基于高密度電阻率法的雄安新區(qū)填埋坑塘探測效果分析

蘇永軍，胡 婷，曹占寧，范翠松，韓 博，滕 菲，劉繼紅，申由甲

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心（華北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心），天津 300170；2.天津城建大學(xué)地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384）

關(guān)鍵字：高密度電阻率法;等值反磁通瞬變電磁法；填埋坑塘；鉆孔；雄安新區(qū)

中共中央、國務(wù)院于2017年4月1日決定設(shè)立河北雄安新區(qū)，這是以習(xí)近平同志為核心的黨中央作出的一項重大的歷史性戰(zhàn)略選擇，是繼深圳經(jīng)濟特區(qū)和上海浦東新區(qū)之后又一具有全國意義的新區(qū)，具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義，是千年大計、國家大事。為貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)的重要講話精神，中國地質(zhì)調(diào)查局實施了雄安新區(qū)大規(guī)模工程地質(zhì)勘察工作[1-5]，取得一系列勘查成果，為雄安規(guī)劃建設(shè)提供了有力支撐。

為使雄安新區(qū)城市建設(shè)更科學(xué)合理利用地下空間資源，避免不利地質(zhì)條件的影響，警惕地面沉降、地裂縫、含水砂層、坑塘（土坑、水塘和填埋坑塘）等不良工程地質(zhì)問題，需要對此類地質(zhì)問題進行探測。2018 年7月17日人民網(wǎng)報道，在雄安新區(qū)城市建設(shè)中，雄安新區(qū)三縣共排查出納污坑塘810個；其中有水納污坑塘606個，露天坑塘易排查，而近地表已填埋坑塘中的軟土等填埋物，可導(dǎo)致地基失穩(wěn)、建筑物破壞，危害人民生命和財產(chǎn)安全。因此，急需精準探測填埋坑塘的平面位置和地下空間展布特征。目前探測地裂縫、垃圾填埋場、含水砂層等不良地質(zhì)體有地質(zhì)雷達、高密度電阻率法、淺層地震等地球物理方法[6-11]，筆者在雄安新區(qū)調(diào)查填埋坑塘的過程中，嘗試把高密度電阻率法應(yīng)用到其中一處填埋坑塘調(diào)查當中，查明了填埋坑塘的范圍和埋深，調(diào)查結(jié)果得到其它地球物理方法探測成果印證，同時與鉆探結(jié)果基本吻合，該方法在探測填埋坑塘方面有效可行、效果顯著。本次對已填埋坑塘的成功嘗試，為今后雄安新區(qū)及其它地區(qū)探測填埋坑塘方法的選擇提供了參考依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)地球物理概況

雄安新區(qū)地處北京、天津、保定腹地，涉及河北省雄縣、容城、安新3縣及周邊部分區(qū)域（圖1），區(qū)位優(yōu)勢明顯、交通便利、環(huán)境承載力較強。全境內(nèi)地勢由西北向東南逐漸降低，地面高程多在5～26 m，地形坡降小于2‰[12]，屬堆積平原地貌。文中填埋坑塘研究區(qū)位于安新縣城西南方向6 km左右。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

1.1 淺表地層特征

雄縣-容城-安新全境及周邊部分地區(qū)地表出露地層為第四系松散層，區(qū)內(nèi)淺層沉積物主要為第四紀以來沖洪積、沖積和沖湖積形成，巖性以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、中細砂和黏土為主，成因類型以沖積、洪積、湖積為主[13]。研究區(qū)新生界自上而下主要由以下層位構(gòu)成：

（1）全新統(tǒng)（Qh）：全新統(tǒng)底板埋深一般7～12 m，主要為沖積、沖（洪）積-湖積和湖積的堆積物。下部巖性為灰黃色粉質(zhì)黏土和粉土，上部巖性多為黃棕色粉土。

（2）上更新統(tǒng)（Qp3）：上更新統(tǒng)底板埋深一般50～60 m，主要為沖洪積、沖（洪）積-湖積的堆積物，巖性以粉質(zhì)黏土、粉土及不同粒級的砂、砂礫石為主。

