综合物探在郯庐断裂宿迁段勘察中的应用.pdf

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·地质勘察·收稿日期:20160806综合物探在郯庐断裂宿迁段勘察中的应用毛 星1,2 刘剑飞1(1.中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京  102600;2.中国地质大学(北京 )北京 100083)摘 要 活动断裂对铁路工程影响巨大,徐宿淮盐铁路选线时线路难以避开郯庐断裂,本文采用综合物探方法对郯庐断裂的主干断裂 F5 断裂进行了探查,方法包括音频大地电磁法、电测深法、土壤氡浓度测量和二维面波法,根据探查结果分析了 F5 断裂的位置、产状,判识认为 F5 断裂活动性较强,为铁路地质选线和安全施工提供了重要依据。关键词 综合物探 郯庐断裂 活动断裂 铁路工程中图分类号   U212.22 文献标识码  B 文章编号 1009  4539(2016)11002504   ApplicationofComprehensiveGeophysical   MethodsinSurveyingthe   ⁃ SuqianSectionofTanLuFault MaoXing1,2  ,LiuJianfei1(1.        ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.    Ltd.,Beijing102600,China;2.  ChinaUniversityof      Geosciences(Beijing),Beijing100083,China)Abstract               ⁃⁃’ ⁃Activefaultshaveagreatinfluenceonrailwayengineering,andtherailwaylocationofXuzhouSuqianHuaian      ⁃  YanchengishardtoavoidtheTanLufaultzone.        ⁃Thispaperadoptedcomprehensivegeophysicalexplorationmethodstoex   plorethemainfault  ⁃          F5ofTanLufaultzone,includingaudiofrequencymagnetotelluricmethod,electricsoundingmethod, themeasurementof   radonconcentrationinsoil ⁃andtwodimensional     surfacewavemethod,andthenit  detectedthemainfault       ⁃ F5attheSuqiansectionoftheTanLufault.         ThelocationandtheattitudeofF5fracturewereanalyzed.  ⁃Andtheactiv ityof F5fault    wasconsideredtobestrong.    Theseconclusionscouldprovideimportant     basisfortherailwaylineselection  andsafeconstruction. Keywords  comprehensivegeophysical ⁃ exploration;TanLufault    zone;activefault;railwayengineering 1引言郯庐断裂带是一条巨型断裂带,其构造形迹由一系列近乎平行的呈北北东向展布的断裂组成,而且被北西向扭性断裂切割、错移。 新建铁路线路以大角度通过该断裂带,通过宽度约  24km。 郯庐断裂带在拟建场地内由 5 条主干断裂组成,由东而西分别称为王庄集 - 苏圩断裂(F1)、大贤庄 - 桥北镇断裂(F5)、大官庄 - 双庄断裂(F2)、耿车 - 山头断裂(F3)及赵埝 - 高作断裂(F4)  [1-2] 。F5 断裂在江苏段是否为全新世活动断裂目前在学术上仍有较大争议。 由于铁路线路与郯庐断裂基本正交,且该断裂带在江苏段南北走向长度约  322km,难以绕避,因此查清该断裂带各主干断裂的性质,是线路方案确定的重要依据。 2综合物探工作思路工程上活动断裂是指晚更新世以来产生过地52铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·表位移活动(尤其是强震)的断裂[3]。 活动断裂对铁路工程的影响严重[4]。 因此查明 F5 断裂的性质和位置是本次综合物探探测的任务要求。物探方法选择时,首先考虑到测区断裂带与围岩电性差异明显,弹性波速差异也明显,因此采用电法和地震法;再次考虑到探测深度,确定了音频大地电磁法探测深度到   1000m 左右,电测深法探测深度到  55m 左右,二维面波法探测深度  10m 左右,这样从深部到浅部都能够有效控制;最后,选择土壤氡浓度测量法,验证电法和地震法。综合物探方法平面布置情况,如图 1 所示。图  1综合物探方法测线平面布置 3音频大地电磁法  3.1音频大地电磁测法简介被动源大地电磁测深采集主要来自太阳辐射的电磁信号,所观测的天然交变电磁场具有很宽的频率范围,大致从  104Hz 到    10-4Hz,但由于距地表较远,天然电磁场近似可看成以平面波的形式垂直入射大地。 