高密度电法和氡气测量在地裂缝调查中的应用分析

李巧灵 雷晓东 李晨 雷坤超 韩宇达 赵旭辰 罗勇

摘 要：平原地区地裂缝发育具有隐蔽特性，勘探难度较大，综合物探方法可以快速查明地裂缝的分布及空间展布特征。氡气测量具有经济高效的优点，可以快速探测地裂缝发育位置。高密度电法一次布极可以实现不同排列数据采集，快捷采集数据的同时降低了电极布设引起的干扰，成果电阻率断面图则可以较好地展示地裂缝空间形态。综合利用2种方法可以相互补充和验证，提高解释结果的准确性。在宋庄地裂缝通州北部地区布设了4条综合物探剖面，其中高密度电法测量330点，氡气测量163点。分析发现：高密度电法对地裂缝的典型反应为等值线发生扭曲变化，在相对高阻中间发育垂向低阻带；氡气测量常表现为峰值异常，且大部分异常呈现“马鞍状”。根据测量结果解释推断了10条地裂缝。

关键词：通州；宋庄；地裂缝；高密度电法；氡气测量；综合物探

Application of electric resistivity imaging and radon measurement in ground fissures survey

LI Qiaoling1， LEI Xiaodong1， LI Chen1， LEI Kunchao2， HAN Yuda1， ZHAO Xuchen1， LUO Yong2

（1.Beijing Institute of Ecological Geology， Beijing 100120， China；

2.Beijing Institute of Geo-Environment Monitoring，Beijing 100195， China）

Abstract： It is difficult to explore ground fissures in plain areas because of their hidden characteristics. Comprehensive geophysical exploration with its advantages of convenience and economic efficiency can quickly identify the spatial distribution， scale， and characteristics of ground fissures， and directly produce exploration results. Radon measurement method can detect the location of ground fissure， while high-density resistivity method can display the spatial characteristics of ground fissures. Combination of the above two methods can mutually complement and verify each other and obtain improved interpretation of the results. In this study， four comprehensive geophysical profiles were laid out near Gouquzhuang Village and Dapang Village for the Songzhuang ground fissures in Tongzhou， covering 330 high-density resistivity measurement points and 163 radon measurement points. The study found that the typical response of high-density resistivity measurement to ground fissures is resistivity isopleth abnormal changes， and develops low resistance zones when resistivity of the surrounding rock is relatively high. The response of radon measurement is anomalous peak values， most of which are saddle-like. Based on the measurement results， 10 ground fissures have been inferred， and their corresponding geophysical characteristics of the ground fissures summarized.

Keywords： Tongzhou; Songzhuang; ground fissure; radon measurement; high-density resistivity method; comprehensive geophysical exploration

地裂縫是一种近地表岩土介质存在不连续或错动现象，主要表现为发生在土层中的裂隙或断层。地裂缝受地质构造运动和人文活动综合因素影响，构造成因的地裂缝通常在地表呈多级雁列式的组合形式。地裂缝按成因可分为：由强震产生的地震裂缝，由断裂等构造运动产生的基底断裂活动裂缝和隐伏断裂开启裂缝，由水文地质条件变化及特殊土胀缩或湿陷活动引发的地面沉降裂缝、松散土体潜蚀裂缝、黄土湿陷裂缝等。地裂缝在世界上许多国家普遍存在，并随着地下工程建设、深部能源开采、地下水超采等变得日益严重，从而对工程建筑、农田道路、地下工程和生态环境等造成灾难性破坏。美国对地裂缝灾害有比较深入的研究，地裂缝在亚利桑那州、加利福尼亚、得克萨斯等地都有发育，影响较大（武强等，2003；张鹏，2021；张文栋等，2023）。中国也是世界上裂缝发育程度最广、受地裂缝灾害影响较严重的国家之一。20世纪70年代以来，在大别山北麓、渭河流域等地相继发生区域性地裂缝现象。目前国内地裂缝较为发育的地区主要集中在华北和长江中下游，如汾渭盆地地裂缝带、太行山东侧倾斜平原地裂缝带和大别山北麓地裂缝带。1976年唐山大地震后，北京昌平、通州、顺义等区县都出现了地裂缝，多发生在断裂带附近。主要特征表现为：多出现在平原区第四纪松散沉积物中；地震地裂缝分布在发震构造和孕震构造沿线，规模与诱发地震的强度有关；地面沉降地裂缝多分布在沉降区边缘（贾三满等，2011；刘方翠等，2016；赵龙等，2019）。

