滨海城市地质结构电阻率法三维模拟与应用

doi:10.11720/wtyht.2024.1344

滨海城市地质结构电阻率法三维模拟与应用

刘洪华^,¹^,², 张卉¹^,², 王汝杰¹^,², 于鹏^,¹^,²^,³, 秦升强¹^,², 李文宇⁴, 车荣祺⁴

1.自然资源部滨海城市地下空间地质安全重点实验室,山东青岛 266100

2.青岛地质工程勘察院(青岛地质勘查开发局),山东青岛 266100

3.自然资源要素耦合过程与效应重点实验室,北京 100055

4.中国矿业大学(徐州) 资源与地球科学学院,江苏徐州 221116

3D simulations of geological structures in coastal cities using a electrical resistivity method

LIU Hong-Hua^,¹^,², ZHANG Hui¹^,², WANG Ru-Jie¹^,², YU Peng^,¹^,²^,³, QIN Sheng-Qiang¹^,², LI Wen-Yu⁴, CHE Rong-Qi⁴

1. Key Laboratory of Geological Safety of Coastal Urban Underground Space, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266100, China

2. Qingdao Geo-Engineering Surveying Institute (Qingdao Geological Exploration Development Bureau), Qingdao 266100, China

3. Key Laboratory of Coupling Process and Effect of Natural Resources Elements,Beijing 100055, China

4. School of Resource and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China

通讯作者: 于鹏(1992-),男,中国海洋大学工科博士,主要从事地下工程、海洋岩土工程等领域的研究工作。Email:13210276328@163.com

第一作者: 刘洪华(1976-),男,正高级工程师,中国海洋大学博士,主要从事地质勘查、水工环地质和岩土工程方向研究工作。Email:liuhonghua567@163.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2023-08-11 修回日期: 2023-10-11

基金资助:

山东省地矿局科技攻关项目(KY202223)
自然资源要素耦合过程与效应重点实验室开放课题(2024KFKT017)

Received: 2023-08-11 Revised: 2023-10-11

摘要

在我国滨海城市地下工程建设中,精准定位断层、孤石及其他不良地质体是亟待解决的技术问题之一。基于滨海城市地质特点,针对高密度电阻率法开展了三维数值模拟研究,获得了覆盖层电性和厚度对高密度电阻率探测的影响结果,以及探测目标体大小和埋深发生变化时的直流电场特征。研究结果表明:覆盖层与探测目标的电阻率的差异大小是决定覆盖层影响的主要因素,对于低阻断层破碎带,覆盖层电阻率越高,破碎带的响应越突出。在中高阻覆盖条件下,孤石埋深越浅越容易获得揭露,尺寸越大其高阻特征越突出。在青岛市地铁5号线勘查中,高密度电阻率法在断裂破碎带和孤石探测中显示出关键作用,验证了方法的应用效果。研究成果可为滨海城市工程勘查方法选择和工作参数确定提供依据。

关键词： 高密度电阻率法; 数值模拟; 有限差分法; 孤石; 断层

Abstract

For the underground construction of coastal cities in China, there is an urgent need to accurately position unfavorable geobodies such as faults and boulders. Based on the geological characteristics of coastal cities, this study conducted 3D numerical simulations using a high-density resistivity method, determining the effects of the electrical properties and thickness of the overburden on the survey results, as well as the DC electric field characteristics varying with the sizes and burial depths of detection targets. The results show that the resistivity difference between the overburden and the targets serves as a critical factor in determining the influence of the overburden. For low-resistivity fracture zones, a higher resistivity of the overburden signifies more prominent responses from the fracture zone. Under middle- to high-resistivity overburden conditions, shallowly buried boulders can be easily found, and larger boulders exhibit more significant high-resistivity characteristics. In the exploration along the Qingdao metro line 5, the high-density resistivity method played a vital role in exploring fracture zones and boulders, verifying the effective application effects of the method. The results of this study provide a basis for selecting engineering exploration methods and determining operating parameters in coastal cities.

