高密度電法在城市基礎地質調查中的應用

陳實 李延清 李同賀

摘 ? 要：城市基礎地質調查工作的主要內容是查明城市發展區及規劃區內的基礎地質條件、隱伏地質構造及可利用地質資源。目前，高密度電法已在工程物探領域取得了成效顯著的調查成果，本文將此方法推廣應用在烏魯木齊城市基礎地質調查工作中，查明了工作區內隱伏活動斷裂的位置及性質，有效識別出地層中的含水構造，圈定了煤礦采空區的埋深及空間展布形態，為后續城市地質調查工作提供有效的基礎地質數據。

關鍵詞：高密度電法;城市基礎地質調查;隱伏活動斷裂;煤礦采空區

近年來，多個城市頻繁發生地面沉降塌陷、砂土液化、建筑物傾斜及地下建筑透水事故，這些事故的發生都與城市基礎地質條件有密切關系。為保障城市發展區人員及建筑物安全，在城市建筑規劃設計時合理避開隱伏不良地質體，需全面開展城市基礎地質調查工作。

城市基礎地質調查工作通過地下調查與地面調查相結合的方式，調查地層、活動構造及不良地質體的地質參數，為第四紀研究、區域穩定性評價和地基穩定性評價提供基礎數據。高密度電法在諸多工程地質調查領域取得了良好的應用效果[1]，美國學者Loke M H博士系統總結了高密度電法在各國各地區的工程勘查成果[2]。羅登貴等運用數值模擬方法計算了活動斷層在不同高密度電法采集裝置中的響應特征并進行了實際應用[3];祁民等將高密度電法技術應用于山西陽泉某采空區勘查工作中，高精度預測了復雜采空區的空間形態[4];陳松等將高密度電法作為防城港地區水文地質調查中的主要物探工作手段，較準確地獲取區內地下水含水層的埋深、厚度、空間展布形態[5]。

通過分析大量的烏魯木齊城市地質資料，認為活動斷裂及煤礦采空區為烏魯木齊城區內主要不良地質構造，可誘發多種形式的城市基礎地質災害。對于烏魯木齊市范圍內的斷裂構造，前人已做過很多研究和勘探工作，其中部分斷裂屬隱伏活動斷裂，使得確定其位置成為工作難點[6-8]。同時，隨著城市的不斷擴張，六道灣煤礦也逐步被城市生活區及交通網包圍。在六道灣煤礦開采過程中，沿煤層采空區形成了條帶狀地面塌陷，近年來有關單位對塌陷坑進行了回填治理。由于地處烏魯木齊市中心城區，查清煤礦塌陷區的采空情況，對區內地質環境評價及未來城市發展具重要意義。因此，應用地球物理勘探手段準確探測活動斷裂的位置及采空區影響范圍成為烏魯木齊市城市基礎地質調查的關鍵性工作。

本文在地面地質調查難以開展工作的區域，開展了高密度電法剖面的測量工作。通過多條剖面的物探測量工作，完成了復雜城市條件下的地層巖性及構造識別工作，評價了斷層兩側地下水資源分布狀態，并劃分了六道灣地區地下煤礦采空區的空間展布形態，為后續烏魯木齊城市基礎地質調查評價工作提供了重要的基礎數據。

1 ?高密度電法探測活動斷裂

及采空區的原理

1.1 ?高密度電法的基本原理

高密度電阻率法（又稱電阻率層析成像法，以下簡稱高密度電法）的基本理論與傳統的電阻率法完全相同，是以探測地下目標體與圍巖之間的導電性差異為基礎的一種地球物理勘探方法。工作時，將很多電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉換器的控制，實現電阻率法中不同裝置、不同極距的自動組合，從而一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下多種參數的方法。對取得的多種參數經相應程序的處理和自動反演成像，可快速、準確地給出所測地電斷面的地質解釋圖件，從而提高了電阻率方法的工作效率[9]。在實際工作中，測點的視電阻率值計算公式為：

ρs=K[ΔUI…………………]（1）

式中，[ΔU]為測量電極之間的電位差（單位：mV），I為供電電流（單位：mA），K為裝置系數。

高密度電法獲取的電阻率剖面由于淺部異常被“放大”，不能準確反映深部異常體的位置，需要進行二維反演計算。本次工作使用基于圓滑約束的最小二乘法，方法基于以下方程：

（JT+μF）d=JTg [………………]（2）

式中，J為偏導數矩陣，JT為J的轉置矩陣，μ為阻尼系數，d為模型參數修改矢量，g為殘差矢量，F=fxfx1+fzfz1，fx為水平平滑濾波因子，fz為垂直平滑濾波因子。

