低阻沉積巖區(qū)地表裂縫識(shí)別

王榭，楊曉林

吉林省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春 130000

0 引言

地表裂縫對(duì)建筑建設(shè)施工過(guò)程當(dāng)中是比較大的隱患，尤其是在沉積巖區(qū)地表，一方面因?yàn)樯澳鄮r巖性較脆，另一方面在砂泥巖互層的地層中裂縫延伸的終點(diǎn)并不明確[1]，所以在沉積巖區(qū)開展地面工程施工的過(guò)程中，對(duì)地表出現(xiàn)的裂縫應(yīng)予以足夠的重視。

本文以在吉林省延邊州和龍市所開展的一處建筑項(xiàng)目開展過(guò)程中所出現(xiàn)的地表裂縫勘探為例，進(jìn)一步探討在該類粒級(jí)較細(xì)的沉積巖地層中出現(xiàn)裂縫時(shí)，開展地球物理勘探工作所要注意的一些要點(diǎn)與相應(yīng)特殊情況的討論。

考慮到裂縫所處地層物性與裂縫自身物性有所區(qū)別，故而對(duì)該實(shí)例中出現(xiàn)的地表裂縫的識(shí)別可以采用高密度電阻率法對(duì)地下電阻率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合數(shù)據(jù)反演結(jié)果來(lái)對(duì)裂縫的傾角與延伸情況進(jìn)行直觀的識(shí)別[2-3]。

1 地質(zhì)概況

出現(xiàn)地表裂隙的工作區(qū)所處位置地貌相對(duì)較為平坦，海拔高度為515～517 m。工作區(qū)內(nèi)主要為沉積條件形成的地層，巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主。在表層有第四紀(jì)風(fēng)化物覆蓋，并有部分區(qū)域在農(nóng)田地內(nèi)，在工區(qū)地表多處有砂石回填與硬化路面。因?yàn)楣^(qū)范圍較小，地質(zhì)情況相對(duì)單一。

1.1 地層概況

工區(qū)主要地層為白堊系下統(tǒng)大拉子組。該套地層為一套陸相碎屑沉積巖系，根據(jù)沉積旋回特征與古生物特征劃分為上下兩段，上段為紅色砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖、泥巖互層，下段以黃褐色礫巖、砂巖為主。

在該套地層中，由于砂泥巖互層情況的存在，使得地層在不同位置有不同的脆性表現(xiàn)，從而讓裂縫發(fā)育更傾向于在脆性較高的砂巖層中發(fā)育，而脆性較低的泥巖層則會(huì)一定程度的延緩甚至阻止裂縫的發(fā)育。

1.2 構(gòu)造概況

該工區(qū)的基礎(chǔ)構(gòu)造類型為一套盆地構(gòu)造，在盆地南端存在侏羅紀(jì)與中元古代花崗巖的斷層接觸，證明該盆地的形成過(guò)程中受到南北向擠壓的控制。

同時(shí)，在工區(qū)所在區(qū)域內(nèi)有一縱貫?zāi)媳钡拇髷嗔眩摂嗔褳槟媳弊呦颍蛭鲀A，傾角40°～50°，切割了白堊紀(jì)及白堊紀(jì)以前的地層及巖漿巖。沿?cái)嗔延型戆讏资来位鹕綆r侵入與脈巖填充，故而推斷該構(gòu)造對(duì)全區(qū)應(yīng)力分布有著基礎(chǔ)性的作用。

在之后的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，工區(qū)所在區(qū)域呈現(xiàn)強(qiáng)烈的抬升特點(diǎn)，本區(qū)自第三紀(jì)初期至末期，地殼一直處于緩慢上升狀態(tài)，正常沉積作用停止，缺失下第三紀(jì)地層，而第四紀(jì)下更新世玄武巖存在溢出現(xiàn)象，使得該區(qū)域沒(méi)有接受第四紀(jì)沉積，表現(xiàn)出新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的繼承性的特點(diǎn)。

2 工作方法

為了探明工區(qū)內(nèi)裂隙的展布情況，在對(duì)既有地質(zhì)概況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上只能大體上分析裂隙發(fā)育方向，但對(duì)裂隙的縱向延伸深度與裂隙在地下走向、傾向、傾角等信息無(wú)法直接觀測(cè)到，故而在這里需要采用地球物理方法進(jìn)行勘探。