地裂缝调查主要以研究区域地质环境条件为基础，结合地面调查和地球物理勘查技术，获取地裂缝发育规模、空间分布、几何特征及延伸方向等特征。隐伏地裂缝勘探难度较大，钻孔资料准确度高，但成本也高，且只是一孔之见，不能横向追踪地裂缝的空间分布特征。综合物探方法具有横向密度高、快捷高效和成果直观等优点，可以快速查明地裂缝的空间展布特征（曹朋军等，2020；易隆科，2022）。高密度电法起源于20世纪70年代末的阵列电法探测思想，最初模式是电测深系统。高密度电法的应用随着计算机技术的飞速发展得到推广和认可，越来越多的应用于工程勘察、断裂调查、地裂缝调查等方面（丁肇伟等，2023；王永刚等，2023；长孙月雷等，2022）。肖宏跃等（1993）、Liang等（2004）分析了高密度电法在西安地裂缝调查中的应用效果，认为在普查基础上，用高密度电法寻找地裂缝优于其他物探方法，对于狭窄地裂缝应加密探测点距。氡气测量主要是通过探测氡在形成过程中释放的α射线强弱来解决工程地质问题，地裂缝的存在常使不同深度地层中的氡沿着裂缝不断运移到地表，从而在地裂缝上方出现氡气异常（刘华军等，2004）。氡气测量不依赖地裂缝两侧地层、岩性等物理性质的差异，较其他物探手段有独特的优势。如：雷霆等（1997）从地裂缝形成机制和氡气测量基本原理入手，分析了地裂缝氡气异常的特点及其形成的地质背景；陈序等（2014）分析了氡气测量在地裂缝调查中的应用效果，分析了不同地质异常体对应的氡气异常形态，认为该方法可有效应用于地裂缝和活动断裂探测中。基于以上分析，本次选择高密度电法和氡气测量探测宋庄地裂缝在通州北部的地表发育特征，成果数据显示，高密度电阻率异常和氡气测量异常具有较好的一致性，据此综合解释推断了10条地裂缝。

1  研究区概况

研究区位于北京市通州区北部（图1），大地构造位置处于华北断拗（II级构造单元）大兴迭隆起（III级构造单元）内的黄村迭凸起（IV级构造单元）的东北部。黄村迭凸起西以南苑-通县断裂为界，与北京迭断陷（III级构造单元）内的琉璃河-涿县迭凹陷和坨里-丰台迭凹陷、顺义迭凹陷相邻；东部与同一构造单元内的牛堡屯-大孙各庄迭凹陷相接壤；南部以榆垡南断裂为界，与固安-武清新断陷（III级构造单元）内的固安新凹陷相接壤。黄村迭凸起呈北东向展布，西南部基岩埋藏较深，中部大兴—团河一带埋藏深度最浅，小于100 m，东北部埋藏较浅为300～350 m。区内主要发育南苑-通县断裂。主要地层由新到老包括：第四系，沉积物成因类型较简单，以河流的冲积物为主体，岩石密度为2.0 g·cm-3，电阻率为150～500 Ω·m；侏罗系，岩性主要为安山岩、凝灰岩以及复成分砾岩，岩性横向变化较大；寒武系—奥陶系，岩性为泥质条带灰岩、白云岩、鲕粒—内碎屑白云岩等，并有辉长闪长玢岩脉穿插，岩石密度为 2.72 g·cm-3，电阻率为1 700～1 800 Ω·m；青白口系，岩性为炭质板岩、页岩及白云岩、硅质板岩，由于有大量的细晶岩及闪长玢岩脉侵入和破坏，使地层发育不全，岩石密度为2.69 g·cm-3，电阻率一般为1 900～2 100 Ω·m，与蓟县系的物性差异较大；蓟县系，主要岩性为浅灰色白云质灰岩，岩石密度为2.80 g·cm-3，电阻率为2 200～2 500 Ω·m。

研究区地表下60 m深度范围分为人工堆积层、新近沉积层及一般第四纪沉积层3大类。其中：人工堆积层主要为人工填土层，填土厚度由东向西递减；新近沉积大层主要为粉砂—细砂层、粉土层、粉质黏土层，廣泛分布在通州皮村、徐辛庄—张家湾一线的温榆河、小中河、潮白河、北运河、通惠河等现今或近代河道、河漫滩及其两岸一级阶地，通州北部的宋庄双埠头—尹各庄—葛渠村一带、西部的永顺纪庄—梨园岗坟—马驹桥北门口一带及南部永乐店北辛店—大务一带缺失；一般第四纪冲洪积层主要为细砂与粉质黏土互层（张园园等，2021）。