（3）中更新統(tǒng)（Qp2）：中更新統(tǒng)底板埋深一般70～80 m，主要為沖洪積、沖（洪）積-湖積的含砂粉質(zhì)黏土、黏土夾砂及砂礫石的堆積物。

（4）下更新統(tǒng)（Qp1）：下更新統(tǒng)覆蓋于新近系之上，底板埋深約300 m，主要為沖洪積及沖（洪）積-湖積黏土、粉質(zhì)黏土夾砂礫石。

1.2 地球物理特征

通過對雄安新區(qū)以往物性資料和該區(qū)300余口工程地質(zhì)鉆孔測井參數(shù)的綜合統(tǒng)計分析[14]，顯示研究區(qū)淺層巖性具有明顯的電阻率差異（表1），淺表被素填土覆蓋，電阻率相對黏土、粉質(zhì)黏土為相對高阻，具備開展以電阻率差異為物性前提的球物理探測和電阻率反演結(jié)果查明填埋坑塘的物性條件。

表1 雄安新區(qū)巖性電阻率參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of resistivity parameters in Xiong’an New Area

2 探測方法及測線布置

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法屬于電阻率法的范疇，它是以地下巖（土）體的電性差異為基礎(chǔ)的一種探測方法[15-16]。該方法成本低、效率高、信息豐富、解釋方便，被廣泛應(yīng)用在水工環(huán)地球物理調(diào)查工作中。

野外數(shù)據(jù)采集使用驕鵬公司生產(chǎn)的GEOPEN E60DN 型高密度電阻率儀，數(shù)據(jù)采集采用溫納α 裝置，點距為2 m，隔離系數(shù)26和疊加次數(shù)2次。

2.2 等值反磁通瞬變電磁法

等值反磁通瞬變電磁法是傳統(tǒng)瞬變電磁法發(fā)展起來的新理論新方法[17-18]。等值反磁通瞬變電磁法采用反向?qū)ε即旁醋鳛榘l(fā)射源，并在反向?qū)ε即旁吹闹虚g平面接收，從而消除收發(fā)互感的影響，接收到地下純二次場響應(yīng)。廣泛應(yīng)用公路鐵路勘察、巖溶、空洞等應(yīng)用領(lǐng)域，已取得較好的應(yīng)用效果[19-22]。

本次探測采用設(shè)備為湖南五維地質(zhì)科技有限公司制造的HPTEM18高精度瞬變電磁系統(tǒng)，定點測量模式，根據(jù)探測深度20 m 的需求，采用發(fā)射頻率25 Hz，觀測最晚延時10 ms，疊加次數(shù)400次，采用駐點方式測量。

2.3 測線布置

根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)場位置，筆者在研究區(qū)建立相對坐標系，以研究區(qū)東南角角點坐標為起始原點O（0，0），圍繞填埋坑塘土路NNE方向為X坐標，垂直土路方向為Y坐標，垂直土路X方向布置高密度電阻率法測線10 條，剖面長度160 m，線距10 m，線號數(shù)為由南向北離原點的距離，線號（L10～L100）由南向北依次增加；點距2 m，由東向西點號依次增加，研究區(qū)測線布置見圖2，為相互驗證方法的有效性，在L70 剖面附近布設(shè)一條L71等值反磁通瞬變電磁法剖面，長度42 m，點距2 m，點號由東向西依次增加，由于該剖面測量時正是農(nóng)田莊家生長期，剖面測點只在土路和農(nóng)田之間的空間開展，見研究區(qū)測線位置圖（圖2）。