反演計算采用基于平滑約束的最小二乘法，這種方法的優點是平面過濾器和阻尼系數能隨著數據類型而自動調整。最優化方法主要是通過調整模型單元體的電阻率值來減小實測視電阻率值與正演計算視電阻率值之間的差異，這種差異的大小用均方根誤差來衡量。從地質條件來說，最小均方差值時的模型并不一定符合實際地質情況。一般情況下可選取迭代后均方誤差不再明顯變化時的模型做地質解釋，通常3～5次迭代計算后，均方差就不再明顯變化（圖1）[10]。

1.2 ?活動斷裂及采空區地球物理響應特征

斷層內巖石破碎、沉積物填充等因素，其與圍巖具明顯的電性差異，若斷層內充水則表現為低阻條帶，否則表現為高阻條帶。因此在電阻率斷面圖上等值線連續變化或突然彎曲的梯度帶可判斷為斷層。其中，斷層明顯穿過了第四系可作為推斷斷層活動時間的依據[11]。

煤礦采空區由淺至深可分為彎曲帶、斷落帶及垮落帶。通常情況下，煤礦采空區受地下含水層和圍巖塌陷的影響，產生兩類賦存狀態：充填采空區和未充填采空區。充填采空區是指采空區底板位于地下水位線以下，上部頂板跨落或內部充填有淤泥粘土等沉積物，因充填物比圍巖松散、潮濕而呈中阻或相對低阻特征，此時在電阻率斷面圖中表現為中低阻圈閉;未充填采空區是指底板位于地下水位線以上，內部為空洞未充水，表現為高阻圈閉[12]。因此采空區與圍巖之間存在明顯電性差異，根據采煤地區的地質構造，電阻率法可有效識別煤礦采空區的賦存特征。

2 ?工作區概況

調查區位于烏魯木齊市東南部，位于天山興蒙地層大區，北疆地層區，南準噶爾北天山地層分區 ? （圖2）。區內出露上古生界、中生界和新生界，上古生界主要以二疊系為主，中生界發育三疊系、侏羅系，新生界遍及全區;在大地構造上，調查區屬于天山-興蒙造山系，準噶爾-吐哈地塊之準噶爾地塊南緣與博格達裂谷帶過渡地區，以烏魯木齊山前坳陷四級構造單元為主，次一級褶皺、斷裂十分發育，復雜多樣，對該區各類突發性地質災害的空間分布和發育產生影響。同時，這些斷裂對煤礦煤系地層構造和埋藏深度有控制作用。

區內侏羅系分布最廣，巖相為一套河湖相泥巖沼澤沉積，包括下侏羅統三工河組，中侏羅統西山窯組和頭屯河組，其中西山窯組為主要含煤地層。侏羅系西山窯組主要由砂巖、泥質砂巖及泥巖組成，呈條帶狀，地層厚達746.16 m，含可采煤層33層。因此，區內采空區分布范圍較廣，引起塌陷的陷落帶位置不明，對區內工程建筑安全產生極大威脅。工作區地質調查結果表明，區內地層分層明顯，各地層透水性不同，地層間存在電性差異，斷層破碎帶巖石較破碎，地下水易下滲，導致電阻率較低，與圍巖間存在明顯的電性差異。在本項目中，各地層結構及采空區之間存在較明顯的電性差異，具備采用電阻率法探測地質體的地球物理前提。

3 ?應用成果

3.1 ?復雜地質條件綜合勘察

WT1剖面位于烏魯木齊市蘆草溝，剖面總長4.2 km，采集道數120道，道間距10 m，溫納裝置，測線范圍內地形起伏較大，地質條件較復雜，剖面需要重點查明地層巖性、地質構造參數及地層含水特征等。該處屬于山前洪積扇地貌，地表為次生黃土，下部為沖洪積卵礫石層沉積。總體地勢南高北低，北側位于蘆草溝內部，向南地勢逐漸升高并靠近山體，部分地區侏羅系基巖已經出露地表。

圖3所示為WT1線電阻率等值線斷面圖，電阻率水平向具有很好的成層特征。結合已知周邊地層分布特征推斷剖面中的高阻條帶（大于100 Ω·m）為第四系卵礫石層，主要分布在測線北側。低阻條帶（小于100 Ω·m）為侏羅系基巖，2 100～3 000 m、高程550～750 m段層內電阻率小于15 Ω·m，推斷此處地層含水量較高，為斷層控制的儲水構造（表1）。

