综合物探法在小关山活动断裂勘查中的研究与应用进展.pdf

027总第116期052023年026华北自然资源地质勘探2023.5 裴 辉：综合物探法在小关山活动断裂勘查中的研究与应用进展摘要：通过测氡法、浅层地震折射法与高密度电阻率测深法结合的综合物探方法建立综合剖面，对小关山活动断裂勘察工程作出精确定位。同时进行钻探工作验证，对小关山断裂的活动性进一步探讨。勘查结果表明，管道桩号AF038附近的小关山断层走向为北西353，断层中心地面投影与管道相交于AF038西约10 m的位置，该断层在地面沿倾向宽度约50 m，倾向西，倾角约4060，为逆断层。由此可见，建立物探综合剖面并辅以钻探验证，定位区域活动断裂可查明活动断层的位置并对其规律进行分析，进一步验证了物探结论的科学性。关键词：综合物探法；勘察；活动断裂中图分类号：P631 文 献标识码：A文章编号：2096-7519（2023）05-27-3裴 辉（山西省地质勘查局二一四地质队有限公司，山西 运城 044000）作者简介：裴辉（1988），男，工程师，本科，毕业于中国地质大学（北京），研究方向：工程物探。综合物探法在小关山活动断裂勘查中的研究与应用进展1我国是一个地质灾害频发的国家。很多地区内部构造活动性微弱，但区域周边活动性均较活2跃。区域活动断裂与地震具有密不可分的关系，一直是地球科学研究的重要领域。活动断裂的突发错动极有可能引发地表错位，对当地人民生命财产安全造成危害。可见，确定和评估活动断裂的精确位置，对国家土地利用及城乡规划建设具有指导意义。采用综合地球物理勘探方法对隐伏断层和活动断裂带的地质物理特征进行分析，可以有效获取大量地下信息，并对勘探地点进行评价。活动断裂的研究和评价工作虽有显著进步，但由于实地野外工作不确定性较大而加大难度。因此，对活动断裂的探测研究尚需系统深入研究。本项勘察工作受国家石油天然气管网集团有限公司西气东输分公司委托，依托中国石油天然气管道工程有限公司承担的西气东输三线中段（中卫吉安）项目中卫枣阳段进行小关山断裂的勘察任务，通过多种物探手段探测分析对比，初步查明小关山断裂与管道相交的具体位置及断裂产状、性质等，为后续钻探推荐合理布孔位置的同时为工程钻探和岩土工程评价提供必需的工程物探资料。1 地质条件分析拟勘察场区位于宁夏固原市彭阳县古城镇乃河村附近。勘察场区整体呈东西高沟底低态势，南边为沟谷及阶地，北边为河道及平地，阶地及平地主要为农田。小关山东麓断裂的总体走向N10W，星罗分布于小关山脚下。断裂全长约60 km，断面向西倾，倾角5070。断面测年结果为距今40.973.48 ka，表明断层活动时代为晚更新世。2 工作方法与布置实施根据任务要求，本次选用的物探方法为测氡、高密度电法并结合浅层地震折射法。先在里程桩号岩。岩体质量系数采用公式（1）计算：式中：Z为岩体质量系数；I为岩体完整系数（根据本次施工的6个钻孔的RQD值，矿层的RQD值平均47.81%）；f为结构面摩擦系数（岩石的裂隙不发育，单层厚度一般大于30 cm，结构面的摩擦系数取0.40）；S为岩块坚硬系数；R 为岩块饱和轴向c抗压强度。岩体质量指标采用公式（2）计算：式中：M为岩体质量指标；R 为岩块饱和轴向抗c压强度；RQD为钻孔获取值，本次研究采用47.81%。通过计算，矿层岩体质量系数介于0.611.41，平均0.84；岩体质量指标介于0.511.18，平均0.74；矿层顶底板质量系数分别为0.52和0.55，质量指标分别为0.44和0.46，相对矿层低，岩体质量等级一般。3 环境地质特征3.1 矿区环境灾害目前，矿山处于工业场地建设阶段，因场地建设在矿区东北部挖方形成5处不稳定边坡，边坡为场地建设时人工切坡而成，为岩质边坡，多级台阶，台阶坡度多为5575，坡体上主要岩性为奥陶系中统上马家沟组一段灰色、土黄色中厚层角砾状灰岩、泥灰岩，岩层倾角35左右，边坡整体高度约1060 m，工业场地正在建设中，尚未对坡体采取治理措施，在未开始生产状态下，稳定性较好，危害性相对较小。矿区范围内未发现崩塌、地面塌陷、地裂缝等地质灾害，在矿区东北部发育有1处不稳定边坡，地质灾害危险性小，影响程度较轻。