圖2 研究區(qū)地物及測線位置圖Fig.2 Surface features and line location map of the study area

3 結(jié)果分析及驗證

3.1 剖面分析

對高密度電阻率法原始數(shù)據(jù)預(yù)處理后，利用軟件Res2dInv 進行數(shù)據(jù)處理得到反演電阻率斷面圖，見圖3，從10 條反演電阻率剖面圖來看，剖面0～80 m段，呈現(xiàn)上部的低阻區(qū)為農(nóng)田種植區(qū)，為黏土和粉質(zhì)黏土；中下部中高阻區(qū)域為原砂土；80～115 m段，每條長剖面上均有一條30～40 m長、10 m左右厚的透鏡狀低阻異常區(qū)，呈開口向上偏平近似“C”字形，根據(jù)地電特征，該低阻異常帶推測為填埋的坑塘范圍，圈定其邊界見圖中的黑色虛線所示。圈定低阻異常區(qū)的上部有一相對高阻的層狀異常，推斷該相對高阻層為生活垃圾和建筑垃圾的混合體，其下部低阻異常區(qū)推斷為回填松散的粉土和黏土，可能含水。L0～L70剖面120～160 m段呈現(xiàn)上部低阻區(qū)為農(nóng)田種植區(qū)，下部中高阻為原砂土。L80～L100剖面120～160 m段整體呈現(xiàn)高阻異常特征，3條剖面位于研究區(qū)西北部樹林內(nèi)，推斷該高阻異常為樹林原土的引起。剖面中高電阻率背景層為原砂土，依據(jù)該區(qū)物性統(tǒng)計表，原砂土推斷為粉土、細砂和粉砂層。

3.2 三維特征分析

基于Encom Discover PA 軟件平臺可以實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的三維可視化分析。三維可視化顯示所含地質(zhì)信息豐富[23]，可根據(jù)需要設(shè)定三維顯示的參數(shù)，獲取不同方向的切片圖、等值面圖、閾值等一系列直觀圖件，滿足地質(zhì)解釋的需要。筆者通過三維網(wǎng)格化得到研究區(qū)內(nèi)高密度電阻率法反演電阻率三維立體圖（圖4），圖4a為其椅切圖，X、Y方向裁剪范圍分別為0～85 m、0～103 m，Z方向裁剪范圍為11 m以淺；圖4b 為其閾值高低圖，電阻率值裁剪范圍為12.5～17.5 Ω·m。從圖中可以看出有一藍色的低阻異常體，為推斷的已填埋坑塘位置，見圖中虛線所示，從中可以直觀地看出填埋坑塘的范圍、空間展布形態(tài)、掩埋體各層位的埋深及起伏形態(tài)等信息。

圖4 高密度電阻率法反演三維立體圖(a為椅切圖；b為閾值高低圖)Fig.4 Three-dimensional Inversion stereogram of the high density resistivity method(a is the chair cut stereogram;b is the threshold stereogram)

3.3 相互印證剖面

為印證高密度電阻率法探測填埋坑塘解譯結(jié)果的可靠性，在高密度電阻率法L70剖面旁邊布置等值反磁通瞬變電磁法剖面L71剖面進行小點距精細化探測，經(jīng)過反演處理，從該剖面電阻率反演斷面圖5中可以看出，有一開口向上偏平近似“C”字形的低阻異常區(qū)，根據(jù)地電特征，該低阻異常帶推測為填埋的坑塘，填埋坑塘的范圍邊界見圖中的黑色虛線所示,其中該低阻異常區(qū)中上部相對高阻異常區(qū)和下部相對低阻區(qū)在反演剖面圖中均有反映，等值反磁通瞬變電磁法反演填埋坑塘的幾何形態(tài)、埋深和坑塘內(nèi)掩埋體地層特征與高密度電阻率法解譯結(jié)果基本一致，相互印證了其解譯結(jié)果，說明兩種地球物理方法解決此類問題有效可行。

圖5 等值反磁通瞬變電磁法L71剖面反演解譯圖Fig.5 L71 Inversion result and interpretation of the opposing coils transient electromagnetic method