Keywords： high-density resistivity method; numerical simulation; finite-difference method; boulder; fault

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本文引用格式

刘洪华, 张卉, 王汝杰, 于鹏, 秦升强, 李文宇, 车荣祺. 滨海城市地质结构电阻率法三维模拟与应用[J]. 物探与化探, 2024, 48(4): 1037-1044 doi:10.11720/wtyht.2024.1344

LIU Hong-Hua, ZHANG Hui, WANG Ru-Jie, YU Peng, QIN Sheng-Qiang, LI Wen-Yu, CHE Rong-Qi. 3D simulations of geological structures in coastal cities using a electrical resistivity method[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(4): 1037-1044 doi:10.11720/wtyht.2024.1344

0 引言

在我国滨海城市地下工程建设中,断层、孤石及其他不良地质体是影响工程进展的重要因素。经多年地质勘查研究,工作区域中的大型断裂构造往往已得到揭露,次生断裂和破碎带成为新一轮工程勘查的重点。而对于花岗岩长期风化过程中形成的孤石,由于其形状、尺寸、埋藏及分布较为随机,使之成为勘查工作的难点^[1]。在这些问题揭露的过程中,钻探是最直观、可靠的方法,但受成本限制,钻孔间距极有可能远大于勘探目标尺寸,难以精确判定目标体的空间位置^[2]。断层、孤石与围岩间存在物性差异,为地球物理方法提供了应用的前提。多年来,许多种地球物理方法已经被用于工程地质勘查,产生了较好的应用效果^{[3⇓⇓⇓-7]}。每种地球物理方法对工作环境的适应性各异,为了实现精细探测目的,综合地球物理探测成为目前常用的技术手段^[8⇓-10]。由于地表覆盖层电性对许多地球物理方法的探测效果可产生影响,因此覆盖层因素也成为方法选择的依据之一^[11]。堤坝隐患探测和煤矿超前探测等理论研究表明,通过建立目标体模型,利用正反演手段获得探测目标体的直流电场特征,可以有效指导探测工作实践^[12⇓-14]。为此,针对滨海城市施工环境与地质特点,本文聚焦高密度电阻率法,开展了直流电场三维有限差分数值模拟研究;针对建立的不同地电模型,研究了覆盖层和孤石因素对高密度电阻率探测效果的影响,为青岛市地铁5号线地质构造探测方法选择提供了依据。

1 基础理论

直流电场满足的微分方程为^[15]:

(1)

\nabla \cdot [σ (r) \nabla U (r)] = - I \cdot δ (r - r_{A})

式(1)可以写成

(2)

\begin{array}{l} \frac{\partial}{\partial x} [σ (r) \frac{\partial U}{\partial x}] + \frac{\partial}{\partial y} [σ (r) \frac{\partial U}{\partial y}] + \frac{\partial}{\partial z} [σ (r) \frac{\partial U}{\partial z}] = f, \\ f = - I \cdot δ (r - r_{A}), \end{array}

式中:U为电位;f为点电流源;I为电流强度;σ为介质电导率;δ为狄拉克函数;r和r_A分别为场点和场源坐标。采用文献[15]中的模型剖分方法对目标体模型进行网格剖分,求解微分方程(式(2))获得模拟空间内任一点的电位,在数值模拟结果转化为视电阻率方面,高密度电阻率法采用对称四极公式。

2 数值模拟

根据滨海城市地质特点,建立正演模型如图1所示。该模型整体上为3层地层结构,模型中部区域存在断层破碎带和孤石。结合青岛市地铁五号线工程勘查成果,确定图1其他参数设置如表1所示。

图1

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图1 正演地电模型

Fig.1 Geoelectric model for numerical simulation

表1 模型参数

Table 1 Model parameters

序号	描述	参数	电阻率等参数数值
1	第一层介质,素填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、含淤泥粉细砂、中细砂	ρ₁	10、50、100、200、500 W×m
1	第一层介质,素填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、含淤泥粉细砂、中细砂	h₁	5、10、15、20 m
2	第二层介质,强风化花岗岩、强风化煌斑岩	ρ₂	300 W×m
2	第二层介质,强风化花岗岩、强风化煌斑岩	h₂	(30~h₁)m
3	第三层介质,中微风化花岗岩、中微风化煌斑岩	ρ₃	1000 W×m
3	第三层介质,中微风化花岗岩、中微风化煌斑岩	h₃	90 m
4	断裂	ρ_f1	50 W×m
5	构造破碎带	ρ_f2	100 W×m
6	孤石	ρ_r	5000 W×m
		h	0、10、30、50 m
		d	10、20、30、40 m

