北京懷柔三道溝泥石流溝內(nèi)松散物源高密度電法探測及效果分析

劉才偉

(北京市地質(zhì)研究所，北京 100120)

0 序言

近年來，北京市受極端天氣頻發(fā)、人類工程活動頻繁等因素影響，尤其是北京“7·21”特大暴雨引發(fā)多處山洪泥石流災害，北京市山區(qū)和半山區(qū)成為泥石流災害的易發(fā)和高發(fā)區(qū)。隨著山區(qū)農(nóng)家院及旅游業(yè)的不斷發(fā)展，人類活動范圍不斷向山區(qū)擴展，爆發(fā)泥石流災情險情的數(shù)量顯著增加[1-5]。據(jù)不完全統(tǒng)計，近150年來北京山區(qū)已發(fā)生近60場泥石流災害，平均爆發(fā)周期約為1.8年，2012年7月21日北京特大暴雨引發(fā)多處山洪泥石流災害，造成160.2×104人受災，經(jīng)濟損失達116.4×108元[6]。

有利的溝谷地貌、充足的松散物源及突發(fā)的水力條件是泥石流爆發(fā)的三個先決條件[7]，而先決條件中的松散物源儲量則是預測泥石流發(fā)展趨勢、災害規(guī)模的基本因素。目前，對于勘測地下松散物源儲量的傳統(tǒng)方法中的鉆探和槽探雖能直觀了解地下地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系和分布情況，得出詳實、準確的數(shù)據(jù)，但在面積范圍廣、地形起伏大的泥石流溝中進行探測則費用高昂、效率低下。

而高密度電法作為一種在國內(nèi)外廣泛使用的成熟技術(shù)，在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及礦產(chǎn)資源勘查中不僅具有效率高、成本低、結(jié)果顯示直觀、地質(zhì)效果明顯等特點，且在一些地形起伏較大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜的地區(qū)，高密度電法也能廉價高效地的完成勘測任務(wù)。前人已多有應(yīng)用[8-16]：劉曉東等[8]2002年在宜春市巖溶地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用高密度電法勘測出了可溶巖區(qū)、了解基巖巖溶發(fā)育情況；曹新文等[10]2018年在山東蓬萊玄武巖覆蓋區(qū)應(yīng)用高密度電法探測出勘探區(qū)內(nèi)具備較好的地下水蓄水構(gòu)造條件，指導了當?shù)卮蚓∷?；RITA DEIANA等[12]2007年在研究農(nóng)業(yè)污染源在地下擴散的規(guī)律試驗中應(yīng)用高密度電法對土體進行探測，得出了污染源在地下的擴散路徑和殘留情況，為農(nóng)業(yè)污染治理提供了理論支持；YUAN J等[11]2000年在墨西哥灣勘探海底天然氣水合物中應(yīng)用高密度電法探測，成功發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物礦床的賦存位置。

本文通過使用高密度電法在崎峰茶三道溝松散物源層勘測中的應(yīng)用，查明了松散物源層的物理性質(zhì)及厚度，為今后該泥石流災害防治工程的設(shè)計、施工提供了可靠依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況及地球物理特征

三道溝泥石流溝位于北京市懷柔區(qū)北部的琉璃廟鎮(zhèn)崎峰茶村，所處區(qū)域為低山地貌，區(qū)內(nèi)地形變化較大，海拔高程486.1～808.4 m，山溝切割深度一般小于100 m，具有山頂尖、山脊窄、溝谷寬等特點，平均坡度25.66°。三道溝泥石流溝主要分為四個區(qū)域，即泥石流溝主溝、泥石流溝Ⅰ支溝、泥石流溝Ⅱ支溝、泥石流溝Ⅲ支溝(圖1)。

圖1 三道溝泥石流溝流域地形圖Fig.1 Topographic map of Sandaogou debris flow valley

溝床種植玉米、板栗等植物，壩階地之間壘有干砌石擋土墻，擋土墻高0.6～1.5 m不等。溝內(nèi)地下水以孔隙水、基巖裂隙水為主。

三道溝溝內(nèi)出露的地層由老至新有太古代、中上元古代、中生代和第四系。其地層巖性主要為花崗巖巖和白云巖。其中，花崗巖主要為中生代侵入的二長花崗巖；白云巖主要為元古代長城系白云巖。流域內(nèi)的第四系主要分布于各主要溝道溝床，少量為殘坡積物，多數(shù)為全新統(tǒng)沖積、沖洪積碎石、砂卵石、亞黏土沉積物，厚度0～20 m，分選性差。

