高密度电法在留驾水库隐伏断裂构造探测中的应用

摘要：为了确定莱州市南部留架水库西岸隐伏断裂构造对留架水库蓄水的影响，通过在留架水库西岸布设高密度电阻率法测线，初步查明了留架水库西岸的地层特征、隐伏断裂构造的分布情况及水文特征。留架水库西岸地表为第四系覆盖层，深部为结构较为完整的花岗岩基岩，地层含水性较差，探测到西岸发育两条隐伏断裂构造，其中F1断裂构造走向南东规模较大且富水性较好，F2断裂构造走向北东规模较小且富水性较差，F1断裂内赋存的裂隙水可对水库库容进行有效地补给，有效缓解留驾水库的蓄水压力。本文实例表明，对于围岩有明显电性差异的具有一定规模的断裂构造，高密度电阻率法是一种有效的探测方法。

关键词：农业生产水库蓄水留驾水库隐伏断裂构造高密度电法

留驾水库是莱州市南部重要的居民生活及工农业生产水源地，随着近些年工农业的高速发展，用水量也随之激增，近几年莱州地区降雨量较以往明显偏少，留驾水库周边地表补给径流量大幅降低，留驾水库蓄水压力骤增。为此全面、系统的对留驾水库周边开展地质调查工作，研究分析地表径流及地下水与其之间的补给关系对含蓄水源、保障居民生活用水及工农业用水具有十分重要的现实意义。留驾水库的地表水补给来源主要为东北侧注入的沙河及周边山间河谷的季节性雨水，而地下水对留驾水库的补给关系因缺乏详细的调查工作尚不明确。断裂构造是一种重要的地质构造，是地下水容集和流动的重要通道，可以形成中小型的水源地。查清留驾水库周边的断裂构造的分布情况及其富水性对查明地下水与留驾水库间的补给关系具有中重要的意义。

断裂构造是指岩石因受地应力作用，当作用力超过岩石本身的抗压强度时就会在岩石的薄弱地带沿着一定方向产生机械断裂，失去其连续性和整体性的一种现象[1]。断裂构造与两盘完整的岩体相比，其连续性和完整性发生了明显的变化，相对于围岩的电阻率，断裂处的电阻率可表现为高阻或低阻[2,3]。断裂构造越破碎，地下水越丰富，电阻率越低；有岩脉顺断裂侵入，电阻率多表现为高阻[4]。高密度电阻率法是一种阵列式电测深方法[5,6],集合了电剖面法和电测深法的优点[7],不仅可以观测地下一定深度范围内横向电性变化情况，同时还可以观测垂向电性的变化特征，与其他电法相比还具有成本低、勘探效率高等明显的优势[8]。断裂构造的电性特征及与围岩间的物性差异为开展高密度电阻率法勘探提供了前提条件[9]。据此，本次调查工作应用高密度电阻率法在留驾水库西岸开展相应的调查工作，以查清留驾水库西岸的隐伏断裂构造的分布情况及隐伏断裂构造的富水性[10],进而查明地下水与留驾水库间的补给关系，为缓解留驾水库蓄水压力保障生活及工农业用水提供支持。

1、工区地质及地球物理特征

1.1 工区地质特征

工作区位于莱州市南部的留架水库西侧，区内地势平坦，局部地势西北高东南低。工作区内新生界第四系发育，覆盖广泛，地层基岩出露较少，主要为新太古界胶东岩群。第四系主要有沿着现在河床分布的沂河组，河漫滩相的临沂组和分布较少的山前组。区内岩浆岩较发育，主要为中生代燕山早期(晚侏罗世)玲珑超单元郭家店单元花岗岩，岩性为中粒二长花岗岩。

1.2 工区水文地质特征

工作区内地下水较为发育，主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，补给来源以大气降水为主，雨季也接受地表水补给，其水位总体上呈季节性变化，枯水期水位低，丰水期水位高。

1.3 工区地球物理特征

第四系覆盖层电阻率一般较低，通常小于200 Ω·m, 但浅部松散层电阻率相对较高，局部可达200 Ω·m以上。花岗岩主要呈中高阻分布，电阻率通常大于200 Ω·m, 岩体越完整，电阻率越高。在岩体风化、破碎强烈、节理裂隙发育的情况下，电阻率会出现不同程度的降低，最低可达100 Ω·m以下。根据不同岩性的电性特征变化，不同岩性的电性存在明显差异，具备开展高密度电阻率法工作的地球物理前提条件。

