高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法在土壤厚度調(diào)查中應(yīng)用效果
——以西昌市土壤厚度調(diào)查為例

李富，歐陽淵，劉洪，黃瀚霄，張景華，張騰蛟，陳敏華，李樋

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都610081；2.成都理工大學(xué)，成都610059）

生態(tài)地質(zhì)是地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)之間的新興邊緣學(xué)科，研究各種生態(tài)過程或生態(tài)問題的地質(zhì)作用過程、地質(zhì)學(xué)機(jī)理及地質(zhì)背景條件。土壤是生態(tài)系統(tǒng)所涉及巖石圈、水圈、大氣圈、生物圈等多圈層物質(zhì)和能量交換的重要媒介，土壤調(diào)查是生態(tài)地質(zhì)調(diào)查的核心工作與首要內(nèi)容。土壤厚度、空間分布、類型及其與成土母質(zhì)間關(guān)系的調(diào)查研究是決定土壤調(diào)查的關(guān)鍵[1-5]。土壤是人類賴以生存和文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)資源，利用土壤與基巖的物理性質(zhì)（電性）差異，采用地球物理方法精細(xì)探測(cè)土壤層厚度及深部基巖的起伏界面意義重大。

俄羅斯開展生態(tài)地質(zhì)學(xué)研究時(shí)間最早，到20世紀(jì)80年代末，蘇聯(lián)完成了較為系統(tǒng)的區(qū)域生態(tài)地質(zhì)調(diào)查工作。1998 年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）將近地表圈層作為研究重點(diǎn)之一，開展地球物理填圖、地質(zhì)填圖、鉆孔測(cè)量和地球化學(xué)填圖，查明控制地下水流及污染的地質(zhì)框架[6]。美國國家研究委員會(huì)（NRC）認(rèn)為，地球關(guān)鍵帶是指異質(zhì)的近地表環(huán)境，土壤、水、巖石、空氣和生物在其中發(fā)生著復(fù)雜的相互作用，在調(diào)控著自然生境的同時(shí)，決定著維持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展所需的資源供應(yīng)（圖1）。地球關(guān)鍵帶在空間展布上呈現(xiàn)出高度的非均質(zhì)性，其要求采用各種技術(shù)手段對(duì)不同尺度的關(guān)鍵帶進(jìn)行調(diào)查，獲取關(guān)鍵帶各種要素的物理和化學(xué)參數(shù)，為建立地球關(guān)鍵帶框架模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地球關(guān)鍵帶按土壤結(jié)構(gòu)縱向自上向下分為：有機(jī)層（O）；腐殖層（A）；淀積層（B）；母質(zhì)層（C）；基巖層（R）。2006 年，歐盟委員會(huì)發(fā)布了土壤保護(hù)主題戰(zhàn)略，針對(duì)土壤鹽漬化、有機(jī)質(zhì)減少、侵蝕和滑坡等土壤環(huán)境問題，將傳統(tǒng)的1～2 m深的土壤層擴(kuò)展到地表至基巖之間的未固結(jié)土層進(jìn)行調(diào)查和研究。研究認(rèn)為：土壤結(jié)構(gòu)是影響地球關(guān)鍵帶過程和功能的主要因素，在實(shí)際調(diào)查工作中利用各種技術(shù)開展關(guān)鍵帶空間分布和土壤結(jié)構(gòu)的調(diào)查，如在意大利托斯卡納區(qū)和盧森堡地區(qū)分別采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、地電技術(shù)、地震探測(cè)技術(shù)和高光譜技術(shù)對(duì)土壤粘土含量、碳含量、含石量和土壤層厚度進(jìn)行了調(diào)查和填圖[6]。

圖1 地球關(guān)鍵帶縱向分層示意圖Fig.1 Longitudinal stratification diagram of key belts of the earth

中國的生態(tài)地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)項(xiàng)目始于20 世紀(jì)90年代初，四川省地礦局通過開展1/5萬大巴山區(qū)生態(tài)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，指出地球表層土壤中化學(xué)元素的種類和含量的高低由母巖中的礦物成分直接控制，是生物營養(yǎng)的主要來源，人類的生產(chǎn)活動(dòng)改變了人類的生活質(zhì)量和原有的自然體系[5]。20世紀(jì)90年代末，吉林大學(xué)鄧金憲、鄒立芝等完成1/5萬四平幅生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，以基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查為核心，開展了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地貌、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)以及土壤、生物、大氣和區(qū)域放射性等系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查，并運(yùn)用環(huán)境質(zhì)量指數(shù)模糊聚類分析法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)，提出了區(qū)域國土資源開發(fā)利用的規(guī)劃和建議。

