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，刘海生

（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）

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。

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。

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。

图2 跨刘志远断裂钻孔联合剖面图

图3 碎裂岩照片

P2布设4个钻孔，编号自西向东依次为Z5-Z8，间距分别为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8～12m，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。