高密度電法在冰磧堆積體勘察中的應(yīng)用

四川中水成勘院工程勘察有限責(zé)任公司 四川成都 610072

摘要：高密度電法集電測(cè)深和電剖面裝置于一體，由于它具有采集信息多，數(shù)據(jù)量大，觀測(cè)精度高，速度快和探測(cè)深度較大等特點(diǎn)，在工程勘查中廣泛應(yīng)用。本文將高密度電法用于冰磧堆積體勘察中，通過(guò)數(shù)據(jù)模型的正演和反演模擬以及應(yīng)用實(shí)例，驗(yàn)證了實(shí)施高密度電法調(diào)查冰磧堆積體的切實(shí)可行性，對(duì)調(diào)查冰磧堆積體性狀參數(shù)及其勘察治理提供了地球物理依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高密度電法；冰磧堆積體；正演模擬；反演模擬；應(yīng)用

1 前 言

冰磧堆積體是指規(guī)模較大、埋藏較深、以崩塌作用為主的堆積體，滑坡少見(jiàn)，組成物質(zhì)以粉土、粉細(xì)砂為主，夾碎、塊石或部分卵礫石。一般形成臺(tái)地地形，冰磧物在上部，主體由有冰磧、沖積成因的堆積物與部分崩塌堆積物混雜而成[1]。

高密度電法是工程地球物理勘探的主要方法，其作為輕便、快捷、經(jīng)濟(jì)有效的工程地質(zhì)勘探與地下工程質(zhì)量檢測(cè)手段已被國(guó)內(nèi)外工程界所共識(shí)。另一方面計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與成像技術(shù)，又把大量煩瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算、成像處理變得快速準(zhǔn)確，大大提高了探測(cè)效率和成功率，因此該探測(cè)方法與其它物探方法相比具有更強(qiáng)的優(yōu)越性[2-4]。

冰磧堆積體與下伏基巖之間存在著電性差異，具備了高密度電法探測(cè)的地球物理?xiàng)l件，而且，冰磧堆積體的結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，向地下供電比較容易，因此運(yùn)用高密度電法探測(cè)冰磧堆積體效果比較理想。

2.測(cè)區(qū)工程地質(zhì)條件及地球物理特征

工程區(qū)位于青藏高原的東緣沙魯里山脈與大雪山之間，地貌區(qū)劃屬川西高原，緊鄰川西南高山區(qū)。該冰磧堆積體上游側(cè)以一沖溝為界，溝心及溝右側(cè)基巖多裸露，下游側(cè)以右岸基巖陡壁為界，前緣基巖出露并形成高30～50m巖壁。冰磧堆積體內(nèi)部沖溝將其分為左、右兩部分，地下水主要受大氣降水補(bǔ)給，沿沖溝排泄或直接排泄，排泄條件良好。冰磧堆積體下游側(cè)及堆積體內(nèi)部沖溝為干溝，前緣及冰磧堆積平臺(tái)內(nèi)未見(jiàn)地下水出露。

該冰磧堆積體主要由冰磧堆積的孤塊碎石土組成，表面呈半膠結(jié)狀態(tài)，為鈣泥質(zhì)膠結(jié)，在表部形成“硬殼”，其表層植被較為發(fā)育，電阻率為2000～6000Ω·m；下部密實(shí)性相對(duì)較差，堆積體主體內(nèi)部電阻率為300～800Ω·m；下伏基巖為燕山早期中粒花崗閃長(zhǎng)巖（γδ52），隨機(jī)分布巖脈，其電阻率為5000Ω·m。覆蓋層與基巖電性存在明顯差異，具備采用電法勘探的物理前提。

3.野外數(shù)據(jù)采集及處理

高密度電法有多種電極排列方式，根據(jù)多組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，在本次工作中，采用溫納AMNB（α）裝置，該裝置數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，測(cè)試效果對(duì)垂向電性變化反映最為明顯，反演深度準(zhǔn)確。其參數(shù)為：

AM=MN=NB，AN=BM=2a，

在工區(qū)延冰磧堆積體方向，在堆積體左右兩部分分別布置兩條縱測(cè)線Z1、Z2（見(jiàn)圖2-1）。根據(jù)地形、地質(zhì)條件和目標(biāo)層埋深選用電極距和排列長(zhǎng)度，采用6m電極距，每個(gè)排列布置電極120根。測(cè)量時(shí)對(duì)同裝置采用0.3s和0.5s不同供電時(shí)間進(jìn)行兩次測(cè)量、采用不同裝置檢驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。