在明確流域內(nèi)地層巖性分布狀況的基礎(chǔ)上，對流域內(nèi)巖土體電阻率進行測量得知：第四系殘坡積物及強風化巖體50～400 Ω·m；白云巖：700～1 300 Ω·m；中等風化花崗巖1 100～2 000 Ω·m；微風化及新鮮花崗巖>2 700 Ω·m；砂卵石2 640～3 080 Ω·m。流域內(nèi)巖土體之間電阻率存在明顯的差異，為高密度電法的探測提供了地球物理基礎(chǔ)。

2 高密度電法

2.1 高密度電法原理

高密度電法是常規(guī)電阻率法的一個變種，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同，仍然以巖、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布規(guī)律來探測水文、環(huán)境和工程地質(zhì)條件。當人工向地下加載直流電流時，在地表利用相應(yīng)儀器觀測其電場分布，通過研究這種人工施加電場的分布規(guī)律來探測地質(zhì)條件。

高密度電法實際上是一種陣列勘探方法，是多種排列的常規(guī)電阻率法與資料自動處理相結(jié)合的一種綜合方法。圖2為高密度電法測量系統(tǒng)示意圖。由于高密度電法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速采集和微機處理，從而改變了電法勘探的傳統(tǒng)工作模式，大大提高了工作效率，減輕了勞動強度，使電法勘探的智能化程度向前邁進了一步。

圖2 高密度電法溫納(α)裝置野外測量系統(tǒng)示意圖[17]Fig.2 The wenner high-density electrical field measurement system device indicate (α)[17]

高密度電法工作時，其供電電極與測量電極是一次性布設(shè)完成的。通常情況下，經(jīng)由儀器的電極轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，排列中的某兩根電極既作為供電電極AB，在下一組組合測量時又要作為測量電極MN。在現(xiàn)場測量時，只須在預先選定的測線上，將全部電極設(shè)置在一定間隔的測點上，然后選擇合適的裝置類型和電極距，儀器便可進行自動化數(shù)據(jù)采集。再配上相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、成圖和解釋軟件，便能夠完成給定的探測任務(wù)。

2.2 測線布設(shè)

由于大北灣三道溝泥石流溝流域地形起伏較大、溝道窄、植被密集且支溝眾多，為更好的探明泥石流溝流域中松散物源的儲量，經(jīng)現(xiàn)場實地勘選，并結(jié)合地質(zhì)資料，決定對三道溝主溝及I支溝進行布線探測，其中三道溝主溝測線長475 m，三道溝I支溝測線長350 m。

2.3 數(shù)據(jù)的采集和處理

本次探測采用EDGMD-2(120道)分段集中式(級聯(lián)式)高密度電法測量系統(tǒng)，電極多數(shù)布設(shè)于板栗樹林壩階地中的耕土上，少數(shù)電極布設(shè)在壩階地之間的碎石土上，接地電阻普遍較小。通過野外實地勘測，確定采集數(shù)據(jù)所設(shè)置參數(shù)如下：(1)探測模式選用溫納裝置(α)；(2)電極極距設(shè)定為5 m；(3)供電電壓為220 V；(4)最深采集層數(shù)30層。

高密度電法所采集的數(shù)據(jù)是由地下不同地質(zhì)體之間的電性差異而構(gòu)成的電性剖面，故而測量數(shù)據(jù)受地下地質(zhì)體之間的分布狀況影響，還受探測地形的起伏度、周圍電場的干擾程度等因素影響。因此，在數(shù)據(jù)探測結(jié)束后會對數(shù)據(jù)進行刪除突變點等后期分析處理，使探測數(shù)據(jù)真實可靠。本次應(yīng)用RES2DINV (2D&3D)軟件對探測數(shù)據(jù)進行處理，RES2DINV主要設(shè)置參數(shù)如下：初始阻尼系數(shù)0.16，最小阻尼系數(shù)0.015；阻尼系數(shù)隨深度增加遞增系數(shù)設(shè)置為1.05倍；不限制視電阻率值范圍，使用平均值；垂直/水平平滑濾波比設(shè)置為1.0；有限元網(wǎng)格形狀選擇為三角形，2個節(jié)點；線性搜索法均方根誤差最小變化為0.4%。數(shù)據(jù)處理流程見圖3。

