郭 宇 李均山

(1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局南江地質(zhì)隊，重慶 401120；2.核工業(yè)(天津)工程勘察院有限公司，天津 301800)

引言

重慶市奉節(jié)縣地處長江三峽庫區(qū)腹心，是渝東北城市圈重要組成部分，以及連接湘鄂渝陜南北經(jīng)濟走廊的樞紐。近年來，奉節(jié)地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程越來越多，而三疊系中統(tǒng)巴東組巖層為該地區(qū)主要地層，經(jīng)常作為建(構(gòu))筑物地基。因此，研究巴東組巖層工程地質(zhì)特征對奉節(jié)地區(qū)工程勘察工作具有十分重要的意義。

奉節(jié)地區(qū)地處揚子準(zhǔn)地臺次級構(gòu)造—四川臺坳與上揚子地臺褶皺帶及大巴山臺緣褶皺帶的交接復(fù)合部位，縣內(nèi)以山地地貌為主，出露地層主要為三疊系中統(tǒng)巴東組巖層，巴東組巖層最典型特征為巖體軟硬相間互層[1]，且作為碳酸鹽巖存在隱伏巖溶問題，對工程建設(shè)極為不利。工程勘察中傳統(tǒng)鉆探手段因巖質(zhì)軟脆而巖芯采取率低，僅僅依靠鉆探取芯對局部巖體特征難以鑒別，而導(dǎo)致地質(zhì)勘察對巴東組巖體的工程地質(zhì)評價存在一定的模糊性，因此采用綜合勘察方法對研究巴東組巖層十分必要。

高密度電法作為一種地球物理勘探方法，在工程勘察中運用廣泛，針對不同的地質(zhì)問題，也取得了較多研究成果[2-6]。張加桂等利用電法EH-4、淺層地震、地震CT探測方法，得出了巴東組泥灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律[7]；楊天春等通過研究高密度電法在隱伏巖溶中的應(yīng)用，認(rèn)為高密度電法勘探成果應(yīng)該與工程地質(zhì)資料相結(jié)合，方能有效地提高勘探結(jié)果的可靠性[8]；陳松等研究充電法和高密度電法在典型巖溶區(qū)勘查中的應(yīng)用，認(rèn)為充電法和高密度電法具有觀測方式簡單、工作效率較高和解譯結(jié)果直觀等優(yōu)點[9]。以上研究多取得了較好的工程實踐效果，但對高密度電法在巴東組巖層應(yīng)用研究較少，以下將高密度電法運用于奉節(jié)巴東組巖層，著重查明巖層破碎帶和隱伏巖溶，為巖體質(zhì)量評價提供物探依據(jù)。

1 測區(qū)地層特征及工作原理

1.1 測區(qū)地層特征

測區(qū)位于重慶市奉節(jié)縣東部的草堂鎮(zhèn)境內(nèi)，場地已進(jìn)行整平，覆蓋層厚6.0～45.0 m，下伏基巖為三疊系中統(tǒng)巴東組巖層。奉節(jié)地區(qū)巴東組巖層整合于嘉陵江組之上，為海退序列兼有震蕩運動形式下形成的濱-淺海相不純碳酸鹽巖、泥砂巖建造[10]。

因沉積環(huán)境和構(gòu)造作用比較復(fù)雜，使得巴東組巖層巖層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程力學(xué)性質(zhì)總體較差。其總體特征為單層厚度不大、受節(jié)理切割嚴(yán)重、巖性呈脆性，容易破碎[11]。由于沉積交替回旋作用，巴東組巖層多呈現(xiàn)軟硬互層的結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)均勻性較差。

此外，巴東組泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r中還發(fā)育有隱伏巖溶，具有由淺至深由強變?nèi)醯姆謱有院途植坎痪鶆蛐?，與原始地貌和地下水有密切關(guān)系。奉節(jié)一帶泥灰?guī)r邊坡的溶蝕深度一般為5～8 m，野外泥灰?guī)r巖體溶蝕形態(tài)主要以小型巖溶地貌為主體，包括小型溶溝及溶槽，微觀下多表現(xiàn)為網(wǎng)狀的微型溶孔。這些小型巖溶地貌破壞了巖石的完整結(jié)構(gòu)，降低了巖石的力學(xué)強度[12-13]，測區(qū)巴東組巖層典型斷面見圖1。

