2016, Vol. 31
2. 新疆工程学院, 乌鲁木齐 830000
3. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210093
2. Xinjiang Institute of Engineering, Urumqi 830000, China
3. School of Earth Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210093, China
断裂构造是地壳中广泛分布的一类地质构造，它破坏了岩体的连续性和完整性，并可能切穿含水层，因此，在基岩地区断裂构造是控制地下水赋存与运移的主导因素之一.所以，准确的确定断裂的位置及空间展布，并研究其结构特征具有非常重要的意义.
高密度电阻率法(ERT)原理与传统电法相同，区别在于ERT将全部电极同时布置在测量剖面上，通过测量主机控制电极转化开关而实现自动快速测量.目前ERT在设备、数据处理方面取得了长足的进步，已是发展得较为成熟的一种勘探技术手段.由于ERT有高效、经济、无损测量等特点，且能实现延时测量，因此在科研试验和生产方面得到了广泛的应用.如实验室尺度上对盐分在均质各向同性及层状土体中运移过程的三维监测(Comina et al.，2011)、除冰盐对路边土壤影响的监测(Olofsson and Lundmark，2009)、滨海地区咸、淡水分界面的划分(Koukadaki et al.，2007)、地下水流动特征研究(White，1994)、水体入渗过程中岩体电阻率各向异性特征的研究(伍开江和周启友，2005；周启友等，2009)、污染物迁移过程监测(刘汉乐等，2008)、冻土消融深度随季节的变化监测(Krautblatter and Hauck，2007)等均取得了较好的应用效果.
由于ERT结合了电剖面法及电测深法的优点，能够反映剖面纵横两个方向的电性变化特征，且分辨率较高，因此在断裂构造这种近似二维地质体探测方面有其独到的优势.比较典型的应用如：李志祥等(2003)、李清林等(2003)、杨金山等(2007)以实例说明了ERT在是断裂调查中一种行之有效的手段；阿发友(2008)综合运用ERT和地质雷达对乌当断层进行探测，给出了乌当断层构造透镜体、断层角砾岩带和断层破碎带的物性参数和特征；程邈等(2011)采用ERT对某场地隐伏断裂进行探测，勾画出了场地内断层的位置及方位，其结果经钻孔验证是准确的；王诗东等(2011)采用ERT和氡气测量方法对断层进行探测，较准确的确定了断层的位置信息；玄月等(2011)用ERT探测黄庄-高丽营隐伏断裂，获得了断裂走向和倾向，其结果与钻孔揭露的情况一致.值的说明的是，在已有的研究成果中，很少涉及ERT在西北干旱区断裂探测中的应用，关于ERT接地电阻异常问题的研究也很少，张凌云等(2010)提出的逐个舍弃异常电极数据的接地电阻异常处理方法，有效的阻止了接地电阻异常引起的反演畸变，但该方法在舍弃异常数据的同时也删除了与异常电极关联的所有数据，删除了剖面有用信息.张应文等(2013)提出了积水淹没片状电极而改善基岩地区接地电阻的方法，该方法具有接地面积大，接触条件好、接地电阻稳定等优点，但该方法需在供电点建造封闭的储水空间，并存储一定高度的水，因此工作量大，且在干旱缺水的西北地区并不适用.
信泉断裂是焉耆断裂分支断裂之一，为第四系活动断裂，位于新疆托克逊县张郭庄附近.在张郭庄段被第四系冲洪积物所覆盖，属隐伏断裂，地势平坦，从地形上无法确定断裂的位置.本文通过在张郭庄段布置四条ERT剖面进行探测，通过对获得的数据进行分析处理，并结合现场实际和地质调查结果对断裂的电性特征进行了分析，初步掌握了信泉断裂的电性特征及在高密度电阻率剖面上的表现形式.
1 信泉断裂概况信泉断裂走向为北北西，长度约20 km.断裂南盘为泥盆系片理化砂岩，顶部残留有中更新统砂砾岩.北盘为下更新统砾岩和中更新统半胶结砂砾石层，钙质胶结.老地层逆冲于新地层之上(图 1和图 2a)，断裂下盘的砾石层中存在次级断裂，宽约5～10 cm，且砾石定向排列.断裂上盘的变质砂岩靠近断裂处较为破碎，破劈理发育，破裂面与主断裂面呈小角度相交.断距21 m左右，断裂破碎带宽1～2 m，影响带宽约15～20 m，破碎带内充填红色断裂泥条带和断裂角砾岩(图 2b)，断裂产状为283°∠72°.在上述断裂剖面东约1.2 km的位置，断裂破碎带最宽达3 m以上，充填黄色、紫红色断裂泥条带，上部被厚约40 cm的灰色砂砾石层覆盖(图 3).张郭庄以西探槽揭露到断裂，破碎带中见紫红色、砖红色断裂泥和锰铁矿条带，有较明显的断裂擦痕.
