陳實(shí) 李延清 李同賀

摘 ? 要：城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作的主要內(nèi)容是查明城市發(fā)展區(qū)及規(guī)劃區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)地質(zhì)條件、隱伏地質(zhì)構(gòu)造及可利用地質(zhì)資源。目前，高密度電法已在工程物探領(lǐng)域取得了成效顯著的調(diào)查成果，本文將此方法推廣應(yīng)用在烏魯木齊城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作中，查明了工作區(qū)內(nèi)隱伏活動(dòng)斷裂的位置及性質(zhì)，有效識(shí)別出地層中的含水構(gòu)造，圈定了煤礦采空區(qū)的埋深及空間展布形態(tài)，為后續(xù)城市地質(zhì)調(diào)查工作提供有效的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高密度電法;城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查;隱伏活動(dòng)斷裂;煤礦采空區(qū)

近年來(lái)，多個(gè)城市頻繁發(fā)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(fā)生都與城市基礎(chǔ)地質(zhì)條件有密切關(guān)系。為保障城市發(fā)展區(qū)人員及建筑物安全，在城市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)合理避開(kāi)隱伏不良地質(zhì)體，需全面開(kāi)展城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作。

城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查工作通過(guò)地下調(diào)查與地面調(diào)查相結(jié)合的方式，調(diào)查地層、活動(dòng)構(gòu)造及不良地質(zhì)體的地質(zhì)參數(shù)，為第四紀(jì)研究、區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高密度電法在諸多工程地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果[1]，美國(guó)學(xué)者Loke M H博士系統(tǒng)總結(jié)了高密度電法在各國(guó)各地區(qū)的工程勘查成果[2]。羅登貴等運(yùn)用數(shù)值模擬方法計(jì)算了活動(dòng)斷層在不同高密度電法采集裝置中的響應(yīng)特征并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用[3];祁民等將高密度電法技術(shù)應(yīng)用于山西陽(yáng)泉某采空區(qū)勘查工作中，高精度預(yù)測(cè)了復(fù)雜采空區(qū)的空間形態(tài)[4];陳松等將高密度電法作為防城港地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查中的主要物探工作手段，較準(zhǔn)確地獲取區(qū)內(nèi)地下水含水層的埋深、厚度、空間展布形態(tài)[5]。

通過(guò)分析大量的烏魯木齊城市地質(zhì)資料，認(rèn)為活動(dòng)斷裂及煤礦采空區(qū)為烏魯木齊城區(qū)內(nèi)主要不良地質(zhì)構(gòu)造，可誘發(fā)多種形式的城市基礎(chǔ)地質(zhì)災(zāi)害。對(duì)于烏魯木齊市范圍內(nèi)的斷裂構(gòu)造，前人已做過(guò)很多研究和勘探工作，其中部分?jǐn)嗔褜匐[伏活動(dòng)斷裂，使得確定其位置成為工作難點(diǎn)[6-8]。同時(shí)，隨著城市的不斷擴(kuò)張，六道灣煤礦也逐步被城市生活區(qū)及交通網(wǎng)包圍。在六道灣煤礦開(kāi)采過(guò)程中，沿煤層采空區(qū)形成了條帶狀地面塌陷，近年來(lái)有關(guān)單位對(duì)塌陷坑進(jìn)行了回填治理。由于地處烏魯木齊市中心城區(qū)，查清煤礦塌陷區(qū)的采空情況，對(duì)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)及未來(lái)城市發(fā)展具重要意義。因此，應(yīng)用地球物理勘探手段準(zhǔn)確探測(cè)活動(dòng)斷裂的位置及采空區(qū)影響范圍成為烏魯木齊市城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的關(guān)鍵性工作。

本文在地面地質(zhì)調(diào)查難以開(kāi)展工作的區(qū)域，開(kāi)展了高密度電法剖面的測(cè)量工作。通過(guò)多條剖面的物探測(cè)量工作，完成了復(fù)雜城市條件下的地層巖性及構(gòu)造識(shí)別工作，評(píng)價(jià)了斷層兩側(cè)地下水資源分布狀態(tài)，并劃分了六道灣地區(qū)地下煤礦采空區(qū)的空間展布形態(tài)，為后續(xù)烏魯木齊城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)工作提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 ?高密度電法探測(cè)活動(dòng)斷裂