当这些平面电磁波以交变电磁场的形式在地下介质中传播时,由于电磁感应作用,地面观测到的电磁场值将包含地下介质电阻率的信息;同时由于电磁场的趋肤效应,不同频率的电磁场信号具有不同的探测深度,利用地球对天然电磁场的频率响应,可获取不同深度介质的电性结构信息  [5-8]。本次探测采用音频大地电磁法,与大地电磁法相比,频率较高,对浅部的分辨率较高,更适用于工程勘探。 根据趋肤深度公式 δ  =503ρT(m),结合工区的电性特征,采集时间选择为半小时左右,观测的频率段为    104~100Hz,探测深度大约  1km。  3.2野外工作布置针对 F5 断裂探测,音频大地电磁测深剖面共布置三条,如图 1 所示,基本沿着或平行拟建铁路走向,测点间距为  25m,野外布站时,采用森林罗盘确定方位,采用米尺测量电极距,同时借助水平尺保证磁场传感器安放水平。 采集参数设置:点距 25m,东西、南北电极距均为  60m,采集四分量 Ex、Ey、Hx、Hy,采集时间  30min。 有效勘探深度可达  1000m。  3.3音频大地电磁数据处理与成果解释音频大地电磁数据处理首先对数据进行编辑,旨在剔除不合理数据。 数据编辑好之后,采用非线性共轭梯度(NLCG)二维大地电磁测深反演算法进行了不同模式  (TM,TE,TM+TE)、不同参数的反演计算,得到了沿剖面的大量二维电性结构模型。 对大量模型进行对比、分析,确定了最终的电性结构模型。         最后三条剖面反演拟合差 RMS   分别为 3.13%、22    298%、2.37%,2认为拟合较好。下面结合现有地质资料对测区的音频大地电磁成果做解释。 物探及地质成果图如图 2 所示。图  2音频大地电磁 2、3、4 号测线成果与解释图 62铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·音频大地电磁 2、3、4 号测线综合结果表明:探测区域覆盖层厚度约  200m,以下为基岩,钻探资料显示基岩岩性为砂岩;基岩中存在断裂带的异常反应,其主要位置详见各测线物探解释。音频大地电磁 2 号测线, 在地表里程段落      DK115+350~DK115+750 存在一个倾角陡立,向小里程方向倾斜的低阻带,但是必须要考虑到在野外数据采集时,在  DK115+700 左右的位置存在高压电线的干扰,结合另外两条针对 F5 断裂测试的大地电磁成果,推测 F5 断裂应该为地表里程 :DK115+    350~DK115+500。 在地表里程   DK115+000 附近,推测存在一个次生断裂。音频大地电磁 3 号测线位于铁路线路以南 200m,在地表里程       DK115+250~DK115+450 段,存在一个倾角陡立,向小里程方向倾斜的低阻带,推测该低阻带是 F5 断裂的主要位置。音频大地电磁 4 号测线位于铁路线路以南约 600m,在地表里程       DK115+300~DK115+450 段,存在一个倾角陡立,向小里程方向倾斜的低阻带,推测该低阻带是郯庐断裂中 F5 断裂的主要位置。 4电测深法  4.1电测深法简介电测深法是在同一点上逐次增大供电电极距AB,使勘探深度由小逐渐加深,于是可观测到测点处沿深度方向由浅至深的视电阻率变化规律[9]。  4.2野外工作布置电测深测线基本沿着或者平行拟建铁路走向布置,测线布置见图 1。 针对 F5 断裂实施电测深探测时,最大的探测深度选择为  55m,因此装置参数为:  MN/2 固定为    1m,AB/2 分别为      2.8m、4m、5.5m、22        75m、10m、14m、20m、28m、40m、55m。  4.3电测深数据处理与成果解释电测深法是探测电性不同的岩层沿垂向分布情况的电阻率方法,该方法是采用在同一测点上多次加大供电极距的方式,逐次测量视电阻率的变化。 电测深数据直接读取,然后再绘制视电阻率等值线剖面图,如图 3 所示。电测深测线在里程       DK115+366~DK115+470段是电性层错断区域,并且这个位置是本测线最主要的电性层错位区域,因此推测此处为郯庐断裂 F5      断裂的主断裂位置;   在里程   DK115+067 和      DK115+258~DK115+297 的位置也发生了电性层错位的现象,因此推测此处为次生断裂位置。 根据钻探资料,电性错断地层为 Q4 和 Q3 地层,根据工程上对活动断裂的判识依据,推测 F5 为活动断裂。图  3线路里程    :DK114+990~DK115+528 段电测深法成果图 5土壤氡浓度测量法  5.1土壤氡浓度测量法简介土壤氡气测量和其它放射性测量一样都是利用岩石中天然放射性元素含量差异,解决地质问题的一类方法。 土壤中的气体存在迁移的氡。 土壤氡的测量对象,就是这部分随气体迁移的氡,也叫土壤气氡。 土壤氡浓度的测量受人为因素、地质因素、气象因素的影响[10]。  5.2野外工作布置本次采用 ⁃FD3017RaA 测氡仪,现场测试时选择测定土壤测氡程序为  — — 2min15s2min,即高压和测量时间为  2min,中间  15s 为取片和放片操作时间。 取气深度一般都在      0.5~1.0m 范围内,抽气过程控制在  30s 以上,并要求不能下压。 测氡测线布置见图 1。  