通過地質(zhì)雷達(dá)在鹽堿地的高導(dǎo)電條件下可以探測(cè)到目的層[7-8]，地質(zhì)雷達(dá)是一種能夠應(yīng)用于根系探測(cè)的潛在工具[9]，地質(zhì)雷達(dá)方法可以對(duì)包氣帶空間變化參數(shù)估算[10]。通過第四系沉積物的磁性特征研究，發(fā)現(xiàn)沉積物磁參數(shù)曲線的波動(dòng)與地層、年代等的變化有相一致的趨勢(shì)，表層土壤磁化率異常區(qū)與重金屬元素和人類工程活動(dòng)強(qiáng)弱分布范圍基本一致[11]。高密度電阻率法監(jiān)測(cè)鹽水沿裂隙不同時(shí)間的運(yùn)移路徑[12-13]。通過國內(nèi)外土壤厚度調(diào)查案例分析，大部分地球物理方法存在探測(cè)精度不夠、分層效果不明顯等問題，僅高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)效果最好。本文優(yōu)選高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用到西昌市土壤厚度調(diào)查中。

1 工作區(qū)概況及物性特征

西昌市位于上揚(yáng)子古陸西緣的康滇斷隆帶中北部，地貌總體為中山侵蝕剝蝕地貌。該地區(qū)構(gòu)造演化復(fù)雜，自古太古代以來，經(jīng)歷多期次的構(gòu)造活動(dòng)，形成了前寒武紀(jì)基地，以及顯生宙沉積蓋層。在古生代末經(jīng)歷了海陸變遷，在中生代末—新生代，由于印度歐亞大陸碰撞和青藏高原隆升，引起該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的褶皺變形，形成現(xiàn)今復(fù)雜的一系列近南北走向構(gòu)造系統(tǒng)（圖2）。

圖2 西昌市大地構(gòu)造位置圖（據(jù)參考文獻(xiàn)[14]）Fig.2 Geotectonic location map of Xichang, Sichuan

根據(jù)《涼山州土壤圖》和《涼山州土種志》，西昌市土壤主要包括5個(gè)土綱，6個(gè)土類。包括：（1）高山土綱:黑氈土；（2）淋溶土綱:黃棕壤、棕壤；（3）鐵鋁土綱:紅壤；（4）初育土綱:紫色土；（5）人為土綱:水稻土。受不同成土母巖巖性、氣候、水熱條件、地形地貌、人類活動(dòng)、生物活動(dòng)等條件差異，土壤帶存在一定的垂向分帶和水平分帶性[14-16]。

通過對(duì)工區(qū)土壤的電導(dǎo)率測(cè)試后反算電阻率，得到工區(qū)不同碎屑巖地層風(fēng)化后土壤電阻率平均值（圖3），昔格達(dá)組地層風(fēng)化的土壤電阻率最低，平均電阻率小于100 Ω·m；泥巖類風(fēng)化土壤的電阻率中等，平均電阻率小于200～400 Ω·m；砂巖類風(fēng)化土壤電阻率最高，平均電阻率600～830 Ω·m。工區(qū)不同碎屑巖類型風(fēng)化后土壤的電阻率特征差異明顯，具備利用地球物理方法探測(cè)的前提。

圖3 不同地層風(fēng)化后土壤電阻率平均值Fig.3 Average resistivity of soil after weathering of different strata

2 高密度電阻率法在土壤厚度調(diào)查中應(yīng)用效果

為對(duì)比地球關(guān)鍵帶中土壤層存在一定的垂向分帶性，選擇3個(gè)不同海拔高度、不同植被類型進(jìn)行高密度電阻率法測(cè)量，工區(qū)分別為普詩鄉(xiāng)谷克德濕地、東河鄉(xiāng)東河村林地、普詩鄉(xiāng)李子村草地，其海拔分別為3 400 m、2 400 m和2 100 m。根據(jù)地球關(guān)鍵帶中不同土壤層厚度，測(cè)量點(diǎn)距也適當(dāng)變化。

