綜合物探方法在工程選址中的應(yīng)用

王 暉,張圣勇,張麗媛,葉瑞鳳,徐洪亮

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271000)

0 前 言

鋁業(yè)的廢料處置廠選址有嚴(yán)格的要求,必須對(duì)被選場(chǎng)址的工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、及礦產(chǎn)地質(zhì)等進(jìn)行全面勘查和評(píng)價(jià)。本次研究對(duì)象為某鋁業(yè)廢料處置廠選址,鋁業(yè)廢料處置廠按規(guī)定應(yīng)遠(yuǎn)離村莊800 m,廠址的區(qū)域不能含有巖溶、斷層、裂隙等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu),綜合物探方法是進(jìn)行前期工程選址階段科學(xué)而經(jīng)濟(jì)的手段。

本次物探綜合應(yīng)用了高密度電阻率法和探地雷達(dá)兩種手段,每種檢測(cè)方法都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。高密度電阻率法具有工作效率高、探測(cè)深度大的優(yōu)點(diǎn),但是探測(cè)精度相對(duì)探地雷達(dá)低;探地雷達(dá)具有實(shí)時(shí)成像,精度高的優(yōu)點(diǎn),但是與電阻率法相比探測(cè)深度受到介質(zhì)的影響較大。

1 工作原理

1.1 高密度電阻率法工作原理[1]

高密度電阻率法與常規(guī)直流電阻率法一樣,是利用天然或人工電場(chǎng),對(duì)不同巖層的電性差異引起的電場(chǎng)異常,查明巖層和構(gòu)造等問題。高密度電阻率法首先采用三電位電極系(即 α、β、γ裝置),在地面上進(jìn)行二維測(cè)量。后來研究提出陣列電探系統(tǒng),它不僅增加了裝置序列,而且可在井孔中實(shí)現(xiàn)CT成像。20世紀(jì)90年代后,陣列電探系統(tǒng)開始往三維電阻率測(cè)量方面發(fā)展,并成功地實(shí)現(xiàn)了少量電極、小網(wǎng)格的正反演理論計(jì)算,研制出了各種各樣的處理軟件。三電位電極系是將溫納四極、偶極及微分裝置按一定方式組合所構(gòu)成的一種統(tǒng)一測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)在實(shí)測(cè)中,只須利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān),便可將每四個(gè)相鄰電極進(jìn)行一次組合,從而在一個(gè)測(cè)點(diǎn)便可獲得多種電極排列的測(cè)量參數(shù)。

高密度電阻率法具有以下優(yōu)點(diǎn):①電極布設(shè)一次性完成,減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測(cè)量誤差;②能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的測(cè)量,從而可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息;③數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化(或半自動(dòng)化),不僅采集速度快,而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯(cuò)誤;④可以實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理和脫機(jī)處理,根據(jù)需要自動(dòng)繪制和打印各種成果圖件,大大提高了電阻率法的智能化程度。由此可見,高密度電阻率法是一種成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力顯著提高的電阻率法勘探新方法。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探地原理

探地雷達(dá)技術(shù)是利用廣譜電磁波(主頻為10 MHz～103 MHz)確定地下介質(zhì)特征的一種地球物理探測(cè)方法。其基本原理是:首先由發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波。同時(shí)由接收天線接收來自地下空間不同深度介質(zhì)界面的反射波。電磁波在地下不同介質(zhì)中反射時(shí)其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、反射波波形特征等將隨介質(zhì)的電性、幾何形態(tài)而變化。假設(shè)地下半無限空間內(nèi)存在 n+1層電性介質(zhì),則存在n個(gè)電性界面,設(shè)每個(gè)電性層厚度為Hi,電磁波速度為Vi,介電常數(shù)為Ei,每個(gè)電性界面的反射波系數(shù)為Ri,則有如下關(guān)系式:

第i層反射系:

第i層雙程走時(shí):