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图 1 张郭庄西两公里信泉断裂剖面图 Figure 1 The profile of Xinquan fault two kilometers west of Zhang GuoZhuang |
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图 2 张郭庄西两公里沟内出露断裂情况 Figure 2 The fault outcropping in ravine two kilometers west of Zhang GuoZhuang |
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图 3 信泉断裂出露情况 Figure 3 The outcropping of Xinquan fault |
此外，断裂南侧地下水由于受信泉断裂阻挡而溢出成泉，过断裂后不远即渗入地下形成地下跌水.
2 实验设置数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9型多功能直流电法仪，供电电压为280V，数据处理使用二维电法反演软件RES2DINV，该反演软件采用强制平滑的最小二乘法反演技术，利用地面上的电阻率数据生成地下的二维模型，可进行全自动化无初始模型的反演.
2.1 工作剖面布设根据信泉断裂的总体走向和已知出露点，在张郭庄附近布置了四条垂直于信泉断裂的ERT剖面，其中剖面Ⅰ、Ⅱ分别位于图 2所示出露点所在沟东西两侧的平地上，剖面Ⅲ位于剖面Ⅱ西侧平地上，剖面Ⅳ位于剖面Ⅰ东侧平地上.位置示意图如图 4.
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图 4 信泉断裂ERT剖面布置示意图 图中黑色和红色线为ERT剖面，绿色线为推测信泉断裂走向，蓝色点为信泉断裂出露点. Figure 4 The diagram of ERT profile along Xinquan fault The black and red line in the figure is ERT profile，the green line is the infer strike of Xinquan fault，and the blue points is the outcropping of Xinquan fault. |
很多电法类勘探方法在南方应用效果很好，但在西北干旱地区效果却较差，甚至无法应用.这是由于在西北干旱地区地表非常干燥，电极与大地接触不良而导致无法供电.相关计算表明(李金铭，2005)，电极的接地电阻主要是由电极附近(r=5～10r0)的土壤和岩石决定的，故只需对电极附近范围内的土壤进行处理可使接地电阻大为降低.在本研究中，主要采用浇入自来水和盐水的方法降低接地电阻.采用的电极为直径2.2 cm、长80 cm的钢电极，入土深度约50～75 cm.实验时，首先在不做任何处理的情况下对1～14号电极测量接地电阻，之后对1～10号电极浇入自来水(每个电极约1 L)并测量接地电阻.为了进行对比，对7～14号电极浇入浓度为10%的NaCl溶液(每个电极约1 L)并测量接地电阻.最后，对1～14号电极进行踩实处理，并在20 min后测量接地电阻.
2.3 电极装置实验ERT不同的装置形式对异常体的识别能力不同，并从不同侧面反映异常体的特征.因此，本研究在信泉断裂剖面Ⅰ上以10 m电极距分别采用温纳、偶极、施伦贝尔和微分装置进行探测，获得了不同装置下的探测结果，以对比分析不同装置对断裂构造的探测效果.
2.4 电极距实验为了确定最佳探测单位电极距，在信泉断裂剖面Ⅰ上以温纳装置分别采用5 m和10 m单位电极距进行实验，获得了不同电极条件下的探测结果，以对比分析不同电极距对断裂构造的识别能力.
2.5 信泉断裂沿走向特征探测实验为了确定信泉断裂沿走向的变化，在信泉断裂走向上布置了三条剖面(剖面Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，如图 4所示，采用10 m电极距、温纳装置进行探测，并与剖面Ⅰ的探测结果进行对比分析，获得了信泉断裂沿其走向的变化特征.
3 结果与分析 3.1 接地电阻降阻实验图 5给出了不做处理、浇入自来水、浇入10%的NaCl溶液以及踩实并等待20 min后接地电阻情况.从图中可以看出浇入NaCl溶液降低接地电阻的总体效果比自来水要好.而对电极进行踩实处理并等待20 min后的接地电阻明显降低，这主要是由于踩实使得土体与电极紧密接触，并且浇入的水已经渗入土体，使得电极周围较为湿润，从而大大降低了接地电阻.