在測線150～225 m處，電阻率等值線出現明顯尖滅，具有一定范圍的梯度帶，推斷為碗窯溝斷裂帶，為逆沖性質的正斷層，其中顯示斷層已錯斷上覆第四系，認定為晚更新世活動斷層。定量分析可知，碗窯溝斷裂帶斷面北傾，傾角約為70°，斷層寬度約70 m。

在1 850～2 100 m附近，剖面北側地層電阻率由淺至深逐漸減小，南側地層電阻率變化規律則相反，圖中該處的電阻率等值線突然向上彎曲呈梯度變化，推斷此區域發育有構造運動較強烈的斷層。分析可知，此斷層為逆沖性質的正斷層，斷面北傾，傾角約為80°，斷層構造活動形成的破碎帶范圍較大，約200 m，斷層上盤為侏羅系泥砂巖，斷層下盤為沖積卵礫石層。

經后期地面地質調查的異常查證工作，在測線180 m及1 880 m附近，可見有斷層活動產生的陡坡、地面抬升等地質遺跡，驗證了碗窯溝斷層及另一正斷層的真實存在。

3.2 ?雅瑪里克山斷裂帶

WT2剖面位于烏魯木齊市八道灣雪蓮山北側，剖面總長1.8 km，采集道數120道，道間距10 m，溫納裝置，重點查明測線范圍內雅瑪里克山斷裂的位置、斷層寬度及地層結構。

該處屬于山前洪積扇地貌，地表為黃土沉積，下部為沖洪積卵礫石層沉積。總體地勢平坦，未見有高壓線、管道等干擾因素。測線中段有水系發育，為本區域的主要灌溉用水來源。

從圖4的探測結果可知，該剖面整體表現為表層高阻深部低阻，反映出本區的沉積地層電性特征，推測紅色調的高阻區為第四系礫石層，藍色調的低值區應該為含水侏羅系砂巖、泥巖，地層穩定性及連續性較高。局部電阻率等值線變化范圍較大，存在高阻或低阻圈閉，推斷高阻圈閉為斷層活動造成巖石破碎，低阻圈閉為地下含水空洞。

在1 000～1 100 m之間，電阻率等值線出現明顯的斜向高阻條帶，條帶形態較為規則且向下延伸，推斷此高阻條帶為雅瑪里克山斷裂，圖中反映的斷層與上覆第四系地層的錯斷關系不明，尚需進一步物探測量工作。定量分析可知，斷層總體向南傾斜，傾角約為80°，斷距較小具走滑運動性質，斷層的構造破碎帶寬度較寬，約100 m。探測結果與以往地質資料及地面地質調查結果相符。

3.3 ?采空區

WT3剖面位于烏魯木齊市水磨溝區六道灣，布設2條平行剖面，剖面間距600 m，剖面總長2.4 km，采集道數120道，道間距5 m，溫納裝置，重點查明采空區的位置、充填狀況及地面塌陷范圍。

根據地質資料，測區主要分布4個地質單元：第四系覆蓋區、煤層、煤田采空區、侏羅系基巖。第四系覆蓋中及回填土中因含泥和水而整體表現為低阻，含煤地層為中高阻特征，侏羅系基巖（泥巖、砂巖）為中低阻特征。因為測區內地下水位線較深，采空及塌陷區內巖體裂隙發育，空隙內無水，故采空區表現為高阻圈閉特征。

兩條測線的二維反演電阻率剖面如圖5所示，兩條測點地電結構特征基本相同，地面至深度20 m范圍內為第四系覆蓋層，向北第四系逐漸變厚， ? ?20 m深度以下為含煤侏羅系基巖組成。淺部在兩條剖面的中部，均出現南傾的中高阻異常條帶，推測為含煤地層，傾角約為35°～40°，走向約75°～80°，該產狀與地層的產狀基本一致。在高阻條帶的兩端各有一個電阻率大于100 Ω·m的高阻圈閉，推測為采空及塌陷區，各條測線中的采空區物探異常解釋見表2。

對比兩條測線中采空區的異常特征及深度范圍，推測C1與D1屬同一煤礦采空區，巷道基本處于同一水平面，巷道走向75°;C2與D2屬同一煤礦采空區，巷道延西南方向深度逐漸增大，巷道走向80°;同時，兩個采空區所形成的塌陷區有互相連通的趨勢。WT3線高密度電法解釋資料較為精確的反映出地下采空區的位置及形態特征，方法有效性達到了預期的城市地質調查目的與要求。根據調查資料，本區附近的煤礦均已關停，為確保安全仍需持續監測采空區的塌陷情況。

