超高密度电阻率法在隐伏断层探测中的应用

引用本文

李俊杰, 何建设, 严家斌, 荣鑫, 李阳. 超高密度电阻率法在隐伏断层探测中的应用[J]. 物探与化探, 2016,40(3): 624-628.
LI Jun-Jie, HE Jian-She, YAN Jia-Bin, RONG Xin, LI Yang. The application of ultra-high density resistivity method to the detection of buried fault[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(3): 624-628.
Doi:10.11720/wtyht.2016.3.28 复制到剪切板

Permissions

《物探与化探》编辑部所有

超高密度电阻率法在隐伏断层探测中的应用

李俊杰¹, 何建设¹, 严家斌², 荣鑫¹, 李阳¹

1. 浙江省水利水电勘测设计院,浙江杭州 310002

2. 中南大学地球科学与信息物理学院有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室,湖南长沙 410083

作者简介: 李俊杰(1989-),男,硕士,助理工程师,从事地球物理电磁法正演及工程物探方法研究工作。E-mail:lijunjiecsu@163.com

收稿日期: 2015-10-15

基金: 国家自然科学基金项目(40874055); 湖南省自然科学基金资助项目(14JJ2012)

摘要

将超高密度电阻率法用于某水库坝址区隐伏断层探测。介绍了测区地质及测线布置情况,采用汉克尔变换方法模拟了层状介质模型视电阻率响应,通过反演计算结合地质钻孔资料,确定了基岩埋深及区域断层的走向。断层破碎带在电阻率剖面中呈现明显斜立条带状低阻异常,其产状与地质及钻孔资料一致,验证了超高密度电法探测的有效性。

关键词: 超高密度电法; 水库; 隐伏断层; 汉克尔变换

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)03-0624-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.3.28

The application of ultra-high density resistivity method to the detection of buried fault

LI Jun-Jie¹, HE Jian-She¹, YAN Jia-Bin², RONG Xin¹, LI Yang¹

1. Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hangzhou 310002, China

2. Key Laboratory of Non-ferrous Resources and Geological Hazard Detection, School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China

Abstract

This paper deals with the application of ultra-high density resistivity method to the detection of buried fault in the dam area of a reservoir, and describes geological situation of the survey area and the layout of surveying line as well as the detection mechanism of the method. On such a basis, apparent resistivity response of layered medium models is simulated by Hankel transform method. Based on inversion calculation combined with the geological drilling data, the buried depth of bedrock and the trend of regional fault are determined.The fault fracture zone presents obvious vein-like low resistivity anomalies in the middle of resistivity sections, which is consistent with the geological and drill hole data, thus verifying the effectiveness of the ultra-high density resistivity method.

Keyword: ultra-high density resistivity method; reservoir; buried fault; Hankel transform

Show Figures

某水库位于楠溪江上游大源溪上, 地属温州市永嘉县, 坝址以上集水面积311.9 km², 水库正常蓄水位170 m, 总库容3.63亿m³。区域地质资料显示坝址区存在区域隐伏断层, 断层的出露位置、规模大小、产状特性对拟建大坝的选型与处理方案起关键控制作用。常用隐伏断层探测方法主要有高密度电法 $\begin{matrix} ^{[13]} \end{matrix}$ 及地震波法 $\begin{matrix} ^{[45]} \end{matrix}$ 。超高密度电法 $\begin{matrix} ^{[68]} \end{matrix}$ 是近年来新兴的一种电阻率探测方法, 其采集过程融合了常用经典装置类型, 可采集测量剖面电极间所有可能组合的电位信息, 数据量为常规高密度电法的几十倍, 反演成果准确性较高。将该方法用于坝址区隐伏断层的探测, 取得了较好的效果。