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图 5 不同接地电阻处理方法效果对比图 Figure 5 The comparison figure of effect of the different grounding resistance treatment methods |
对位于破碎岩体或者粗砂上的电极，采用上述办法处理不能降低其接地电阻，在本次探测中采用以下两种办法可有效降低接地电阻：①在不影响测量结果的前提下移动电极位置到细粒土的位置；②拔出电极，在电极拔出后留下的孔中浇入浓盐水，待盐水充分渗入后重新砸入电极.
3.2 电极装置实验图 6a-d分别给出了信泉断裂剖面Ⅰ10 m电极距温纳、偶极、施伦贝尔和微分装置探测结果.对比四种装置探测结果可以看出，不同电极排列方式下的实测视电阻率断面特征有很大差别，但反演得到的电阻率断面反映的地下电性结构基本一致，与图 2显示的地质结构特征基本吻合.四种装置的反演电阻率剖面在180 m位置均出现了一个明显的错断，断裂破碎带显示为向南西倾斜的低阻带，剖面东北段较厚的低阻层为半胶结的砂砾石层和第四系覆盖层.可见ERT不同装置在信泉断裂上均有较好的应用效果.
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图 6 同一条剖面上10 m电极距不同装置探测结果对比图 (a)温纳装置;(b)偶极装置;(c)施伦贝尔装置;(d)微分装置. Figure 6 The comparison figure of different device in the same profile use 10 m electrode spacing (a)Wenner device；(b)Dipole device；(c)Schlumberger device；(d)Differential device. |
虽然反演剖面反映地质断面结构情况基本相同，与实际情况也较为吻合，但从图中也可以看到，不同电极排列方式对断裂异常的细微特征反映仍各有不同.对于温纳装置而言，其实测视电阻率剖面有一个与断裂倾向相反的高低阻分界面，反演剖面在横向上层状特征较为明显，电性界限清晰，对断裂带的反映也较好，但对剖面南西段低阻薄层反映不明显.偶极装置，视电阻率剖面上有一个与断裂倾向相同的高低阻分界面，反演剖面横向上层状特征明显，与断裂对应的低阻条带也较为明显，对纵深上的岩性变化分辨较为清晰，尤其是剖面南西段的低阻薄层反映明显，其厚度约为4～5 m，剖面东北段的低阻层厚度约为25～30 m，说明偶极装置纵向分辨能力较好.施伦贝尔装置，由于其测量方式的不同，在视电阻率剖面上出现了垂直的条带状异常，断裂面位置为垂直的高低阻分界面，其反映的断裂位置较为准确，在这一点上，温纳装置反映的结果相对向北东偏移，而偶极装置则向南西偏移.微分装置，视电阻率剖面与温纳装置类似，层状特征明显，但对断裂带以及破碎带两侧的低阻层反映较差，因此相比较来说，微分装置的效果较差，这与马志飞等(2009)、程庆等(2012)的研究成果一致.
总体来讲，温纳装置横向分辨率较好，反映断裂带特征较为明显；偶极装置纵向分辨率较好，可以分辨较薄的层状地层；施伦贝尔装置对于电性分界面分辨较为清楚；微分装置效果一般.
3.3 电极距实验图 7a和b分别给出了5 m和10 m电极距温纳装置探测结果图.对比5 m和10 m电极距反演结果可以看出，两条剖面西南段表层为电阻率小于100 Ω·m的薄低阻层，东北段表层为电阻率小于100 Ω·m但厚度较大的低阻层.这与剖面Ⅰ西侧大沟断裂出露(图 3)的情况对应，即：电阻率剖面西南段表层低阻层对应于上盘第四系覆盖层，东北段较厚的低阻层对应于下盘第四系覆盖层和半胶结砂砾石层，剖面中部的低阻条带即为信泉断裂的反映.此外，从5 m电极距和10 m电极距的反演结果对比可以看出，不论5 m电极距还是10 m电极距，对断裂均有较好的反映，5 m电极距剖面对表层薄覆盖层反映较为清楚，上盘覆盖层厚度约为5 m，下盘覆盖层及半胶结的砂砾石层厚度约为25 m，而10 m电极距对薄覆盖层厚度反映不明显，但对断裂破碎带形态反映清晰.
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图 7 同一条剖面上不同电极距温纳装置探测结果图 (a)5 m电极距;(b)10 m电极距. Figure 7 The result figure of different electrode spacing in the same profile use wenner device (a)5 m electrode spacing；(b)10 m electrode spacing. |
信泉断裂剖面Ⅰ探测结果如图 7b，根据前面分析可知，信泉断裂的电性特征为：断裂破碎带电阻率与两侧岩层电阻率差异明显，断裂西南盘顶部电阻率较低，厚度较薄，对应于第四系覆盖层，底部电阻率较高，对应于下伏基岩；东北盘表层电阻率较低，厚度相对于西南盘大，对应于第四系覆盖层和半胶结的砂砾石层，底部电阻率变高，对应于基岩；断裂带为向南西倾斜的低阻带.