本次工作野外數(shù)據(jù)采集使用儀器為DUK-2高密度電法儀和DUK-2多路電極轉(zhuǎn)換器，以及配套電纜、電極、通訊線等設(shè)備。使用RES2DINV軟件包，將所測(cè)得的視電阻率，經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形校正、正演和反演計(jì)算，最后得到視電阻成像色譜圖并對(duì)其進(jìn)行解釋[5-6]。

4.冰磧堆積體的高密度電法測(cè)試數(shù)據(jù)模擬

為了進(jìn)一步判斷冰磧堆積體的高密度電法測(cè)試表征，了解高密度電法在冰磧堆積體勘察中的探測(cè)效果，根據(jù)圖2-2中的冰磧堆積體地球物理模型圖進(jìn)行高密度電法測(cè)試數(shù)據(jù)模擬。

4.1 數(shù)據(jù)模型

在數(shù)據(jù)模型中設(shè)置點(diǎn)距1m，電極101根，冰磧堆積體的鈣泥質(zhì)膠結(jié)表層電阻率為3000Ω·m，冰磧堆積體內(nèi)部松散結(jié)構(gòu)體的電阻率為500Ω·m，基巖的電阻率為5000Ω·m，模擬數(shù)據(jù)模型見(jiàn)圖4-1。

圖4-1模擬數(shù)據(jù)模型圖 4-2 正演模擬電阻率斷面圖

4.1 正演模擬

采用有限元法將地下介質(zhì)空間的二維模型分成一系列的矩形網(wǎng)格，將模擬空間數(shù)值化，用離散的空間點(diǎn)表示連續(xù)的空間，還要將場(chǎng)的方程進(jìn)行離散，用離散的空間點(diǎn)的函數(shù)值表示連續(xù)的空間變化函數(shù)。用差商代替微商，將待解的連續(xù)的微分方程變換為離散的差分方程，并通過(guò)求解差分方程得到原微分方程的近似解[7-8]。

正演模擬電阻率斷面圖見(jiàn)圖4-2。

4.2 反演模擬

對(duì)正演模型計(jì)算出的視電阻率值進(jìn)行快速、穩(wěn)定的最小二乘反演，通過(guò)迭代非線性最優(yōu)化方法確定地下介質(zhì)空間矩形網(wǎng)絡(luò)的每一小塊的電阻率值[9]，反演模擬電阻率斷面圖見(jiàn)圖4-3。

圖4-3 反演模擬電阻率斷面圖

對(duì)比數(shù)據(jù)模型、正演和反演電阻率斷面圖可見(jiàn)：

1）正演和反演電阻率斷面圖與數(shù)據(jù)模型對(duì)應(yīng)吻合較好，且分界面清晰。

2）雖然冰磧堆積體鈣質(zhì)膠結(jié)表層電阻率較高，但由于厚度較小，對(duì)冰磧堆積體主體在電阻率斷面圖呈現(xiàn)的低阻異常區(qū)域的影響較小，基本可以忽略不計(jì)。

3）冰磧堆積體在模擬電阻率斷面圖上呈電阻率較低的封閉圈狀異常，基巖呈現(xiàn)高阻異常且連續(xù)。

4）由于如果相鄰區(qū)域的高密度電法測(cè)試電阻率值差異較大，在平滑限定條件的最小二乘反演過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生局部假異常且范圍在縱向有所展布，如圖4-3中剖面42m處，因此在判斷冰磧堆積體下伏基巖界面時(shí)，要注意剔除這方面的異常。

5.測(cè)試成果與分析

本次工作采用高密度電法對(duì)冰磧堆積體體進(jìn)行勘探，其目的是查明該冰磧堆積體的規(guī)模，下伏基巖的空間形態(tài)特征、埋深等問(wèn)題。

由圖5-1、圖5-2縱剖面高密度電法反演成像色譜圖可見(jiàn)，電阻率分層明顯。

由圖5-1可見(jiàn)，在Z1剖面約138～246m段、384m處、462m處和540m處，出現(xiàn)由于表層鈣質(zhì)膠結(jié)化引起的局部高阻異常，電阻率為2000～6000Ω·m，而在剖面約582m處由于兩側(cè)基巖視電阻率相對(duì)較高而出現(xiàn)低阻假異常；在剖面兩端，約0～96m段和600～714m段，對(duì)應(yīng)高程2545～2600m和2200～2310m，地表局部見(jiàn)基巖出露，冰磧堆積體厚度較淺，基巖埋藏深度小于5m；在剖面約96～600m段，對(duì)應(yīng)高程約2310～2545m，出現(xiàn)一兩端薄中間厚低阻冰磧堆積體漸變帶，厚度為0～66m。其中在剖面192m處最厚約66m，在剖面288處厚度約為50m，在剖面384m處厚度約為54m，在剖面480m處厚度約為30m，電阻率值300～800Ω·m。