圖1 測區(qū)巴東組巖層典型斷面

測區(qū)位于奉節(jié)縣東部草堂工業(yè)園，地處草堂河階地與山地交接部位，揭露巖層為灰黃色-灰色泥灰?guī)r，覆蓋層總體較薄且深淺不一，測區(qū)揭露地層如下。

(1)素填土。雜色，松散，稍濕，主要成分為泥巖、砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r碎塊石及粉質(zhì)黏土，碎塊石含量為30%～70%，一般粒徑2～30 cm，最大粒徑約100 cm，回填時間3～4年。分布于場地表層，層厚0.40～11.80 m。

(2)卵石。褐色-灰色，稍密-中密。母巖成分為泥巖、砂巖、泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，級配較好，一般粒徑2～20 cm，最大粒徑80 cm，卵石含量55%～75%，層厚0.70～58.66 m。

(3)泥灰?guī)r?；尹S色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層-中厚層狀構(gòu)造，主要由碳酸鹽礦物及黏土礦物組成，局部可見方解石脈，遇稀鹽酸不起泡，裂隙較發(fā)育，局部有褐色鐵質(zhì)氧化面及溶隙。

根據(jù)測區(qū)巖層特征，隱伏巖溶、破碎帶是測區(qū)主要工程地質(zhì)問題，對工程建設(shè)存在不利影響。由于巖體較破碎，巖芯采取率低，采用單一鉆探手段來判定隱伏巖溶、破碎帶存在局限性，需輔以物探方法進(jìn)行探測。

1.2 高密度電法工作原理

高密度電法是一種陣列勘探方法，也稱為自動電阻率系統(tǒng)，相當(dāng)于四極測深法與電剖面法的結(jié)合[14]。采用電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ的分布密切相關(guān)，通過對地表不同部位人工電場的測量，了解地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，再根據(jù)巖土介質(zhì)視電阻率的分布推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。高密度電法原理清晰，圖像直觀，是一種分辨率較高的物探方法。高精度測深法可以實現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時處理，集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進(jìn)行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，觀測精度高、速度快。

高密度電法野外勘探采用高密度四極裝置，測量時，通過隔離系數(shù)控制供電電極A、B和測量電極M、N的間距，探測深度一般為AB5-AB3。A、M、N、B逐點向右移動，得到第一組數(shù)據(jù)；接著AM、MN、NB增大1個電極間距，A、M、N、B逐點向右移動，得到另一組數(shù)據(jù)；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形電阻率斷面(見圖2)。

圖2 高密度電法四極裝置斷面掃描示意

電阻率計算公式為

(1)

(2)

式中，ρs為視電阻率；ΔV為M、N之間的電位差；I為供電電流；K為設(shè)備系數(shù)；DAM、DAN、DBM、DBN為各電極之間的水平距離。

高密度電法現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)為巖土體視電阻率，還需要將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，國內(nèi)常用最小二乘法進(jìn)行反演[15]。平滑限定的最小二乘法計算基本方程為

(3)

本次測試采用頂峰DFDK-2高密度電法儀(見圖3)，該儀器采用分布式電纜，通過程控開關(guān)可組成四極、單邊三極等多種裝置形式，儀器測量電壓最大值-6 000～+6 000 mV，電壓分辨率為0.01 mV。

圖3 DFDK-2高密度電法儀

2 高密度電法測試與成果分析

測區(qū)共布置3條測線(WT1、WT2、WT3)，測點距離為5.0 m，測點總數(shù)227個。測線布置在原始沖溝以及原始河道邊緣地帶，WT1、WT2測線橫跨一條古溶蝕沖溝，測線與流向垂直；WT3測線布設(shè)在草堂河岸坡邊緣，與草堂河流向平行。這些區(qū)域往往是地下水易匯聚區(qū)域。為檢驗各測線結(jié)果準(zhǔn)確性，采用鉆探進(jìn)行驗證。