其中:下標(biāo)i代表i個(gè)電性界面。探地雷達(dá)就是基于電磁波反射信號(hào)特征研究地下各種地質(zhì)現(xiàn)象的。

2 工作方法及地電特征

2.1 工作方法

2.1.1 高密度電阻率法工作方法

野外實(shí)際測(cè)量中先根據(jù)勘測(cè)目的、勘測(cè)區(qū)域的大小及地質(zhì)條件確定需要采用的電極裝置類型及測(cè)量布置方案,并按照測(cè)量順序準(zhǔn)備好測(cè)量電極文件,然后進(jìn)行電極的布置。安置電極時(shí)要注意使電極與介質(zhì)充分接觸,盡可能減小接地電阻,同時(shí),要注意防止勘測(cè)中出現(xiàn)電極極化現(xiàn)象,宜采用不極化電極。

2.1.2 探地雷達(dá)工作方法[2]

探地雷達(dá)具有不同的野外工作方法,根據(jù)實(shí)際工區(qū)的地質(zhì)、地形條件的不同,測(cè)量方式可以選擇剖面法、多次覆蓋法以及寬角法等。實(shí)際工作中測(cè)量參數(shù)如分離距、時(shí)窗以及天線中心頻率等,也可以根據(jù)不同要求進(jìn)行選擇,選擇不同的參數(shù)可以得到不同分辨率及不同探測(cè)精度的雷達(dá)圖形。一般情況下在正式進(jìn)入工區(qū)以前應(yīng)有目的地進(jìn)行前期參數(shù)選擇試驗(yàn),以達(dá)到最佳探測(cè)效果。

2.2 地電特征

地球內(nèi)部不穩(wěn)定的自然電流,其在地下空間中的分布隨時(shí)間發(fā)生變化。地電斷面可大致反映工程選址地質(zhì)斷面情況。由于相同的地層,電阻率可能不同,地電斷面不一定與地質(zhì)斷面完全一致。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

本次物探對(duì)象為某鋁業(yè)廢料處置廠的一處選址,檢測(cè)目的是探明廠址的區(qū)域不良地質(zhì)情況,如巖溶、斷層、裂隙等問題,此選址視野廣闊,地質(zhì)表面為紅粘土覆蓋,地質(zhì)有利于高密度電阻率法與探地雷達(dá)工作。布置測(cè)線3條,0+30m與0+90m為雷達(dá)測(cè)線;0+60m為電阻率法測(cè)線1條。如圖1所示。

圖1 廠址測(cè)線布置示意圖

3.2 電阻率法成果解釋

本次數(shù)據(jù)采集使用E60C型高密度電阻率法完成,采用溫納裝置進(jìn)行測(cè)量,電極間距為5 m,電極數(shù)為56個(gè)。野外儀器接收到的原始數(shù)據(jù)傳輸至微機(jī)中,經(jīng)過軟件處理得出反演圖像,反映地下地質(zhì)體電性特征視電阻率成像剖面及其反演圖見圖2。

如圖2所示,測(cè)試成果表明,該場(chǎng)地地層大致分布較穩(wěn)定,埋深39 m以上一般可分為三個(gè)電性層,第一電性層分布在該測(cè)區(qū)82 m～210m處,深度在5 m左右,表現(xiàn)為高阻區(qū),初步推斷為巖石層。第二電性層分布在0 m～80 m,深度在5 m左右,以及95 m～210 m,深度在6 m～28 m處,表現(xiàn)為低阻區(qū),推斷為粘土層。第三電性層埋深一般在30 m向下,其電阻率值較穩(wěn)定,為相對(duì)低阻區(qū),估計(jì)為粉砂層。

圖2 反演圖

3.3 探地雷達(dá)成圖解釋

本次檢測(cè),采用拉脫維亞Radar Systems有限公司制造的Zond-12e型地質(zhì)雷達(dá),該儀器具有采集速度快、分辨率高、軟件功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。根據(jù)檢測(cè)目的,采用100 MHz的屏蔽天線,以點(diǎn)測(cè)記錄的方式采集數(shù)據(jù),見圖3。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)圖

