綜合物探方法在工程選址中的應用

王 暉,張圣勇,張麗媛,葉瑞鳳,徐洪亮

(山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271000)

0 前 言

鋁業的廢料處置廠選址有嚴格的要求,必須對被選場址的工程地質、環境地質、及礦產地質等進行全面勘查和評價。本次研究對象為某鋁業廢料處置廠選址,鋁業廢料處置廠按規定應遠離村莊800 m,廠址的區域不能含有巖溶、斷層、裂隙等不良地質結構,綜合物探方法是進行前期工程選址階段科學而經濟的手段。

本次物探綜合應用了高密度電阻率法和探地雷達兩種手段,每種檢測方法都有其各自的優缺點。高密度電阻率法具有工作效率高、探測深度大的優點,但是探測精度相對探地雷達低;探地雷達具有實時成像,精度高的優點,但是與電阻率法相比探測深度受到介質的影響較大。

1 工作原理

1.1 高密度電阻率法工作原理[1]

高密度電阻率法與常規直流電阻率法一樣,是利用天然或人工電場,對不同巖層的電性差異引起的電場異常,查明巖層和構造等問題。高密度電阻率法首先采用三電位電極系(即 α、β、γ裝置),在地面上進行二維測量。后來研究提出陣列電探系統,它不僅增加了裝置序列,而且可在井孔中實現CT成像。20世紀90年代后,陣列電探系統開始往三維電阻率測量方面發展,并成功地實現了少量電極、小網格的正反演理論計算,研制出了各種各樣的處理軟件。三電位電極系是將溫納四極、偶極及微分裝置按一定方式組合所構成的一種統一測量系統,該系統在實測中,只須利用電極轉換開關,便可將每四個相鄰電極進行一次組合,從而在一個測點便可獲得多種電極排列的測量參數。

高密度電阻率法具有以下優點:①電極布設一次性完成,減少了因電極設置引起的干擾和由此帶來的測量誤差;②能有效地進行多種電極排列方式的測量,從而可以獲得較豐富的關于地電結構狀態的地質信息;③數據的采集和收錄全部實現了自動化(或半自動化),不僅采集速度快,而且避免了由于人工操作所出現的誤差和錯誤;④可以實現資料的現場實時處理和脫機處理,根據需要自動繪制和打印各種成果圖件,大大提高了電阻率法的智能化程度。由此可見,高密度電阻率法是一種成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力顯著提高的電阻率法勘探新方法。

1.2 地質雷達探地原理

探地雷達技術是利用廣譜電磁波(主頻為10 MHz～103 MHz)確定地下介質特征的一種地球物理探測方法。其基本原理是:首先由發射天線向地下發射高頻寬帶短脈沖電磁波。同時由接收天線接收來自地下空間不同深度介質界面的反射波。電磁波在地下不同介質中反射時其路徑、電磁場強度、反射波波形特征等將隨介質的電性、幾何形態而變化。假設地下半無限空間內存在 n+1層電性介質,則存在n個電性界面,設每個電性層厚度為Hi,電磁波速度為Vi,介電常數為Ei,每個電性界面的反射波系數為Ri,則有如下關系式:

第i層反射系:

第i層雙程走時:

其中:下標i代表i個電性界面。探地雷達就是基于電磁波反射信號特征研究地下各種地質現象的。

2 工作方法及地電特征

2.1 工作方法

2.1.1 高密度電阻率法工作方法

野外實際測量中先根據勘測目的、勘測區域的大小及地質條件確定需要采用的電極裝置類型及測量布置方案,并按照測量順序準備好測量電極文件,然后進行電極的布置。安置電極時要注意使電極與介質充分接觸,盡可能減小接地電阻,同時,要注意防止勘測中出現電極極化現象,宜采用不極化電極。

2.1.2 探地雷達工作方法[2]

探地雷達具有不同的野外工作方法,根據實際工區的地質、地形條件的不同,測量方式可以選擇剖面法、多次覆蓋法以及寬角法等。實際工作中測量參數如分離距、時窗以及天線中心頻率等,也可以根據不同要求進行選擇,選擇不同的參數可以得到不同分辨率及不同探測精度的雷達圖形。一般情況下在正式進入工區以前應有目的地進行前期參數選擇試驗,以達到最佳探測效果。

2.2 地電特征

地球內部不穩定的自然電流,其在地下空間中的分布隨時間發生變化。地電斷面可大致反映工程選址地質斷面情況。由于相同的地層,電阻率可能不同,地電斷面不一定與地質斷面完全一致。