在水文条件较弱的情况下泥石流地质灾害影响程度较轻。3.2 潜在地质灾害及影响在未来生产过程中，预测矿山生产活动引发的地质灾害主要为泥石流。由于开采过程中会产生一定的废石，若处置不当在暴雨季节可能成为泥石流的物源，形成泥石流途径下游沟谷，沟口虽无村庄分布及重要建构筑物，但要注意潜在地质灾害对矿区内生产设备及人员的影响。根据开发利用方案，采用地下开采，土地利用类型以荒山、荒坡为主，对地形地貌景观、地表生态、植被环境影响较小。4 结论1）研究区含水层为奥陶系中统石灰岩，以厚层-薄层泥晶灰岩及花斑灰岩为主（厚约200 m），矿区岩溶地下水水位（480 m）远低于最低开采标高（830 m），地下水对矿床开采影响微弱。区内大气降水通过裂隙径流至矿层，是最主要的矿床充水因素。2）根据矿区内钻孔以及矿芯饱和单轴抗压强度测试，计算并评价了矿层岩体，岩体质量系数0.611.41，平均0.84；岩体质量指标0.511.18，平均0.74；矿层顶底板质量系数分别为0.52和0.55，质量指标分别为0.44和0.46，相对矿层低，岩体质量等级一般。3）目前，矿区处于始建阶段，形成的边坡等危害性相对性较小，若生产过程中对废石处理不当会成为泥石流的物源，对矿区内的生产设备及人员产生一定影响。参考文献：1 郑 平,姚征.绍兴县洞桥建筑石料矿矿床特征及 开采技术条件分析J.中国非金属矿工业导刊,2016(04):26-27+52.2 闫行.云浮市云安区重点建筑石料开采区工程地 质特征分析:以某露天石场为例J.资源信息与 工程,2022,37(06):45-48+52.3 周亚光.玉皇全采石场建筑石料用灰岩矿矿山地 质环境治理工程设计J.能源与环保,2020,42 (09):45-49.4 刘勇,王浩霖,李静静,宋维壮.巩义市历史遗留 露天矿山地质环境问题现状及治理对策J.能 源与环保,2021,43(04):15-22.（1）（2）029总第116期052023年 裴 辉：综合物探法在小关山活动断裂勘查中的研究与应用进展028华北自然资源地质勘探2023.5AF038附近垂直断层走向布置3条测氡测线，确定断层与管道相交的位置后，再以交点为中心，分别布设东西向及南北向高密度及浅震测线。2.1 工作方法2.1.1 测氡法2013年，Ihedef等人根据Seferihisar-zmir图兹拉断层周围的位置、水平土壤层研究了土壤气体氡浓度。2017年，丁伟成等人研究了一种alpha杯技术，该技术可提供随时间推移吸收氡子体的累积结果。土壤氡测量方法是基于双滤膜测氡原理，利用微型泵结合静电收集的氡衰变的自动化测样方法。本研究采用HDC型高灵敏度环境测氡仪进行测定（石家庄核工业航测遥感中心生产）。2.1.2 浅层地震折射法在目前国际工程震害勘察中，浅层地震折射法是技术较为完善、使用较为普遍的地球物理勘察方法之一。1969年，Hasselstrm介绍了瑞典的一些勘测实例，说明水体勘探和调查地表以下基岩状况时使用浅层地震折射法的可能性。之后Takekoshi等人提出一种在浅层地震折射测量中获得SH波数据的波形反演方法，以确定浅层土壤的二维非均匀S波剖面。本次浅层地震折射法采用双重相遇追逐系统观测。现场勘探采用北京市水电物探研究所SWS-5型工程勘探与工程检测仪，一炮24道接收。2.1.3 高密度电阻率测深法高密度电法是一种基于岩石（土壤）电导率差异的电阻率测深法和电阻率剖面法相结合的多器件、多极距阵列电检测方法。基本原理是通过A、B电极向地下供电流I，然后再定点测量电位差V，从而求得两点的视电阻率值=KV/I。本次高密度测量工作使用的仪器是A4时域高密度电法测量系统（产自重庆凌峰地迈科技有限公司），野外工作方法为高密度电法测量采用装置（温纳四极）。2.2 工作布置与实施本次测地工作平面坐标采用CGCS2000坐标系，高斯正形投影，3度分带，中央子午线为105度，采用1985年国家高程基准。野外工作方法的仪器模式为网络移动站（CORS）模式，测地采用点放样进行，布测时卫星数20颗，卫星截止高度角15，PDOP值6。