1. 引言
断层作为一类不良地质构造类型，通过破坏岩土体完整性与连续性造成上覆岩土体产生显著变形，不仅改变了岩土体的力学、渗透特性，还极大增加了地表、地下工程的失稳隐患，工程中常称之为“控制性结构面”。大量工程实例表明，断层对工程灾害具有显著控制作用，且致灾模式往往随断层产出特征的改变而变化。高密度电法是一种基于目标地质体与周围介质电阻率差异的探测技术，通过人工建立地下直流电场，利用地表布置的多道电极扫描观测地下电阻率的变化，从而识别低阻地质体[1]。该方法结合了电测深法和电剖面法的优势，尤其在探测低电阻率区域时效果显著。断层附近通常形成带状破碎带，尤其在沟谷地区，断层易富集水分，形成低电阻率区，且延伸范围较广，这为高密度电法的应用提供了理论依据。由于断层对桥梁结构设计及安全性有重要影响，因此需准确查明断层的位置及其影响范围。
目前，在工程领域，探测薄覆盖隐伏断层的常用物探方法主要包括高密度电法、地震法和电磁测深技术。自21世纪以来，国内学者在薄覆盖隐伏断层探测方面开展了大量研究，何正勤等[2]利用浅层地震波法成功探测了复杂隐伏断层，特别是在沿海地区淤泥、黏土和砂层多重互层条件下，实现了断层的精确定位。李华强等[3]的研究进一步证实了高分辨率二维地震在识别断层性质方面的优越性。酆少英等[4]针对薄覆盖区隐伏断层，结合折射地震和浅层反射地震数据，实现了两种方法的优势互补。李建军等[5]通过探地雷达对东昆仑断裂带东部浅覆盖区的隐伏活动断层进行探测，清晰地刻画了断层形态并实现了上部岩土分层，证明了探地雷达在该领域的有效性。此外，姜国庆等[6]以废黄河断裂为例，通过正演模拟和实测数据反演，深入研究了薄覆盖隐伏断层的电场响应特征，取得了显著成果。这些研究表明，物探技术在薄覆盖隐伏断层探测中具有重要的应用价值。
本研究以河南省某开发区隐伏断层的探测为例，针对不同物探方法存在的局限性和多解性问题，综合运用高密度电法、钻孔探测及地震地质调查等多种技术手段，对该区域隐伏断层的特征进行探测。通过多种方法的结合，有效降低了单一物探方法可能带来的多解性和不确定性，从而提高了隐伏断层判别的准确性和可靠性。
2. 地质背景
目标区位于河南省某化工集聚区，场地呈不规则多边形展布，规划用地地理坐标：东经111˚34'37"~111˚37'21"、北纬34˚38'43"~34˚41'25"。本文断层探测目标区面积为规划未建设的工业用地、公共设施及相关配套道路等设施共计10.0平方公里。目标区域内主要的交通干线有连霍高速、国道G310、省道S243、S318等，交通便利。南北测线起于经度111˚57'8"，纬度34˚69'0"，途径吴家坟、上界岩、观音堂镇界小学、大延洼村，于经度111˚58'8"、纬度34˚64'5"终止，东西测线起于经度111˚57'7"、纬度34˚65'2"，沿着G310国道于经度111˚62'2"、纬度34˚65'9"终止。物探测线布设见图1，图中框内区域为目标区，布设了南北方向测线L1和东西方向测线L2，两条测线呈“十字型”交叉穿过整个目标区。实际探测时，L1和L2两条测线均在目标区边界外延500 m。
Figure 1. Schematic diagram of geophysical survey line layout in the target area
图1. 目标区物探测线布设示意图
3. 研究方法
3.1. 地质条件探测
3.1.1. 目标区地形地貌
目标区内部全部覆盖中更新统黄土夹棕红、红褐色亚粘土，局部有砂砾石，黄土层厚度不一，目标区内部整体呈丘陵地貌，海拔在484~738 m之间，整体为西北方向高，东南方向低。
地表上覆黄土层被切割破碎，冲沟极为发育，部分冲沟底部可见下元古界基岩出露，风化严重，呈黄褐色，部分区域可以清楚看到中更新世地层与下元古代基岩地层呈不整合接触，结合地质资料可知该区域基底为大面积的下元古代基岩地层，推断目标区内部及周边中更新世黄土地层之下均为同一套基岩地层，因地质构造作用及侵蚀等原因导致黄土覆盖层厚度局部变化较大，总体来说目标区内西北方向黄土覆盖层较薄，局部厚度可为3~5 m，工作区东南方向黄土覆盖层较厚，厚度可为几十至上百米不等。
3.1.2. 钻孔探测
钻孔探测是获取地下地质信息最直接的方法，在断层研究中具有不可替代的作用。通过钻探，可以获取断层深部的岩芯样品，直接观察断层带内的岩石特征、破碎程度和充填物性质等。这些信息对于分析断层的活动性、演化历史和工程稳定性具有重要意义[7]。
在钻孔探测中，岩芯编录是基础工作，需要详细记录岩芯的岩性、结构、构造等特征。对于断层带，特别要注意观察断层泥、角砾岩、擦痕等断层活动证据。测井技术是钻孔探测的重要手段，通过电阻率测井、声波测井等方法，可以获取井壁周围的地球物理参数，为断层识别和特征分析提供补充信息。
本文在目标区内按不超过700 m间距布置控制性钻孔，共布设40个控制性钻孔。钻孔布设平面图，见图2。
