高密度电法在地质灾害探测中的应用

时间：2024-05-18

李茹

(广州市地质调查院,广东广州 510440)

1 引言

高密度电法对地下典型结构具有高分辨率，是研究浅层地质结构的有效方法[1]。高密度电法近年来被应用于灾害地质调查及工程勘察中[2]，兼具剖面法和测深的功能，具有点距小、数据采集密度大的特点。高密度电法在浅层小煤窑采空区探测[3]、岩溶区勘查[4]、地质灾害评价[5]等方面提供了有力的物探资料，在地下空洞探测等地质灾害调查领域地质效果显著[6]。何清立等利用高密度电法在滑坡地质灾害勘查中获取滑坡体的形态、规模、结构等信息，对滑动面的分析起到很好的指导作用[7]。

广州某盐矿经过多年开采，地面沉降持续发生，房屋地面出现裂缝，矿区突发局部震动，给当地居民带来极大恐慌。为了解本次地质灾害发生的原因，选用高密度电法对矿区浅部100 m以内地层进行探测，为分析研究地质灾害发生原因提供基础地球物理依据。

2 地质概况及地球物理特征

2.1 地质概况

矿区处于珠江三角洲广从断裂带控制的龙归盆地南部，该盆地呈北东向狭长状展布，长约46 km，最宽可达9 km，面积206 km2。该盆地沉积了一套厚度较大的以河湖相为主的下第三系碎屑岩，基底及边缘由古、中生界和燕山期花岗岩组成。硝盐矿区主要采用水溶法开采石盐和伴生无水芒硝矿，盐层埋深为480～640 m，井深大多在600 m以内，矿区有3个含水带，第一含水带为第四系承压裂隙水，水位较浅，与地表关系密切，季节性变化大，第二含水带与第一含水带有直接水力联系，最大埋深230 m左右，第三含水带靠近盐层，埋深在420～490 m之间。矿区浅部地层以人工填土、第四系黏土与砂层互层的冲积层、残积层、古近系砂泥风化层为主。

2.2 地球物理特征

黏土层电阻率1～20 Ω·m，砂岩与泥岩互层20～200 Ω·m，泥岩1～20 Ω·m，砂砾岩通常电阻率较高，卤水电阻率平均值约0.05 Ω·m。采盐区塌陷坑或卤井周边地下，只要存在洞穴、断裂、裂隙等，就会有卤水充填、运移、侵蚀，而卤水是良导体，电阻率极低，与围岩存在较大的电性差异，为高密度电法开展提供了良好物性条件。

3.1 高密度电法基本原理

高密度电阻率法(High Density Resistivity Method)是一种阵列式的直流电测勘探方法，由日本学者发明并于20世纪80年代被引入国内。高密度电法是兼具电阻率测深法与电阻率剖面法的观测系统，一次布设多根电极，向地下施加稳定电流场可获得多装置、多极距电阻率参数的常规直流电法[8]。其中温纳装置的垂向分辨率相对较高，对地质体垂向分布的反映有比较高的灵敏度。施伦贝尔1装置对地质体在水平方向的变化反应非常灵敏，水平分辨率很高[9～12]。

3.2 方法技术参数

物探遵循由已知到未知的原则，首先选择已知且有代表性地段进行物探方法试验，根据方法试验结果，选定较为有效的方法技术参数进行探测。根据试验结果，选用施伦贝尔1装置(SB1)、温纳装置(WN)，极距分别为4 m、5 m(表1)。

高密度电法测量数据处理利用瑞典反演软件Res2dinv进行反演解释，其数据处理流程:将原始数据从仪器导入计算机并储存→剔除坏点数据、改正干扰数据→格式转换(转换为瑞典格式)→绘制视电阻率瑞典软件反演地质解释图。

4 资料解译及推测

4.1 测线资料解译

本次运用高密度电法对硝盐矿区浅部(地表以下100 m)进行探测，共布置测线12条，探明低阻异常区19处。以下对D1、D3、D10三条典型剖面进行分析。

表1 高密度电法测量参数

D1测线地质反演剖面(图1)：出现2处低阻异常，一处位于导线130～160 m处，电阻率范围0.01～0.19 Ω，另一处位于导线225～240 m处，电阻率小于1 Ω，此两处电阻率都极低，因卤水是良导体，其电阻率极低，结合矿区情况推测可能为采卤水下渗或采卤井管道破损导致地下存在含卤水带。D1、D8-D9、D11-D12，高密度电法探测深度约50 m，剖面呈现高低组相间分布的特征，与剖面D3(图2)对比，此处地质体成层性差，不均一。且其上盖民房多处出现裂缝，并且这几条测线所在范围监测到的地表年平均沉降量较其他测线所在位置大。

D3测线地质反演剖面：剖面地层层状特征相对明显，剖面深度2.5～40 m地质体电阻率较高，推测可能是砂岩层，40 m以下电阻率逐渐减小，推测可能与含水层有关。剖面出现2处低阻异常，一处异常位于测线225～275 m，深度60～90 m，电阻率范围0.4～3.0 Ω·m，另一处异常位于测线385～435 m，深度65～95 m，电阻率范围0.4～3.0 Ω·m，电阻率较低，两处低阻上升至近地表，经查证均存在采卤井，推测该处由于采卤井管道常年老化，发生卤水外泄，导致附近岩层存在卤水渗透，形成含卤水带。

图1 D1号测线高密度电法(WN装置)Res2dinv软件ρs二维反演地质解释剖面图

图2 D3号测线高密度电法(WN装置)Res2dinv软件ρs二维反演地质解释剖面图

图3 D10号测线高密度电法(WN装置)Res2dinv软件ρs二维反演地质解释剖面图

D10测线高密度电法二维反演地质解释剖面存在多个低阻异常区，且剖面右侧地层明显受到挤压作用(作用力方向用红色箭头表示)，这与此次地质灾害中出现的挤压爆裂情况相一致。该剖面位于测线310～340 m处出现低阻异常，且延伸至地表，电阻率范围为3～10 Ω·m，推测与构造相关。

4.2 地质灾害原因推测

本次探测到的低阻异常处电阻率最小值小于0.1 Ω·m，结合矿区实际情况，矿区采用水溶法开采，在开采过程中可能存在卤水泄露问题，且因卤水是良导体，其电阻率极低，推断低阻异常区可能是深部卤水通过构造、裂隙运移至浅部形成的含卤水带。加之矿区下部地层泥岩广泛存在，含卤水的泥岩构成软弱带，导致地面沉降发生，矿区表面地层逐年沉降，在沉降持续发生的时候导致上部地层应力失稳、岩层破裂，地表发生震动，或产生裂缝[13～16]。