高密度電法在垃圾填埋場(chǎng)勘探中的應(yīng)用

孫漢武，熊 彬，徐志鋒，李細(xì)光，陸裕國(guó)，劉 頡，高博涵

( 1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.廣西工程防震研究院，廣西 桂林 530022)

0 引言

高密度電法是一種陣列勘探方法，多用于中淺層工程勘察[1-2]。與淺層地質(zhì)、探地雷達(dá)等淺層勘探方法相比，高密度電法具有成本低、受場(chǎng)地干擾小等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。由于這些優(yōu)點(diǎn)，高密度電法在路基勘察、巖溶塌陷和工程地質(zhì)勘察等方面也廣泛應(yīng)用[6-10]。本次工作位于柳州市魚(yú)峰區(qū)里雍鎮(zhèn)立沖溝生活垃圾填埋場(chǎng)附近，離柳江河道較近，為防止危廢填埋物發(fā)生滲漏對(duì)地下河、水造成污染，因此對(duì)地下是否有溶洞、隱伏斷裂等進(jìn)行探測(cè)是有必要的。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外采用高密度電法對(duì)隱伏斷裂的探測(cè)做過(guò)許多研究[11-13]，本文分析三種裝置勘探結(jié)果，與地質(zhì)資料和鉆探結(jié)果相互驗(yàn)證，說(shuō)明了高密度電法結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 工區(qū)概況

1.1 交通位置

項(xiàng)目場(chǎng)址位于柳江縣里雍鄉(xiāng)立沖村，距柳州市中心東南向約20 km處，與宜步立沖村隔江相望，地貌單元屬于柳南峰林峰叢谷地東南角，柳州市大橋至里雍三級(jí)公路于一期垃圾填埋場(chǎng)東側(cè)經(jīng)過(guò)，場(chǎng)地位于一期垃圾填埋場(chǎng)庫(kù)區(qū)西南側(cè)約1.5 km，距離柳江河下游里雍河段約2.6 km，地理位置好，交通便利。

1.2 地質(zhì)概況

場(chǎng)區(qū)宏觀地貌屬構(gòu)造溶蝕-剝蝕溶丘地貌，場(chǎng)區(qū)地面高程101.0～126.0 m，丘頂高程122.5～237.0 m，相對(duì)高差21.5～120.0 m，丘坡坡度10°～30°，丘頂多呈饅頭狀，基座相連，緩坡延綿，沖溝發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)域上主要分布有石炭系(C)、二疊系(P)和第四系(Q)。調(diào)查區(qū)域各地層巖性由老到新簡(jiǎn)述見(jiàn)表1。

2 野外工作

2.1 測(cè)線布置

通過(guò)實(shí)地踏勘，原SE-NW方向測(cè)線所在位置因?yàn)椴糠值囟蔚乇碇脖桓采w嚴(yán)重，難以開(kāi)展工作，分為兩段布置。測(cè)線AA’長(zhǎng)690 m，測(cè)線BB’相對(duì)于AA’向東北平移約100 m，長(zhǎng)590 m。測(cè)線CC’為SW-NE方向，長(zhǎng)890 m。三條測(cè)線總長(zhǎng)度為2170 m。

使用GPS手持機(jī)實(shí)地確定勘探線首尾端點(diǎn)位置，利用羅盤(pán)、測(cè)繩或皮尺確定各測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)量點(diǎn)距10 m，用綁有紅布條的木筷進(jìn)行標(biāo)記，再用GPS手持機(jī)記錄各測(cè)點(diǎn)高程。

測(cè)線布置情況見(jiàn)圖1，表2給出了各測(cè)線參數(shù)。

2.2 高密度電法測(cè)量

本次高密度電法勘探采用WDA-1超級(jí)數(shù)字直流電法儀，采用Wenner、Dipole-Dipole、Schlumberger三種裝置觀測(cè)，以10 m 點(diǎn)距進(jìn)行測(cè)量。其中Wenner、Dipole-Dipole兩種裝置的4個(gè)電極是等間距排列的，即對(duì)于Wenner裝置，AM=MN=NB；對(duì)于Dipole-Dipole裝置，AB=BM=MN。對(duì)于Schlumberger裝置，儀器自動(dòng)選擇測(cè)量電極距，1～7層(AB/2=15～75 m)MN=10 m，8～15層(AB/2=85～155 m)MN=30 m，16～23層(AB/2=165～235 m)MN=50 m。三種裝置均觀測(cè)了23層數(shù)據(jù)。根據(jù)三種裝置的最大電極距估計(jì)，實(shí)現(xiàn)最大探測(cè)深度約120 m。