根据图2可知，南北方向测线主要经过的钻孔依次为zk05、zk07、zk13、zk17 (见表1)，东西方向测线主要经过的钻孔依次为zk24、zk31、zk33、zk35。钻孔深度在20 m以内，钻孔直径130 mm，由钻孔柱状图可知，地层主要由填土、第四系上更新世及中更新世冲积成因类型的粉质粘土层和三叠系泥岩、砂岩构成。填土层结构松散，工程性质较差，承载力低且易发生不均匀沉降；粉质粘土层具有一定的粘性和塑性，但含水量较高，透水性差，可能导致地基沉降或滑坡；三叠系泥岩强度较低，易风化和软化，遇水后稳定性显著下降，而砂岩强度较高，但节理发育可能影响其稳定性。整体地质条件较为复杂，该目标区内以粉质粘土、粉土覆盖在泥岩和砂岩层之上。
3.2. 高密度电法
3.2.1. 高密度电法原理
高密度电法探测原理是通过电极向地下供入电流I，由于地下介质的电阻率不均匀，例如溶洞、冲洪积、含砂透镜体等的电阻率较低，而灰岩、砂砾岩等的电阻率较高，因而引起地下电流密度分布不均，高阻体中流经的电流密度相对较小，故相应表现为高阻区；相对而言，低阻体中流经的电流密度相对较大，故相应表现为低阻区[8]。在地表测量接收电极之间电压，根据公式(1)求得地下不同位置介质的视电阻率，获得地下介质视电阻率
的分布规律，并解译地下地质结构[9] [10]。
(1)
(2)
Figure 2. Distribution of controlled drills in the measurement route and target area. The two red lines in the figure represent the high-density electrical survey lines in the north-south and east-west directions, respectively. The red circles represent the boreholes near the survey lines
图2. 测量路线与目标区控制性钻孔分布图。图中两条红色的线分别为南北和东西高密度电法测线，红色圆圈为测线附近的钻孔
Table 1. Statistical table of borehole histograms
表1. 钻孔柱状图统计表
钻孔编号 |
地层描述 |
Zk05 |
0~1.90 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物，见钙质结核，含量20%，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。1.90~5.10 m粉质黏土：红褐色，可塑，含铁质氧化物，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。5.10~7.20 m粉质黏土：褐黄色，可塑，含铁质氧化物，偶见钙质结核，粒径1~2 cm，干强度高，韧性高。7.20~10.30 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物及锰质条纹，干强度高，韧性高。10.30~16.00 m泥岩：红褐色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
Zk07 |
0~3.00 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物，见钙质结核，含量20%，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。3.00~5.10 m粉质黏土：棕约色，可塑，含铁质氧化物，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。5.10~9.00 m泥岩：灰黄色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
续表
Zk13 |
0~2.10 m素填土：黄褐色，稍湿，松散，土质不均匀，以粉质黏土为主，含建筑垃圾石子、砖块及植物根系。2.10~5.70 m粉质黏土：棕黄色，硬塑，含铁质氧化物，偶见碎石，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。5.70~9.50 m粉质黏土：红褐色，硬塑，含铁质氧化物，见钙质结核，含量18%，粒径1~2 cm，干强度高，韧性高。8.50~15.00 m泥岩：红褐色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
Zk17 |
