物探方法在青藏高原凍土勘查中的應(yīng)用

孫銀行

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051)

物探方法在青藏高原凍土勘查中的應(yīng)用

孫銀行

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北保定071051)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，西部寒區(qū)的凍土問題越來越成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。以西大灘凍土區(qū)為研究區(qū)，在分析凍土區(qū)物探勘查工作原理的基礎(chǔ)上，采用直流電阻率法、EH4兩種方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行了野外實(shí)地側(cè)線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了解釋分析。從資料分析來看，EH－4受高頻截止頻率的限制，淺部數(shù)據(jù)少且相對(duì)校亂，對(duì)淺部凍土層反映不明顯;相比之下，直流電阻率法確定凍土層厚度效果明顯;清晰的劃分了季節(jié)性凍土層和多年凍土層，達(dá)到了勘查凍土的目的。

多年凍土;青藏高原;凍土上限;截止頻率

凍土是指溫度等于或低于0℃并含有冰晶的巖土。它是由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體四種物質(zhì)勻質(zhì)組成的多成分多相體系，其中水、未凍水和氣體的含量隨溫度變化。

青藏高原是北半球中、低緯度地帶海拔最高、分布面積最廣、厚度最大的凍土區(qū)。青藏鐵路沿線凍土主要發(fā)育在西大灘至安多段［1］。根據(jù)多年凍土特征，可將其分為融區(qū)、過渡帶(島狀凍土區(qū))、多年凍土區(qū)［2］。

隨著國家經(jīng)濟(jì)重心發(fā)展向西部的轉(zhuǎn)移，廣闊的寒區(qū)建設(shè)中不可避免地將會(huì)遇到越來越多的凍土工程問題［3］。凍土具有流變性，其長期強(qiáng)度遠(yuǎn)低于瞬時(shí)強(qiáng)度特征。正由于這些特征，在凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物就必須面臨兩大危險(xiǎn):凍脹和融沉［4］。多年凍土上、下限的勘察，是解決這類問題的重要前提條件。因?yàn)槎嗄陜鐾辽?、下限的變化以及其上部的季?jié)融化層對(duì)工程的影響很大，是多年凍土地區(qū)各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的主要數(shù)據(jù)，只有準(zhǔn)確查明多年凍土的上、下限，并采取與其相適應(yīng)的工程處理措施，才能避免工程產(chǎn)生病害。所以準(zhǔn)確判定多年凍土上、下限及變化，對(duì)各類工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)采取的處理措施有重要意義。

1 凍土區(qū)物探勘查的工作原理

地下不同部位的地質(zhì)體在形成和演化的過程中，由于其所處的地質(zhì)、地理、溫度場、水分場等各種物理場外部環(huán)境的不同，以及地質(zhì)體形成時(shí)物質(zhì)來源等內(nèi)部條件的不同，造成了地質(zhì)體在構(gòu)造、組構(gòu)成分上會(huì)發(fā)生很大的差異，所表現(xiàn)出的各種物理性質(zhì)(包括地質(zhì)體的電性、密度、彈性、磁性等特征)自然會(huì)有很大的不同。物探方法正是利用和通過對(duì)地質(zhì)體的這種物性差異的勘測，間接達(dá)到對(duì)地下地質(zhì)情況勘測和了解的目的。在多年凍土區(qū)開展的凍土物探工作也正是基于同樣的原理。

在常溫條件下，溫度變化對(duì)巖石電阻率的影響不大;但是，在0℃以下的負(fù)溫區(qū)內(nèi)，含水巖石的電阻率隨著溫度的降低而明顯增高。粗粒巖石比細(xì)粒巖石變化的更加明顯。冰凍巖石電阻率顯著增高是由于巖石中空隙水結(jié)冰后失去了導(dǎo)電性水溶液的緣故［5］。通過總結(jié)前人資料、測試室內(nèi)模型并對(duì)大量物探勘測資料進(jìn)行正反演，發(fā)現(xiàn)第四系沉積物和泥巖凍融間明顯的物性差異，季節(jié)凍土的電阻率范圍1 000～1 500，多年凍土的電阻率范圍1 500～2 700。由于第四系沉積物和泥巖在凍結(jié)和融化狀態(tài)下，存在物性的顯著差異，這為應(yīng)用物探方法勘查凍土提供了良好的地球物理前提［2］。此外，物探具有勘查速度快捷、勘查成本低廉、勘查剖面布設(shè)靈活、可變，勘查手段多樣，勘查剖面資料連續(xù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2 工作區(qū)概況