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2.1 覆盖层电阻率变化

研究显示地表覆盖层电性对探测目标体的分辨率产生影响^[11],根据覆盖层与目标体电阻率的相对大小,建立了5种覆盖层电阻率变化模型,其余参数保持不变(h₁=20 m、h₂=10 m、h=40 m、d=20 m)。在完成正演计算后,采用Res2Dinv反演软件对数据进行反演,得到反演剖面如图2所示。从图中可以发现,当覆盖层电阻率为10 W×m时,断层破碎带的电阻率特征不明显,孤石也无法分辨(图2a)。当覆盖层电阻率从50 W×m逐渐增大时,各剖面图中的断层响应、倾向以及范围逐渐清晰,孤石位置和高阻响应也得到分辨(图2b~e)。在图2所示的反演结果中,图2d和图2e中目标体的分辨最为清楚。

图2

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图2 覆盖层电阻率变化高密度电阻率反演剖面

Fig.2 Inversed resistivity sections for different overburden resistivity

图3为覆盖层电阻率地表观测的电阻率曲线。当覆盖层电阻率与断层差异较小时,曲线中的低阻响应在深度方向上无法得到清晰辨识(图3a),此时其呈现A型曲线特征,不符合H型曲线特征。这种影响也反映在孤石的电性响应上(覆盖层电阻率为10 W×m),此时的曲线也呈现出A型曲线特征,不符合模型中的K型特征(图3b)。

图3

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图3 覆盖层电阻率不同时的电阻率曲线

Fig.3 Resistivity curves of different overburden resistivity

2.2 覆盖层厚度变化

根据覆盖层厚度与目标体的相对大小,建立了4种覆盖层厚度模型。覆盖层厚度分别为5、10、15和20 m,覆盖层电阻率为200 W×m,其余参数保持不变。在完成正演计算后,采用Res2Dinv反演软件对数据进行反演,得到反演剖面如图4所示。从图中可以看出覆盖层厚度变大时,对断层破碎带的探测影响较小,当厚度达到20 m时断层和孤石仍然可以得到分辨,但孤石的电场响应强度稍微降低。

图4

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图4 覆盖层厚度变化高密度电阻率反演剖面

Fig.4 Inversed resistivity sections for different overburden thicks

图5为覆盖层厚度不同时地表观测的电阻率曲线。观测点位置如图1中的A点和B点。从图5a中可以看出所有曲线在50 m均出现极小值,与实际破碎带位置相吻合。图5b中可以看出所有曲线在40 m处出现极大值,与孤石的上界面一致,极小值出现在70 m处,与孤石实际位置有误差,这种情况会对实际资料处理产生影响。

图5

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图5 覆盖层厚度不同时的电阻率曲线

Fig.5 Resistivity curves with different thickness of covering layer

综合上述分析可以发现,覆盖层与探测目标的电阻率差异大小是决定覆盖层影响的主要因素。对于低阻断层破碎带,覆盖层电阻率越高,破碎带的响应越突出。覆盖层对孤石探测的主要影响因素为覆盖层电阻率,覆盖层厚度对探测结果影响相对较小。

2.3 孤石尺寸变化

根据前面研究结果,建立4种不同尺寸的孤石模型(h₁=20 m,h₂=10 m,h=40 m,ρ₁=200 W×m,d=10、20、30、40 m)。在完成正演计算后,得到反演剖面如图6所示,从图中可以看出无论孤石大小怎样变化,反演剖面图中孤石的电性特性都很明显。图7为孤石尺寸不同时B点观测的电阻率曲线。从图中可以看出随着孤石尺寸逐渐变大,深部曲线发生分离,曲线极小值位置逐渐变深,在孤石附近各支曲线电阻率随尺寸增大整体升高。