2.1 成果分析

3條測線剖面解譯成果如下。

WT1-1’測線存在3個電阻率異常區(qū)域(見圖4)。YC1-1距測線起點90～125 m、高程為174～195 m，呈低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育，并由低電阻率物質(zhì)填充；YC1-2距測線起點150～195 m、高程為191～213 m，呈相對低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育；YC1-3距測線起點232～280 m、高程為173～193 m，呈相對低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育。

圖4 WT1-1’高密度測線成果解譯(單位：m)

WT2-2’測線存在2個電阻率異常區(qū)域(見圖5)。YC2-1距測線起點31～55 m、高程為205～220 m，呈低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育，并由低電阻率物質(zhì)填充；YC2-2距測線起點68～102 m、高程為203～222 m，呈相對低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎，溶蝕發(fā)育并由低電阻率物質(zhì)填充。

圖5 WT2-2’高密度測線成果解譯(單位：m)

WT3-3’測線存在4個電阻率異常區(qū)域(見圖6)。YC3-1距測線起點56～85 m、高程為195～215 m，呈低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育，并由低電阻率物質(zhì)填充；YC3-2距測線起點130～150 m、高程為198～208 m，呈相對低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育，并由低電阻率物質(zhì)填充；YC3-3距測線起點179～200 m、高程為203～216 m，呈相對低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育，并由低電阻率物質(zhì)填充；YC3-4距測線起點220～235 m、高程為197～207 m，呈低電阻率，推斷該區(qū)域巖體破碎或溶蝕發(fā)育。高密度電法測線剖面與鉆探剖面分析對比見表1。

圖6 WT3-3’高密度測線成果解譯(單位：m)

由表1可知，高密度電法能查明異常區(qū)具體分布，鉆探法能通過取芯查明巖土成分，二者相互驗證，能精確查明測區(qū)隱伏巖溶、破碎帶規(guī)模及分布。破碎帶或巖溶充填物電阻率值為30～50 Ω·m，較完整基巖電阻率值為100～160 Ω·m，表明兩者電阻率存在較大差異。

表1 高密度電法測線剖面與鉆探剖面分析對比

2.2 地質(zhì)成因分析

據(jù)上述測試成果，測區(qū)巴東組巖層主要工程地質(zhì)問題為溶蝕沖溝、溶洞及破碎帶。巴東組泥灰?guī)r具有泥巖、灰?guī)r的雙重性質(zhì)，巖石遇水時，灰?guī)r成分被水溶蝕，發(fā)生化學(xué)變化，而泥質(zhì)成分遇水軟化，發(fā)生物理變化。其地質(zhì)成因可根據(jù)其溶蝕風(fēng)化產(chǎn)物歸納為兩種類型。

(1)溶蝕沖溝(YC1-2、YC2-2)

由于地形由陡變緩，山體雨水順溝谷流下，在平緩處流速變緩，一部分地表水順裂隙滲入地下，不斷溶蝕巖體，沖溝不斷下切，泥灰?guī)r中的灰質(zhì)成分被溶蝕，而泥質(zhì)成分則殘留在沖溝內(nèi)。奉節(jié)地區(qū)氣候夏、秋兩季多暴雨，汛期山洪頻繁暴發(fā)，因地形由陡變緩，山洪攜坡洪積物不斷充填沖溝(見圖7)。巖體溶蝕作用與風(fēng)化剝蝕不同，溶蝕沖溝發(fā)育形態(tài)與水流通道相關(guān)，一般側(cè)向溶蝕面近乎垂直，基巖面在溶蝕沖溝兩側(cè)由“水平”突變?yōu)椤按怪薄?，基巖面在鉆孔剖面上呈“U”形。溶蝕沖溝內(nèi)部一般充填松散物質(zhì)及溶蝕殘物，其電阻率也呈現(xiàn)為低阻異常。