0~4.60 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高，表层约40 cm为素填土。4.60~12.10 m粉质黏土：黄褐色，硬塑，含铁质氧化物，粉粒含量高，干强度高，韧性高。12.10~15.40 m粉土：褐黄色，稍湿，中密，含铁质氧化物，黏粒含量高，干强度低，韧性低。15.40~17.50 m粉质黏土：棕黄色，硬塑，含铁质氧化物，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。17.50~20.00 m泥岩：黄褐色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
Zk24 |
0~5.50 m粉质黏土：黄褐色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高，表层约40 cm为素填土。5.50~9.80 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高。9.80~12.70 m粉质黏土：红褐色，硬塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高。12.70~17.00 m泥质砂岩：红褐色，强风化，砂质结构，块状构造，岩芯呈土块状，块径约1~4 cm，含少量泥质。 |
Zk31 |
0~3.20 m粉质黏土：褐黄色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高。3.20~6.10 m粉质黏土：红褐色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。6.10~10.00 m泥岩：红褐色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
Zk33 |
0~4.10 m粉质黏土：褐黄色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，粉粒含量高，干强度高，韧性高。4.10~15.70 m粉质黏土：红褐色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高。15.70~18.00 m泥岩：红褐色，全风化，厚岩结构与构造，岩芯呈土粒状夹块状。 |
Zk35 |
0~0.6 m素填土：黄褐色，稍湿，松散，土质不均匀以粉质黏土为主，含建筑垃圾石子、砖块及植物根系，表层约40 cm为耕植0.6~5.90 m粉质黏土：棕黄色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，干强度高，韧性高。5.90~14.50 m粉质黏土：红褐色，可塑，含铁质氧化物及锰质斑点，偶见钙质结核，粒径1~3 cm，干强度高，韧性高。14.50~16.00 m泥岩：红褐色，全风化，厚岩结构与构造岩芯呈土粒状夹块状。 |
式中，
为视电阻率值(Ω∙m)，
为电极M、N之间电位差(V)，I为人工电流(A)，A，B为供电电极，M，N为测量电极，AM、AN、BM、BN分别代表两电极之间的距离(m)，K为温纳装置系数。
在现场进行高密度电法探测时，只需将电极按一定间距布置在测点上，并通过多芯电缆连接至程控式多路电极转换器，实现一次性完成电极布设。测量过程中，通过程序控制电极的排列方式、极距和测点的快速切换，从而高效、精确地获取大量数据。随后，利用配套的高级电法处理软件对采集的数据进行多种处理，并生成直观的结果图示，使得数据解释工作更加便捷和清晰[11]。
3.2.2. 高密度电法解释断裂构造的依据
高密度电法介绍断裂构造的依据主要依赖于电阻率的变化。首先，断裂带通常表现为电阻率的不连续性，断层破碎带的电阻率较低，而未受断裂影响的岩层电阻率较高，这使得高密度电法能够有效识别断层的位置和走向。其次，断裂带可能成为地下水流动的通道，导致该区域电阻率下降。因此，具有水力活动的断层通常表现为电阻率较低的异常区域。通过对不同深度电阻率分布的反演分析，可以精确推测断层的深度、倾向和几何形态。此外，结合现有地质数据，尤其是钻探数据，可以验证高密度电法结果的准确性。通过合理布置电极阵列并分析电阻率分布图，能够揭示断层的深度、延伸及其在地下的三维分布，从而为地下断裂构造的定位和研究提供重要依据。
3.2.3. 仪器设备
本次高密度电法测量工作使用的仪器为深圳市赛盈地脉技术有限公司生产的GD-10型高密度电法仪(图3)，这种设备采用高密度电阻率成像技术，通过在地表布设电极阵列，测量地下电阻率分布，进而推断地下结构。
Figure 3. GD-10 high density electrical apparatus
图3. GD-10型高密度电法仪
3.2.4. 野外工作方法