2  工作方法和参数

2.1  高密度电法

高密度电阻率是以岩、土导电性的差异为基础，基于传统电法理论，在计算机、信息测控等现代科技基础上发展起来的。该方法一次性布置几十乃至上百个电极，可组合出10多种装置，在提高采集速度的同时，减少了因电极布设引起的故障和干扰，勘探能力较传统电阻率法显著提高（田苗壮等，2017）。本次主要在地表可见地裂缝发育部位布设高密度电阻率测线，进行异常追踪探测。测量仪器采用骄鹏科技有限公司（GeoPen）的E60DN电法工作站。

在开展工作过程中，应结合收集钻孔情况，针对不同部位的第四系岩土层特征，选用合适的电极距和装置形式。本次主要探测目的是查明浅地表第四系岩土层分层特征。根据技术要求设置点距1 m、2 m或5 m，探测深度0～30 m。建立正演模型分析论证相关参数，分析后拟同时采用α、β装置采集，电极距2 m（部分段5 m），隔离系数除G01为18外，其余皆为30，供电时间1 s。

2.2  氡气测量

氡气测量是用测氡仪测量土壤中氡及其子体浓度的一种方法，放射性元素氡（Rn）在形成和衰变过程中产生的α辐射是氡气测量的物理基础。Rn易溶于水，会随着地下水不停运移。在构造带中，由于岩石破碎使得孔隙度增大，会促使氡的迁移速度加快，并在地表聚集，形成局部的氡气高异常晕。因此氡气测量被大量用于探测活动断层、岩溶洞穴、采空区和地裂缝等。虽然氡气测量在探测地下构造中具有轻便高效、成本低廉的优点，但地表土壤氡浓度易受天气变化及含水量等多因素的影响，故在测量过程中应加以注意，以消除或降低其影响。

本次常规测氡采用FD216测氡仪，该仪器由抽气泵和测量操作台2部分组成。抽气泵除了完成抽取地下气或水样脱水任务，还有收集贮存氡子体的功能。当氡气经干燥被抽入管内后，立即开始衰变，并产生新的子体——镭A（218Po），它在初始形成瞬间是带正电的离子。仪器利用自体的带电性，采用加电场的方式对它进行收集，使镭A离子在电场作用下，被浓集在带负高压的金属收集片上，经过一段时间加电收集后，取出金属片放入操作台的探测器内，测量镭A的放射性，其强度与氡浓度成正比。氡气测量剖面采用10 m点距，测量时取样器深度大于50 cm。野外观测发现高值异常点，在其起止点位置应重复观测。整个测量过程分别为：本底测量时间2 min，加压抽气时间2 min，测量时间5 min，排气时间2 min。每点测量时间11 min。

3  数据处理和分析

3.1  数据处理

1）高密度电法

高密度电法数据处理采用Res2D软件包，主要处理步骤包括（严加永等，2012）：①原始数据前期处理。主要包括原始数据的突跳点剔除、滤波与平滑、地形改正和剖面拼接等。②常规处理。分析随机噪声和背景干扰的强度，进行网格精细化、阻尼系数、层厚递增系数的选择调节。本次初始阻尼因子0.1，最小阻尼因子0.01；首层厚度0.5，层厚增长因子1.15；迭代次数5次。③正反演处理。采用Res2D Inv反演软件，建立初始模型，对比正演理论值和实测值的残差值，反演计算获得真电阻率的分布。对于地表附近受外界电磁干扰较大的数据，可通过设置模型子块宽度进行改善。④数据解释推断。基于反演电阻率断面图，分析其电性结构及异常区，结合其他物探方法和地质情况，做出地质解释推断。

2）氡气测量

氡气测量数据处理时把野外实际测量数据绘制成氡气测量剖面，按照一定规则，在剖面上划分异常区，同时参照野外记录对干扰点进行甄别和推断，排除回填土和湿度较大部位引起的非构造异常。采用Grapher软件完成测氡数据处理，主要步骤包括：①对测量数据进行归一化处理，使得不同变化范围的数据可以在相同的坐标系统中进行对比。②标准化处理，计算同一剖面所有测量数据的平均值X和标准偏差δ，以平均值为基线，将超出3倍标准偏差的数据定为不合理异常，应当舍弃，最后在不改变原始数据形态的前提下使数据服从正态分布。③数据平滑，去除孤点和不符合数据变化总体趋势的异常点，对舍弃不合理异常的测量数据重新计算平均值和标准偏差，此时的标准值就定义为背景值，以此为基线，一个标准差范围即为阈值。④绘制成果剖面，在氡气幅值变化曲线上标绘背景值和异常阈值。对超过阈值的异常进行标定和甄别，根据异常峰值形态，结合地质资料判断引起异常的地下构造位置及空间形态。此外，高于阈值的异常位置与地下构造并非完全对应，需结合其他物探方法综合判定。