圖7 溶蝕沖溝地質(zhì)成因示意

(2)溶洞、破碎帶(YC1-1、YC1-3、YC2-1、YC3-1-YC3-4)

由于測區(qū)東側(cè)草堂河不斷下切，致使岸坡巖體卸荷，巖體裂隙張開發(fā)育，為河水滲入巖體內(nèi)部提供了通道，岸坡一定范圍內(nèi)溶蝕作用較發(fā)育，當(dāng)溶蝕作用發(fā)育一定階段后形成溶洞，部分溶洞還充填河床沖洪積物質(zhì)。由于泥灰?guī)r中的黏土礦物具有較強的親水性，當(dāng)水從巖石裂隙通道進(jìn)入后，引起黏土礦物(蒙脫石)膨脹，致使巖石結(jié)構(gòu)遭受破壞，形成破碎帶(見圖8)。

圖8 河道附近隱伏巖溶及破碎帶成因

巖體破碎帶因其致密程度較完整巖石差，其電阻率呈現(xiàn)為低阻異常，對于巖體內(nèi)部溶洞，多為空洞狀態(tài)或被松散物質(zhì)填充，其電阻率也呈現(xiàn)為低阻異常。

2.3 高密度電法布線原則

據(jù)上述成因分析可知，奉節(jié)地區(qū)巴東組巖層破碎帶和隱伏巖溶發(fā)育是在特定的地質(zhì)環(huán)境下形成的。因此，為準(zhǔn)確查明測區(qū)巖層破碎帶和隱伏巖溶分布，應(yīng)遵循以下布線原則。

(1)巴東組巖層破碎帶和隱伏巖溶發(fā)育呈現(xiàn)不規(guī)律性，應(yīng)先進(jìn)行工程地質(zhì)測繪及鉆探，初步確定其范圍，對存在破碎帶和隱伏巖溶的區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)加密鉆孔，然后根據(jù)鉆探結(jié)果針對性布置物探線，并使兩種手段相互驗證。

(2)巴東組巖層隱伏巖溶和破碎帶發(fā)育特征與地形地貌，地表水、地下水密切相關(guān)。其中，坡腳，溝谷、沖溝由陡變緩等雨水易匯聚地帶會加速巖石風(fēng)化和溶蝕，這些地方為重點布線區(qū)域，且測線布置應(yīng)盡量與水流向垂直。水活躍的地帶也是隱伏巖溶及破碎帶發(fā)育地帶，如河道、水庫等地表水體附近，這些地方也應(yīng)重點考慮布線，測線應(yīng)盡量與水流向平行，且越靠近水體，測線應(yīng)越密。

3 結(jié)語

(1)奉節(jié)地區(qū)巴東組巖層主要工程地質(zhì)問題為隱伏巖溶、破碎帶，其分布無規(guī)律且不均勻，對建筑地基存在不利影響。高密度電法具有分辨率高、成像直觀準(zhǔn)確等優(yōu)點，應(yīng)根據(jù)隱伏巖溶及破碎帶的電性差異，結(jié)合鉆探成果準(zhǔn)確查明其規(guī)模分布，為工程設(shè)計提供依據(jù)。

(2)奉節(jié)巴東組巖層隱伏巖溶、破碎帶成因與地形地貌、水文地質(zhì)條件密切相關(guān)。溶蝕沖溝一般發(fā)生在原始沖溝變緩地帶，沖溝溶蝕下切過程中伴隨著坡洪積物的充填，基巖面在溶蝕沖溝兩側(cè)由“水平”突變?yōu)椤按怪薄薄?/p>

(3)沖溝由陡變緩的部位、河岸邊緣是巖溶及破碎帶發(fā)育地帶，應(yīng)重點測量；溶蝕沖溝測線布置應(yīng)盡量與水流向垂直，河道、水庫等地表水體附近測線布置應(yīng)盡量與水流向平行，且越靠近水體，測線應(yīng)越密。