在常规的高密度电法探测中，通常采用固定断面扫描测量方式，结果其视电阻率断面为一倒梯型剖面，常用的电极排列包括α排列(温纳装置AMNB)、β排列(偶极装置ABMN)和γ排列(微分装置AMBN)，均为四极排列，适用于固定电阻率断面的扫描测量。三者的差别只在于A、B、M、N四个电极的排列顺序。测量时，相邻电极间为一个电极距，四个电极逐点同时向右移动，得到第一个剖面；接着相邻电极均增大一个电极间距，再从左到右逐点同时移动测量，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去得到倒梯形断面。将兼具供电和测量功能的60至120根电极按固定间距布置在测线上，并通过多芯电缆与多极电路转换器连接。在主机控制下，能够实现电极排列方式、极距及测点的自动切换与扫描测量。二维电阻率成像布线方式如图4所示。
Figure 4. Two dimensional wiring diagram of resistivity imaging
图4. 电阻率成像二维布线图
装置系统的选择是影响探测分辨率的关键因素之一。微分装置的异常幅值最小，且振荡现象出现较早；温纳四极装置的振荡现象稍弱，但其异常幅值也相对较小。相比之下，偶极–偶极装置的异常幅值较大，分辨能力较强，但振荡现象较为剧烈，甚至可能出现高阻体上方显示低阻异常或低阻体上方显示高阻异常的情况。不同装置系统对探测目标的分辨率和探测深度具有显著差异。例如，在电阻率层析成像法中，偶极采集系统更适合浅部探测，而温纳采集系统则更适用于深部探测。此外，在接地条件较差或供电干扰严重的环境中，温纳采集系统因其稳定性而具有一定的优势[12]。
测量时，既可按固定断面扫描测量，又可按变断面连续滚动扫描测量，电极排列方式包括有A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN矩形、A-MN-B跨孔偶极。其中，连续滚动扫描测量的优势在于，在电极总数保持不变的情况下，能够实现测量断面的无限延伸，从而适应不同长度的探测需求，因此非常适合本文测线研究探测。
本文高密度电法剖面测量采用温纳装置滚动测量，根据设置好的工作参数，系统自动进行数据采集。测量选用5 × 24模式，即同时连接5根电缆，编号1~5，每根电缆24个电极，10 m电极距，编号1~24，其中电缆相连处两个电极(24号电极与1号电极)置于同一位置，共120个电极点。主机放在排列初始位置，一次排列最大测量长度为1200 m，每次滚动480 m，符合2/3重复率，直至达到剖面总长度。
在测量过程中，AM、MN、NB之间的距离设置为一个电极间距，A、B、M、N四个电极同时向右逐点移动，完成第一条剖面线的测量。随后，AM、MN、NB的间距增加一个电极间距，A、B、M、N再次同时向右逐点移动，得到第二条剖面线。通过这种逐次增加间距并移动电极的方式，不断进行扫描测量，最终形成一个倒梯形的断面(如图5所示)。
Figure 5. Schematic diagram of “pole running” in high-density electrical method
图5. 高密度电法“跑极”示意图
4. 数据处理
高密度电法资料的处理主要是对数据进行处理，首选剔除坏点，然后地形校正，使用不同的反演方法，反演后绘制视电阻率等值线剖面图。
4.1. 处理软件
数据处理采用的软件为加拿大骄佳技术公司的Geogiga RImager 7.0。
Geogiga RImager是高密度电法数据处理与解释软件包。它包含以下两个软件：
Rtomo——高密度电阻率与极化率层析成像软件。支持温纳、偶极、微分、二极、联剖、滚动三极及施伦贝尔等十余种测量方式，采用有限元法高精度地形改正，对电阻率和极化率进行断面成像。
RViewer——电阻率与极化率成果图绘制软件。绘制电阻率与极化率的二维断面图和三维栅栏图。自动拼接同一测线上多条电阻率与极化率断面，可用彩色、等值线与可编辑的地层符号显示断面图；可用鼠标交互旋转和平移、及动画显示三维栅栏图。
4.2. 数据处理流程
(1) 剔除坏点
由于野外工作情况环境复杂，进行野外工作时，一根电极既可能是供电电极又可能是测量电极，如果一根电极的接触效果不理想，不仅会给供电提供的电流带来很大的影响，而且会给电位测量工作带来较大的影响，或者勘测点位不具有良好的勘测条件，如果一旦发生上述情况就有可能导致成像图不真实。通常就会遇到数据断面出现一些奇怪异常的点，这些点被称为虚假点或突变点，为了防止上述现象发生必须剔除这些虚假点或突变点，这样才能使电阻率拟断面成像准确可靠[13]。
(2) 数据拼接
由于探测剖面无法达到探测的目的和要求，系统探测剖面的长度比实际探测的长度要小，在勘测过程中本文分开对单独的剖面进行相应的探测，将测得的各个不同的剖面合并成一条大的长剖面，之后再进行长剖面数据反演相关工作，保证工作完成并可得出对应的反演结果图。
(3) 地形校正
在野外实际工作过程中，最常见的也是最难避免的就是场地地形发生起伏，而这种场地地形发生的起伏很大程度上会引起探测工作对象的数据和信息发生一定范围的畸变，而这种畸变也会使得其位置发生一定的偏移。本文通过使用RTK仪器测量出测线上高程点的高程和经纬度和高密度电法数据相结合，通过地形校正的方式有效地控制地形的起伏。
(4) 滤波处理