1 测区地质地球物理特征

坝址位于峡谷中, 河谷呈“ U” 字形, 河床宽度约120 m, 两岸地形左缓右陡, 左岸坡度30° ~35° , 植被茂盛, 右岸坡度40° ~45° 。坝址区基岩为角砾凝灰岩, 覆盖层山坡为第四系全新统残坡积含碎石粉质黏土层, 河床为冲洪积砂砾卵石层, F₂区域性断层近乎顺河向穿越坝址区(图1)。

测区钻孔揭露的地层自上而下依次为覆盖层、风化基岩、新鲜基岩。新鲜基岩在电阻率断面图中呈现高阻特性, 风化基岩电阻率稍低, 断层破碎带低阻区与在断面图中呈带状分布, 破碎带与周围完整基岩的过渡带易呈现高梯度电阻率变化特征。覆盖层电阻率与其含水量密切相关, 含水量低时电阻率高, 反之则低。测区地层之间电阻率存在一定差异, 具备超高密度电法开展的地球物理前提。

本次探测采用多通道、全波形超高密度直流电法装置, 共布置测线3条(图1), 每条剖面使用64个电极, 电极间距为3 m, 装置系统选用超高密度全四极装置及温纳装置。

	Figure Option View Download New Window
	图1 坝址区超高密度电法测线布置

2 电阻率测深曲线

超高密度电法数据采集过程自动将每个排列的64个电极分为奇数组32个(1、3、5、…、61、63)和偶数组32个(2、4、6、…、62、64), 在两组电极中各选取一个作为供电电极A和B, 一次通电过程同时测量其他电极相对于某一电极M的电位差(如图2所示), 就可得到61个电位差(Δ $\begin{matrix} u_{M N_{1}} \end{matrix}$ 、Δ $\begin{matrix} u_{M N_{2}} \end{matrix}$ 、Δ $\begin{matrix} u_{M N_{3}} \end{matrix}$ 、…、Δ $\begin{matrix} u_{M N_{60}} \end{matrix}$ 、Δ $\begin{matrix} u_{M N_{61}} \end{matrix}$ )数据。

	Figure Option View Download New Window
	图2 超高密度电阻率法测量电极布置

利用公式ρ _s=KΔ u_MN/I即可求得地表视电阻率值, K为装置系数, I为供电电流。根据视电阻率特征可大致了解地下电性结构分布, 将野外实际采集的电位值转换为视电阻率值, 利用最小二乘反演求得地下介质的真实电阻率, 结合钻孔地质资料可反推地下地质结构分布特征。

为直观表现视电阻率参数的意义, 计算了如图3所示的层状介质模型。层状介质模型电阻率测深法曲线的解析表达式为^[9]:

$\begin{matrix} \{\begin{matrix} ρ_{s} (r) = r^{2} \int_{0}^{\infty} λ T_{1} (λ) J_{1} (rλ) dλ, r > 0 \\ T_{n - 1} (λ) = ρ_{n - 1} \frac{ρ_{n - 1} (1 - e^{- 2 λ h_{n - 1}}) + ρ_{n} (1 + e^{- 2 λ h_{n - 1}})}{ρ_{n - 1} (1 + e^{- 2 λ h_{n - 1}}) + ρ_{n} (1 - e^{- 2 λ h_{n - 1}})} \\ T_{i} (λ) = ρ_{i} \frac{ρ_{i} (1 - e^{- 2 λ h_{i}}) + T_{i + 1} (λ) (1 + e^{- 2 λ h_{i}})}{ρ_{i} (1 + e^{- 2 λ h_{i}}) + T_{i + 1} (λ) (1 - e^{- 2 λ h_{i}})} \\ T_{n} (λ) = ρ_{n} \end{matrix} (1) \end{matrix}$

式中:r为AB/2; T_i(λ )为电阻率转换函数; J₁(rλ )为Bessel函数, 具有高振荡慢衰减特性。常规积分方法计算式(1)精度较低, 笔者采用汉克尔变换^[10]求解。