及采空區(qū)的原理

1.1 ?高密度電法的基本原理

高密度電阻率法（又稱(chēng)電阻率層析成像法，以下簡(jiǎn)稱(chēng)高密度電法）的基本理論與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，是以探測(cè)地下目標(biāo)體與圍巖之間的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法。工作時(shí)，將很多電極同時(shí)排列在測(cè)線(xiàn)上，通過(guò)對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，從而一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下多種參數(shù)的方法。對(duì)取得的多種參數(shù)經(jīng)相應(yīng)程序的處理和自動(dòng)反演成像，可快速、準(zhǔn)確地給出所測(cè)地電斷面的地質(zhì)解釋圖件，從而提高了電阻率方法的工作效率[9]。在實(shí)際工作中，測(cè)點(diǎn)的視電阻率值計(jì)算公式為：

ρs=K[ΔUI…………………]（1）

式中，[ΔU]為測(cè)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(shù)。

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(zhǔn)確反映深部異常體的位置，需要進(jìn)行二維反演計(jì)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(dǎo)數(shù)矩陣，JT為J的轉(zhuǎn)置矩陣，μ為阻尼系數(shù)，d為模型參數(shù)修改矢量，g為殘差矢量，F(xiàn)=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(jì)算采用基于平滑約束的最小二乘法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是平面過(guò)濾器和阻尼系數(shù)能隨著數(shù)據(jù)類(lèi)型而自動(dòng)調(diào)整。最優(yōu)化方法主要是通過(guò)調(diào)整模型單元體的電阻率值來(lái)減小實(shí)測(cè)視電阻率值與正演計(jì)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(lái)衡量。從地質(zhì)條件來(lái)說(shuō)，最小均方差值時(shí)的模型并不一定符合實(shí)際地質(zhì)情況。一般情況下可選取迭代后均方誤差不再明顯變化時(shí)的模型做地質(zhì)解釋?zhuān)ǔ?～5次迭代計(jì)算后，均方差就不再明顯變化（圖1）[10]。

1.2 ?活動(dòng)斷裂及采空區(qū)地球物理響應(yīng)特征

斷層內(nèi)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(nèi)充水則表現(xiàn)為低阻條帶，否則表現(xiàn)為高阻條帶。因此在電阻率斷面圖上等值線(xiàn)連續(xù)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(guò)了第四系可作為推斷斷層活動(dòng)時(shí)間的依據(jù)[11]。

煤礦采空區(qū)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(qū)受地下含水層和圍巖塌陷的影響，產(chǎn)生兩類(lèi)賦存狀態(tài)：充填采空區(qū)和未充填采空區(qū)。充填采空區(qū)是指采空區(qū)底板位于地下水位線(xiàn)以下，上部頂板跨落或內(nèi)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(duì)低阻特征，此時(shí)在電阻率斷面圖中表現(xiàn)為中低阻圈閉;未充填采空區(qū)是指底板位于地下水位線(xiàn)以上，內(nèi)部為空洞未充水，表現(xiàn)為高阻圈閉[12]。因此采空區(qū)與圍巖之間存在明顯電性差異，根據(jù)采煤地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造，電阻率法可有效識(shí)別煤礦采空區(qū)的賦存特征。

2 ?工作區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于烏魯木齊市東南部，位于天山興蒙地層大區(qū)，北疆地層區(qū)，南準(zhǔn)噶爾北天山地層分區(qū) ? （圖2）。區(qū)內(nèi)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(fā)育三疊系、侏羅系，新生界遍及全區(qū);在大地構(gòu)造上，調(diào)查區(qū)屬于天山-興蒙造山系，準(zhǔn)噶爾-吐哈地塊之準(zhǔn)噶爾地塊南緣與博格達(dá)裂谷帶過(guò)渡地區(qū)，以烏魯木齊山前坳陷四級(jí)構(gòu)造單元為主，次一級(jí)褶皺、斷裂十分發(fā)育，復(fù)雜多樣，對(duì)該區(qū)各類(lèi)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的空間分布和發(fā)育產(chǎn)生影響。同時(shí)，這些斷裂對(duì)煤礦煤系地層構(gòu)造和埋藏深度有控制作用。

