高密度電法在環(huán)境地質調查中的應用淺析

余偉林， 孟 陳， 王 駿

(湖北省地質環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

隨著中國城市化建設的飛速發(fā)展,全國各大城市頻繁發(fā)生各種地質災害,內蒙古鄂爾多斯、山西大同等地因為地下過度挖掘造成了嚴重的地面崩塌,甘肅蘭州、湖北武漢等地也因為臨水地域環(huán)境有地面沉降、塌陷情況發(fā)生,這些日漸頻繁的地災問題嚴重威脅了人們的生命安全,也為工程建設帶來了較大的安全隱患。因此,近些年全國各地都開始著手環(huán)境地質調查工作,物探作為一項成熟的技術手段也得到了廣泛的應用。在物探方法的選擇上,地質雷達只能局限于地表淺層并且信號不穩(wěn)定;地震法施工成本高,在城市受到的人文干擾較大;普通電法工作效率低,橫向分辨率達不到尋找小異常體的要求。綜合考慮,高密度電阻率法具有成本低、效率高、采集的信息豐富、抗干擾能力強、適用范圍廣等優(yōu)點,成為解決當前城市環(huán)境地質問題的一種重要且可靠的手段[1]。然而,隨著高密度技術的應用范圍不斷擴大,物探技術人員在實際工作中會遇到一些問題,只有通過實踐經(jīng)驗的積累,并結合理論知識,才能不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,滿足今后地質工作的需求。

1 工作原理和方法

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同,它是以地下被探測目的體與周圍介質間的電性差異為基礎,人工建立地下穩(wěn)定直流電場,依據(jù)預先布置的若干道電極,采用預定裝置排列進行掃描觀測,研究地下一定范圍內大量豐富的空間電阻率變化,從而查明有關地質問題的一組直流電法勘探[2]。高密度電法實際上是一種陣列勘探方法,通過儀器控制電極轉換而進行組合測量,測量效率較高,測量點數(shù)較多,從而獲得了相對較多的地層信息,圖1為高密度電法工作流程圖。

圖1 高密度電阻率工作流程圖Fig.1 Work flow diagrams of high density resistivity

2 高密度電阻率法應用實例

在長江中游宜昌—荊州和武漢—黃石沿岸段1∶5萬富池口幅環(huán)境地質調查項目中,項目設計需要在指定區(qū)域進行物探工作部署,對區(qū)域地質調查進行驗證,保證資料的完整性,提高成果的準確性。

2.1 工作區(qū)地質背景

工作區(qū)地跨秦嶺褶皺系和揚子準地臺兩個一級大地構造單元,在圖幅的東北角為其銜接部位。以襄—廣斷裂帶為界,北為秦嶺褶皺系,出露上元古界青白口系地層,分布面積較小，南為揚子準地臺,地層從震旦系至第四系均有出露,其中以古生界較為發(fā)育,主要分布在圖幅中部,呈西北—東南向展布,構成圖幅內低山地貌。中生界以下三疊統(tǒng)大冶組為主,常與古生界地層相伴出露,組成向斜構造核部。其他疊層單位則分布較為零星,白堊系—新近系及第四系主要分布在網(wǎng)湖、長江階地一帶,賽橋湖以北有燕山早期地層出露。

2.2 目的和任務

工作目的是配合地面調查及以往所做工作的成果資料,了解工作區(qū)內的地層分布、巖性、基巖埋深、隱伏碳酸鹽巖分布范圍等。物探工作任務是進行高密度電阻率法測量,剖面布設4條測線,點距10 m,共600個測點。主要布設于工作圖幅內的隱伏巖溶區(qū)、主構造性分布區(qū)、沿江第四系含水層分布區(qū)等,工作平面布置圖如圖2所示。

圖2 工作布置平面圖Fig.2 Layout plan

2.3 工作裝置

綜合工區(qū)實際情況、勘探深度、地質要求等因素,采用高密電法的溫納(α)裝置進行測量(圖3),使用的儀器為奔騰數(shù)控儀器廠生產的WGMD-9超級電阻率測量系統(tǒng),通過選配WDZJ-120多路電極轉換器、集中式高密度電纜、電極,實現(xiàn)集中式二維高密度電阻率測量,供電電極為120根,測量剖面層數(shù)為20層,極距為10 m,最大探測深度大約為100 m。

