余偉林， 孟 陳， 王 駿

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034)

隨著中國(guó)城市化建設(shè)的飛速發(fā)展,全國(guó)各大城市頻繁發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害,內(nèi)蒙古鄂爾多斯、山西大同等地因?yàn)榈叵逻^(guò)度挖掘造成了嚴(yán)重的地面崩塌,甘肅蘭州、湖北武漢等地也因?yàn)榕R水地域環(huán)境有地面沉降、塌陷情況發(fā)生,這些日漸頻繁的地災(zāi)問(wèn)題嚴(yán)重威脅了人們的生命安全,也為工程建設(shè)帶來(lái)了較大的安全隱患。因此,近些年全國(guó)各地都開(kāi)始著手環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作,物探作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)手段也得到了廣泛的應(yīng)用。在物探方法的選擇上,地質(zhì)雷達(dá)只能局限于地表淺層并且信號(hào)不穩(wěn)定;地震法施工成本高,在城市受到的人文干擾較大;普通電法工作效率低,橫向分辨率達(dá)不到尋找小異常體的要求。綜合考慮,高密度電阻率法具有成本低、效率高、采集的信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn),成為解決當(dāng)前城市環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的一種重要且可靠的手段[1]。然而,隨著高密度技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,物探技術(shù)人員在實(shí)際工作中會(huì)遇到一些問(wèn)題,只有通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累,并結(jié)合理論知識(shí),才能不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題,滿(mǎn)足今后地質(zhì)工作的需求。

1 工作原理和方法

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同,它是以地下被探測(cè)目的體與周?chē)橘|(zhì)間的電性差異為基礎(chǔ),人工建立地下穩(wěn)定直流電場(chǎng),依據(jù)預(yù)先布置的若干道電極,采用預(yù)定裝置排列進(jìn)行掃描觀測(cè),研究地下一定范圍內(nèi)大量豐富的空間電阻率變化,從而查明有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的一組直流電法勘探[2]。高密度電法實(shí)際上是一種陣列勘探方法,通過(guò)儀器控制電極轉(zhuǎn)換而進(jìn)行組合測(cè)量,測(cè)量效率較高,測(cè)量點(diǎn)數(shù)較多,從而獲得了相對(duì)較多的地層信息,圖1為高密度電法工作流程圖。

圖1 高密度電阻率工作流程圖Fig.1 Work flow diagrams of high density resistivity

2 高密度電阻率法應(yīng)用實(shí)例

在長(zhǎng)江中游宜昌—荊州和武漢—黃石沿岸段1∶5萬(wàn)富池口幅環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中,項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要在指定區(qū)域進(jìn)行物探工作部署,對(duì)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證,保證資料的完整性,提高成果的準(zhǔn)確性。

2.1 工作區(qū)地質(zhì)背景

工作區(qū)地跨秦嶺褶皺系和揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)兩個(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元,在圖幅的東北角為其銜接部位。以襄—廣斷裂帶為界,北為秦嶺褶皺系,出露上元古界青白口系地層,分布面積較小，南為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái),地層從震旦系至第四系均有出露,其中以古生界較為發(fā)育,主要分布在圖幅中部,呈西北—東南向展布,構(gòu)成圖幅內(nèi)低山地貌。中生界以下三疊統(tǒng)大冶組為主,常與古生界地層相伴出露,組成向斜構(gòu)造核部。其他疊層單位則分布較為零星,白堊系—新近系及第四系主要分布在網(wǎng)湖、長(zhǎng)江階地一帶,賽橋湖以北有燕山早期地層出露。

2.2 目的和任務(wù)

工作目的是配合地面調(diào)查及以往所做工作的成果資料,了解工作區(qū)內(nèi)的地層分布、巖性、基巖埋深、隱伏碳酸鹽巖分布范圍等。物探工作任務(wù)是進(jìn)行高密度電阻率法測(cè)量,剖面布設(shè)4條測(cè)線(xiàn),點(diǎn)距10 m,共600個(gè)測(cè)點(diǎn)。主要布設(shè)于工作圖幅內(nèi)的隱伏巖溶區(qū)、主構(gòu)造性分布區(qū)、沿江第四系含水層分布區(qū)等,工作平面布置圖如圖2所示。