3 工程應用

3.1 工程概況

本次物探對象為某鋁業廢料處置廠的一處選址,檢測目的是探明廠址的區域不良地質情況,如巖溶、斷層、裂隙等問題,此選址視野廣闊,地質表面為紅粘土覆蓋,地質有利于高密度電阻率法與探地雷達工作。布置測線3條,0+30m與0+90m為雷達測線;0+60m為電阻率法測線1條。如圖1所示。

圖1 廠址測線布置示意圖

3.2 電阻率法成果解釋

本次數據采集使用E60C型高密度電阻率法完成,采用溫納裝置進行測量,電極間距為5 m,電極數為56個。野外儀器接收到的原始數據傳輸至微機中,經過軟件處理得出反演圖像,反映地下地質體電性特征視電阻率成像剖面及其反演圖見圖2。

如圖2所示,測試成果表明,該場地地層大致分布較穩定,埋深39 m以上一般可分為三個電性層,第一電性層分布在該測區82 m～210m處,深度在5 m左右,表現為高阻區,初步推斷為巖石層。第二電性層分布在0 m～80 m,深度在5 m左右,以及95 m～210 m,深度在6 m～28 m處,表現為低阻區,推斷為粘土層。第三電性層埋深一般在30 m向下,其電阻率值較穩定,為相對低阻區,估計為粉砂層。

圖2 反演圖

3.3 探地雷達成圖解釋

本次檢測,采用拉脫維亞Radar Systems有限公司制造的Zond-12e型地質雷達,該儀器具有采集速度快、分辨率高、軟件功能強大等特點。根據檢測目的,采用100 MHz的屏蔽天線,以點測記錄的方式采集數據,見圖3。

圖3 地質雷達檢測圖

探地雷達資料的地質解釋是在數據處理后所得的探地雷達時間剖面圖像中分析反射波組的波形與強度特征。巖石巖性相對均一雷達反射波幾乎看不出明顯的變化,反射波組為細密直線型。粘土層由于層間含水率差異、風化程度的差異等原因雷達反射波呈現出高幅、低頻、寬幅并呈同相軸連續性。粘土層與石灰巖層之間電性差異較大速度界面較清晰。石灰巖層中巖溶發育程度較弱或無巖溶層中反射波組也為細密直線型。當有巖溶發育時反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態的變化橫向上呈現出一定的變化。一般溶洞的反射波為低幅、高頻、細密波型,但當溶洞中充填風化碎石或有水時,局部雷達反射波可變強。溶蝕程度弱的石灰巖的雷達反射波組為高頻、低幅細密波[3]。

對測線路1(0+30m)的雷達反射波研究發現在測線水平方向2 m～5 m左右處存在溶蝕,不過溶蝕程度較弱,對場地的影響較小;測線2(0+90m)中基巖0～7.0m處和9.5 m～13.0m處存在較嚴重的溶蝕作用,13.0 m～23.0 m處發育溶洞。上述溶蝕現象在其余測線上均有不同程度的反映,通過對溶洞空間分布規律的分析可以看出:場地溶洞沒有在場地造成太大的影響,場地主要以粘土層為主,雷達反射波主要呈現出高幅、低頻、寬幅,與實際地質表面相吻合。

4 結 論

(1)高密度電阻率法特點是數據采集密度大,工作效率高,數據反演時自動化程度高,能直觀地反映地下電性異常體的形態,可以定性的確定各種異常地質的位置。

(2)探地雷達是一種新的高分辨率地球物理探測技術,巖溶地質異常的波阻特征與圍巖之間差異較大,從雷達剖面上可以識別如溶洞、溶溝或溶槽這樣的單個目標體,其所受的影響因素很多,比如選擇合適的天線頻率,恰當的工作參數,這些要根據工程實際情況,才能得出滿意的效果。

(3)綜合運用這兩種方法,查明選址區的不良地質情況,能夠取長補短,提高解釋精度。得到的結果為對特定的區域處理后鋁業廢料處置廠可以建在此區域。通過這兩種方法綜合運用,高密度電阻率法和探地雷達能相互補充。高密度電阻率法能確定不良地質的長度,在深度上效果不明顯,而地質雷達方法能更準確的確定深度。

理論和實踐證明:在工程的選址中,綜合地球物理方法由于從不同的物性差異上給出同一地質本質的不同現象,可以使解釋的可靠性得到大大的提高,綜合運用的效果能取長補短,彌補一種方法解釋的缺陷,提高解釋的精度,因此這是一種行之有效的方法。

[1]劉曉東,張虎生,朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應用[J].工程勘察,2001,(4):64-66.

[2]李大心.地質雷達方法與應用[M].北京:地質出版社,1994.

[3]石明,馮德山,戴前偉.綜合物探方法在堤防質量檢測中的應用[J].地球物理學進展,2006,21(4):1328-1331.