圖3 高密度數(shù)據(jù)處理過程圖Fig.3 High-density data processing flow chart

3 數(shù)據(jù)處理及討論

對三道溝主溝及I支溝進行正反演計算，選取接近實際的迭代次數(shù)2形成的電阻率斷面圖[15](圖4、圖5)。

3.1 三道溝主溝

圖4為三道溝主溝電阻率反演斷面圖。從電阻率反演斷面圖中可以看出，電阻率在橫向上變化不明顯，在縱向上有隨著深度的加深電阻率增大的趨勢。推測淺表松散層低電阻體(ρS<525 Ω·m)為第四系殘坡積物或全風化巖體，淺表松散層下伏30～120 m處、195～440 m處的高電阻體(ρS>5 116 Ω·m)為新鮮花崗巖，在此兩處高電阻體之間的低阻體，且其深部較深，推測為含裂隙水的中等風化花崗巖(1 122 Ω·m<ρS<2 396 Ω·m)。

圖4 三道溝主溝電阻率反演斷面圖Fig.4 The back analysis process map of the measurement wenner in Sandaogou Main Channel

圖5 三道溝I支溝電阻率反演斷面圖Fig.5 The back analysis process map of the measurement wenner of Tributary I in Sandaogou

3.2 三道溝Ⅰ支溝

圖5為三道溝I支溝電阻率反演斷面圖。從電阻率反演斷面圖可以看出，電阻率在橫向變化不大，主要為縱向電阻率呈較為明顯的三層分布。結(jié)合流域內(nèi)不同巖土體之間電阻率的差異與溝道實際環(huán)境，表層深度1.5～5 m左右為低電阻區(qū)域(ρS<361 Ω·m)為第四系殘坡積物或全風化巖體，表層局部中電阻體(2 732 Ω·m<ρS<5 364 Ω·m)為砂卵石；中部(往下厚20 m左右)為中高電阻區(qū)域，在100～145 m、175～350 m處為新鮮花崗巖體(ρS>5 364 Ω·m)，再往下中電阻推測為含裂隙水的中等風化花崗巖或白云巖。

根據(jù)三道溝主溝及I支溝測線電阻率反演斷面圖分析，認為三道溝泥石流溝地下地質(zhì)體中的松散物源層由表層土體(第四系殘坡積物、全風化巖體)、表層砂卵石及部分土體下伏的破碎的含裂隙水的強風化巖體。三道溝主溝地下地質(zhì)體中松散物源層厚度在1.2～9 m，松散物源在溝道中游往上厚度有明顯增厚的趨勢，三道溝I支溝松散物源層相對較為均衡，物源層在電阻率剖面上可以看出下游壩階地耕地物源層較厚，中上游厚度較小。

4 槽探驗證

為驗證高密度電法在三道溝松散物源層探測中得出的數(shù)據(jù)的有效性，在三道溝I支溝260 m處、三道溝主溝60 m處布設(shè)槽探(TC01、TC02)，TC01挖深3 m，在2.3 m處見松散層(巖體全風化而成的殘積土)與基巖分界面，與高密度電法解譯推測的分界面2.9 m相差0.6 m。TC02挖深2.5 m，在1.5 m處見松散層與基巖分界面，與高密度電法解譯推測的分界面2.3 m相差0.8 m。綜上所述，高密度電法勘探與槽探編錄所揭示的地下地質(zhì)體的信息相吻合，兩者存在的誤差值屬于正常范圍，佐證了高密度電法在泥石流溝物源層厚度的勘查中的勘測數(shù)據(jù)的可靠性與準確性。

5 結(jié)論

(1)高密度電法適用于勘探區(qū)范圍廣、地形起伏大等周遭環(huán)境惡劣的山谷地貌，探測深度深、數(shù)據(jù)成果清晰明了，在泥石流溝流域探測中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(2)使用了槽探技術(shù)對高密度電法勘探結(jié)果進行有效性驗證，證實了高密度電法在泥石流溝物源層厚度的勘查中的勘測數(shù)據(jù)可靠，可為該溝道今后泥石流的預防和治理提供參考借鑒作用。