圖1 柳州市立沖溝物探測(cè)線布置圖Fig.1 Layout map of geophysical survey line in Lichonggou of Liuzhou City

表2 柳州市立沖溝物探測(cè)線端點(diǎn)坐標(biāo)Table 2 The end point coordinates of geophysical survey line in Lichonggou of Liuzhou City

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

3.1 高密度電法資料處理

首先對(duì)原始數(shù)據(jù)(表3)進(jìn)行預(yù)處理，將電阻率一欄中的負(fù)值用其前一項(xiàng)和后一項(xiàng)的算數(shù)平均值代替，由于原始數(shù)據(jù)未帶有高程信息，不能更加直觀的與真實(shí)地形相對(duì)應(yīng)，因此本文將手持GPS采集的高程信息添加至原始數(shù)據(jù)文件后，用Res2dinv進(jìn)行二維高密度反演，使反演結(jié)果圖與真實(shí)地形更加吻合，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析解釋[14-16]。由于Wenner裝置反演結(jié)果較好，因此本文僅給出該裝置的反演結(jié)果圖。

表3 柳州市立沖溝巖石電阻率特征Table 3 Resistivity characteristics of the rocks in Lichonggou of Liuzhou City

3.2 高密度電法資料解釋

結(jié)合高密度數(shù)據(jù)二維反演和地質(zhì)資料，研究工作區(qū)視電阻率分布特征，推斷工作區(qū)內(nèi)溶洞發(fā)育和隱伏斷裂分布情況。首先分別給出三種裝置的二維反演電阻率剖面圖。電阻率剖面圖以不同的顏色表示不同的電阻率。10～20 Ω·m的電阻率表示為藍(lán)色，1000 Ω·m以上的電阻率表示為紅色。不同裝置反映不同的地下電性分布特點(diǎn)，受地表不均勻、旁側(cè)影響等，同一測(cè)線的三種裝置的反演結(jié)果有所區(qū)別，綜合三種裝置的反演結(jié)果進(jìn)行解釋更為可靠。

從總體上看，三種裝置均能反應(yīng)工作區(qū)地層的三層結(jié)構(gòu)，電阻率大致呈水平層狀分布，橫向連續(xù)性較好。地表電阻率250～600 Ω·m，相對(duì)高阻，反映地表含水量少，屬于比較干燥的第四系覆蓋層。中間層電阻率10～100 Ω·m，是良導(dǎo)層，反映含水量多，是緊靠基巖面的第四系覆蓋層；最下層電阻率大于500 Ω·m、最高可達(dá)數(shù)千Ω·m，是基巖層。部分地段由于各種因素影響沒(méi)有表現(xiàn)出三層結(jié)構(gòu)，例如，地勢(shì)較高，含水覆蓋層較薄時(shí)表現(xiàn)為二層結(jié)構(gòu)。

基巖起伏表現(xiàn)為深部醬紅色、紅色到黃色區(qū)域的起伏，紅色區(qū)域以上基本反映覆蓋層厚度。斷裂構(gòu)造是高阻背景中的低阻體，表現(xiàn)為深部醬紅色或者紅色區(qū)域中的藍(lán)色或者綠色部分，向下延伸。溶洞在潛水面以下為低阻，應(yīng)該表現(xiàn)為深部醬紅色或者紅色高阻區(qū)域中的局部低阻，只分布在有限的深度上，不會(huì)一直向下延伸。

3.2.1 測(cè)線AA’

圖2a為 AA’ 測(cè)線Wenner裝置的二維反演電阻率斷面圖。綜合分析反演結(jié)果推斷(圖2b)，地表第四系覆蓋層沿測(cè)線橫向厚度變化范圍在20～40 m之間。在高阻和低阻之間存在巖性差異的不整合界線，下伏基巖為致密灰?guī)r，其連續(xù)性很好。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂異常和溶洞異常。