由于在数据采集的过程中会受到野外不确定因素的影响，为数据处理过程中降低这些影响，故采用中值滤波去除噪声，保护图像的边缘信息，提高图像和信号的质量。
(5) 反演
反演方法选择最小二乘法，根据地质先验信息、区域地质资料，建立初始模型。在反演过程中，通过不断调整模型参数，使反演结果逐渐逼近真实的地下地质情况，本次反演迭代次数为5次。
5. 剖面分析解释
高密度电法解释主要依据是电阻率等值线剖面图，根据电阻率差异划分异常，并根据钻探揭露地质情况校正物探资料，最终形成物探成果。本文物探共布设东西和南北方向计两条“十字”交叉测线，其中南北向物探测线长度为5745 m，东西方向物探测线长度为4500 m，剖面总长10,245 m。经过数据处理和反演，得到如下2条电阻率剖面图，分析解释如下：
(1) L1测线
从图6可以看出，蓝色代表低电阻率，红色代表高电阻率。电阻率值从4.1 Ω∙m到1234.4 Ω∙m不等，显示出较大的变化范围，表明地下介质的电性差异较大，通常与不同岩性或地质构造有关。测线长度为
(a)
(b)
Figure 6. Reverse resistivity profile and geological interpretation of the L1 survey line in the north and south. (a) Inverse resistivity profile map; (b) Geological interpretation map
图6. 南北测线L1反演电阻率剖面图及地质解释图。(a)反演电阻率剖面图；(b)地质解释图
5745米，比例尺为X 1:20,000，Y 1:4000。蓝色区域为覆盖层区域(层1)，绿色推断为强风化壳(层2)，红色区域可以推断解释为基岩区域(层3)。覆盖层指覆盖在基岩之上的各种成因的松散堆积、沉积物。例如砂卵砾石层、砂土层和人工填筑的碎石土体等。强风化壳是指在地表以下一定深度内，岩石经过强烈风化作用后形成的岩石层。其特点是结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进。在风化壳的垂直剖面上，岩石风化的深浅程度不同，由地表往下风化作用的影响逐渐减弱直至消失。因此，在风化剖面的不同深度上，岩石的物理力学性质会有明显的差别。这种由风化作用使地壳岩石发生变化的地带称为风化带。一个完整的风化带剖面上，自下而上划分为四个风化带：微风化带、弱风化带、强风化带和全风化带。各风化带之间逐渐过渡，无明显分界线。第四纪覆盖层厚度为30~90 m，表明覆盖层(层1)较薄，覆盖层横向存在强烈的不均匀性。基岩内部介质均匀，整体性好。依据图6分析推断L1测线下方没有断层存在。且由于覆盖层整体较薄，蓝色区域(层1)和绿色区域(层2)总体厚度大约在30 m以内，电阻率从上往下逐渐增高，因此结合表1钻孔成果，目标区地层由填土、粉质粘土、粉土、泥岩和泥质砂岩组成，与高密度电法特征相吻合。
(2) L2测线
从图7可以看出，蓝色代表低电阻率，红色代表高电阻率。电阻率值从4.3
到882.0
，
(a)
(b)
Figure 7. Inverse resistivity profile and geological interpretation map of East West Line L2. (a) Inverse resistivity profile map; (b) Geological interpretation map
图7. 东西测线L2反演电阻率剖面图及地质解释图。(a)反演电阻率剖面图；(b)地质解释图
变化范围较大。测线长度为4500米，比例尺为X 1:20,000，Y 1:4000。拟合误差为9.0%，表明反演结果与实测数据之间的差异较小，反演结果较为可靠。蓝色区域为覆盖层区域(层1)，绿色推断为强风化壳(层2)，红色区域可以推断解释为基岩区域(层3)。第四纪覆盖层(层1)厚度为10~60 m，表明覆盖层较薄，覆盖层横向存在强烈的不均匀性。基岩内部介质均匀，整体性好。依据图7分析推断L2测线下方没有断层存在。且由于覆盖层整体较薄，蓝色区域(层1)和绿色区域(层2)总体厚度大约在30 m以内，电阻率从上往下逐渐增高，因此结合表1钻孔成果，目标区地层由填土、粉质粘土、粉土、泥岩和泥质砂岩组成，与高密度电法特征相吻合。
6. 结论
高密度电法在工程实践中得到了广泛应用。其应用前提是目标体与周围地质体之间存在明显的物性差异。因此，在使用高密度电法时，需充分了解工区的地质条件，确保施工条件满足要求，并合理选择测线长度和电极间距，同时根据地质构造走向布置测线方向。在本次开发区断层破碎带的勘察中，共布设了2条测线，并通过钻探验证了其有效性。结合物探数据采集、处理及分析解释，勘探结果表明目标区域内不存在断层，为后续勘查提供了可靠依据。实践证明，高密度电法若能紧密结合地质资料，能够对断层进行准确解释，是一种高效可靠的探测方法。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。