3.4.1 信泉断裂Ⅱ剖面图 8给出了信泉断裂剖面Ⅱ探测结果图，对比剖面Ⅰ的探测结果来看，二者实测视电阻率剖面大致相似，但在局部仍有一定的变化.在剖面的东北段，相对于剖面Ⅰ，视电阻率有逐渐变大，且低阻层逐渐变薄的趋势，说明第四系覆盖层逐渐变薄.此外，在视电阻率剖面200 m的位置出现了一个向北东倾斜的高低阻分界面，推断该位置即为断裂带的位置.从该剖面反演结果来看，相对于剖面Ⅰ断裂下盘的第四系覆盖层和半胶结的砂砾石层厚度变小，其断裂位置在剖面230 m处.
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图 8 信泉断裂剖面Ⅱ10 m电极距温纳装置探测结果图 Figure 8 The result figure of ERT profile Ⅱ in Xinquan fault use wenner device and 10 m electrode spacing |
综上所述，剖面Ⅱ与剖面Ⅰ的电性特征基本一致，只是在断裂上盘基岩埋深变浅，甚至裸露地表，而下盘第四系覆盖层和砂砾石层厚度变小.
3.4.2 信泉断裂剖面Ⅲ该剖面东北段地表为第四系覆盖层，地形平坦，南西段地形略有起伏，高差3～4 m，有覆盖层，局部有破碎基岩裸露，图 9给出了探测结果，从该图视电阻率剖面来看，东北段电阻率整体较低，西南段整体电阻率较高，这与地表出露的情况一致.在视电阻率剖面240 m的位置出现了向北东倾斜的高低阻分界面，且该分界面以北浅部电阻率较低，这与信泉断裂的电性特征相似，因此可以推断该分界面即为信泉断裂破碎带位置.在该剖面反演结果110～230 m段表层，有一低阻层，电阻率小于100 Ω·m，厚度小于20 m，对应于第四系覆盖层和半胶结的砂砾石层，与剖面Ⅰ对比来看，该层的厚度减小.
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图 9 信泉断裂剖面Ⅲ10 m电极距温纳装置探测结果图 Figure 9 The result figure of ERT profile Ⅲ in Xinquan fault use wenner device and 10 m electrode spacing |
信泉断裂剖面Ⅳ位于剖面Ⅰ东侧约400 m处，该处被第四系冲洪积物所覆盖，地势平坦.图 10给出了剖面Ⅳ的探测结果，从实测视电阻率剖面来看，在视电阻率剖面200 m的位置，出现了一个向北东缓倾的高低阻分界面，而在反演结果对应位置为一个向南西倾斜的低阻条带，在该低阻条带两侧低阻层厚度差异较大，即第四系覆盖层厚度有较大差异，系为断裂错动引起，这与信泉断裂剖面Ⅰ的电性特征基本一致，可知该异常即为信泉断裂破碎带的位置.
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图 10 信泉断裂剖面Ⅳ10 m电极距温纳装置探测结果图 Figure 10 The result figure of ERT profile Ⅳ in Xinquan fault use wenner device and 10 m electrode spacing |
4.1 通过浇入自来水和NaCl溶液的办法可以很好的解决新疆干旱地区接地不良的问题.电极接地处理的关键在于降低电极周围小范围的电阻，并使电极与周围介质紧密接触.
4.2 温纳装置横向分辨率较好，反映断裂带特征较为明显；偶极装置纵向分辨率较好，可以分辨较薄的层状地层；施伦贝尔装置对于电性分界面分辨较为清楚；微分装置效果一般.
4.3 5m和10 m单位电极距对信泉断裂均有较好的反映，5 m电极距剖面对表层薄覆盖层反映较为清楚，但对断裂破碎带形态反应较差；而10 m电极距对薄覆盖层厚度反映不明显，但对断裂破碎带形态反映较好.
4.4 信泉断裂的电性特征为：断裂破碎带在温纳装置实测视电阻率剖面上表现为向北东倾斜的高低阻分界面，在反演剖面上为向南西倾斜的低阻条带，为低阻板状体异常；断裂两侧的低阻薄层厚度差异较大，下盘低阻层厚度较大，上盘低阻层厚度较小.