區(qū)內(nèi)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(tǒng)三工河組，中侏羅統(tǒng)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(zhì)砂巖及泥巖組成，呈條帶狀，地層厚達(dá)746.16 m，含可采煤層33層。因此，區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布范圍較廣，引起塌陷的陷落帶位置不明，對(duì)區(qū)內(nèi)工程建筑安全產(chǎn)生極大威脅。工作區(qū)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)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(dǎo)致電阻率較低，與圍巖間存在明顯的電性差異。在本項(xiàng)目中，各地層結(jié)構(gòu)及采空區(qū)之間存在較明顯的電性差異，具備采用電阻率法探測(cè)地質(zhì)體的地球物理前提。

3 ?應(yīng)用成果

3.1 ?復(fù)雜地質(zhì)條件綜合勘察

WT1剖面位于烏魯木齊市蘆草溝，剖面總長(zhǎng)4.2 km，采集道數(shù)120道，道間距10 m，溫納裝置，測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)地形起伏較大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，剖面需要重點(diǎn)查明地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造參數(shù)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?？傮w地勢(shì)南高北低，北側(cè)位于蘆草溝內(nèi)部，向南地勢(shì)逐漸升高并靠近山體，部分地區(qū)侏羅系基巖已經(jīng)出露地表。

圖3所示為WT1線(xiàn)電阻率等值線(xiàn)斷面圖，電阻率水平向具有很好的成層特征。結(jié)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(cè)線(xiàn)北側(cè)。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(nèi)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(chǔ)水構(gòu)造（表1）。

在測(cè)線(xiàn)150～225 m處，電阻率等值線(xiàn)出現(xiàn)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(zhì)的正斷層，其中顯示斷層已錯(cuò)斷上覆第四系，認(rèn)定為晚更新世活動(dòng)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(cè)地層電阻率由淺至深逐漸減小，南側(cè)地層電阻率變化規(guī)律則相反，圖中該處的電阻率等值線(xiàn)突然向上彎曲呈梯度變化，推斷此區(qū)域發(fā)育有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈的斷層。分析可知，此斷層為逆沖性質(zhì)的正斷層，斷面北傾，傾角約為80°，斷層構(gòu)造活動(dòng)形成的破碎帶范圍較大，約200 m，斷層上盤(pán)為侏羅系泥砂巖，斷層下盤(pán)為沖積卵礫石層。

經(jīng)后期地面地質(zhì)調(diào)查的異常查證工作，在測(cè)線(xiàn)180 m及1 880 m附近，可見(jiàn)有斷層活動(dòng)產(chǎn)生的陡坡、地面抬升等地質(zhì)遺跡，驗(yàn)證了碗窯溝斷層及另一正斷層的真實(shí)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(cè)，剖面總長(zhǎng)1.8 km，采集道數(shù)120道，道間距10 m，溫納裝置，重點(diǎn)查明測(cè)線(xiàn)范圍內(nèi)雅瑪里克山斷裂的位置、斷層寬度及地層結(jié)構(gòu)。

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?？傮w地勢(shì)平坦，未見(jiàn)有高壓線(xiàn)、管道等干擾因素。測(cè)線(xiàn)中段有水系發(fā)育，為本區(qū)域的主要灌溉用水來(lái)源。

從圖4的探測(cè)結(jié)果可知，該剖面整體表現(xiàn)為表層高阻深部低阻，反映出本區(qū)的沉積地層電性特征，推測(cè)紅色調(diào)的高阻區(qū)為第四系礫石層，藍(lán)色調(diào)的低值區(qū)應(yīng)該為含水侏羅系砂巖、泥巖，地層穩(wěn)定性及連續(xù)性較高。局部電阻率等值線(xiàn)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(dòng)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(xiàn)出現(xiàn)明顯的斜向高阻條帶，條帶形態(tài)較為規(guī)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(cuò)斷關(guān)系不明，尚需進(jìn)一步物探測(cè)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(yùn)動(dòng)性質(zhì)，斷層的構(gòu)造破碎帶寬度較寬，約100 m。探測(cè)結(jié)果與以往地質(zhì)資料及地面地質(zhì)調(diào)查結(jié)果相符。

3.3 ?采空區(qū)