3.2.2 測(cè)線BB’

圖3a為BB’測(cè)線Wenner裝置的二維反演電阻率斷面圖。綜合分析反演結(jié)果推斷(圖3b)，地表第四系覆蓋層沿測(cè)線橫向厚度變化范圍在10～35 m之間，測(cè)線中部220～380 m之間基巖深度比較淺，測(cè)線兩端基巖深度比較大。在高阻和低阻之間為巖性差異的不整合界線，下伏基巖為致密灰?guī)r，其連續(xù)性很好。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂異常和溶洞異常。

3.2.3 測(cè)線CC’

圖4a為 CC’ 測(cè)線Wenner裝置的二維反演電阻率斷面圖。綜合分析反演結(jié)果推斷(圖4b)，地表第四系覆蓋層沿測(cè)線橫向厚度變化比較大，測(cè)線西南端0～160 m范圍覆蓋層很薄，基巖深度0～10 m之間。測(cè)線其余部分在15～40 m之間。下伏基巖為致密灰?guī)r，其連續(xù)性很好。在測(cè)線的160～240 m范圍內(nèi)，基巖中有一個(gè)低阻構(gòu)造異常，三種裝置對(duì)該異常反映都很明顯，而且一致，推斷為構(gòu)造異常，其地表位置大致在190～230 m之間，向小號(hào)點(diǎn)方向(西南方向)傾斜。

圖2 AA’測(cè)線Wenner裝置電阻率反演斷面圖(a)與推斷地質(zhì)剖面(b)Fig.2 Resistivity inversion cross-section map of the Wenner device (a) and inferred geological profile (b) of AA’ survey line1—覆蓋層 2—灰?guī)r 3—硅質(zhì)巖 4—不整合界線

圖3 BB’測(cè)線 Wenner裝置電阻率反演斷面圖(a)與推斷地質(zhì)剖面(b)Fig.3 Resistivity inversion cross-section map of the Wenner device (a) and inferred geological profile (b) of BB’ survey line1—覆蓋層 2—灰?guī)r 3—硅質(zhì)巖 4—不整合界線

3.3 高密度電法結(jié)論

與地質(zhì)資料結(jié)合進(jìn)行解析，該異常處為硅質(zhì)巖與灰?guī)r不整合接觸面，其上有大量古風(fēng)化殼。上覆硅質(zhì)巖風(fēng)化較強(qiáng)烈，近地表部分表現(xiàn)為風(fēng)化碎石，棱角明顯，沒(méi)有經(jīng)過(guò)動(dòng)力作用，鐵質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)；中下部表現(xiàn)為近水平的中風(fēng)化的薄層狀硅質(zhì)石，還可以分辨出原巖的原生構(gòu)造，局部泥質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)；下覆基巖為灰?guī)r，巖石完整，裂隙不發(fā)育。除此異常外，未見(jiàn)其他明顯異常，經(jīng)推斷，該區(qū)斷裂或溶洞未發(fā)育。

圖4 CC’測(cè)線 Wenner裝置電阻率反演斷面圖(a)與推斷地質(zhì)剖面(b)Fig.4 Resistivity inversion cross-section map of the Wenner device (a) and inferred geological profile (b) of CC’ survey line1—覆蓋層 2—灰?guī)r 3—硅質(zhì)巖 4—不整合界線及古風(fēng)化殼

4 物探異常鉆孔驗(yàn)證

4.1 鉆孔驗(yàn)證

為驗(yàn)證 CC’ 測(cè)線的160 m至240 m測(cè)點(diǎn)間有一個(gè)低阻構(gòu)造異常，在地表220 m和205 m位置分別布設(shè)了ZK1和ZK2兩個(gè)物探異常驗(yàn)證孔(圖5)。

4.2 巖土特性及分析

1)ZK1鉆孔

第一層層底深度約5.8 m，分層厚度約5.8 m，硬塑狀含角礫黏土，灰褐—黃褐色，粒徑2.0～40.0 m的粗顆粒占比15%～25%，其成分為硅質(zhì)巖、泥巖風(fēng)化碎塊，局部已風(fēng)化成土狀，碎塊及顆粒面呈角狀，分選性差。分布較連續(xù)、均勻。