圖2 工作布置平面圖Fig.2 Layout plan

2.3 工作裝置

綜合工區(qū)實(shí)際情況、勘探深度、地質(zhì)要求等因素,采用高密電法的溫納(α)裝置進(jìn)行測(cè)量(圖3),使用的儀器為奔騰數(shù)控儀器廠生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)電阻率測(cè)量系統(tǒng),通過(guò)選配WDZJ-120多路電極轉(zhuǎn)換器、集中式高密度電纜、電極,實(shí)現(xiàn)集中式二維高密度電阻率測(cè)量,供電電極為120根,測(cè)量剖面層數(shù)為20層,極距為10 m,最大探測(cè)深度大約為100 m。

圖3 溫納裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of Winner device

2.4 工作區(qū)地球物理特性

本次工作及區(qū)域資料,工區(qū)內(nèi)巖性主要電性參數(shù)見(jiàn)表1所示,各種巖性之間存在較大的電性差異,具備采用電法進(jìn)行勘探的地球物理前提。

表1 區(qū)內(nèi)主要巖性物性參數(shù)表Table 1 Table of main lithological and physical parameters in the area

2.5 資料解釋

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、資料處理、解釋后得出最終的成果,圖4-圖5為FC1線(xiàn)、FC4線(xiàn)高密度測(cè)線(xiàn)剖面成果圖。

圖4 FC1線(xiàn)剖面成果圖Fig.4 Profile result map of FC1 line

圖5 FC4線(xiàn)剖面成果圖Fig.5 Profile result map of FC4 line

FC1線(xiàn)整條剖面電阻率由淺到深逐漸增大,電阻率值變化較為明顯,淺部第四系及深部灰?guī)r界面清晰,第四系厚度在12 m左右。根據(jù)電阻率大小,剖面大致分為三層:淺部(深度0～12 m)低阻體為第四系覆蓋層;中部(深度12～33 m)為相對(duì)高阻體,推測(cè)為風(fēng)化層,巖性為灰?guī)r,在測(cè)線(xiàn)里程樁號(hào)450～600 m處風(fēng)化層較厚,兩邊相對(duì)較薄;深部(深度>33 m)為高阻體,推測(cè)巖性為灰?guī)r,巖體較完整。FC4線(xiàn)整條剖面上電阻率整體較低,電阻率變化幅度較小。第四系覆蓋層界線(xiàn)較為明顯,淺部電阻率較低,推測(cè)為第四系覆蓋層,厚度為30 m左右;深部(深度>30 m)電阻率相對(duì)較高,推測(cè)整體為砂巖。此測(cè)線(xiàn)里程240 m、1 330 m附近分別有兩處異常區(qū),結(jié)合地面情況,推測(cè)應(yīng)該為江堤和公路的干擾。

后期地質(zhì)項(xiàng)目組在各條測(cè)線(xiàn)附近實(shí)施鉆探工作,其中ZK1、ZK6號(hào)鉆孔分別位于FC1線(xiàn)、FC4線(xiàn)附近(圖2所示)。通過(guò)鉆探資料得出:ZK1在0～1.9 m處為素填土,1.9～9.9 m處為粉質(zhì)粘土,9.9～80 m處為灰?guī)r;ZK6在0～4.4 m為素填土,4.4～14.6 m為粉質(zhì)粘土,14.6～30.5 m為卵石土,30.5～40 m為砂質(zhì)泥巖。鉆探資料與高密度成果基本吻合,驗(yàn)證了此次高密度電法工作結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