2.1 高密度電阻率法在濕地調(diào)查應(yīng)用成果

濕地工作區(qū)位于西昌市普詩鄉(xiāng)谷克德濕地，開展了3條高密度電阻率法平行測(cè)線，每條測(cè)線80個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距4 m，線間距50 m。測(cè)線中部濕地主要以草堆為主，測(cè)線兩側(cè)有較干燥的土壤層。通過高密度電阻法進(jìn)行反演顯示（圖4），反演后的視電阻率異常特征與物性特征基本一致。濕地兩側(cè)干燥土壤層視電阻率表現(xiàn)高阻異常特征，視電阻率值600～2 400 Ω·m，其厚度約2～5 m；深部基巖（泥巖）層視電阻率表現(xiàn)中阻異常特征，視電阻率值100～500 Ω·m。濕地中間淺部視電阻率表現(xiàn)為中高阻異常特征，視電阻率值200～500 Ω·m，推測(cè)以泥炭層為主，由于草地松散、根須較多引起中高阻異常，其厚度約2～4 m；中部視電阻率表現(xiàn)為低阻異常特征，視電阻率值15～100 Ω·m，推測(cè)為淤泥層，由于長期浸泡于水中而表現(xiàn)為低阻異常，深度約15～20 m；深部基巖（泥巖）層視電阻率表現(xiàn)為中阻異常特征，視電阻率值100～500 Ω·m。

圖4 谷克德濕地高密度電法探測(cè)綜合解釋圖Fig.4 Comprehensive interpretation diagram of high-density electrical detection in Gukede Wetland

對(duì)3 條測(cè)線水平坐標(biāo)90 m 處均開展淺鉆驗(yàn)證（圖4）：L3線泥炭層厚度2.2 m，L2線泥炭層厚度3.2 m，L1線泥炭層厚度3.8 m。從異常形態(tài)與推斷深度的吻合性，證明高密度電阻率法精細(xì)劃分濕地泥炭層與砂泥層、土壤層與基巖（泥巖）起伏界面效果明顯，可為生態(tài)地質(zhì)調(diào)查與評(píng)價(jià)中地球關(guān)鍵帶中土壤厚度精確調(diào)查提供重要參考依據(jù)。

2.2 高密度電阻率法在東河村林地調(diào)查應(yīng)用效果

圖5 東河村林地高密度電法探測(cè)成二維剖面圖Fig.5 2D section of donghe village woodland detected by high-density electrical method

林地工作區(qū)位于喜德縣東河鄉(xiāng)東河村2組，在松樹林地開展了3條高密度電阻率法測(cè)線，每條測(cè)線60個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距2 m，線間距20 m。從圖5可以看出，反演后的視電阻率異常特征與物性特征基本一致。各測(cè)線土壤層視電阻率表現(xiàn)高阻異常特征，視電阻率值600～2 000 Ω·m，其厚度約1.5～4.5 m；深部基巖（粉砂質(zhì)泥巖）層視電阻率表現(xiàn)低阻異常特征，視電阻率值200～600 Ω·m。從異常特征可以看出，L3線土壤厚度為3～5 m，L1、L2線土壤層厚為2～3.5 m，L3線明顯比L1、L2線土壤層厚；L3線剖面土壤厚度不均，表現(xiàn)為東部厚、西部薄，其地表樹干也表現(xiàn)為東部較粗、西部較細(xì)；證明高密度電阻率法可以為地球關(guān)鍵帶中土壤厚度精確調(diào)查提供重要參數(shù)。分別在L2中部和L1線旁側(cè)5 m開展淺鉆驗(yàn)證，驗(yàn)證深度與物探結(jié)果吻合。對(duì)高密度電阻法進(jìn)行三維反演處理后，將三條剖面進(jìn)行三維顯示，對(duì)Y、Z方向進(jìn)行放大2倍處理，從異常形態(tài)可以明顯看出地球關(guān)鍵帶土壤層厚度的起伏界面（圖6），土壤層與基巖的分界線特征明顯，證明高密度電阻率法精確探測(cè)土壤層厚度效果較好。

2.3 高密度電阻率法在李子村草地調(diào)查應(yīng)用效果

圖6 東河村林地高密度電法探測(cè)三維立體效果圖Fig.6 3D rendering of high-density electric method in Donghe village woodland

草地工作區(qū)位于西昌市李子村，開展1條高密度電阻率法測(cè)線，點(diǎn)距1 m、2 m，對(duì)應(yīng)100 個(gè)、50 個(gè)測(cè)點(diǎn)。從圖7可以看出，不同極距探測(cè)成果總體特征一致，1 m點(diǎn)距的探測(cè)細(xì)節(jié)較多、較精細(xì)。淺部土壤層視電阻率表現(xiàn)高阻異常，視電阻率值2 000～12 000 Ω·m，厚度約2～5 m；深部沖積層視電阻率表現(xiàn)低阻異常特征，視電阻率值0～400 Ω·m，厚度約15～25 m；局部視電阻率表現(xiàn)中阻異常，視電阻率值400～2 000 Ω·m。