图1 电阻率法工作原理示意图   

2、高密度电阻率法原理及工作方法

2.1 基本原理及特点

高密度电阻率法是以岩矿石的电阻率差异为基础，研究人工场源条件下地下稳定电流场中地质体传导电流的分布特征和变化规律，进而查明地下地质体及地质构造特征及分布规律的一种地球物理勘探方法[11]。高密度电阻率法基本原理与常规电阻率法相同[12,13],设地面为水平面，地下半空间为均匀、无限、各向同性介质，电极布设方式如图1所示[14,15],将A、B两供电电极与供电电源相连并供电，观测供电电流I和测量电极M、N间的电位差，从而得到均匀大地电阻率。

ρ=KΔUMNI         (1)

式中：K为装置系数，是由四个电极间的相对位置决定。

K=2π1AM−1AN−1BM+1BN         (2)

相比于常规电法勘探手段，高密度电阻率法作为一种阵列式电阻率勘探方法，能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式，能够提取更多的地电信息，具有成本低、效率高、采集的信息丰富、抗干扰能力强、误差小、适用范围广等优点[16,17]。

2.2 工作方法

进行高密度电阻率测量时，按照一定的间隔将电极布置在测点上，通过高密度线缆与主机相连，由主机控制进行自动跑极、观测，并实时显示观测结果[18]。在实际工作中，高密度电阻率法常用的排列方式有温纳装置、偶极装置、施伦贝谢尔装置、三级装置和二级装置[19]。当电极排列满足AM=MN=NB=n时，称为温纳装置，测量过程中通过改变n的值，就可以获得不同剖面的观测结果，最终的测量断面为倒梯形[20],如图2所示。温纳装置具有垂向分辨率高[21],深部浅部均有较大的一次场电压值，在地表干燥、接触不良、供电电流较小时也有较高的信噪比，受地形起伏影响小等优点[22]。综合考虑本次的勘探目标和现场施工条件，本次高密度电阻率勘探选择温纳装置进行测量。

图2 温纳装置电极位置示意图  

本次高密度电阻率法测量工作，根据工作区地形、地貌条件及工作任务需要，在留架水库西侧布设高密度电阻率测线3条，其中东西向测线1条，南北向测线2条，点距10 m, 测点总数295个，测线总长2 950 m, 具体见表1。本次工作使用的仪器为武汉捷探科技有限公司生产的GT-CEW型常规电法工作站及专用电缆设备，野外施工采用120个电极组合的装置进行测量，点距10 m, 排列长度根据施工现场实际情况而定，最小电极间隔系数为4,供电时长2 s, 停供时间2 s, 观测周期为两个周期，剖面观测层数为26层。本次工作测地工作采用GPS与测绳结合的办法进行测量，用GPS定位测线端点及拐点，用测绳具体定位每两个GPS端点之间的每个实测点，整体测量精度控制在0.5 m范围内。

表1 剖面布设统计表

野外采集数据所记录的是包含大地和外界干扰影响的、按某一记录格式存储的原始数据，并且同观测系统参数及地面起伏有关。为了获得最终的、可用于地质解释的、真实反映地层特性和特征的成果剖面，就必须进行消除干扰和观测系统参数影响等一系列的数字处理[23]。本次数据处理工作利用专业反演软件对实测视电阻率进行了反演，生成电阻率ρ断面反演图。

图3 施工布属及成果推断简图  

3、资料解释及成果分析

经过数据处理、反演后，得到高密度电阻率反演断面图，查明了留架水库西侧的断裂构造的分布情况。具体结果见图4和图5。

图4 南北向GM001、GM003线电阻率反演断面图  

图5 东西向GM002线电阻率反演断面图   

如图4及图5所示，GM001、GM002及GM003线三条剖面浅层0～40 m变现为低阻层，电阻率值低于200 Ω·m, 根据工区地球物理特征，区内第四系广泛发育，第四系覆盖物电阻率较低，通常低于200 Ω·m, 推断浅层0～40 m为第四系覆盖层及全-强风化花岗岩基岩；三条剖面40 m以深的区域表现为高阻，电阻率值大于200 Ω·m, 深部电阻率超过1 000 Ω·m, 工区地球物理特征显示，区内花岗岩呈中高阻分布，电阻率值大于200 Ω·m, 且花岗岩越完整，电阻率值越高，推断40 m以深为较为完整的花岗岩基岩。