4 ?結論

（1） 城市范圍內的隱伏活動斷層難以通過地面調查確定其位置及其產狀，高密度電法可依據斷層與圍巖的電性差異有效識別出斷層的基本形態及其性質。一般情況下斷層在電阻率斷面圖中會表現為等值線突然升高（降低）或者突然尖滅的異常條帶，再結合地質資料定量解釋斷層的地質參數，并可根據斷層是否穿過第四系判斷斷層的活動時間。

（2） 煤田采空區可引起地面變形、塌陷等地質災害，會對地面交通設施及建筑物安全產生嚴重威脅。因此，在城市基礎地質調查中，需要準確定位采空區及其塌陷帶的影響范圍。本文針對六道灣煤礦采空區應用高密度電法進行探測，結果表明180 m以上的煤礦采空區可反映在電阻率斷面圖中，采空區的異常形態反映為低（高）阻圈閉，采空區的電阻率特征與其內的充填物和圍巖含水率密切相關。結合地質資料及采空區模型正演結果并可開展定量解釋。如果高密度電法的測線間距進一步加密，則可建立測區地下高精度的三維電性異常結構模型。

（3） 結合文中的探測實例，高密度電法可有效運用于城市基礎地質勘查中的斷層識別、地層與基巖底界面劃分、地層劃分、采空區與巖溶地質災害調查等領域。但該技術也存在探測深度有限的問題，以及城市地電噪聲干擾問題，建議今后加大數據采集量及相關正反演方法技術研究，提高探測效果。

致謝：感謝新疆地質調查院物探分隊的數據采集工作支持和各位審稿專家對本文提出的寶貴意見和建議。

參考文獻

[1] ? ?董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用[J].地學前緣，2003，10（1）：171-176.

[2] ? Loke M H，Chambers J，Rucker D F.Recent developments in the direct-current geoelectrical imaging method[J].JOURNAL OF APPLIED GEOPHYSICS，2013，95：135-156.

[3] ? 羅登貴，劉江平，王京，等.活動斷層高密度電法響應特征與應用研究[J].地球物理學進展，2014，（4）：1920-1925.

[4] ? 祁民，張寶林，梁光河，等.高分辨率預測地下復雜采空區的空間分布特征——高密度電法在山西陽泉某復雜采空區中的初步應用研究[J].地球物理學進展，2006，（1）：256-262.

[5] ? 陳松，余紹文，劉懷慶，等.高密度電法在水文地質調查中的應用研究——以江平圩幅為例[J].地球物理學進展，2017，（2）：849-855.

[6] ? 葛鳴，趙純青，吳傳勇，等.淺層地震探測方法在烏魯木齊碗窯溝斷裂紅光山南側探測應用[J].內陸地震， 2015，（1）：59-64.

[7] ? 羅福忠，柏美祥，馬新龍.烏魯木齊市2條隱伏活動斷裂分布與活動性及其對建（構）筑物的影響[J].內陸地震，2000，（1）：38-45.

[8] ? 譚明，吳傳勇，劉景元.高密度電法在烏魯木齊市活斷層項目中的應用實例[J].內陸地震，2008，（2）：135-142.

[9] ? 蔡斌.高密度電法模型研究與工程應用[D].吉林大學，2011.

[10] 于文福.高密度電阻率法正、反演模擬及其應用[D].成都理工大學，2011.

[11] 易兵，曾昭發，薛建，等.地球物理方法對城市活斷層的探測與研究[J].地球物理學進展，2008，（2）：599-604.

[12] 楊鏡明，魏周政，高曉偉.高密度電阻率法和瞬變電磁法在煤田采空區勘查及注漿檢測中的應用[J].地球物理學進展，2014，（1）：362-369.

Abstract：The main content of the urban basic geological survey is to find out the basic geological conditions in the urban development area and the planning area，the concealed geological structure and the available geological resources.At present，the high-density resistivity method has made remarkable achievements in the field of engineering geophysical prospecting.In this paper，this method is popularized and applied in the basic geological survey of Urumqi city.The location and character of hidden active faults in the working area are found out in detail and the water bearing structure in strata is identificated effectively.Also，the buried depth and spatial distribution form of the coal goaf are delineation. These provide effective basic geological data for subsequent urban geological survey.

Key Words：High density resistivity method;Urban basic geological survey;Concealed active fault;Coal goaf