3.2  数据解释推断

经处理后的综合分析图见图2至图5。图2-a至图5-a是本次处理后的氡气成果图，图中红色实线为剖面背景值，红色虚线为阈值，高于此值的为异常点。图2-b至图5-b为高密度电法反演断面图，电性结构纵向上大体可以分为两层：第一层在10 m以浅，反演电阻率相对较高，推测该层砂质含量较高；第二层整体反演电阻率相对较低，推测该层砂黏土含量较高。图2-b至图5-b中红色虚线为本次推断地裂缝。解释推断如下：

1）图2为1线综合物探成果图，测线总长约110 m，走向约120°。图2-a为氡气测量成果图，背景值约6 700 Bq·m-3，阈值约为10 900 Bq·m-3。该剖面在45～50 m处存在异常（①号异常），有一定延展宽度，推测可能为地裂缝发育。图2-b为高密度电法视电阻率断面图，约50 m处等值线发生扭曲，相对高阻中发育低阻异常带，推断可能存在地裂缝，倾向北西，倾角约70°。

2）图3为2线综合物探成果图，剖面走向约150°，长约200 m。图3-a为氡气测量成果图，背景值约7 200 Bq·m-3，阈值约为13 000 Bq·m-3。该剖面分别在0～50 m（②号异常）和130 m（③号异常）处存在异常，②号处异常具有一定延展宽度，且呈“马鞍状”，③号异常则与西北侧一个高于平均值但低于阈值的峰值组成“马鞍状”异常组合，推测可能为地裂缝发育。图3-b为高密度电法反演电阻率断面图，图中约30 m及140 m处等值线密集，相对高阻中夹杂低阻变化带，变化梯度大，推断可能存在地裂缝。30 m处地裂缝近于直立；140 m处地裂缝倾向北西，倾角约80°，向下延展较深。

3）图4为3线综合物探成果图，剖面走向约180°，长约480 m。图4-a为氡气测量成果图，背景值约6 700 Bq·m-3，阈值约为11 200 Bq·m-3。该剖面分别在100～130 m（④号异常）、280 m（⑤号异常）、370（⑥号异常）和430 m（⑦号异常）处存在异常。其中：④号有一定延展宽度，且呈“马鞍状”，推测为地裂缝发育；⑤号、⑥号和⑦号异常组成异常带，推断有地裂缝发育，但其位于南苑-通县断裂附近，不排除断裂因素影响。图4-b为高密度电法反演电阻率断面图，图中约80 m和480 m处等值线密集，变化梯度大，等值线圈闭近乎直立，推断这2处可能存在近于直立的地裂缝。约180 m、290 m和360 m处等值线变化梯度大，推断地裂缝发育，倾向北西，应考虑此处地裂缝与隐伏断裂的联系。

4）图5为4线综合物探成果图，剖面走向约150°，长约200 m。图5-a为氡气测量成果图，背景值约8 500 Bq·m-3，阈值约为15 200 Bq·m-3。该剖面分别在30～50 m（⑧号异常）和170 m（⑨号异常）处存在异常，此两处皆为单峰异常，其形成原因需要进一步考证。图5-b为高密度电法反演电阻率断面图，图中约80 m和170 m处等值线密集，变化梯度大，相对高阻中发育低阻异常，推断该处可能存在地裂缝，80 m处推断地裂缝倾向南东，倾角约70°，向下延展较深。

综上所述，高密度电法对地裂缝的典型反应为等值线发生扭曲变化，在相对高阻中间发育垂向低阻带。氡气测量常表现为峰值异常，且大部分异常呈现“马鞍状”。对比高密度电法和氡气测量解释推断结果，除⑧号异常外，其余氡气测量异常位置对应的高密度反演电阻率也有不同程度的异常显示。

4  讨论

地裂缝的形成为多因素作用叠加的结果，多数学者认为区域构造活动与地下水开采引起的地面沉降是地裂缝形成及发展的主要因素。研究显示北京多条地裂缝为第四纪以来区域性构造运动强化的产物。超量开采地下水形成地面沉降为诱发因素，是导致地裂缝持续扩展的主要原因。目前北京平原区快速发育的顺义地裂缝、高丽营地裂缝、阳坊地裂缝和北小营地裂缝的形成是区域构造活动及差异沉降变形机制共同作用的结果（趙龙等；2018）。