3 存在的主要問(wèn)題和解決的方法

高密度電法在實(shí)際應(yīng)用中取得了滿(mǎn)意的成果,在地表以下淺層(0～200 m)勘探應(yīng)用廣泛,尤其是在干擾較小的城郊、山區(qū)更是效果顯著,但在城區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的應(yīng)用上會(huì)遇到一些問(wèn)題。

3.1 城區(qū)干擾源較多

城區(qū)存在較多的外在干擾,如高壓線(xiàn)、大型工廠、交通復(fù)雜的十字路口等,導(dǎo)致采集的視電阻率偏離真實(shí)值,給資料解釋造成誤區(qū)。以FC4線(xiàn)為例,圖6為該測(cè)線(xiàn)通過(guò)RES2DINV軟件生成的實(shí)測(cè)電阻率剖面圖和反演電阻率剖面圖。實(shí)際施工過(guò)程中,測(cè)線(xiàn)上的長(zhǎng)江大堤和公路附近路基較硬,致使電極接地較差,加之車(chē)輛、民房較多,都對(duì)該區(qū)域數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定程度的干擾。從實(shí)測(cè)電阻率剖面圖中可以看出,大堤下方視電阻率相較于圍巖突然變低,公路下方也產(chǎn)生了兩條八字形的視電阻率異常區(qū),根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在同一穩(wěn)定地層,這種電阻率突變是不正常的,極有可能是受外界干擾引起;而從反演電阻率剖面圖可以看出,兩個(gè)干擾區(qū)經(jīng)過(guò)反演處理后異常被進(jìn)一步擴(kuò)大,并且反演的圓滑、迭代等步驟導(dǎo)致該異常不易被直觀分辨出是外界干擾造成的,使得技術(shù)人員在根據(jù)反演剖面解釋時(shí)可能出現(xiàn)偏差;最下面的剖面圖是刪除了大堤附近部分受干擾的異常點(diǎn)后進(jìn)行反演生成,與上面直接反演的電阻率剖面圖對(duì)比可以看出,刪除干擾點(diǎn)后反演出的異常體明顯被壓制,測(cè)線(xiàn)大堤下方電阻率整體變化不大,為同一地層的正常反映,此結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)地層資料相吻合。

可以從兩個(gè)方面去解決這一問(wèn)題:①野外施工過(guò)程中物探人員需要盡可能詳細(xì)地記錄測(cè)線(xiàn)附近所有可能造成干擾的目標(biāo)體及其準(zhǔn)確位置,在資料解釋時(shí)結(jié)合原始記錄分辨出外部干擾造成的剖面異常。②在資料處理上不能盲目相信反演結(jié)果,復(fù)雜的施工環(huán)境會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量造成很大的干擾,采集的異常數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演后往往會(huì)無(wú)限放大,造成誤判,在這種已知數(shù)據(jù)質(zhì)量較差的情況下,原始的視電阻率比經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)更可靠,更容易分辨出異常體的真?zhèn)?在資料處理階段,要更多地分析視電阻率等值線(xiàn)圖,進(jìn)而提高資料解釋的準(zhǔn)確性。

圖6 FC4線(xiàn)實(shí)測(cè)—反演—?jiǎng)h除干擾點(diǎn)反演電阻率剖面對(duì)比圖Fig.6 Resistivity profile contrast map of FC4 line measurement-inversion-delete interference inversion

3.2 硬路基施工困難

城區(qū)施工會(huì)遇到一些路基較硬的地段,布線(xiàn)受到極大影響。電阻率法基本工作原理是AB極向地下供電形成閉合回路,通過(guò)MN極接收地下反饋的電阻率信息,若要測(cè)得理想的電阻率數(shù)據(jù),就必須保證AB極供電良好,使得地下電流足夠大。圖7為富池口幅高密度FC2線(xiàn)實(shí)測(cè)電阻率剖面圖,該測(cè)線(xiàn)中500～820 m為砂石路段,路面干燥硬實(shí),電極與地面接觸較差,導(dǎo)致供電較弱。從剖面圖中可以明顯看出該段整體電阻率與測(cè)線(xiàn)兩端相比明顯偏低,并且隨不同深度的變化幅度較小,對(duì)不同巖性界面的分辨度沒(méi)有兩端明顯。所以,硬路基造成的布線(xiàn)布極困難會(huì)間接影響到采集的電阻率數(shù)據(jù)的質(zhì)量,增加后期處理、解釋資料的難度。