5.3土壤氡浓度测量数据处理与成果解释对野外数据进行整理和计算,记录的数据为测量的 RαA 的 α 计数,把其换算成土壤中氡的浓度,按下式计算:CRm= J·NαRαA式中,CRm表示氡浓度 (Bq/m3);NαRαA 表示 RαA 的α 计数;J 表示换算系数 (Bq/m3·脉冲),由标定确72铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·地质勘察·定。 本次测试使用仪器出厂标定值为  120Bq/m3·脉冲。在资料解释之前还需要确定工区范围内的土壤氡浓度背景值。 因为本次测试的目的是探测断裂带的位置,也就是我们能够在一条包含背景值和异常值的测线成果中辨识异常区域,因此可以参考距离异常最远端的测线测量值来估算背景值,同时通过查阅资料了解到苏北地区的氡浓度背景值的一个经验值一般 α 计数不超过 30;再通过多条测线异常远端值的分析,最终确定土壤氡浓度背景值选择 α 计数为 20。土壤氡浓度测量法 1 号测线的氡浓度异常里程段落为      :DK114+870~DK114+910,与这处异常相对应的 α 计数最高异常值是 91。 此段落的最高异常值达到了 91 是比较高的数值,说明此处存在断裂而且断裂的活动性较强,但是此异常段落的范围比较小,因此考虑为次生断裂的可能性比较大。土壤氡浓度测量法 2 号测线的氡浓度异常里程段落为        :DK115+240、DK115+280~DK115+310、         DK115+330、DK115+360~DK115+453、DK115+      493、DK115+533~DK115+553,这 6 处异常段落对应的 α 计数最高异常值分别是:30、88、35、90、24、36。 这几处异常段落相邻很近,这么范围较大的异常带说明了这里可能是 F5 断裂的主要断裂位置,再根据最高异常值达到了 90 的段落来看,认为异常段落       DK115+360~DK115+453 为 F5 断裂的主断裂位置,其它异常段落推测为次生小断裂的位置,并且说明其活动性较强。土壤氡浓度测量法 3 号测线的氡浓度异常里程段落为      :DK115+720~DK115+780,这处异常段落对应的 α 计数最高异常值是 30。 这个异常段落的最高异常值并不高,说明此处可能为一个次生的小断裂。 6二维面波法  6.1二维面波法简介一般瞬态瑞雷面波法是在地面上产生一瞬时冲击力,产生一定频率范围的瑞雷面波,不同频率瑞雷面波叠加一起,以脉冲的形式向前传播,利用地面上的检波器记录一个排列的瑞雷面波,经过频谱分析,相位分析,把各个频率的瑞雷面波分离开来,从而可以得多条频散曲线,根据此曲线可以进行地质构造的划分  [11-12]。  6.2野外工作布置本次工程共中心点互相关道集(CMPCC)二维面波采用滚动排列方法,滚动排列 48 道固定采集后,下一个排列重复 24 道的采集方法,为保证测量精度满足探测要求,选择道间距  1m,炮间距  1m,排列两端炮最大偏移距   2.5m。测线基本沿铁路正线方向布置,测线布置见图 1,因为测区以农田为主,土壤比较松散,因此选择农田边缘的田埂进行布置,这样土地比较夯实,利于二维面波数据采集。  6.3二维面波法数据处理与成果解释二维瞬态面波数据处理步骤具体如下:(1)地震数据预处理(极性反转,低通滤波,数据切除等);(2)观测系统编辑(炮点坐标和检波器坐标的关系);(3)创建 CMPCC 地震道数据集;(4)频散曲线拾取与评价;(5)数据格式转化;(6)形成 CMPCC 深度 ~ 相速度拟断面图和 CMPCC 深度 ~ 吸收散射系数拟断面图。活动断层穿过第四系地层,会使地层的瑞雷波相速度在水平方向上不连续或断陷,断陷地段地层软弱或含水会造成瑞雷波吸收强烈。 本次采用的新专利技术:基于 CMPCC 二维面波的吸收散射综合分析法,在勘探深度范围内发现上述现象,据此判断是否存在活动断层,具体成果分析如下:测线       DK115+200~DK115+550 段,CMPCC 深度 ~ 相速度拟断面图显示,在深度  10m 以下,与两侧相比,距离        DK115+250~DK115+265、DK115+          275~DK115+307、DK115+365~DK115+455 三段相速度明显偏低且不连续;与之对应的 CMPCC深度 ~ 吸收散射系数拟断面图,在不连续的边界,这三段的吸收散射系数异常明显,推断在活动断层的边界地层软弱,吸收强烈。 据此推断上述三段为第四系活动断层经过的地方,特别是   DK115+365~  DK115+455 段,为主要的断裂位置。(下转第 80 页)82铁道建筑技术    RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(11)万方数据·路基工程·教育。(2)施工时废料和垃圾等有害物质集中收集处理,防止对河流、池塘的污染。(3)施工过程中合理安排施工时间段,及时洒水除尘,防止扬尘对周围环境的污染。 9结束语土石混合料作为路基填料的现象将越来越普遍,而利用土石混合料作为填料的路基质量将直接影响后期通行安全,只有通过对山皮土路基施工工艺的不断完善,才能够确保道路施工成型后的质量。参考文献  [1]    JTGF80-2012公路工程质量检验评定标准[S].  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一夕落阳
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