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

根據(jù)地質(zhì)資料，測(cè)區(qū)主要分布4個(gè)地質(zhì)單元：第四系覆蓋區(qū)、煤層、煤田采空區(qū)、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(xiàn)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?yàn)闇y(cè)區(qū)內(nèi)地下水位線(xiàn)較深，采空及塌陷區(qū)內(nèi)巖體裂隙發(fā)育，空隙內(nèi)無(wú)水，故采空區(qū)表現(xiàn)為高阻圈閉特征。

兩條測(cè)線(xiàn)的二維反演電阻率剖面如圖5所示，兩條測(cè)點(diǎn)地電結(jié)構(gòu)特征基本相同，地面至深度20 m范圍內(nèi)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(xiàn)南傾的中高阻異常條帶，推測(cè)為含煤地層，傾角約為35°～40°，走向約75°～80°，該產(chǎn)狀與地層的產(chǎn)狀基本一致。在高阻條帶的兩端各有一個(gè)電阻率大于100 Ω·m的高阻圈閉，推測(cè)為采空及塌陷區(qū)，各條測(cè)線(xiàn)中的采空區(qū)物探異常解釋見(jiàn)表2。

對(duì)比兩條測(cè)線(xiàn)中采空區(qū)的異常特征及深度范圍，推測(cè)C1與D1屬同一煤礦采空區(qū)，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(qū)，巷道延西南方向深度逐漸增大，巷道走向80°;同時(shí)，兩個(gè)采空區(qū)所形成的塌陷區(qū)有互相連通的趨勢(shì)。WT3線(xiàn)高密度電法解釋資料較為精確的反映出地下采空區(qū)的位置及形態(tài)特征，方法有效性達(dá)到了預(yù)期的城市地質(zhì)調(diào)查目的與要求。根據(jù)調(diào)查資料，本區(qū)附近的煤礦均已關(guān)停，為確保安全仍需持續(xù)監(jiān)測(cè)采空區(qū)的塌陷情況。

4 ?結(jié)論

（1） 城市范圍內(nèi)的隱伏活動(dòng)斷層難以通過(guò)地面調(diào)查確定其位置及其產(chǎn)狀，高密度電法可依據(jù)斷層與圍巖的電性差異有效識(shí)別出斷層的基本形態(tài)及其性質(zhì)。一般情況下斷層在電阻率斷面圖中會(huì)表現(xiàn)為等值線(xiàn)突然升高（降低）或者突然尖滅的異常條帶，再結(jié)合地質(zhì)資料定量解釋斷層的地質(zhì)參數(shù)，并可根據(jù)斷層是否穿過(guò)第四系判斷斷層的活動(dòng)時(shí)間。

（2） 煤田采空區(qū)可引起地面變形、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)地面交通設(shè)施及建筑物安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，在城市基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查中，需要準(zhǔn)確定位采空區(qū)及其塌陷帶的影響范圍。本文針對(duì)六道灣煤礦采空區(qū)應(yīng)用高密度電法進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明180 m以上的煤礦采空區(qū)可反映在電阻率斷面圖中，采空區(qū)的異常形態(tài)反映為低（高）阻圈閉，采空區(qū)的電阻率特征與其內(nèi)的充填物和圍巖含水率密切相關(guān)。結(jié)合地質(zhì)資料及采空區(qū)模型正演結(jié)果并可開(kāi)展定量解釋。如果高密度電法的測(cè)線(xiàn)間距進(jìn)一步加密，則可建立測(cè)區(qū)地下高精度的三維電性異常結(jié)構(gòu)模型。

（3） 結(jié)合文中的探測(cè)實(shí)例，高密度電法可有效運(yùn)用于城市基礎(chǔ)地質(zhì)勘查中的斷層識(shí)別、地層與基巖底界面劃分、地層劃分、采空區(qū)與巖溶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域。但該技術(shù)也存在探測(cè)深度有限的問(wèn)題，以及城市地電噪聲干擾問(wèn)題，建議今后加大數(shù)據(jù)采集量及相關(guān)正反演方法技術(shù)研究，提高探測(cè)效果。

致謝：感謝新疆地質(zhì)調(diào)查院物探分隊(duì)的數(shù)據(jù)采集工作支持和各位審稿專(zhuān)家對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)和建議。

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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