探地雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋是在數(shù)據(jù)處理后所得的探地雷達(dá)時(shí)間剖面圖像中分析反射波組的波形與強(qiáng)度特征。巖石巖性相對(duì)均一雷達(dá)反射波幾乎看不出明顯的變化,反射波組為細(xì)密直線型。粘土層由于層間含水率差異、風(fēng)化程度的差異等原因雷達(dá)反射波呈現(xiàn)出高幅、低頻、寬幅并呈同相軸連續(xù)性。粘土層與石灰?guī)r層之間電性差異較大速度界面較清晰。石灰?guī)r層中巖溶發(fā)育程度較弱或無巖溶層中反射波組也為細(xì)密直線型。當(dāng)有巖溶發(fā)育時(shí)反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定的變化。一般溶洞的反射波為低幅、高頻、細(xì)密波型,但當(dāng)溶洞中充填風(fēng)化碎石或有水時(shí),局部雷達(dá)反射波可變強(qiáng)。溶蝕程度弱的石灰?guī)r的雷達(dá)反射波組為高頻、低幅細(xì)密波[3]。

對(duì)測(cè)線路1(0+30m)的雷達(dá)反射波研究發(fā)現(xiàn)在測(cè)線水平方向2 m～5 m左右處存在溶蝕,不過溶蝕程度較弱,對(duì)場(chǎng)地的影響較小;測(cè)線2(0+90m)中基巖0～7.0m處和9.5 m～13.0m處存在較嚴(yán)重的溶蝕作用,13.0 m～23.0 m處發(fā)育溶洞。上述溶蝕現(xiàn)象在其余測(cè)線上均有不同程度的反映,通過對(duì)溶洞空間分布規(guī)律的分析可以看出:場(chǎng)地溶洞沒有在場(chǎng)地造成太大的影響,場(chǎng)地主要以粘土層為主,雷達(dá)反射波主要呈現(xiàn)出高幅、低頻、寬幅,與實(shí)際地質(zhì)表面相吻合。

4 結(jié) 論

(1)高密度電阻率法特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集密度大,工作效率高,數(shù)據(jù)反演時(shí)自動(dòng)化程度高,能直觀地反映地下電性異常體的形態(tài),可以定性的確定各種異常地質(zhì)的位置。

(2)探地雷達(dá)是一種新的高分辨率地球物理探測(cè)技術(shù),巖溶地質(zhì)異常的波阻特征與圍巖之間差異較大,從雷達(dá)剖面上可以識(shí)別如溶洞、溶溝或溶槽這樣的單個(gè)目標(biāo)體,其所受的影響因素很多,比如選擇合適的天線頻率,恰當(dāng)?shù)墓ぷ鲄?shù),這些要根據(jù)工程實(shí)際情況,才能得出滿意的效果。

(3)綜合運(yùn)用這兩種方法,查明選址區(qū)的不良地質(zhì)情況,能夠取長補(bǔ)短,提高解釋精度。得到的結(jié)果為對(duì)特定的區(qū)域處理后鋁業(yè)廢料處置廠可以建在此區(qū)域。通過這兩種方法綜合運(yùn)用,高密度電阻率法和探地雷達(dá)能相互補(bǔ)充。高密度電阻率法能確定不良地質(zhì)的長度,在深度上效果不明顯,而地質(zhì)雷達(dá)方法能更準(zhǔn)確的確定深度。

理論和實(shí)踐證明:在工程的選址中,綜合地球物理方法由于從不同的物性差異上給出同一地質(zhì)本質(zhì)的不同現(xiàn)象,可以使解釋的可靠性得到大大的提高,綜合運(yùn)用的效果能取長補(bǔ)短,彌補(bǔ)一種方法解釋的缺陷,提高解釋的精度,因此這是一種行之有效的方法。

[1]劉曉東,張虎生,朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應(yīng)用[J].工程勘察,2001,(4):64-66.

[2]李大心.地質(zhì)雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[3]石明,馮德山,戴前偉.綜合物探方法在堤防質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2006,21(4):1328-1331.