地裂缝活动一方面产生微错动、微裂缝，使氡气容易逸出，另一方面使大量互不相通的裂隙、裂缝互相贯通，为氡气提供运移通道。不同深度地层中的氡气沿着断裂裂缝不断运移到地表，在地裂缝上方出现高异常。氡异常的形成与地裂缝规模大小，破碎带宽度，充填物的透气性等因素有关，同时受气候条件、地貌、植被影响，形成的异常曲线形态各异，结合两者的异常特征，总结如下：

1）在氡气测量剖面上，高角度裂缝的氡值曲线较对称且尖窄，如③号、⑥号、⑦号和⑨号异常，低角度裂缝的氡值曲线不对称且平缓，如①号、②号、④号和⑧号异常。异常带宽度一般大于裂缝带宽度，通常地表松散，地层越厚，异常宽度越大。

2）地裂缝通常不在氡气异常峰值的正下方，峰值通常位于地裂缝上盘，本次的9个氡气异常点基本符合这种情况。推测是因为地裂缝上盘羽状裂缝发育，氡气沿主裂面向上运移过程中，容易从上盘次级裂缝发育的土壤中逸出，这样的异常往往有较大的宽度和多个峰值（如①号和④号异常）。而主裂缝由于与地表贯通，无法积累氡，反而异常起伏不大或不明显。

3）在地表覆盖条件不好的情况下，地裂缝位于2个峰值之间的低值处，裂缝两侧出现氡气高值异常，形成“马鞍状”异常曲线，如本次的②号和④号异常，以及发育于⑥号和⑦号之间的推断地裂缝。

4）⑧号为单峰异常，对应范围高密度反演电阻率为低阻，推测可能与土层含水有关，也有可能是地裂缝上盘的异常反应。Z03线高密度电法反演电阻率断面图中约180 m处推断地裂缝在氡气测量成果上未见明显高值异常，但其上盘的氡气测量值高于平均值，且与④号异常相连，故可能为该处地裂缝上盘综合反应。

地球物理方法种类很多，常用的方法包括反射地震法、地震映像法、高密度电阻率法、氡气测量法、瞬变电磁法、探地雷达法、瞬态面波法等。反射波地震法是最主要和有效的地裂缝研究方法，对地裂缝结构反映清晰、分辨率高，可对地裂缝产状、性质进行详细刻画，但勘探成本较高，在城市中施工受限。电（磁）法能有效识别地裂缝的位置和产状，但易受电磁背景干扰影响。瞬态面波勘探不受电磁干扰，但道路交通等人文因素会降低探测精度，且探测深度有限。氡气测量不需要考虑介质物性差异，但只能指示地裂缝发育位置，不能刻画地裂缝性质及产状等细节（周正中，2008）。综上所述，不同地区的地裂缝具有特殊性和差异性，应根据地裂缝发育深度和环境因素选择合适的探测方法，且尽量选择多种物探方法进行综合勘探，以提高解释推断精度。

5  结论

1）高密度电法对于地裂缝的空间形态反映更为直观，通常表现为低阻异常带。根据反演电阻率断面图显示的电性结构，纵向上大体可以分为两层，第一层在10 m以浅，反演电阻率相对较高，推测该层砂质含量较高。第二层整体反演电阻率相对较低，推测盖层砂黏土含量较高。横向上基于等值线发生扭曲变化，在相对高阻中间发育垂向低阻带的异常特征，解释推断地裂缝可能发育点10处。

2）氡气值高于阈值的部分定义为异常，本次明显的氡气异常共9处，大部分异常峰值位于地裂缝上盘，个别异常形成“马鞍状”形态，地裂缝则位于2个峰值之间的低值处。

3）综合利用高密度电阻率法和氡气测量可以有效探测地裂缝。氡气测量可以快速圈定地裂缝发育区，高密度电法可以详细分析地裂缝空间展布特征。综合2种方法则可以降低多解性，提高解释推断精度。

4）氡气测量成果受环境因素影响较大，如回填土、湿度较大部位均可能形成异常，单点突跳式异常往往是地道、水井、洞穴、水管等非构造原因造成的“无根异常”，后续需结合实际地质资料进一步排查。

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收稿日期：2023-09-12；修回日期：2023-11-06

基金项目：北京市市级职工创新工作室（环境与资源地球物理探测）资助

第一作者简介：李巧灵（1983- ），女，博士，正高级工程师，主要从事地球物理探测技术研究。E-mail：liqiaoling959@Foxmail.com

通信作者简介：雷晓东（1983- ），男，博士，正高级工程师，主要从事地球物理勘查技术研究。E-mail：lei-xiaodong@139.com

引用格式：李巧灵，雷晓东，李晨，雷坤超，韩宇达，赵旭辰，罗勇，2024.高密度电法和氡气测量在地裂缝调查中的应用分析［J］.城市地质，19（1）：1-8