基于高密度电阻率成像技术的岩体裂隙网络空间结构特征研究

For the stochastic distribution of fracture network in space and the extremely heterogeneous and anistropic properties of the rock mass, it becomes very difficult to acquire the spatial distribution structure properties of the fracture network within the rock mass, especially for the low-permeable rock mass. This research would mainly focus on the the spatial distribution structure identification of the fracture network within the rock mass under multi-space scales and dimensions conditions by integrating the geophysical imaging technology of the high-density electrical resistivity tomography and the numerical simulation method. In order to overcome the both time-consuming and laborious deficiencies during the traditional geological survey,first the study will investigate the feasibility and the resolution for the fracture network's identification by the geophysical imaging technique of the electrical resistivity tomography (ERT), second apply the geophysical imaging technology into the field identification experiment to judge the reliability, and then built the numerical models coupled geoelectrical and fracture network. Synthesizing the abundant geophysical data which are relatively obtained and the fewer known information, using the data fusion method to examine and verify the coupled model, and utilizing the verified model to evaluate the characteristics of the fracture network within the rock mass. This study whether the probing to the unknow or extending the application of the electrical resistivity tomography technology and the obtaining the fracture network properties within the rock mass is great significance in science and applicaion.

由于岩体中裂隙网络空间分布的随机性以及岩体的极端非均质和各向异性，使得对岩体中裂隙网络空间分布结构特征的获取十分困难，尤其是低渗透性裂隙岩体。本项目拟整合高密度电阻率成像法的地球物理成像技术和数值模拟技术手段，开展多维空间不同尺度条件下岩体中裂隙网络空间分布结构特征的研究。为克服传统地质测量既耗时又费力的缺陷，本课题拟首先在室内进行研究高密度电阻率成像法的地球物理成像技术探测岩体中裂隙网络的可行性和解析度，进而应用于野外实际场地中进行研究，以判定其可靠性，继而建立起岩体的地电-裂隙网络耦合数值模型。综合大量的较易获得的地球物理数据和其他少量的已知信息，利用数据融合的方法检验和验证耦合模型，利用验证后的模型来评估岩体中裂隙网络的特征。无论是对未知领域的探讨，还是对高密度电阻率成像方法的地球物理成像技术的应用推广及对岩体中裂隙网络特征获取方面的研究，本课题都具有重要的科学意义和应用价值。

针对我国核废物地质处置选址及处置库安全评价中，面临的对岩体内裂隙（网络）特征获取的技术困难与需求，本课题从水文地球物理勘探角度尝试利用高密度电阻率成像（ERT）技术，来获取岩体中裂隙（网络）特征，在分析国内外在该方面已有研究成果的基础上开展了室内外相关的实验分析与研究。在室内重点研究了ERT在三维小尺度有限块体中裂隙（网络）特征的获取；结合室内实验的研究结果在室外通过升尺度（upscaling）重点研究ERT在二维和三维大尺度半无限空间中裂隙（网络）特征的获取。取得的主要研究成果及认识：1）在人工形成的直流电场中，岩体中裂隙（网络）的存在是导致电流、电位、极化率、电阻率等测定电特性参数分布异常的主要因素，但不同的电特性参数所呈现的异常特征的是不同的。2）电阻率和极化率这两个综合电性参数的异常性要明显优于单一的电位、电流电特性参数。但极化率这一参数由于受供电时间长短及仪器的精度等因素影响，其稳定性远不如电阻率参数。3）利用电阻率参数实现了不同空间尺度下岩体内二维和三维裂隙（网络）特征的获取，说明利用高密度电阻率成像法获取岩体中裂隙（网络）特征是可行的。4）在高阻值为主要电性特征的岩体中，在电阻率图像中裂隙（网络）的是以两种形式存在，或者是明显的低、高阻异常区，或者是高低阻值转折与过度区，究竟是以哪种方式体现要依据裂隙（网络）本身及其内部填充物的特征而定。这些成果和认识，尤其是三维裂隙（网络)特征的获取，无论是在废物地质处置评价还是在基岩裂隙水的勘探中，都具有重要的科学意义和应用价值。