圖7 FC2線(xiàn)實(shí)測(cè)電阻率剖面圖Fig.7 Measured resistivity profile of FC2 Line

在城區(qū)施工遇到此類(lèi)問(wèn)題時(shí),可以用特制的鋁片連接電極,增大電極與地表的接觸面積,同時(shí)在每個(gè)電極的鋁片上用濕土覆蓋固定,并澆鹽水進(jìn)一步增加導(dǎo)電性,可以很大程度地改善接地較差、供電不良的問(wèn)題,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。同時(shí)技術(shù)人員應(yīng)對(duì)電極接地較差的路段做詳細(xì)的原始記錄,給后期資料處理和解釋工作提供依據(jù)。

3.3 勘探深度和精度難以兼顧

目前市場(chǎng)上常用高密度電法裝置為120道電極溫納裝置,其最大剖面層數(shù)為39層,在測(cè)線(xiàn)布設(shè)上,根據(jù)公式h=n×a/2(h為勘探深度,n為剖面層數(shù),a為電極距)可知,在剖面層數(shù)一定的情況下勘探深度與電極距成正比。常用的10 m電極距的理論最大勘探深度為195 m,采樣間距和電極距同為10 m。對(duì)于淺層地質(zhì)體,減小極距，提高精度，能保證勘探深度,所以技術(shù)上能勝任在地下管道、隧道、空洞等方面的應(yīng)用;但是對(duì)于深層(>200 m)地質(zhì)體,則需要將10 m極距繼續(xù)擴(kuò)大才能探測(cè)到更深的電阻率信息,這就意味著直徑小于采樣間距的異常體(如巖溶、塌陷、裂隙等)在采樣時(shí)可能被跳過(guò),從而丟失異常信息,致使施工可能達(dá)不到預(yù)期效果。

對(duì)于這種情況,可以對(duì)同一條測(cè)線(xiàn)進(jìn)行加密測(cè)量,在測(cè)完一條剖面后,只需要將電極沿測(cè)線(xiàn)方向平移到指定的距離,然后重新連接裝置,便能高效地完成一條測(cè)線(xiàn)的加密測(cè)量工作,在使用較大電極距保證勘探深度的同時(shí),有效地填補(bǔ)極距過(guò)大導(dǎo)致的橫向分辨率不足,結(jié)合同一測(cè)線(xiàn)的兩條甚至多條地電斷面圖,對(duì)比分析剖面上不同的電阻率特征反映,可以更精確地解釋出地下的異常體信息。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述實(shí)際工作結(jié)論和問(wèn)題分析可以得出,高密度電法在環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作中效果明顯,能對(duì)當(dāng)前很多地質(zhì)工作進(jìn)行前期的驗(yàn)證和后期的指導(dǎo),但是仍然存在一些野外數(shù)據(jù)采集和資料處理方面的技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步完善,包括資料處理的干擾識(shí)別、在城市施工的接地困難、橫向分辨率和探測(cè)深度難以兼顧等問(wèn)題,通過(guò)加大施工力度、綜合全面分析資料、加密測(cè)量等措施能對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行改善。在中國(guó)將地勘重心由礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)向環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、地災(zāi)監(jiān)測(cè)防治的大環(huán)境下,今后物探將普及到更廣泛的領(lǐng)域,堤壩滲漏探測(cè)[4]、地面塌陷探測(cè)[5]、滑坡探測(cè)[6]等與環(huán)境地質(zhì)、地災(zāi)相關(guān)的工作都將需要物探工作的協(xié)助,高密度電法將在這些工作中發(fā)揮重要的職能。