隐伏断层高密度电法响应特征与应用研究

丁力 闫亚景 赵贵章 李志萍 李楠 王展

摘 要：【目的】为探究高密度电法不同装置类型对不同倾角断层的探测效果，开展了高密度电法温纳alpha、温纳beta、温纳gamma、偶极装置对不同倾角断层探测效果研究。【方法】通过参数设计建立了不同倾角断层模型，进行正演计算得出结果，并采用最小二乘法对不同倾角断层模型的正演结果进行反演成像。【结果】比较结果得出高密度电法对探测断层倾角的最优识别装置为温纳alpha，其识别结果与设置值的匹配度高达96.1%。【结论】在试验场地预埋断层并利用温纳alpha装置对其进行探测，结果验证了高密度电法温纳alpha装置对断层响应效果最优，可有效确定断层产状信息，且实测结果与数值模拟结果基本符合。

关键词：断层；电阻率；反演成像；温纳alpha装置

中图分类号：P319.32      文献标志码：A   文章编号：1003-5168（2024）03-0086-07

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.018

Study on High Density Electrical Response Characteristics and

Application of Buried Faults

DING Li1  YAN Yajing1  ZHAO Guizhang1  LI Zhiping1，2  LI Nan1  WANG Zhan1

（1.North China University of Water Resource and Electric Power， Zhengzhou 450045，China;

2.Henan Vocational College of Water Conservancy and Environment， Zhengzhou 450008，China）

Abstract： [Purposes] In order to explore the detection effect of different devices of high-density electrical method on faults with different dip angles， the detection effect of high-density electrical method Wenner alpha， Wenner beta， Wenner gamma and dipole device on faults with different dip angles was studied. [Methods] Different dip fault models are established by parameter design， and the results are obtained by forward calculation. Then， the least square method was used to invert the forward modeling results of fault models with different dip angles. [Findings] Compared with the results， it was found that the optimal recognition device of high-density electrical method for detecting fault dip Angle was Wenner alpha， and the matching degree between the recognition results and the set values was up to 96.1%. [Conclusions] The fault is embedded in the test site and the Wenner alpha device is used to detect it. The results verify that the high density electrical Wenner alpha device has the best fault response effect and can effectively determine the fault occurrence information. The measured results are basically consistent with the numerical simulation results.

Keywords： fault; resistivity; inversion imaging; winner alpha unit

0 引言

斷层作为一类不良地质构造类型，通过破坏岩土体完整性与连续性造成上覆岩土体产生显著变形，不仅改变了岩土体的力学、渗透特性，还极大增加了地表、地下工程的失稳隐患，工程中常称之为“控制性结构面”［1-3］。大量工程实例表明，断层对工程灾害具有显著控制作用［4-6］，且致灾模式往往随断层产出特征的改变而变化。隐伏断层作为典型断层活动类型之一，具有地表难以探察的强隐蔽性。如何高效且全面地识别地表无明显露头的断层分布及其产出特征，对于工程灾害的预防预报、工程建设的长久运行具有重要实用价值。

国内外学者开展了诸多实验室尺度和现场尺度的试验研究。实验室尺度方面，Tali等［7］借助离心机模拟试验探究了土体属性与土层类型在逆断层发育过程中的作用。Ahmadi等［8-9］通过物理模拟实验分别揭示了逆断层在湿沙与含黏粒粗粒土中的断裂演化规律。Nohara等［10］则是基于渗水试验进行断层导水特性研究，以获取断层特征。朱光丽等［11］借助相似材料的导水模拟试验展现了断层带拉裂延展、两盘错动滑移情况，进而探讨了采动诱发型断层活化突水机制。现场尺度方面，雷启云等［12］利用钻孔剖面法推断出断层的位置信息。郭秀军等［13］、聂利超等［14］基于电阻率层析法，针对不同类滑坡进行正演模拟、反演成像分析。Lapenna等［15］、Mondal等［16］、 Ismail等［17］结合滑坡实例，均证实了电阻率成像法在识别滑坡面、滑坡结构方面的可行性。在断层探测领域，罗登贵等［18］开展了活动断层的高密度电法探测研究，结果表明偶极-偶极装置能较好响应断层活动。王冬青［19］通过研究注水与温度变化中跨断裂剖面上的视电阻率变化，有效揭示了不同测试装置条件下的视电阻率异常特征。李俊杰等［20］结合钻孔资料，验证了高密度电阻率法对某隐伏断层走向、倾向等信息探查的有效性。高武平等［21］认为相较于人工地震探测资料，高密度电阻率剖面在清晰反映断层埋深、延伸情况方面更具优势。

然而上述研究多为高密度电法对隐伏断层探测的应用研究，难以对比断层不同倾角条件下的电阻率异常特征。基于此，本研究通过构建不同倾角的隐伏断层模型，基于有限单元法开展断层的数值模拟研究，并借助最小二乘法揭示断层反演成像规律，利用最敏感电极装置，结合基于高密度电阻率法探测隐伏断层的物理模型试验进一步验证前述反演成像规律的准确性。