	Figure Option View Download New Window
	图3 层状介质模型

图4给出了层状介质模型的电阻率测深曲线, 可见5种汉克尔变换方法 $\begin{matrix} ^{[1115]} \end{matrix}$ 计算结果一致。如图4a所示, 电测深曲线在r< 30 m的范围视电阻率为第一层真实电阻率100 Ω · m, 随着r的增大, 电阻率值逐渐减小并向第二层电阻率值过渡, 当r增大到 1 000 m时曲线电阻率趋于第二层电阻率10 Ω · m, 且r进一步增大, 曲线形态不再变化, 为典型的D型测深曲线。如图4b所示, 电测深曲线呈先减小后增大的趋势, 曲线首支接近第一层电阻率100 Ω · m, 尾支接近第三层电阻率50 Ω · m, 中间层电阻率最小为20 Ω · m, 为H型测深曲线, 数值计算真实地反映了地下电性结构分布。

	Figure Option View Download New Window
	图4 不同计算方法得到的层状介质模型电阻率测深曲线

3 数据处理与解释

超高密度电法数据处理流程与常规高密度电法类似, 主要包括不良测点剔除、最小二乘反演及数据结果成图, 其中温纳装置数据可采用瑞典RES2DINV软件处理, 全四极装置数据需采用其特有的ZZRESINV程序反演。

3.1 测线1-1'

覆盖层与下伏基岩的分界面如图5a所示, 覆盖层厚度约7~16 m, 其电阻率普遍低于500 Ω · m。里程20~60 m与里程80~140 m表面部分存在局部高阻区, 均为测量时电极处接地电阻较大所致, 前者对应碎石土, 后者对应于松散的土壤。

	Figure Option '>View Download New Window
'>	图5 测线1-1'电阻率断面

里程60 m~80 m位置存在一倾斜带状低阻区, 其电阻率小于1 000 Ω · m, 倾向山里(图1), 倾角约73° , 对应于F₂断层带, 宽度约4.4 m; 断层两侧均为电阻率大于2 500 Ω · m的相对高阻区, 对应于较完整的基岩。钻孔ZK307投影于测线位置约里程125 m处(见图1), 揭露的覆盖层厚度为15.4 m, 与绘制的基岩面深度基本一致。

图5b为高密度电法数据结果, 断面图显示其断层位于桩号96 m附近, 与地质推测的断层走向存在一定偏差, 且断层宽度不易确定, 间接显现了超高密度电法在陡立型隐伏断层探测中的优势。

3.2 测线2-2'

覆盖层与下伏基岩的分界面如图6所示, 覆盖层厚度约8.4~19 m, 其电阻率变化范围较大, 且表部电阻率普遍偏高, 在斜距大于93 m的区段尤为明显, 与测线1-1'相同, 该线表部高阻区的产生源自于不良的接地条件。

	Figure Option '>View Download New Window
'>	图6 测线2-2'电阻率断面

分界面以下存在左右两块较大范围的高阻区域, 其电阻率大于2 000 Ω · m, 对应于较完整的基岩, 高阻区之间斜距87~93 m位置电阻率显著减小, 低阻区呈条带状倾斜, 倾向山里(图1), 倾角约79° , 断层破碎带宽约4.1 m。由于野外工作时前半段测线布设不便, 存在一定弯曲, 电位测量时测线中部附近的测点实际上会向测线末端少量偏移, 电阻率断面图上反映的高倾角低阻带即为ZK303所揭露的F₂断层。

3.3 测线3-3'

覆盖层与下伏基岩的分界面如图7所示。此剖面接地条件较好, 基岩埋深相对较深, 电阻率较高, 最大超过10 000 Ω · m, 基岩完整性较好。覆盖层厚度约9~22 m, 沿河流方向厚度逐渐减小, 地表5 m以下覆盖层对应电阻率普遍较低, 基本小于1 000 Ω · m, 此范围覆盖层的含水率较高。在斜距99~105.5 m位置, 低阻区向下延伸至基岩, 呈斜条带状, 倾向河流上游(见图1), 倾角约82° , 与测线1-1'及测线2-2'倾角接近, 推测为F₂断层的延伸, 断层宽约4.5 m。

