高密度電法在冰磧堆積體勘察中的應用

四川中水成勘院工程勘察有限責任公司 四川成都 610072

摘要：高密度電法集電測深和電剖面裝置于一體，由于它具有采集信息多，數據量大，觀測精度高，速度快和探測深度較大等特點，在工程勘查中廣泛應用。本文將高密度電法用于冰磧堆積體勘察中，通過數據模型的正演和反演模擬以及應用實例，驗證了實施高密度電法調查冰磧堆積體的切實可行性，對調查冰磧堆積體性狀參數及其勘察治理提供了地球物理依據。

關鍵詞：高密度電法；冰磧堆積體；正演模擬；反演模擬；應用

1 前 言

冰磧堆積體是指規模較大、埋藏較深、以崩塌作用為主的堆積體，滑坡少見，組成物質以粉土、粉細砂為主，夾碎、塊石或部分卵礫石。一般形成臺地地形，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、經濟有效的工程地質勘探與地下工程質量檢測手段已被國內外工程界所共識。另一方面計算機數據處理與成像技術，又把大量煩瑣的數據計算、成像處理變得快速準確，大大提高了探測效率和成功率，因此該探測方法與其它物探方法相比具有更強的優越性[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的地球物理條件，而且，冰磧堆積體的結構比較密實，向地下供電比較容易，因此運用高密度電法探測冰磧堆積體效果比較理想。

2.測區工程地質條件及地球物理特征

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

該冰磧堆積體主要由冰磧堆積的孤塊碎石土組成，表面呈半膠結狀態，為鈣泥質膠結，在表部形成“硬殼”，其表層植被較為發育，電阻率為2000～6000Ω·m；下部密實性相對較差，堆積體主體內部電阻率為300～800Ω·m；下伏基巖為燕山早期中粒花崗閃長巖（γδ52），隨機分布巖脈，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.野外數據采集及處理

高密度電法有多種電極排列方式，根據多組現場實驗，在本次工作中，采用溫納AMNB（α）裝置，該裝置數據穩定性好，測試效果對垂向電性變化反映最為明顯，反演深度準確。其參數為：

AM=MN=NB，AN=BM=2a，

在工區延冰磧堆積體方向，在堆積體左右兩部分分別布置兩條縱測線Z1、Z2（見圖2-1）。根據地形、地質條件和目標層埋深選用電極距和排列長度，采用6m電極距，每個排列布置電極120根。測量時對同裝置采用0.3s和0.5s不同供電時間進行兩次測量、采用不同裝置檢驗測量數據的一致性和穩定性。

本次工作野外數據采集使用儀器為DUK-2高密度電法儀和DUK-2多路電極轉換器，以及配套電纜、電極、通訊線等設備。使用RES2DINV軟件包，將所測得的視電阻率，經數據格式轉換、數據預處理、地形校正、正演和反演計算，最后得到視電阻成像色譜圖并對其進行解釋[5-6]。

4.冰磧堆積體的高密度電法測試數據模擬

為了進一步判斷冰磧堆積體的高密度電法測試表征，了解高密度電法在冰磧堆積體勘察中的探測效果，根據圖2-2中的冰磧堆積體地球物理模型圖進行高密度電法測試數據模擬。

4.1 數據模型

在數據模型中設置點距1m，電極101根，冰磧堆積體的鈣泥質膠結表層電阻率為3000Ω·m，冰磧堆積體內部松散結構體的電阻率為500Ω·m，基巖的電阻率為5000Ω·m，模擬數據模型見圖4-1。

圖4-1模擬數據模型圖 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空間的二維模型分成一系列的矩形網格，將模擬空間數值化，用離散的空間點表示連續的空間，還要將場的方程進行離散，用離散的空間點的函數值表示連續的空間變化函數。用差商代替微商，將待解的連續的微分方程變換為離散的差分方程，并通過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圖4-2。

4.2 反演模擬

對正演模型計算出的視電阻率值進行快速、穩定的最小二乘反演，通過迭代非線性最優化方法確定地下介質空間矩形網絡的每一小塊的電阻率值[9]，反演模擬電阻率斷面圖見圖4-3。

圖4-3 反演模擬電阻率斷面圖

對比數據模型、正演和反演電阻率斷面圖可見：

1）正演和反演電阻率斷面圖與數據模型對應吻合較好，且分界面清晰。

2）雖然冰磧堆積體鈣質膠結表層電阻率較高，但由于厚度較小，對冰磧堆積體主體在電阻率斷面圖呈現的低阻異常區域的影響較小，基本可以忽略不計。

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，基巖呈現高阻異常且連續。

4）由于如果相鄰區域的高密度電法測試電阻率值差異較大，在平滑限定條件的最小二乘反演過程中就會產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，要注意剔除這方面的異常。

5.測試成果與分析

本次工作采用高密度電法對冰磧堆積體體進行勘探，其目的是查明該冰磧堆積體的規模，下伏基巖的空間形態特征、埋深等問題。

由圖5-1、圖5-2縱剖面高密度電法反演成像色譜圖可見，電阻率分層明顯。

由圖5-1可見，在Z1剖面約138～246m段、384m處、462m處和540m處，出現由于表層鈣質膠結化引起的局部高阻異常，電阻率為2000～6000Ω·m，而在剖面約582m處由于兩側基巖視電阻率相對較高而出現低阻假異常；在剖面兩端，約0～96m段和600～714m段，對應高程2545～2600m和2200～2310m，地表局部見基巖出露，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，對應高程約2310～2545m，出現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，在Z2剖面約318～612m段，出現由于表層鈣質膠結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較高而出現低阻假異常；在剖面兩端，約0～120m段和672～714m段，對應高程2455～2550m和2150～2200m，地表局部見基巖出露，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，對應高程約2200～2455m，出現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，縱向長約550m。基覆接觸面總體后陡前緩，中后部傾角31°，前緣較緩，傾角19°。冰磧堆積體內部巖性較為均勻，承載力較高，經工程處理后可作開關站地基。

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

6.結論

1）通過對冰磧堆積體正演、反演模擬和應用實例中資料采集、解釋以及和鉆孔資料的分析對比等，驗證了使用高密度電法查明冰磧堆積體的規模，下伏基巖的空間形態特征、埋深等問題具有很好的效果，具有較廣泛的實用性和準確性，從而產生較大的經濟效益和社會效益。

2）在進行野外數據采集時，為了更準確的對冰磧堆積體進行探測，得到準確的物探數據，需要根據地形、地質條件和目標層埋深選用電極距和排列長度等參數，測量時采用不同裝置測量以及對同種裝置采用不同供電時間進行測量，來保持數據的一致性和穩定性。

3）由于冰磧堆積體的鈣質膠結外殼、接地條件不良或表層孤塊碎石會引起反演成像色譜圖淺層出現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，但連續性較好，在進行解譯的時候要注意區分。

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烈反差，在數據反演迭代過程可能會在反演成像色譜圖上產生局部較大的假異常，在判斷冰磧堆積體下伏基巖界面時，要注意剔除。

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

參考文獻：

[1]孔憲立編，工程地質學[M]。中國建筑工業出版社，2003

[2]郭建強。地質災害勘查地球物理技術手冊[M]。北京：地質出版社，2003

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

[5]雷宛，肖宏躍，鄧一謙。工程與環境物探[M]。北京：地質出版社，2006

[6]肖宏躍，雷宛，孫希薷。滑坡勘查中的高密度電阻率法異常特征[J]。災害學，2008，23（3）：27-31

作者簡介：

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。