工作區(qū)為西大灘斷陷谷地，島狀多年凍土區(qū)，此處青藏高原腹地多年凍土區(qū)內(nèi)，地勢開闊，地形呈緩坡狀。平均海拔4 630 m左右?？諝庀”?，氣壓低，含氧量少。四季不明顯，寒冷期長。西大灘年平均地溫 0.2℃ ～0.5℃ 天然多年凍土上限 2.8～4.0 m［6］。表層為第四系河流沖洪積相砂礫石層，地表較干燥，植被稀疏，季節(jié)融化深度2.4～2.6 m。

西大灘地區(qū)凍土層的地球物理模型特征:表層覆蓋層為第四系覆蓋，由于地區(qū)不同其地球物理參數(shù)也不同;季節(jié)凍土層的電阻率在1 000～1 500間;多年凍土層的電阻率在1 500 ～ 2 500 間［1］。

3 物探方法研究

為了查明該地區(qū)多年凍土的特征，在該區(qū)內(nèi)進(jìn)行了詳細(xì)的物體勘查，應(yīng)用直流電阻率法、EH4法兩種方法，布置了一條綜合剖面，查明了該地段的凍土特征。

3.1 直流電阻率法

直流電阻率法是電法勘探中最基本而常用的方法，是以地下地質(zhì)體的電阻率差異為基礎(chǔ)，通過觀測與研究人工建立的地中直流電場分布規(guī)律，從而達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。該方法包括電阻率剖面法和電阻率測深法兩類。

3.1.1 工作區(qū)側(cè)線布置

結(jié)合工作內(nèi)容和野外實(shí)際地質(zhì)情況，研究區(qū)內(nèi)采用裝置為對(duì)稱四極，供電極距為定比排列的電阻率測深法，其中MN:AB=1:5，點(diǎn)距100 m，側(cè)線長1 400 m，共計(jì)15個(gè)物理點(diǎn)。起點(diǎn)坐標(biāo)北緯 35°42.606′，東經(jīng) 94°00.754′;終點(diǎn)坐標(biāo)北緯 35°43.345′，東經(jīng) 94°00.566′。

其中，藍(lán)色實(shí)線表示電測深法側(cè)線位置示意圖;紅色實(shí)線表示EH4法側(cè)線位置示意圖(EH4測線位置大部分與電測深法側(cè)線位置相重合，故紅色實(shí)線不可見)。藍(lán)、紅兩種顏色的圓分別代表兩種方法側(cè)線的起始點(diǎn)。

3.1.2 資料解釋

1)電測深曲線特征

通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理，我們得到該側(cè)線的電測深曲線特征:側(cè)線0～1 150 m范圍內(nèi)主要為HK型和少數(shù)的K型，1 150～1 400 m范圍內(nèi)為Q型。單點(diǎn)測深曲線的基本形態(tài)如下:

HK型曲線的視電阻率表現(xiàn)為高－低－高－低的特征。第一層，一般厚度在1～2 m范圍內(nèi)，視電阻率在1 000～1 800之間，巖性成分主要為較大的砂礫石。第二層，上界面為第一層底，下界面為－4.5～－6 m左右范圍內(nèi)，厚度大約在3～4.5 m范圍，該層為相對(duì)低阻層，視電阻率在1 100～1 500之間，成分主要為砂礫石。電阻率的相對(duì)下降，表現(xiàn)為季節(jié)性凍土層特征。凍土融化后產(chǎn)生的水使得該層的電阻率降低。第三層，上界面為第二層底，下界面－25 m左右，厚度大約在15～20 m范圍，該層為高阻層，視電阻率在1 500～4 000之間，表現(xiàn)為多年凍土層。巖性為砂礫石。第四層為凍土層下的非凍土層，巖性不變，體積效應(yīng)的存在，電阻率表現(xiàn)為逐漸下降。單點(diǎn)測深曲線100 m點(diǎn)(見圖2)和1 000 m點(diǎn)(圖3)為HK型。

圖2 西大灘凍土區(qū)100 m點(diǎn)電測深單點(diǎn)曲線圖

圖3 西大灘凍土區(qū)1 000 m點(diǎn)電測深單點(diǎn)曲線圖

K型曲線的視電阻率表現(xiàn)為低－高－低的特征。少數(shù)K型曲線的三層對(duì)應(yīng)著HK型曲線的K型，即一二三層分別對(duì)應(yīng)著HK型的二三四層。缺失H型的原因?yàn)閭?cè)線前端山腳的積雪融化的水降低了表層巖層的電阻率，在800 m處，地表小水溝存在降低了其周圍淺層巖石的電阻率。

