济南市城区刘志远断裂的高密度电法探测及活动性探讨_李晓东.pdf

2021年第1期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-21修回日期 2020-04-22 第一作者简介 李晓东 （1982-） ， 男 （汉族） ， 山东蓬莱人， 工程师， 现从事地质工程、 岩土工程相关研究工作。 济南市城区刘志远断裂的高密度电法探测及活动性探讨 李晓东 1*， 刘海生2 （1.山东建材勘察测绘研究院有限公司， 山东 济南 250100； 2.山东同方防震技术有限公司， 山东 济南 250001） 摘要刘志远断裂位于济南市东部城区， 随着济南东部城区旧村改造进程的推进， 新建、 改建、 扩建 建筑物和构筑物不断增加， 探明刘志远断裂具体位置并研究其活动性具有重要的工程意义。采用了 高密度电法探测， 并进行钻孔联合剖面验证， 确定了刘志远断裂延伸至市区隐伏段的具体位置， 为该 地区后期的城市建设提供了可靠的基础资料。 关键词 刘志远断裂； 高密度电法； 钻孔联合剖面 中图分类号 P59 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202101-0111-04 断裂不仅是地震发生的根源， 也是地震发生时建 筑物破坏最严重的的区域， 这一认识越来越受到大家 的关注， 尤其是建筑行业和设计部门在遇到断裂的工 程时， 更加谨慎地对待断裂的避让和地基处理问题。 从工程的角度去考虑， 要解决这一问题， 首先要准确探 明断裂的位置、 破碎带影响范围等， 鉴定其活动性， 评 价其对工程的影响， 从而为规划设计和工程建设提出 合理的建议和应对措施， 减轻或避免地质灾害带来的 损失， 保护生命和财产安全[1]。 刘志远断裂， 又称东坞断裂， 北起烈士山附近， 往 南经刘志远村，在小汉峪附近与郭店断裂交汇， 向南延 伸至南部山区， 断层通过的部位往往有泉水涌出[2]， 通 常被认为是济南泉域的西边界[3-4]。该断裂可大致以郭 店断裂为界分为两段， 南段为低山区， 对城市影响相对 较小， 北段由低山区逐渐过渡到山前冲洪积平原区， 所 在位置是目前济南高速发展的区域， 因此本次工作主 要针对刘志远断裂北段， 探明其具体位置， 并对其活动 性进行鉴定， 为该地区后期城市建设提供依据。 目前用于城市断层探测的方法很多， 对于基岩埋 深较浅的地区， 高密度电法是有效的方法之一[5-6]， 高密 度电法兼容电测深法与剖面法， 测点较密， 对于横向和 纵向电阻率异常都有较好的分辨[7]， 在实际应用过程 中， 能分辨出基岩起伏、 地质界线、 断裂构造等诸多构 造现象。本文根据刘志远断裂分布区的地质情况， 采 用了高密度电法探测， 并进行钻孔联合剖面验证。 1高密度电法探测原理简介 高密度电法是20世纪80年代提出的一种电法勘 探新技术， 其基本原理与传统的电阻率法相同， 所不同 的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点， 现 场测量时， 只需将全部电极布置在一定间隔的测点上， 然后进行观测。在设计和技术实施上， 高密度电测系 统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路， 使用 电极数量多， 而且电极之间可自由组合， 这样就可以提 取更多的地电信息。因此， 高密度电阻率法是一种成 本低、 效率高、 信息丰富、 解释方便且勘探能力显著提 高的电法勘探新方法[8]。 2工作布置 根据刘志远断裂北段所处地质条件， 主要为山前 冲洪积平原及丘陵区， 并向南延伸至低山区。本次工 作布设4条高密度电法测线， 测线间距大致为2～3km， 基本控制了断裂北段分布范围。