由于利用地球物理方法對(duì)地下勘測(cè)的方法眾多，故而需要提前對(duì)工作區(qū)進(jìn)行踏勘，進(jìn)而選取合適的地球物理勘探方法。本次工作區(qū)內(nèi)裂隙在地表處可見(jiàn)寬度約為1 m，考慮到其為表層裂隙且處于較為疏松的沉積巖區(qū)，故而應(yīng)該選取分辨率較高的地球物理方法進(jìn)行勘探[4]。考慮到裂隙與周圍地層在電性上應(yīng)該存在差異，在此基礎(chǔ)上選取高密度電阻率剖面法進(jìn)行探測(cè)較為合適。

在確定了具體勘探方法之后，根據(jù)工作區(qū)內(nèi)裂隙的具體情況來(lái)制定具體施工計(jì)劃，對(duì)此工區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的裂隙進(jìn)行綜合研判后，確定以電極間距1 m，剖面間距10 m來(lái)開展高密度電阻率工作。工作過(guò)程中利用測(cè)繩對(duì)電極進(jìn)行嚴(yán)格的定位，從而確保采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量[5]。

3 資料處理及解釋推斷

3.1 資料處理

在確保所采集的電阻率數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)資料開展后期處理工作。

首先對(duì)資料中明顯有錯(cuò)漏的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，假如異常數(shù)據(jù)較多的剖面應(yīng)該進(jìn)行重新采集，而后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖分析。

如圖1，對(duì)工區(qū)7線原始數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖可以看出，該地區(qū)由于地層較為稀疏，加之連續(xù)陰雨導(dǎo)致地下含水量較高，表現(xiàn)在電阻率剖面上的即為斷面圖上出現(xiàn)大面積低阻區(qū)域，且可能存在淺層低阻屏蔽的情況，進(jìn)一步對(duì)最終結(jié)果的分析進(jìn)行了干擾。

圖1 7線視電阻率原始數(shù)據(jù)斷面圖

面對(duì)這種由于地層富含水分導(dǎo)致的電阻率較低的情況，就要從施工與數(shù)據(jù)處理兩方面入手予以解決：一方面在施工時(shí)要密切關(guān)注接地電阻，保證各個(gè)電極接地電阻大致相等，從而減小淺層低阻屏蔽對(duì)最終數(shù)據(jù)的影響；另一方面在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中要在對(duì)每一條剖面進(jìn)行反演的時(shí)候密切關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量，對(duì)誤差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采，并充分優(yōu)化反演過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)，以期達(dá)到最好的效果。

在此次工作中的反演階段，采用的是瑞典的二維高密度反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)反演計(jì)算，在最小二乘擬合反演的過(guò)程中通過(guò)不斷對(duì)比正演模型與反演數(shù)據(jù)體來(lái)不斷擬合，從而減小誤差，提升結(jié)果可信度。在參數(shù)控制方面，本次反演過(guò)程中使用最精細(xì)網(wǎng)格作為正演過(guò)程中的約束，并對(duì)每次擬合迭代都選擇重新完全的計(jì)算雅克比矩陣。

3.2 數(shù)據(jù)解譯推斷

通過(guò)對(duì)最終的反演電阻率斷面圖進(jìn)行分析，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)來(lái)對(duì)區(qū)域內(nèi)裂隙情況進(jìn)行綜合評(píng)判見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 1線二維反演視電阻率斷面圖

圖3 11線二維反演視電阻率斷面圖

首先，對(duì)工區(qū)兩端的1線與11線剖面進(jìn)行分析。

從圖中可見(jiàn)并無(wú)明顯的高阻或低阻條帶豎向向下延伸切割地層，且剖面內(nèi)各層具有較好的成層性，符合該地區(qū)在地質(zhì)上的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與泥巖互層沉積的沉積巖背景。11線剖面靠近地表的高阻層是由于現(xiàn)場(chǎng)31-60號(hào)電極處為硬化路面，表現(xiàn)在剖面上為成層性較好的高阻條帶，而10-31號(hào)電極處為渣土，材質(zhì)疏松且電阻率較高，同時(shí)由于推平后覆蓋厚度不一，表現(xiàn)在電阻率剖面上即為不規(guī)則顯示的高阻層。通過(guò)11號(hào)剖面可以從一個(gè)側(cè)面反映出，對(duì)表層的低阻或是高阻屏蔽而言，通過(guò)施工與數(shù)據(jù)處理兩方面手段雙管齊下之下仍是可以取得質(zhì)量較好的剖面數(shù)據(jù)。

從上述兩剖面可以看出，裂隙并未穿透工區(qū)所設(shè)置的兩邊，接下來(lái)就應(yīng)該對(duì)有裂隙電性顯示的剖面進(jìn)行分析，在此我們先對(duì)在地表有明確裂隙顯示的7線進(jìn)行分析見(jiàn)圖4。