3 综合地质解释3.1 数据处理与反演3.1.1 测氡法对单点采集的氡气数据进行畸变点删除后，求取平均值作为单点的氡气测量值，对剖面数据采用三点滑动平均压制高频干扰，利用grapher软件进行剖面图绘制、分析、圈定异常。3.1.2 浅层地震折射法数据处理使用德国Reflexw折射波和折射层析成像模块软件。3.1.3 高密度电阻率测深法本次高密度电法数据处理使用瑞典RES2DINV高密度电法数据处理及成图软件先进行预处理，包括剔除视电阻率参数畸变点、滑动平均、倒转剖面等，借以消除个别数据点错误及随机噪声。而后对视电阻率参数分级计算均值、标准差并进行统计分析，求得各层视电阻率及深度，绘制灰度图，初步定性解释。采取有限元最小二乘反演法，并绘制模型电阻率带地形断面图。3.2 物探成果解释3.2.1 测氡法主要根据3条剖面测氡数据的极值判断小关山断裂的走向，结合地调资料，推断断层走向为北西约353，图中红虚线在断层中心地面投影与管道相交于AF038西约10 m左右的位置（见图1）。3.2.2 浅层地震折射法本次浅层地震折射波法共完成2条剖面。地表覆盖层为低速区，层厚约0.03.0 m。在320520 m之间存在明显的低速区，波速为1.31.5 km/s，低速区有2个极值中心，推断460520 m之间的低速异常对应小关山断裂位置，断裂两边地层岩性为K1 m的泥岩、泥灰岩地层，波速为1.61.9 km/s，700 m以后地层为E3q的砂质泥岩、细砂岩，波速为1.82.2 km/s。在160300 m之间存在明显低速区，波速为1.31.4 km/s，推断240340 m之间的低速异常对应小关山断裂位置，620 m处低速异常区应为砂岩含水区。3.2.3 高密度电阻率测深法本次高密度电阻率测深法完成2条剖面。在300660 m之间存在明显的低阻区，电阻率在15 m以下，低阻区存在3个极值中心，推断420480 m之间存在明显倾向的低阻极值对应小关山断裂位置，断裂两边地层岩性为K1 m的泥岩、泥灰岩地层，电阻率为530m，680 m以后地层为E3q（中生界）的砂质泥岩、细砂岩，电阻率为50200m。在120300 m之间存在明显低阻区，电阻率在515 m，有2个极值中心，推断200280 m之间的低阻异常对应小关山断裂位置，620 m处低阻异常区应为砂岩含水区。4 结论本次工程物探施工方法采用测氡法、浅层地震折射法与高密度电阻率测深法结合的综合物探方法，不仅各项技术指标满足设计规范要求，还高效高质地查明了小关山断裂与管道相交的具体位置及断裂产状、性质等，为后续钻探推荐合理的布孔位置。综合物探结果分析表明：管道桩号AF038附近的小关山断层走向为北西353，该断层在地面沿倾向宽度约50 m，西倾角约4060，逆断层。该研究分析对实际应用评估具有十分重要的意义。参考文献：1 张培震,邓起东,张竹琪,等.中国大陆的活动断 裂、地震灾害及其动力过程J.中国科学:地球 科学,2013,43(10):1607-1620.2 国家地震局鄂尔多斯活动断裂系课题组.鄂尔多 斯活动断裂系M.北京:地震出版社,1988.图1 测氡平剖图及推断029总第116期052023年 裴 辉：综合物探法在小关山活动断裂勘查中的研究与应用进展028华北自然资源地质勘探2023.5AF038附近垂直断层走向布置3条测氡测线，确定断层与管道相交的位置后，再以交点为中心，分别布设东西向及南北向高密度及浅震测线。2.1 工作方法2.1.1 测氡法2013年，Ihedef等人根据Seferihisar-zmir图兹拉断层周围的位置、水平土壤层研究了土壤气体氡浓度。2017年，丁伟成等人研究了一种alpha杯技术，该技术可提供随时间推移吸收氡子体的累积结果。土壤氡测量方法是基于双滤膜测氡原理，利用微型泵结合静电收集的氡衰变的自动化测样方法。本研究采用HDC型高灵敏度环境测氡仪进行测定（石家庄核工业航测遥感中心生产）。2.1.2 浅层地震折射法在目前国际工程震害勘察中，浅层地震折射法是技术较为完善、使用较为普遍的地球物理勘察方法之一。1969年，Hasselstrm介绍了瑞典的一些勘测实例，说明水体勘探和调查地表以下基岩状况时使用浅层地震折射法的可能性。