	Figure Option '>View Download New Window
'>	图7 测线3-3'电阻率断面

4 结论

采用5种汉克尔变换方法计算了层状介质视电阻率响应, 分析了视电阻率曲线特性。通过对测区超高密度电法剖面的分析, 确定了覆盖层与基岩的分界线, 探明了隐伏断层埋深及其产状特性, 断层在电阻率断面图中呈低阻带状分布, 低阻带倾向、倾角与地质资料一致。超高密度电阻率法在高倾角浅埋深的隐伏断层探测中较常规高密度电法精度高, 且还能兼顾高密度电法数据信息, 可提高解释精度, 是值得探究的勘探方法。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

View Option

[1]	朱瑞, 潘纪顺, 任云峰, 等. 高密度电法在水库坝址区勘察中的应用[J]. CT理论与应用研究, 2015, 24(1): 21-28. [本文引用:1]
[2]	王宗文. 高密度电法在某边坡岩土工程勘察中实测成果分析[J]. 勘察科学技术, 2013(4): 55-57. [本文引用:1]
[3]	熊华山, 柏长卫, 王赐鸿. 高密度电阻率法中负电位差的产生原因及其可利用性[J]. 物探与化探, 2016, 40(1): 83-87. [本文引用:1]
[4]	何正勤, 陈宇坤, 叶太兰, 等. 浅层地震勘探在沿海地区隐伏断层探测中的应用[J]. 地震地质, 2007, 29(2): 363-372. [本文引用:1]
[5]	顾勤平, 许汉刚, 赵启光. 厚覆盖层地区隐伏活断层探测的地震方法技术——以桥北镇宿迁断层为例[J]. 物探与化探, 2015, 39(2): 408-415. [本文引用:1]
[6]	Zhe J P, Greenhalgh S, Marescot L. Multichannel, full waveform and flexible electrode combination resistivity-imaging system[J]. Geophysics, 72(2): 57-64. [本文引用:1]
[7]	冯德山, 王鹏飞, 杨炳坤. 超高密度电法有限单元法正演与广义最小二乘反演[J]. 中国有色金属学报, 2014, 24(3): 793-800. [本文引用:1]
[8]	胡树林, 陈烜, 帅恩华. 超高密度电阻率法在岩溶及破碎带探测中的应用[J]. 物探与化探, 2011, 35(6): 821-824. [本文引用:1]
[9]	刘国兴. 电法勘探原理与方法[M]. 北京: 地质出版社, 2008: 50-51. [本文引用:1]
[10]	李俊杰, 严家斌. 汉克尔变换精度分析及在电磁法探测中的应用[J]. 物探化探计算技术, 2013, 35(3): 288-292. [本文引用:1]
[11]	Anderson W L. Computer program numerical integration of related hankel transforms of orders 0 and 1 by adaptive digital filtering[J]. Geophysics, 1979 , 44(7): 1287-1305. [本文引用:1]
[12]	Anderson W L. Fast Hankel transforms using related and lagged convolutions[J]. ACM Transactions on Mathematical Software, 1982, 8(4): 344-368. [本文引用:1]
[13]	Anderson W L. A hybrid fast Hankel transform algorithm for electromagnetic modeling[J]. Geophysics, 1989 , 54(2): 263-266. [本文引用:1]
[14]	Guptasarma D, Singh B. New digital linear filters for Hankel J0 and J1 transforms[J]. Geophysical Prospecting, 1997, 45(5): 745-762. [本文引用:1]
[15]	朴化荣. 电磁测深法原理[M]. 北京: 地质出版社, 1995: 112-114. [本文引用:1]