圖7 李子村草地高密度電法探測(cè)成果圖（a-1米點(diǎn)距,b-2米點(diǎn)距）Fig.7 High-density electric method detection results of Plum village Grassland(a.1 m point distance, b.2 m point distance)

剖面水平距離0～45 m 表層為草地，45～99 m表層為林地，對(duì)應(yīng)地球關(guān)鍵帶中土壤層視電阻率值草地比林地低，草地土壤層視電阻率為1 000～3 000 Ω·m，林地土壤層視電阻率為3 000～12 000 Ω·m，主要是由于草地含水性相對(duì)較好，其視電阻率異常特征與物性特征基本一致。

3 地質(zhì)雷達(dá)在草地探測(cè)中應(yīng)用效果

草地工作區(qū)位于昭覺縣碗廠鄉(xiāng)，該處以草地為主，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線探測(cè)結(jié)果顯示（圖8）：土壤層表現(xiàn)電磁波信號(hào)較弱，厚度約0.3～2.1 m，基巖（砂巖）層表現(xiàn)為電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)；土壤總體表現(xiàn)兩邊薄，中間厚的特征。布設(shè)一個(gè)驗(yàn)證淺鉆，土壤層厚度1.2 m，與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果吻合很好。

圖8 昭覺縣碗廠鄉(xiāng)草地地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖Fig.8 GPR detection results of Wanchang Township, Zhaojue County

4 討論

通過對(duì)3例高密度電阻率法測(cè)量表明：地球關(guān)鍵帶土壤層厚度變化較大，厚度范圍2～20 m，采用地球物理方法精細(xì)探測(cè)土壤厚度是最經(jīng)濟(jì)、高效的；工區(qū)地球關(guān)鍵帶土壤層視電阻率均表現(xiàn)高阻異常特征，主要由于土壤層松散、干燥且局部含碎塊石引起；深部基巖（砂、泥巖）層表現(xiàn)為中低阻異常特征，主要由于砂、泥巖層較為致密、潮濕引起。其中李子村海拔最低，為紫色土，林地土壤層的視電阻率最高，最大值達(dá)12 000 Ω·m；谷克德海拔最高，為黃棕壤，土壤層的視電阻率最低，約1 800 Ω·m。土壤層的視電阻率還取決于成土母巖巖性，碳酸巖風(fēng)化形成的土壤視電阻率比碎屑巖的高。

為查明不同季節(jié)地球關(guān)鍵帶土壤層視電阻率的變化特征，通過同點(diǎn)位雨季視電阻率值減去旱季視電率值成圖對(duì)比（圖9），結(jié)果顯示大部分以負(fù)值為主，淺部的負(fù)值普遍比深部大；由于雨季土壤中含水量明顯增大，其視電阻率值降低。測(cè)線中部在深度為15 m處仍為負(fù)值，證明該處雨水入滲較深。測(cè)線中部草地淺部負(fù)值比兩側(cè)林地淺部強(qiáng)度大，草地雨水直接入滲較深（達(dá)15 m），林地雨水入滲較淺（約5 m），說明林地對(duì)雨水有部分節(jié)流作用；可以利用不同時(shí)段實(shí)測(cè)土壤電阻率值反演雨水在土壤的入滲變化特征。

圖9 西昌市普詩鄉(xiāng)李子村L1線雨季與旱季對(duì)比結(jié)果Fig.9 Comparison results of rainy season and dry season on Line L1 in Lizi Village,Pushi Township, Xichang

5 結(jié)論

（1）高密度電阻率法在不同季節(jié)土壤含水率對(duì)比結(jié)果顯示：土壤的電阻率隨含水率的增加而降低，通過不同時(shí)段實(shí)測(cè)土壤視電阻率值可反演雨水在土壤的入滲變化特征。

（2）通過高密度電阻率法在林地、濕地、草地調(diào)查成果顯示，土壤層的視電阻率表現(xiàn)高阻異常，泥炭土也表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常，深部的基巖（泥巖）、淤泥層均表現(xiàn)為相對(duì)低阻異常；證明高密度電阻率法對(duì)地球關(guān)鍵帶的厚度精確分層效果明顯。

（3）地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于草地探測(cè)顯示，土壤層表現(xiàn)電磁波信號(hào)較弱，基巖層表現(xiàn)為電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)，證明地質(zhì)雷達(dá)的精確分層效果也明顯。