布设测线区域地形较 为平坦， 电极接地条件良好， 测线布设如图1所示。 为保证探测深度、 精度及数据的可靠性， 本次工作 采用温纳装置 （α排列装置） ， 它适用于固定断面测量。 该测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量， 启动 一次测量最少测一条剖面线， 存储与显示时亦以剖面 线为单位进行。一个断面由若干条剖面线组成， 且每 条剖面线有唯一编号， 简称剖面号。即测量某一剖面 N时， AMNB相邻电极保持极距a， 每测量完一点向前 移动一个基本点距x， 直至B极为最后一个电极为止， 剖面上的测点数随剖面号增大而减少， 其断面上测点 呈倒梯形分布。 111 2021年第1期西部探矿工程 测线1位于义和庄村北， 由东向西布设， 测线长度 237m， 电极间距3m， 测试层数11层， 电极数80个， 供电 时间2s， 供电电压100V。测线2位于刘志远村北， 由东 向西布设， 测线长度206m， 电极间距2m， 测试层数15 层， 电极数104个， 供电时间2s， 供电电压100V。测线 3位于南湖村东， 由西向东布设， 测线长度190m， 电极 间距2m， 测试层数15层， 电极数96个， 供电时间2s， 供 电电压100V。测线4位于小汉峪村东， 由东向西布设， 测线长度237m， 电极间距3m， 测试层数15层， 电极数 80个， 供电时间2s， 供电电压100V。各测线设置参数 见表1。 3资料解释分析 通常情况下， 高密度电法剖面中的视电阻率值在 横向上几乎没有变化， 或者变化缓慢、 连续； 在纵向上， 视电阻率值递增或递减。如果有地层断错并且两盘电 阻率值有较大变化， 视电阻率等值线拟断面图上会有 明显的带状或 “U” 、“V” 型高阻或低阻异常， 结合地质 资料可判断构造异常。 参数 1测线 2测线 3测线 4测线 电极间距 （m） 3 2 2 3 电极数 （个） 80 104 96 80 测线长度 （m） 237 206 190 237 最大隔离系数n 26 34 31 26 供电电压 （V） 100 100 100 100 供电时间 （s） 2 2 2 2 表1高密度电法测试参数设置 测线1位于义和庄村北， 由于地表耕土影响， 电阻 率在纵向上， 表现为高低高特征； 剖面横向上， 在 距离剖面起点90m处被错断， 表现为明显低阻异常带； 测线2西部人工填土较厚， 道路硬化， 原始电阻率偏高， 地表电阻率分布稍不均， 横向电阻率在距离起点约 70m处出现一个低阻异常； 测线3横向上在距离剖面起 点90m处被错断， 断层上下盘电阻率跃变； 揭示出刘志 远断裂位置。由于篇幅所限， 本文仅给出测线4电阻率 剖面图。 测线4位于小汉峪村东， 视电阻率资料采集环境一 般， 电阻率背景噪声中等， 反演时采用中等阻尼参数， 结合电阻率值和相关地质信息， 调整计算后给出正演 模型， 最后用基于圆滑约束最小二乘法反演。距离测 线起点120m处电阻率值明显跃变， 为断裂的地球物理 响应。断裂西侧为发育溶洞且呈现高阻的石灰岩， 断 裂东侧上部为发育溶洞且呈现高阻的石灰岩、 下部为 燕山期闪长岩， 结合1 ∶ 5万地质图、 钻探资料以及刘志 远断裂规模、 性质特征， 该处揭示出刘志远断裂位置。 4钻孔联合剖面验证 为验证高密度电法探测结果并进一步判定断裂最 新活动性， 在测线4、 测线2附近分别开展了钻探工作 P1、 P2。 其中 P1 处布设 4 个钻孔， 编号自西向东依次为 Z1-Z4， 间距分别为15m、 8m、 10m， 孔深28.3～32.0m， 均揭示至中风化石灰岩或闪长岩。根据钻探结果， 场 地上覆第四系填土、 粉质粘土、 碎石层， 下伏奥陶系石 灰岩、 白垩系闪长岩 全新统 （Qh） 主要为松散的填土， 底界埋深1.0～ 3.0m。 