曲線尾部的Q型曲線，視電阻率表現(xiàn)為低－低－低的趨勢。視電阻率從1 400降到1 000，然后又繼續(xù)降到800以下。該現(xiàn)象主要受到地下斷層的影響。地下水通過斷層破壞了凍土層，從而電阻率小于1 000。

2)剖面特征

圖4為工作區(qū)的電測深視電阻率剖面圖。該剖面地層總體巖性為砂礫石層。該剖面總體表現(xiàn)為高－低－高－低阻特征，即淺地表非凍土層和多年凍土層電阻率高，季節(jié)性凍土層和多年凍土層下面地層電阻率相對(duì)偏低。橫向上剖面左端除了淺層有細(xì)微變化外，總體變化較小，剖面右端有一斷層，破壞了凍土層的向右延伸，中間部位電阻率有高變低。剖面方向?yàn)橛赡舷虮??？v向上剖面左端可以分為四層，地表大顆粒砂礫石導(dǎo)致表層電阻率變高，然后電阻率變得相對(duì)較低，表現(xiàn)為季節(jié)性凍土融化層的出現(xiàn)，季節(jié)性凍土融化層與多年凍土層是相互銜接的，隨著勘探深度的增大而逐漸進(jìn)入多年凍土區(qū)域，電阻率亦隨著深度的增大而增大，最后勘探深度達(dá)到了凍土下限，則電阻率逐漸減小。剖面右端可以分為兩層，地表大顆粒砂礫石層和下端的斷層及其影響帶。

圖4 西大灘凍土區(qū)電測深視電阻率剖面圖

圖5 西大灘凍土區(qū)凍土層圖

3.2 EH －4

EH－4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)是由美國GEOMETRICS和EMI公司聯(lián)合研制生產(chǎn)。該系統(tǒng)屬于部分可控源與天然場源相結(jié)合的一種音頻大地電磁測深系統(tǒng)，觀測的基本參數(shù)為時(shí)間域正交的電場分量(Ex、Ey)和磁場分量(Hx、Hy)。通過頻譜分析及一系列運(yùn)算，求得不同頻率的視電阻率值。

3.2.1 工作區(qū)側(cè)線位置

結(jié)合工作內(nèi)容和野外實(shí)際地質(zhì)情況，EH4布置側(cè)線長1 440 m，道距30 m，點(diǎn)距30 m，共計(jì)49個(gè)物理點(diǎn)。起點(diǎn)坐標(biāo)北緯 35°42.606′，東經(jīng) 94°00.754′;終點(diǎn)坐標(biāo)北緯35°43.370′，東經(jīng) 94°00.559′。側(cè)線位置示意圖見圖1(紅色實(shí)線表示)。

3.2.2 資料解釋

分析野外工作得到的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，EH－4勘測的淺層100 m以上數(shù)據(jù)存在以下特征:一比較亂;二、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較少;三、整體的電阻率數(shù)值相對(duì)較低，一般小于500。由此可以初步斷定應(yīng)用EH－4方法勘查淺部凍土層效果較差，不宜采用。

4 結(jié)語

多年凍土具有其特殊性，但也有其規(guī)律性。本文以西大灘凍土區(qū)為研究區(qū)，在分析凍土區(qū)物探勘查工作原理的基礎(chǔ)上，采用直流電阻率法、EH4兩種方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行了野外實(shí)地側(cè)線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了解釋分析。從資料分析來看，由于EH－4受高頻截止頻率的限制，淺部數(shù)據(jù)少且相對(duì)校亂，對(duì)淺部凍土層反映不明顯，因而勘查淺層凍土層也就相對(duì)比較困難;相比之下，直流電阻率法確定凍土層厚度效果明顯;清晰的劃分了季節(jié)性凍土層和多年凍土層，達(dá)到了勘查凍土的目的。這也就為以后更好的對(duì)青藏高原凍土區(qū)的長期勘查提供了方法和技術(shù)參考。

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P642.14

B

1004－1184(2013)06－0110－03

2013－09－24

青藏鐵路沿線水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)(1212010818080)

孫銀行(1982－)，男，安徽宿州人，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)電法勘探。