。据此，此次工作中在区域内推断有两条可能的裂隙存在，分别为图4中标示出的F1，F2。

在此基础上结合7线相邻剖面上的异常高阻反映情况，即可以对区域内裂隙的具体展布情况进行判断见图5。

图5 5-9线二维反演视电阻率断面图

如图5 所示，综合罗列出5线～9线的五条剖面，可以看出在7线有所显示的两条裂隙分别具以7线为基准有向西(F1)和向东(F2)延伸的趋势，且均未突破到相距20 m之外的5线和9线，而其他测线的电阻率反演断面图上均未出现与上述推断的裂隙特征所吻合的电阻率异常。故而，综合此次勘测中6、7、8三线高密度电阻率剖面当中疑似裂缝的地下物性显示推测，裂缝F1走向为近东西向，向北倾斜且倾角较小，深度范围为地下1～7.5 m，宽度约2 m，裂隙见于第6、7号剖面故裂缝延伸应控制于5～8号剖面之间30 m范围内；裂缝F2走向为近东西向，向北倾斜且倾角较小，深度范围为地表至地下8 m左右，宽度约2 m，裂隙见于第7、8号剖面故裂缝延伸应控制于6～9号剖面之间30 m范围内。

4 结论

通过在本区域内的实践，说明利用高密度电阻率法寻找浅表裂隙的工作方法是行之有效的，可以从在地表已发现的裂隙处所在剖面看出，高阻条带与裂隙有着较好的对应关系。同时，利用已知地质情况，推测物性情况，再利用相应的物性情况反推未知处地质情况，并在后续施工过程中加以验证的这一过程，形成了一套严谨的探究方式。

对于在含水沉积岩地层区开展地面施工作业这一特定场景，可以抽象为在广大的低阻含水地层之上特定位置有高阻区域上覆盖。针对这一类问题的处理不仅仅需要后期数据处理过程当中在反演过程中下功夫，在前期数据采集期间保证电极的接地电阻基本一致，不出现过高与过低阻值的电极也尤为重要。