上更新统 （QP3） 以褐红色粉质粘土为主， 含网状 钙质条纹及姜石， 底界埋深3.0～3.3m， 对比良好， 无错 断迹象。 中更新统 （QP2） 上部为棕红色粉质粘土， 下部为 石灰岩碎石层标志层， 多呈次棱角状， 磨圆度差， 厚度 112 2021年第1期西部探矿工程 距分别为20m、 6m、 3m。钻探结果显示， 场地上覆第四 系填土、 粉质粘土、 碎石层， 底界埋深为3.5～4.3m， 土 层连续性较好， 下伏奥陶系石灰岩， 钻探深度 Z5 为 20m， Z6-Z8为30m， 其中Z5揭示的石灰岩相对较为完 整， 局部溶蚀， 未见明显碎裂岩， Z6-Z8揭示的石灰岩 风化溶蚀较为严重， 发育蜂窝状溶孔， 大部分贯通， 可 见强风化角砾岩， 钙质胶结， 强度较低。根据钻探结果 判定， Z6-Z8钻孔应该都位于断裂破碎带内， 显示断裂 位置与高密度电法测试结果一致， Z5钻孔位于断裂西 侧， 断裂破碎带范围应大于9m。 5断裂活动性探讨 为对断裂活动时代进行分析， 在南胡村东、 测线3 附近沿断裂进行人工探槽开挖 （图4） 。探槽长约20m， 深度约3～5m， 剖面揭示断层发育在泥灰质页岩、 奥陶 系石灰岩之间， 断层上覆第四系杂填土、 残坡积土， 断 层破碎带宽约12m。断层主滑动面不明显， 断层带内 主要为胶结碎裂岩， 呈透镜体状。由该点沿断层走向 向北约300m， 经人工开挖剥落上盘， 断层面及下盘清 晰可见， 断层走向155， 南西倾向， 倾角70， 断层带内 碎裂岩已钙质胶结， 对上覆第四系地层无影响。 结合高密度电法测试结果、 钻探结果和地质考察 结果来看， 刘志远断裂未错断中更新世地层， 断层两侧 基岩为奥陶系石灰岩， 断层附近伴有燕山期闪长岩侵 入， 断裂对地貌基本无影响， 破碎带宽度范围约 8～ 图2跨刘志远断裂钻孔联合剖面图 与埋深基本一致。 基岩 主要为奥陶系石灰岩， 在Z2、 Z3孔底部揭示 有白垩系闪长岩侵入， 有碎裂岩发育 （图2） ， 主要成分 为石灰岩和闪长岩碎块， 泥质和钙质胶结， 碎裂岩中可 见擦痕 （图3） 。基岩揭露厚度2～2.5m， 该层有明显错 位， 垂直位移量约3m， 上盘下降， 下盘上升， 显示正断 性质， 倾角较大。 P2布设4个钻孔， 编号自西向东依次为Z5-Z8， 间 图3碎裂岩照片 113 2021年第1期西部探矿工程 12m， 沿断裂未发生过破坏性地震， 1970年以来断裂两侧 10km范围内仅在2017年1月11日发生过1次西营2.0级 地震。综合分析认为该断裂中更新世以来不活动。 6结论及工程意义 （1） 对刘志远断裂北段开展高密度电法测试及钻 探验证、 地质考察， 结果有较好的一致性， 确定了大比 例尺下断裂分布位置， 断裂走向北北西， 倾向南西。 （2） 根据地层错断特征、 地质地貌情况综合分析认 为刘志远断裂主要发育在基岩中， 对地貌无影响， 活动 性较弱。小汉峪村附近断裂垂直位移量约3m。 （3） 根据本次工作结果， 在该断裂及其附近进行工 程建设时， 根据GB50011-2010 建筑抗震设计规范 （2016年版） 相关规定， 刘志远断裂属非全新世活动断 裂， 可不避让该断裂， 考虑断裂破碎带内基岩承载力相 对较低， 存在地基不均一性问题， 应按照相关规范要求 进行地基处理。 （4） 具体工程建设中， 应进一步研究确定工程所在 地断裂的破碎带分布及其影响范围， 并寻找断裂最新 活动证据。 参考文献 [1]唐荣昌， 等.活动断裂的地质研究与城市建设[J].国土经济， 2002 （3） 21-23. 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