第二層層底深度約25.9 m，分層厚度約20.1 m，強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖，灰黃—灰褐色，灰黑色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中薄層狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)大部分已破壞，裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，已風(fēng)化呈土狀，局部殘留泥巖結(jié)構(gòu)及層理，巖心呈礫砂狀、碎塊狀，粒徑2.0～15.0 cm，分布較連續(xù)、均勻。

圖5 巖心Fig.5 Drilling core

第三層層底深度約29.0 m，分層厚度約3.1 m，微風(fēng)化灰?guī)r，灰色，細(xì)品質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為方解石、石英、白云巖等，性脆質(zhì)硬，閉合節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部可見(jiàn)小溶孔，偶見(jiàn)方解石脈發(fā)育及白色鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好，巖心呈短柱狀，巖體較完整，斷面新鮮。

2)ZK2鉆孔

第一層層底深度約3.5 m，分層厚度約3.5 m，硬塑狀含角礫黏土，灰褐—黃褐色，粒徑2.0～40.0 m的粗顆粒占比15%～25%，其成分為硅質(zhì)巖、泥巖風(fēng)化碎塊，局部已風(fēng)化成土狀，碎塊及顆粒面呈角狀，分選性差。分布較連續(xù)、均勻。

第二層層底深度約43.0 m，分成厚度約39.5 m，強(qiáng)風(fēng)化硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖，灰黃—灰褐色，灰黑色，細(xì)晶結(jié)構(gòu)，中薄層狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)大部分已破壞，裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體破碎，已風(fēng)化呈土狀，局部殘留泥巖結(jié)構(gòu)及層理，巖心呈礫砂狀、碎塊狀，粒徑2.0～15.0 cm，分布較連續(xù)、均勻。

第三層層底深度約44.0 m，分層厚度約1.0 m，中風(fēng)化灰?guī)r，灰色，細(xì)品質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層塊狀結(jié)構(gòu)，主要礦物成分為方解石、石英、白云石等，性脆質(zhì)硬，閉合節(jié)理裂隙發(fā)育，局部可見(jiàn)小溶孔，偶見(jiàn)方解石脈發(fā)育及白色鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)良好，巖心呈塊狀半塊狀，巖體較完整，斷面新鮮。

4.3 鉆孔結(jié)果解析

兩個(gè)鉆孔近地表部分表現(xiàn)為風(fēng)化碎石，棱角明顯，沒(méi)有經(jīng)過(guò)動(dòng)力作用，鐵質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)；中下部表現(xiàn)為近水平的中風(fēng)化的薄層狀硅質(zhì)石，還可以分辨出原巖的原生構(gòu)造，局部泥質(zhì)或鐵質(zhì)膠結(jié)。下覆基巖為灰?guī)r，巖石完整，裂隙不發(fā)育。物探異常驗(yàn)證鉆孔中沒(méi)有見(jiàn)到構(gòu)造碎裂巖、構(gòu)造角礫巖、斷面和巖石變形等斷裂構(gòu)造跡象，說(shuō)明該區(qū)斷裂和溶洞未發(fā)育。推斷該異常為不整合面上部風(fēng)化殼引起，鉆孔異常結(jié)果與高密度電法反演結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

通過(guò)本次工作得到如下結(jié)論：

1)工作區(qū)地層大多為三層結(jié)構(gòu)，電阻率大致呈水平層狀分布，橫向連續(xù)性較好。近地表含水很少，比較干燥的第四系覆蓋層為相對(duì)高阻層；基巖以上的富含水、甚至水飽和的第四系覆蓋層為低阻層；最下層的基巖為高阻層。

2)CC’測(cè)線的160 m至240 m測(cè)點(diǎn)間有一個(gè)低阻電阻率間斷面，三種裝置對(duì)該異常反映都很明顯，而且一致，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證為硅質(zhì)巖與灰?guī)r不整合接觸面，存在大量古風(fēng)化殼，其地表位置大致在190～230 m之間，向小號(hào)點(diǎn)方向(西南方向)傾斜。

3)鉆探結(jié)果與高密度電法反演結(jié)果基本一致，說(shuō)明了高密度電法在淺層勘探中的良好效果，為今后的高密度工作提供依據(jù)。