4.5 信泉断裂西段覆盖层变薄甚至局部地段基岩裸露，断裂中部覆盖层厚度较厚.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [1] | Comina C, Cosentini R M, Vecchia G D, et al.2011. 3D-electrical resistivity tomography monitoring of salt transport in homogeneous and layered soil samples[J]. Acta Geotechnica, 6 (4) : 195–203. DOI:10.1007/s11440-011-0146-3 |
| [2] | Koukadaki M A, Karatzas G P, Papadopoulou M P, et al.2007. Identification of the saline zone in a coastal aquifer using electrical tomography data and simulation[J]. Water Resources Management, 21 (11) : 1881–1898. DOI:10.1007/s11269-006-9135-y |
| [3] | Krautblatter M, Hauck C.2007. Electrical resistivity tomography monitoring of permafrost in solid rock walls[J]. Journal of Geophysical Research, 112 (F2) : F02S20. |
| [4] | Liu H L, Zhou Q Y, Wu H Q.2008. Laboratorial monitoring of the LNAPL contamination process using electrical resistivity tomography[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 51 (4) : 1246–1254. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.04.036 |
| [5] | Olofsson B, Lundmark A.2009. Monitoring the impact of de-icing salt on roadside soils with time-lapse resistivity measurements[J]. Environmental Geology, 57 (1) : 217–229. DOI:10.1007/s00254-008-1302-4 |
| [6] | White P A.1994. Electrode arrays for measuring groundwater flow direction and velocity[J]. Geophysics, 59 (2) : 192–201. DOI:10.1190/1.1443581 |
| [7] | Zhou Q Y, Hang Y Y, Liu H L, et al.2009. The anisotropic properties of rock resistivity during saturation and desaturation processes revealed by electrical resistivity tomography[J]. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 52 (1) : 281–288. |
| [8] | 阿发友. 2008. 高密度电法和地质雷达在断层及溶洞探测中的应用[硕士论文]. 贵阳: 贵州大学. http://cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd-10657-2008205969.htm |
| [9] | 程庆, 庹先国, 李怀良, 等. 2012. 高密度电法不同装置特点及勘探效果比较[A]. //中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C]. 长沙: 中国地球物理学会. |
| [10] | 程邈, 傅焰林, 李振宇.2011. 高密度电法在查明潜伏断裂中的应用[J]. 工程地球物理学报, 8 (4) : 417–420. |
| [11] | 李金铭.2005. 地电场与电法勘探[M]. 北京: 地质出版社 . |
| [12] | 李清林, 张建志, 秦建增, 等.2003. 高密度电阻率法在城市活断层调查中的应用[J]. CT理论与应用研究, 12 (1) : 1–5. |
| [13] | 李志祥, 毛先进, 韩明, 等.2003. 高密度电阻率法在隐伏断层探测中的应用[J]. 地震研究, 26 (3) : 275–278. |
| [14] | 刘汉乐, 周启友, 吴华桥.2008. 轻非水相液体污染过程的高密度电阻率成像法室内监测[J]. 地球物理学报, 51 (4) : 1246–1254. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.04.036 |
| [15] | 马志飞, 刘鸿福, 叶章, 等.2009. 高密度电法不同装置的勘探效果对比[J]. 物探装备, 19 (1) : 52–55. |
| [16] | 王诗东, 庹先国, 李怀良, 等.2011. 氡气测量法-高密度电法在断层定位中的应用[J]. 地学前缘, 18 (2) : 315–320. |
| [17] | 伍开江, 周启友.2005. 岩柱中水体入渗过程的高密度电阻率成像法研究[J]. 水文地质工程地质 (2) : 76–81. |
| [18] | 玄月, 王金萍, 冯军, 等.2011. 高密度电法在隐伏断裂探测中的应用[J]. 大地测量与地球动力学, 31 (2) : 1–4. |
| [19] | 杨金山, 张立忱, 欧阳兆国, 等.2007. 高密度电法在近场区断层探测中的应用[J]. 东北地震研究, 23 (4) : 47–51. |
| [20] | 张凌云, 刘鸿福, 李成友.2010. 高密度电法测量中接地电阻试验研究[J]. 勘探地球物理进展, 33 (3) : 179–183. |
| [21] | 张应文, 何建华, 代迪, 等.2013. 贵州山区大功率电法勘探中改善接地电阻的方法技术[J]. 物探与化探, 37 (3) : 517–520. |
| [22] | 周启友, 杭悦宇, 刘汉乐.2009. 饱水和排水过程中岩石电阻率各向异性特征的电阻率成像法研究[J]. 地球物理学报, 52 (1) : 281–288. |