由圖5-2可見(jiàn)，在Z2剖面約318～612m段，出現(xiàn)由于表層鈣質(zhì)膠結(jié)化引起的局部高阻異常，電阻率為2000～6000Ω·m，而在剖面約450m和558m處由于表層和基巖視電阻率相對(duì)較高而出現(xiàn)低阻假異常；在剖面兩端，約0～120m段和672～714m段，對(duì)應(yīng)高程2455～2550m和2150～2200m，地表局部見(jiàn)基巖出露，冰磧堆積體厚度較淺，基巖埋藏深度小于5m；在剖面約120～672m段，對(duì)應(yīng)高程約2200～2455m，出現(xiàn)一兩端薄中間厚低阻冰磧堆積體漸變帶，厚度為0～50m。其中在剖面336m處最厚約50m，在剖面384處厚度約為40m，在剖面480m處厚度約為30m，在剖面576m處厚度約為22m，電阻率值100～800Ω·m。

圖5-1 Z1剖面高密度電法反演成像色譜圖 圖5-2 Z2剖面高密度電法反演成像色譜圖

根據(jù)高密度電法資料可以推斷：該冰磧堆積體前緣最低高程2200m，后緣最高高程2540m，縱向長(zhǎng)約550m。基覆接觸面總體后陡前緩，中后部?jī)A角31°，前緣較緩，傾角19°。冰磧堆積體內(nèi)部巖性較為均勻，承載力較高，經(jīng)工程處理后可作開(kāi)關(guān)站地基。

宏觀綜合分析判斷，堆積體整體穩(wěn)定性較好，但水庫(kù)蓄水后，庫(kù)水位淹至堆積體中部陡緩交界部位，在庫(kù)水的浸泡作用下，堆積體局部可能產(chǎn)生坍滑，但規(guī)模較小。

6.結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)冰磧堆積體正演、反演模擬和應(yīng)用實(shí)例中資料采集、解釋以及和鉆孔資料的分析對(duì)比等，驗(yàn)證了使用高密度電法查明冰磧堆積體的規(guī)模，下伏基巖的空間形態(tài)特征、埋深等問(wèn)題具有很好的效果，具有較廣泛的實(shí)用性和準(zhǔn)確性，從而產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2）在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了更準(zhǔn)確的對(duì)冰磧堆積體進(jìn)行探測(cè)，得到準(zhǔn)確的物探數(shù)據(jù)，需要根據(jù)地形、地質(zhì)條件和目標(biāo)層埋深選用電極距和排列長(zhǎng)度等參數(shù)，測(cè)量時(shí)采用不同裝置測(cè)量以及對(duì)同種裝置采用不同供電時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，來(lái)保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性和穩(wěn)定性。

3）由于冰磧堆積體的鈣質(zhì)膠結(jié)外殼、接地條件不良或表層孤塊碎石會(huì)引起反演成像色譜圖淺層出現(xiàn)局部視電阻率高阻異常，多呈閉合圈狀，而下伏基巖亦為高阻反映，但連續(xù)性較好，在進(jìn)行解譯的時(shí)候要注意區(qū)分。

4）表層和基巖視電阻率均較高而冰磧堆積體主體視電阻率較低，由于這種視電阻率強(qiáng)烈反差，在數(shù)據(jù)反演迭代過(guò)程可能會(huì)在反演成像色譜圖上產(chǎn)生局部較大的假異常，在判斷冰磧堆積體下伏基巖界面時(shí)，要注意剔除。

5）冰磧堆積體主體視電阻率呈低阻閉合圈狀，與下伏基巖呈現(xiàn)的連續(xù)高阻異常差異明顯，能較準(zhǔn)確的推斷出冰磧堆積體發(fā)育狀況、基巖分界等，對(duì)其勘察治理提供了地球物理依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔憲立編，工程地質(zhì)學(xué)[M]。中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003

[2]郭建強(qiáng)。地質(zhì)災(zāi)害勘查地球物理技術(shù)手冊(cè)[M]。北京：地質(zhì)出版社，2003

[3]何繼善。電法勘探的發(fā)展和展望[J]。地球物理學(xué)報(bào)，1997，40（增）：308～316

[4]董浩斌，王傳雷。高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用[J]。地學(xué)前緣，2003，10（1）：171-176

[5]雷宛，肖宏躍，鄧一謙。工程與環(huán)境物探[M]。北京：地質(zhì)出版社，2006

[6]肖宏躍，雷宛，孫希薷?；驴辈橹械母呙芏入娮杪史ó惓Ｌ卣鱗J]。災(zāi)害學(xué)，2008，23（3）：27-31

作者簡(jiǎn)介：

孫紅亮（1982- ），男，工程師，碩士，河北衡水人，從事水電水利工程物探方面的研究與工作。