圖4 7線二維反演視電阻率斷面圖

如圖4可見(jiàn)兩條明顯高阻條帶以一定角度向深部延伸，且其中F2所在位置的近地表處即為地面所觀測(cè)到的裂隙位置，據(jù)此可以對(duì)工區(qū)內(nèi)裂隙有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，即對(duì)工區(qū)內(nèi)測(cè)線，由于工區(qū)范圍較小，基礎(chǔ)地質(zhì)情況無(wú)太大變化，是以砂巖與泥質(zhì)粉砂巖為主的沉積地層。針對(duì)沉積地層在高密度電阻率法剖面上預(yù)期表現(xiàn)為由地表開始自上而下電阻率逐漸升高。這在工區(qū)內(nèi)所測(cè)的剖面的特征中也印證了上述猜想，即在大多數(shù)剖面中大體上為由淺層至深層電阻率表現(xiàn)為層狀逐漸升高。但由于工區(qū)所處范圍內(nèi)施工等因素影響，導(dǎo)致地面上會(huì)有外源性的石子沙土等物質(zhì)覆蓋，導(dǎo)致在一些剖面的近地表處出現(xiàn)較多的串珠狀高阻區(qū)域與高阻條帶。結(jié)合當(dāng)?shù)剡B綿陰雨導(dǎo)致地下富含水分，從而使地層因含水率增高而表現(xiàn)的相對(duì)低阻情況，對(duì)工區(qū)內(nèi)裂隙在電阻率斷面上的特征推測(cè)如下：裂隙在電阻率斷面圖中表現(xiàn)應(yīng)為相對(duì)高阻，形態(tài)上要與沉積地層的大致展布方向有所差異，且要在多條電阻率斷面上有所延續(xù)或是在地表有所出露來(lái)側(cè)面印證單條剖面中的判斷。據(jù)此，此次工作中在區(qū)域內(nèi)推斷有兩條可能的裂隙存在，分別為圖4中標(biāo)示出的F1，F(xiàn)2。

在此基礎(chǔ)上結(jié)合7線相鄰剖面上的異常高阻反映情況，即可以對(duì)區(qū)域內(nèi)裂隙的具體展布情況進(jìn)行判斷見(jiàn)圖5。

圖5 5-9線二維反演視電阻率斷面圖

如圖5 所示，綜合羅列出5線～9線的五條剖面，可以看出在7線有所顯示的兩條裂隙分別具以7線為基準(zhǔn)有向西(F1)和向東(F2)延伸的趨勢(shì)，且均未突破到相距20 m之外的5線和9線，而其他測(cè)線的電阻率反演斷面圖上均未出現(xiàn)與上述推斷的裂隙特征所吻合的電阻率異常。故而，綜合此次勘測(cè)中6、7、8三線高密度電阻率剖面當(dāng)中疑似裂縫的地下物性顯示推測(cè)，裂縫F1走向?yàn)榻鼥|西向，向北傾斜且傾角較小，深度范圍為地下1～7.5 m，寬度約2 m，裂隙見(jiàn)于第6、7號(hào)剖面故裂縫延伸應(yīng)控制于5～8號(hào)剖面之間30 m范圍內(nèi)；裂縫F2走向?yàn)榻鼥|西向，向北傾斜且傾角較小，深度范圍為地表至地下8 m左右，寬度約2 m，裂隙見(jiàn)于第7、8號(hào)剖面故裂縫延伸應(yīng)控制于6～9號(hào)剖面之間30 m范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過(guò)在本區(qū)域內(nèi)的實(shí)踐，說(shuō)明利用高密度電阻率法尋找淺表裂隙的工作方法是行之有效的，可以從在地表已發(fā)現(xiàn)的裂隙處所在剖面看出，高阻條帶與裂隙有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，利用已知地質(zhì)情況，推測(cè)物性情況，再利用相應(yīng)的物性情況反推未知處地質(zhì)情況，并在后續(xù)施工過(guò)程中加以驗(yàn)證的這一過(guò)程，形成了一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄糠绞健?/p>

對(duì)于在含水沉積巖地層區(qū)開展地面施工作業(yè)這一特定場(chǎng)景，可以抽象為在廣大的低阻含水地層之上特定位置有高阻區(qū)域上覆蓋。針對(duì)這一類問(wèn)題的處理不僅僅需要后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程當(dāng)中在反演過(guò)程中下功夫，在前期數(shù)據(jù)采集期間保證電極的接地電阻基本一致，不出現(xiàn)過(guò)高與過(guò)低阻值的電極也尤為重要。