如图4所示，GM001测线剖面在测线自南向北750～850 m, 地下40 m以深的区域存在一处低阻异常带，电阻率值低于100 Ω·m, 电阻率与两侧花岗岩基岩分界明显，形态直观，推测为F1断裂构造；在测线自南向北950～1 000 m, 地下80 m以深的区域存在一处低阻异常带，电阻率值低于500 Ω·m, 推测此处花岗岩岩体破碎，节理裂隙较为发育，基岩的完整性较差，推断为F2断裂构造。

如图4所示，GM003剖面在在测线自南向北300～400 m, 地下40 m以深的区域存在一处低阻异常带，电阻率值低于400 Ω·m, 电阻率与两侧花岗岩基岩分界明显，形态直观，推测为一处断裂构造，该断裂构造与GM001线F1断裂构造具有相似的电阻率特征，推断为同一条断裂构造在不同测线上的反映。

如图5所示，GM002剖面在在测线自西向东780～830 m, 地下100 m以深的区域存在一处低阻异常带，电阻率值低于500 Ω·m, 推测此处花岗岩岩体破碎，节理裂隙发育，基岩完整性较差，为一处断裂构造该断裂构造与GM001线F2断裂构造具有相似的电阻率特征，推断为同一条断裂构造在不同测线上的反映。在测线800 m处附近，地面检查发现有片麻状石英闪长岩零星出露，与推断的断裂构造位置相吻合。

通过对南北向的GM001和GM003线及东西向的GM002线观测数据的处理、反演，结合地质资料及物性参数定性分析，初步查明了留架水库西岸的地层及断裂构造分布情况。留架水库西岸地表40 m范围内主要为第四系覆盖层及强-全风化基岩，40 m以深的范围内主要为完整的花岗岩基岩。在留架水库西岸探测到2条隐伏的断裂构造，根据其电阻率特征，F1断裂构造处存在明显的近似直立条带状的低阻异常，推断该断裂构造规模较大且为富水性较好的构造破碎带，是留驾水库西岸走向南东的主断裂构造；F2断裂构造电阻率异常差异较小，推断该构造规模较小且富水性较差，是留驾水库西岸走向北东的次级断裂构造。F1断裂构造沿东南方向延伸至留驾水库，F1断裂规模较大且富水性较好，留架水库西岸地势西北高东南低，当水库蓄水水位降低时，构造内裂隙水可对水库有效补给；F2隐伏断裂构造走向与留驾水库的走向相一致，且构造富水性较差，其赋存的地下水无法有效对留驾水库的蓄水库容产生补给。水库西岸花岗岩基底除两处断裂构造处均结构相对完整，可形成有效的隔水层，未对留驾水库蓄水造成不利影响。

4、结语

(1)通过在留驾水库西岸开展此次高密度电阻率法工作，初步查明了水库西岸地下地质体的地电特征及分布情况，水库西岸第四系覆盖层厚度约为40 m, 深部为结构较为完整的花岗岩基岩，水库西岸存在两条隐伏断裂构造，其中F1断裂构造走向南东规模较大且富水性较好，F2断裂构造走向北东规模较小且富水性较差，F1断裂内赋存的裂隙水可对水库库容进行有效地补给，缓解留驾水库的蓄水压力，为周边居民的生活及工农业用水提供支持和保障。

(2)本次高密度电阻率法勘探的结果证明，当断裂构造破坏了岩层的连续性和完整性时，断裂构造与两侧的岩层会存在明显的电阻率差异，其电阻率剖面会具有不同的异常特征，利用高密度电阻率法进行探测，结合地质资料与物性资料，能够较准确的反映出断裂构造的含水性、空间分布形态及影响范围大小等情况。在高密度电阻率法勘探施工的过程中，不可避免的会受到地形及人工电磁环境干扰等不利因素的影响，使勘探结果存在一定的误差，对高密度电阻率的勘探结果仍需要开展钻探勘探等工作手段加以研究验证。

参考文献:

[1]张连增.辽宁省综合地球物理解释断裂构造的方法和依据[J].地质与资源.2015.24(5):483-488.

[2]张建国,严江勇.高密度电法在断裂构造探测中的应用[J].工程技术研究.2020(14):249-250.

[3]许文强,袁炳强,刘必良,等.多种重磁位场边缘识别方法及在南黄海北部断裂构造识别中的应用研究[J].物探与化探.2020.44(4):962-974.

[4]侯明利,李美英,赵同寿.高密度电法在矿山地质勘查中的应用效果[J].世界有色金属.2021.(01):113-114.