1 高密度电法反演成像基本原理

1.1 高密度电法原理

高密度电法的主要特点是集电剖面法与电测深法于一体。其采用高密度布点，进行二维地电断面测量，利用地下介质间的导电性差异分析地质层位的发育情况，根据野外实测视电阻率值，经计算机处理分析、解释，最终获得地层划分和异常圈定等地质信息。野外测量时将测线上电极一次性布好，设置好仪器的采集参数和装置参数，则可自动进行断面视电阻率值的测量和存储记录工作。室内将仪器内的数据回放至计算机，用成图软件将断面上的视电阻率值转换成地电拟断面图，异常形态清晰明了，解释人员可根据反演斷面图结合地质资料进行定性或半定量解释，达到解决相关地质问题的目的。本研究中所用高密度电法四种装置对比见表1。

1.2 反演成像原理

最小二乘法是地球物理反演常用算法，具有较好的稳定性和适应性，其算法如式（1）［5］。

[Ψ=||Δd?AΔm||?+||λCΔm||] （1）

式中：C为矩阵光滑度；λ为拉格朗日系数；A为偏导数矩阵；Δm为模型参数改正值；Δd为正演电阻率与实测电阻率对数值差值。

给定原始模型m，将上述目标函数对Δm求导值为0，可得式（2）。

[（ATA+λCTC）Δm=ATΔd] （2）

求解式（2），可得到模型参数Δm，从而得到新预测模型m+Δm。重复上述步骤，直到得出满足需要误差。其中误差为均方根误差，计算公式为式（3）。

[rms=ΔdΔd/N] （3）

式中：N为观测数据总量。

1.3 实际断层设计

断层模型位于河南省郑州市华北水利水电大学地质工程试验场，如图1所示。断层模型为人工和挖掘机埋设，是为了完成地质类相关专业教学任务和开展断层的相关试验而建立的。整个断层模型长约30 m，宽约4 m，厚约5 m，整体呈长方体状。断层上部水平埋设粉土，厚1.2 m，渗透系数为1.1×10-3 cm/s，电阻率值约为90 Ω·m，中部夹层埋设粗砂，厚约1 m，渗透系数为5.6×10-2 cm/s，电阻率值约为70 Ω·m，底部埋设粉质黏土，厚约2.8 m，渗透系数为2.3×10-5 cm/s，电阻率值约为50 Ω·m，断层倾角为45°。试验场实际断层高密度电法探测布置如图2所示。

现场采用高密度电法装置进行数据采集，所采用的电极数为60个，电极间距设置为0.5 m，测线剖面长度为30 m，探测深度为5 m，最大隔离系数为10，电源供电电压设置为120 V。断层模型二维示意如图3所示。

1.4 断层模型正演设计

根据经典断层地层特征，模拟断层模型分为均质三层（如图4所示），上层底部距离地面1.2 m，距离底部3.8 m。设置上层地层介质为粉土，其电阻率值为120 Ω·m；下层地层介质为粉质黏土，其电阻率值为35 Ω·m；中层断层破碎带介质为粗砂，其电阻率值为80 Ω·m。从地质构造角度，根据某实际矿井的地质条件，构造了断层倾角分别为32°、45°、65°、90°的隐伏断层正演模型，通过识别断层分布及其产出特征（如断层倾角），对工程灾害的预防预报具有重要实用价值。

2 断层模型的反演成像规律

2.1 不同倾角断层在不同装置下的数值模拟特征

宽度为1 m的隐伏断层在不同倾角下的高密度电法反演模拟示意如图5所示。图5中两条虚线所围区域为设置的模拟断层大致位置，两条平行实线所围区域为高密度电法所测得的断层大致位置。倾斜的高、低电阻率的分界面是断层的响应，其中上层区域为高阻区（电阻率值约为80～120 Ω·m）；下层区域为低阻区（电阻率值约为30～70 Ω·m）；中层区域为中阻区（电阻率值约为70～80 Ω·m），同时也是上层介质和下层介质的过渡区域。图5（a）是断层倾角32°高密度电法温纳alpha、温纳beta、温纳gamma、偶极装置的数值模型反演结果，高密度电法不同装置类型对倾角32°断层均有异常响应，中层区域（电阻率值约为70～80 Ω·m）中两条实线所夹部分为测得的断层实际位置。对比温纳alpha、温纳beta、温纳gamma、偶极装置四种装置对不同倾角模型的测量结果见表2。

表2中设计断层倾角值为正演设计时提前设计好的已知值，实测断层倾角值为高密度电法装置反演图中平行实线与水平线所夹的锐角，误差值为设计断层倾角值与实测断层倾角值两者差值的绝对值与前者比值，匹配度则为1减这个比值。经分析发现，温纳alpha对倾斜中层区域响应与实际断层位置大致相同，其匹配度为96.8%；而温纳gamma和偶极装置对倾斜区域响应与实际断层位置有一定的误差，其误差值分别为13.6%和19.3%，温纳beta测量的结果误差最大。