3.4 槽探及鉆孔驗證

圖6a為推測填埋坑塘內(nèi)槽探和洛陽鏟驗證孔的柱狀圖，鉆孔ZK01、ZK02和ZK03位置見圖2和圖3。鉆孔ZK01 位于高密度電阻率法剖面L70 和等值反磁通瞬變電磁法剖面L71剖面上，布置該鉆孔目的是為了驗證填埋坑塘的掩埋體，經(jīng)槽探和鉆孔驗證：0～0.3 m為素填土，0.3～0.4 m為生活垃圾塑料袋等，見圖6b；0.4～3.3 m為生活垃圾、建筑垃圾、雜填土的混合體，3.3～5.5 m 為回填的砂土和黏土層，可塑性好，較松散含水；5.5 m以淺鉆孔揭示地層情況與高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法反演電阻率剖面解釋推斷的結(jié)果基本吻合。由于洛陽鏟鉆孔深度受限，5.5 m以下坑塘填埋物無法判斷，筆者借助研究區(qū)旁邊有水坑塘出露斷面巖性進行輔助驗證，斷面巖性見表2，該坑塘斷面位于研究區(qū)偏南方向50 m左右（圖2），根據(jù)斷面巖性所示，7.1～12 m 為粉砂、細砂層，呈水平層理，依據(jù)該區(qū)物性統(tǒng)計表，該層電阻率相對高值，與高密度電阻率法和等值反磁通瞬變電磁法反演剖面高阻背景一致。

表2 斷面巖性描述表Table 2 Description table of lithology for geological cross section

圖6 鉆孔巖性柱狀及槽探照片F(xiàn)ig.6 Lithological column of borehole and trenching photo

利用ZK02、ZK03 鉆孔對高密度電阻率法反演解譯填埋坑塘范圍邊界進行驗證，鉆孔ZK02位于高密度電阻率法剖面L20上，ZK03位于高密度電阻率法剖面L50，由兩鉆孔巖性柱狀圖可見，ZK02鉆孔0～0.10 m和ZK03鉆孔0～0.15 m為素填土，較松散；ZK02 鉆孔0.10～3.15 m 和ZK03 鉆孔0.15～3.20 m為黏土與粉土的互層，密實、膠結(jié)程度好；ZK02鉆孔3.15～3.50 m為粉砂層，ZK03鉆孔3.20～3.70 m為粉砂與粉土層，密實程度好，與高密度電阻率法反演剖面解譯結(jié)果一致，同時也與附近斷面巖性一致（表2），為沒有動過的高阻原砂土，經(jīng)驗證對比兩處均為填埋坑塘的邊界位置。

以上三個鉆孔的驗證結(jié)果顯示，高密度電阻率法反演解譯成果與鉆孔驗證結(jié)果基本吻合，說明利用該方法探測填埋坑塘的空間范圍是有效的，應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)論

（1）本文利用高密度電阻率法嘗試在雄安新區(qū)對已填埋坑塘進行探測，在反演電阻率剖面中出現(xiàn)的近似開口向上偏平的“C”字形的低阻異常區(qū)，推測為填埋的坑塘，其解譯結(jié)果與等值反磁通瞬變電磁法剖面反演結(jié)果相互印證，后經(jīng)槽探和鉆孔資料驗證，所揭露地層巖性與反演解釋結(jié)果基本一致，說明高密度電阻率法在探測雄安新區(qū)填埋坑塘空間范圍中有效可行。

（2）通過高密度電阻率法在雄安新區(qū)填埋坑塘的應(yīng)用效果可以看出，二維反演剖面橫向和縱向都具有良好的分辨率、實現(xiàn)了淺部地層結(jié)構(gòu)精細化探測的目的；三維可視化顯示可以根據(jù)地質(zhì)人員解釋的需求，設(shè)定獲得椅切圖、等值面圖、閾值圖等一系列直觀圖件，所含地質(zhì)信息豐富、直觀，滿足地質(zhì)人員解釋的需要。

（3）通過對高密度電阻率法在雄安新區(qū)填埋坑塘的探測分析，填埋坑塘與圍巖（原砂土）存在明顯的物性差異，具有低阻異常特征，利用該方法可快速查明填埋坑塘的范圍、空間展布形態(tài)、坑塘內(nèi)掩埋體地層特征等信息。該方法在雄安新區(qū)探測填埋坑塘成功嘗試，為今后雄安新區(qū)及其它地區(qū)探測填埋坑塘方法的選擇和研究思路提供了借鑒和參考。