圖3 溫納裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of Winner device

2.4 工作區(qū)地球物理特性

本次工作及區(qū)域資料,工區(qū)內巖性主要電性參數(shù)見表1所示,各種巖性之間存在較大的電性差異,具備采用電法進行勘探的地球物理前提。

表1 區(qū)內主要巖性物性參數(shù)表Table 1 Table of main lithological and physical parameters in the area

2.5 資料解釋

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、資料處理、解釋后得出最終的成果,圖4-圖5為FC1線、FC4線高密度測線剖面成果圖。

圖4 FC1線剖面成果圖Fig.4 Profile result map of FC1 line

圖5 FC4線剖面成果圖Fig.5 Profile result map of FC4 line

FC1線整條剖面電阻率由淺到深逐漸增大,電阻率值變化較為明顯,淺部第四系及深部灰?guī)r界面清晰,第四系厚度在12 m左右。根據(jù)電阻率大小,剖面大致分為三層:淺部(深度0～12 m)低阻體為第四系覆蓋層;中部(深度12～33 m)為相對高阻體,推測為風化層,巖性為灰?guī)r,在測線里程樁號450～600 m處風化層較厚,兩邊相對較薄;深部(深度>33 m)為高阻體,推測巖性為灰?guī)r,巖體較完整。FC4線整條剖面上電阻率整體較低,電阻率變化幅度較小。第四系覆蓋層界線較為明顯,淺部電阻率較低,推測為第四系覆蓋層,厚度為30 m左右;深部(深度>30 m)電阻率相對較高,推測整體為砂巖。此測線里程240 m、1 330 m附近分別有兩處異常區(qū),結合地面情況,推測應該為江堤和公路的干擾。

后期地質項目組在各條測線附近實施鉆探工作,其中ZK1、ZK6號鉆孔分別位于FC1線、FC4線附近(圖2所示)。通過鉆探資料得出:ZK1在0～1.9 m處為素填土,1.9～9.9 m處為粉質粘土,9.9～80 m處為灰?guī)r;ZK6在0～4.4 m為素填土,4.4～14.6 m為粉質粘土,14.6～30.5 m為卵石土,30.5～40 m為砂質泥巖。鉆探資料與高密度成果基本吻合,驗證了此次高密度電法工作結果的準確性[3]。

3 存在的主要問題和解決的方法

高密度電法在實際應用中取得了滿意的成果,在地表以下淺層(0～200 m)勘探應用廣泛,尤其是在干擾較小的城郊、山區(qū)更是效果顯著,但在城區(qū)環(huán)境地質調查的應用上會遇到一些問題。

3.1 城區(qū)干擾源較多

城區(qū)存在較多的外在干擾,如高壓線、大型工廠、交通復雜的十字路口等,導致采集的視電阻率偏離真實值,給資料解釋造成誤區(qū)。以FC4線為例,圖6為該測線通過RES2DINV軟件生成的實測電阻率剖面圖和反演電阻率剖面圖。實際施工過程中,測線上的長江大堤和公路附近路基較硬,致使電極接地較差,加之車輛、民房較多,都對該區(qū)域數(shù)據(jù)產生了一定程度的干擾。從實測電阻率剖面圖中可以看出,大堤下方視電阻率相較于圍巖突然變低,公路下方也產生了兩條八字形的視電阻率異常區(qū),根據(jù)實踐經(jīng)驗,在同一穩(wěn)定地層,這種電阻率突變是不正常的,極有可能是受外界干擾引起;而從反演電阻率剖面圖可以看出,兩個干擾區(qū)經(jīng)過反演處理后異常被進一步擴大,并且反演的圓滑、迭代等步驟導致該異常不易被直觀分辨出是外界干擾造成的,使得技術人員在根據(jù)反演剖面解釋時可能出現(xiàn)偏差;最下面的剖面圖是刪除了大堤附近部分受干擾的異常點后進行反演生成,與上面直接反演的電阻率剖面圖對比可以看出,刪除干擾點后反演出的異常體明顯被壓制,測線大堤下方電阻率整體變化不大,為同一地層的正常反映,此結果與實際地質地層資料相吻合。