进一步分析倾角为65°和90°断层高密度电法反演示意5（b）、5（c），结合表2结果可以得出，高密度电法不同装置对不同倾角断层均有一定响应。当倾角为32°时，温纳alpha、偶极装置对断层倾角识别效果较好，其匹配度均高于80%，其中温纳alpha识别效果最好，平均匹配度为97.3%；当倾角为32°、65°时，温纳beta装置在倾角为65°时匹配度为96.3%，对断层倾角识别效果最好；当倾角为32°、90?时，温纳alpha和温纳gamma对断层倾角的识别效果明显。当断层倾角为90°时偶极装置的误差值为29.3%较高，而温纳gamma对此角度的识别最灵敏，匹配度高达98.2%，温纳alpha装置对两角度的识别匹配度均高于89%；当倾角为45°、90°时，温纳alpha识别效果比其他三种电法装置好，温纳alpha装置在倾角为45°和90°时匹配度分别为97.6%和89.1%，识别效果最好，其次为温纳gamma装置，匹配度分别为69.6%和98.2%，而温纳beat和偶极装置分别在断层倾角为45°和断层倾角为90°时的匹配度都低于70%；当倾角为65°和90°时，只有温纳alpha装置总体识别效果最好，其匹配度分别为92.8%和89.1%，而其他三种装置的匹配度均低于

此数值。总体而言，高密度电法温纳alpha装置对断层倾角的响应特征最明显，平均匹配度也是最高的，为96.1%。

2.2 温纳alpha装置断层不同倾角模拟

利用高密度电法进行断层探测时，断层倾角的判别是整个勘探成果解释中的重要环节。断层参数中的宽度、电阻率值也保持一致，仅在断层倾角设置上有所不同，倾角设定为32°、45°、65°和90°。针对不同倾角断层模型进行温纳alpha装置的反演分析如图6所示，通过比较不同倾角反演结果电性特征差异，可为实际中断层勘探及后期地质解释提供针对性的参考。

由图6可知，温纳alpha对断层不同倾角反演模拟均有效果。不同断层模型反演剖面地层分界明显，且厚度相近，图6 （a）为温纳alpha装置对倾角为32°的模拟断层模型反演结果，图中粗虚线所围区域为模拟断层的设计位置，平行细实线所围区域为高密度电法实测断层大致位置，从图中可以清晰地看出中阻区（实际为断层破碎带，电阻率值约为70～80 Ω·m）为明显的分界线，隔开了上层地层介质（电阻率值约为80～120 Ω·m）和下层地层介质（电阻率值约为30～70 Ω·m）。同图6（b）、6（c）、6（d）都可以观察到这种明显的分层现象，由此可以得出温纳alpha装置对不同倾角断层反演剖面结果与模拟断层模型基本一致。然而，温纳alpha装置对不同倾角断层反演效果则需要实际断层验证。

2.3 断层实例反演分析

试验场实际断层模型高密度电法反演结果如图7所示。实际断层剖面图效果明显，可以确定断层剖面倾角大致为45°，与预设倾角一致。

图7中虚线所围区域为断层实际埋设位置，实线所围区域为高密度电法实测得的倾斜断层范围，其中介质为粗砂，电阻率值约为65～80 Ω·m，为上层地层介质粉土（电阻率值约为80～120 Ω·m）与下层地层介质粉质黏土（电阻率值约为30～65 Ω·m）的过渡区域，同时断层反演剖面也能够揭示出上下两地层介质分界面在距离地面深1.2 m处，与模拟断层结果基本一致。該实际断层设计角度为45°，实测断层倾角为46°，其匹配度高达98.0%，也证明高密度电法alpha成像是探测断层倾角的有效手段。

3 结论与展望

本研究采用高密度电法温纳alpha、温纳beta、温纳gamma、偶极装置对不同倾角断层进行数值模拟，并开展反演，得出高密度电法温纳alpha装置对断层倾角响应最敏感，其匹配度为96.1%，且反演的结果与预设模拟断层模型倾角基本一致。

通过在试验场地建立断层实物模型，利用高密度电法温纳alpha装置成功探测到实际断层产状信息，探测得到的断层倾角结果与设计的断层实物模型倾角基本一致，其匹配度为98.0%，表明高密度电法温纳alpha装置是探测断层的有效手段，可有效确定断层产状信息，探测结果与数值模拟结果基本符合。

但本研究还存在不足之处，对倾角角度和断层厚度还可以设置更多不同数值便于更系统地研究，同时还可以对每种角度的数值模拟都进行装置实际场地测量，以便进一步提高验证数值模拟的可靠性。

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