之后Takekoshi等人提出一种在浅层地震折射测量中获得SH波数据的波形反演方法，以确定浅层土壤的二维非均匀S波剖面。本次浅层地震折射法采用双重相遇追逐系统观测。现场勘探采用北京市水电物探研究所SWS-5型工程勘探与工程检测仪，一炮24道接收。2.1.3 高密度电阻率测深法高密度电法是一种基于岩石（土壤）电导率差异的电阻率测深法和电阻率剖面法相结合的多器件、多极距阵列电检测方法。基本原理是通过A、B电极向地下供电流I，然后再定点测量电位差V，从而求得两点的视电阻率值=KV/I。本次高密度测量工作使用的仪器是A4时域高密度电法测量系统（产自重庆凌峰地迈科技有限公司），野外工作方法为高密度电法测量采用装置（温纳四极）。2.2 工作布置与实施本次测地工作平面坐标采用CGCS2000坐标系，高斯正形投影，3度分带，中央子午线为105度，采用1985年国家高程基准。野外工作方法的仪器模式为网络移动站（CORS）模式，测地采用点放样进行，布测时卫星数20颗，卫星截止高度角15，PDOP值6。3 综合地质解释3.1 数据处理与反演3.1.1 测氡法对单点采集的氡气数据进行畸变点删除后，求取平均值作为单点的氡气测量值，对剖面数据采用三点滑动平均压制高频干扰，利用grapher软件进行剖面图绘制、分析、圈定异常。3.1.2 浅层地震折射法数据处理使用德国Reflexw折射波和折射层析成像模块软件。3.1.3 高密度电阻率测深法本次高密度电法数据处理使用瑞典RES2DINV高密度电法数据处理及成图软件先进行预处理，包括剔除视电阻率参数畸变点、滑动平均、倒转剖面等，借以消除个别数据点错误及随机噪声。而后对视电阻率参数分级计算均值、标准差并进行统计分析，求得各层视电阻率及深度，绘制灰度图，初步定性解释。采取有限元最小二乘反演法，并绘制模型电阻率带地形断面图。3.2 物探成果解释3.2.1 测氡法主要根据3条剖面测氡数据的极值判断小关山断裂的走向，结合地调资料，推断断层走向为北西约353，图中红虚线在断层中心地面投影与管道相交于AF038西约10 m左右的位置（见图1）。3.2.2 浅层地震折射法本次浅层地震折射波法共完成2条剖面。地表覆盖层为低速区，层厚约0.03.0 m。在320520 m之间存在明显的低速区，波速为1.31.5 km/s，低速区有2个极值中心，推断460520 m之间的低速异常对应小关山断裂位置，断裂两边地层岩性为K1 m的泥岩、泥灰岩地层，波速为1.61.9 km/s，700 m以后地层为E3q的砂质泥岩、细砂岩，波速为1.82.2 km/s。在160300 m之间存在明显低速区，波速为1.31.4 km/s，推断240340 m之间的低速异常对应小关山断裂位置，620 m处低速异常区应为砂岩含水区。3.2.3 高密度电阻率测深法本次高密度电阻率测深法完成2条剖面。在300660 m之间存在明显的低阻区，电阻率在15 m以下，低阻区存在3个极值中心，推断420480 m之间存在明显倾向的低阻极值对应小关山断裂位置，断裂两边地层岩性为K1 m的泥岩、泥灰岩地层，电阻率为530m，680 m以后地层为E3q（中生界）的砂质泥岩、细砂岩，电阻率为50200m。在120300 m之间存在明显低阻区，电阻率在515 m，有2个极值中心，推断200280 m之间的低阻异常对应小关山断裂位置，620 m处低阻异常区应为砂岩含水区。4 结论本次工程物探施工方法采用测氡法、浅层地震折射法与高密度电阻率测深法结合的综合物探方法，不仅各项技术指标满足设计规范要求，还高效高质地查明了小关山断裂与管道相交的具体位置及断裂产状、性质等，为后续钻探推荐合理的布孔位置。综合物探结果分析表明：管道桩号AF038附近的小关山断层走向为北西353，该断层在地面沿倾向宽度约50 m，西倾角约4060，逆断层。该研究分析对实际应用评估具有十分重要的意义。参考文献：1 张培震,邓起东,张竹琪,等.中国大陆的活动断 裂、地震灾害及其动力过程J.中国科学:地球 科学,2013,43(10):1607-1620.2 国家地震局鄂尔多斯活动断裂系课题组.鄂尔多 斯活动断裂系M.北京:地震出版社,1988.图1 测氡平剖图及推断