可以從兩個方面去解決這一問題:①野外施工過程中物探人員需要盡可能詳細地記錄測線附近所有可能造成干擾的目標體及其準確位置,在資料解釋時結合原始記錄分辨出外部干擾造成的剖面異常。②在資料處理上不能盲目相信反演結果,復雜的施工環(huán)境會對數(shù)據(jù)質量造成很大的干擾,采集的異常數(shù)據(jù)經(jīng)過反演后往往會無限放大,造成誤判,在這種已知數(shù)據(jù)質量較差的情況下,原始的視電阻率比經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)更可靠,更容易分辨出異常體的真?zhèn)?在資料處理階段,要更多地分析視電阻率等值線圖,進而提高資料解釋的準確性。

圖6 FC4線實測—反演—刪除干擾點反演電阻率剖面對比圖Fig.6 Resistivity profile contrast map of FC4 line measurement-inversion-delete interference inversion

3.2 硬路基施工困難

城區(qū)施工會遇到一些路基較硬的地段,布線受到極大影響。電阻率法基本工作原理是AB極向地下供電形成閉合回路,通過MN極接收地下反饋的電阻率信息,若要測得理想的電阻率數(shù)據(jù),就必須保證AB極供電良好,使得地下電流足夠大。圖7為富池口幅高密度FC2線實測電阻率剖面圖,該測線中500～820 m為砂石路段,路面干燥硬實,電極與地面接觸較差,導致供電較弱。從剖面圖中可以明顯看出該段整體電阻率與測線兩端相比明顯偏低,并且隨不同深度的變化幅度較小,對不同巖性界面的分辨度沒有兩端明顯。所以,硬路基造成的布線布極困難會間接影響到采集的電阻率數(shù)據(jù)的質量,增加后期處理、解釋資料的難度。

圖7 FC2線實測電阻率剖面圖Fig.7 Measured resistivity profile of FC2 Line

在城區(qū)施工遇到此類問題時,可以用特制的鋁片連接電極,增大電極與地表的接觸面積,同時在每個電極的鋁片上用濕土覆蓋固定,并澆鹽水進一步增加導電性,可以很大程度地改善接地較差、供電不良的問題,提高數(shù)據(jù)質量。同時技術人員應對電極接地較差的路段做詳細的原始記錄,給后期資料處理和解釋工作提供依據(jù)。

3.3 勘探深度和精度難以兼顧

目前市場上常用高密度電法裝置為120道電極溫納裝置,其最大剖面層數(shù)為39層,在測線布設上,根據(jù)公式h=n×a/2(h為勘探深度,n為剖面層數(shù),a為電極距)可知,在剖面層數(shù)一定的情況下勘探深度與電極距成正比。常用的10 m電極距的理論最大勘探深度為195 m,采樣間距和電極距同為10 m。對于淺層地質體,減小極距，提高精度，能保證勘探深度,所以技術上能勝任在地下管道、隧道、空洞等方面的應用;但是對于深層(>200 m)地質體,則需要將10 m極距繼續(xù)擴大才能探測到更深的電阻率信息,這就意味著直徑小于采樣間距的異常體(如巖溶、塌陷、裂隙等)在采樣時可能被跳過,從而丟失異常信息,致使施工可能達不到預期效果。

對于這種情況,可以對同一條測線進行加密測量,在測完一條剖面后,只需要將電極沿測線方向平移到指定的距離,然后重新連接裝置,便能高效地完成一條測線的加密測量工作,在使用較大電極距保證勘探深度的同時,有效地填補極距過大導致的橫向分辨率不足,結合同一測線的兩條甚至多條地電斷面圖,對比分析剖面上不同的電阻率特征反映,可以更精確地解釋出地下的異常體信息。

4 結語

綜合上述實際工作結論和問題分析可以得出,高密度電法在環(huán)境地質調查工作中效果明顯,能對當前很多地質工作進行前期的驗證和后期的指導,但是仍然存在一些野外數(shù)據(jù)采集和資料處理方面的技術問題有待進一步完善,包括資料處理的干擾識別、在城市施工的接地困難、橫向分辨率和探測深度難以兼顧等問題,通過加大施工力度、綜合全面分析資料、加密測量等措施能對這些問題進行改善。在中國將地勘重心由礦產資源開發(fā)轉向環(huán)境地質調查、地災監(jiān)測防治的大環(huán)境下,今后物探將普及到更廣泛的領域,堤壩滲漏探測[4]、地面塌陷探測[5]、滑坡探測[6]等與環(huán)境地質、地災相關的工作都將需要物探工作的協(xié)助,高密度電法將在這些工作中發(fā)揮重要的職能。