图6

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图6 孤石尺寸不同时高密度电阻率反演剖面

Fig.6 Inversed resistivity sections for different boulder sizes

图7

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图7 孤石大小不同时的电阻率曲线

Fig.7 Resistivity curves of different sizes of boulders

2.4 孤石埋深变化

建立4种不同埋深的孤石模型(h₁=20 m,h₂=10 m,d=20 m,ρ₁=200 W×m,h=0、10、30、40 m),采用上述相同方法得到反演剖面如图8所示。从反演剖面中可以看出,当孤石埋深越浅,孤石的电阻率和形状特征越明显,并且随着孤石埋深的增加其特征逐渐减弱;在电阻率曲线图中则显示出埋深越浅、曲线形态越简单的特征(图9)。

图8

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图8 孤石埋深不同时高密度电阻率反演剖面

Fig.8 Inversed resistivity sections for different boulder depth

图9

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图9 孤石埋深不同时的电阻率曲线

Fig.9 Resistivity curves of boulders with different buried depths

3 应用实例

青岛市地铁5号线湖岛站至云岭路站主要位于胶州湾东岸李沧区,区内构造主要受沧口断裂、劈石山—浮山所断裂及王哥庄—山东头断裂影响。次生断裂、破碎带以及区内广泛分布的孤石对地铁施工产生重大影响,严重时会导致施工工作面喷涌、塌方。因此,精确查明区域基岩、断裂构造及其他不良地质体分布特征,对地铁工程勘查尤为重要。为了查明地铁线路下方地质情况,沿地铁线附近布设了19条高密度测线(图10),总长12 280 m。测量装置为温纳装置,电极间距10 m,电极数为1 247个。

图10

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图10 高密度电阻率测线布置

Fig.10 Lines layout for resistivity measurement

图11和图12分别为L5和L16线高密度电阻率反演剖面。L5和L16线长分别为720 m和440 m,沿线地形较平缓,地表为绿化带,接地条件较好。在L5线水平方向250~320 m处视电阻率等值线向下延伸,存在高阻与低阻的过渡带以及视电阻率较低异常带。根据已知资料,280~320 m处低阻异常带为王哥庄—山东头断裂南段,推测250~280 m处为构造破碎带。在水平方向410~430 m、高程20 m处存在一个孤立的高阻区,经验证为一个较大规模的孤石(图11)。根据测区的电阻率特征与断裂、孤石之间的对应关系,推测出L16线断裂和地质体情况如图12所示,该测线孤石较多,断裂构造主要为沧口断裂南端。L5线结果验证了本文高密度电阻率正演模拟的正确性。

图11

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图11 L5线高密度反演剖面

Fig.11 Inversed resistivity section for Line 5

图12

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图12 L16线高密度反演剖面

Fig.12 Inversed resistivity section for Line 16

综合图9中L5~L9线附近的测井数据,建立了三维电阻率模型(图13)。图中电阻率由地表至深部的变化规律与高密度电阻率成果相吻合,同时王哥庄—山东头断裂构造特征也验证了高密度电阻率结果的正确性。综合分析钻探和物探结果,发现基岩面分布不均匀,深度变化较大。

图13

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图13 电阻率模型

Fig.13 Resistivity model

4 结论

针对我国滨海城市普遍存在的断层破碎带和孤石地质勘查问题,开展了覆盖层影响和目标体电性特征正反演研究,并以探测实例验证了研究成果的有效性。取得主要结论如下:

1)在复杂地质条件下开展高密度电阻率法勘探应用,根据工作区地质结构特点建立地电模型,采用正反演手段提前获得探测目标的电性特征和影响因素,可以为探测工作实施和资料处理解释提供帮助。

2)覆盖层电性和厚度对高密度电阻率法的探测结果产生直接影响,探测目标与覆盖层的电性差异是决定目标体响应强度和覆盖层影响大小的主要因素。

3)在中高阻覆盖条件下,浅部孤石的电性特征最为明显,容易分辨,埋藏较深的孤石电性响应减弱,但仍然能得到有效辨识。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

蔡洪美.

盾构地铁隧道孤石探测方法及研究展望

[J]. 工程与试验, 2022, 62(4):7-10,58.