電阻率法在沿海淺表富氣土層識別中的試驗分析

陳 雨

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230000)

1 引言

在東南沿海地區淺部土層中富含大量氣體，給工程施工建設帶來很大的麻煩[1～3]。因此，精準探測淺層氣富存特征問題亟待解決。縱觀國內外研究，探測技術多樣，以測井、地質雷達、靜力觸探等探測方法居多，各探測方法特性不一[4，5]。對于電性特征識別技術是以地下介質間的地電場差異為物性基礎識別淺層氣，周錫堂、孟慶國等基于此，進行了數值模擬和理論分析研究工作的開展[6，7]。本文以電性特征為基礎進行數值模擬，利用現場試驗數據進行三維電阻率成像，研究富氣土層地電性識別特征，為工程安全建設提供保障。

2 地質地球物理探查模擬

2.1 探查地質地球物理基礎

探查試驗區為杭州一地鐵施工區，試驗區內自然地理條件優越，可為淺層生物氣體生成提供條件[8]。根據前期勘察及踏勘結果[9]，試驗場地內主要出露新生界第四系地層。圖1為試驗區內的地層柱狀圖，根據勘察結果，試驗場地內埋深6～30 m地層為主要的富氣段。

電阻率法識別淺層氣時，通過探測設備向土層通電，建立地下電流場，電流場因富氣區與周圍土層的差異表現出異常地電場，以此分析研究淺層氣的富存特征[10，11]。查閱資料，部分研究也表明了，土層富氣后，氣體會充填在孔隙中，土層中含水量降低，部分孔隙膨脹，致使土層電性特征發現改變，呈現出電阻率值異常升高的現象[12～16]。

2.2 模擬試驗

運用EarthImager模擬軟件從不同含氣程度展開數值模擬，基于試驗區土層分布特征及土層電性特征建立數值模擬地電模型，采用有限差分建模，Mixde邊界條件，最大均方誤差為1%，6次迭代，阻尼最小二乘法反演對富氣土層電性響應特征進行數值模擬。

在電阻率值測試中，③1與③2土層電阻率值較為相近，為避免地電模型地層太過復雜，影響模擬效果呈現，模型構建時，合并為均一土層；④1與④2土層電阻率值相近，合并為均一土層。背景地電模型參數如表1。

圖1 地層柱狀圖

表1 背景模型參數

本文主要研究土層富氣前后及不同含氣程度土層的電性響應特征規律。依據相關研究[3,13，14]，在模擬試驗中，設置上下兩個富氣區，深度分別為7.5 m和20.6 m，大小設置為21 m×6 m，模擬過程中，富氣區電阻率值分別設置為50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、400 Ω·m。

圖2 不同含氣程度數值模擬結果

圖2為5種不同含氣程度地電模型模擬結果。在模型中，測試系統共布設了64個電極，間距為3 m，總長189 m。空間采樣間隔縱橫向均為1.5 m，橫向寬度189 m，縱向高度40 m。在電阻率反演剖面圖中，綠色為基本色調，藍色青色為低電阻率值表現，紅黃暖色為高電阻率值表現。為較好呈現電性特征，各剖面圖色標有所差異，數據分析時需結合各剖面圖色標進行分析。

圖2(b)為背景模型電性響應特征，電阻率分帶明顯，與地電模型中各層位置相一致，且電阻率值也相對應。圖2(c)～2(f)為不同含氣程度電阻率反演剖面圖，由圖可知，電阻率設置為50 Ω·m時，富氣區上部電阻率值分布在40～60 Ω·m之間，下部電阻率值分布在20～35 Ω·m之間。當設置電阻率值由50 Ω·m逐步升高到400 Ω·m時，富氣區上部電阻率值也逐步升高，與設置電阻率值相近，下部富氣區電阻率值升高幅度較小，多分布在20～55 Ω·m之間。數值模擬分析，土層富氣時呈現明顯的高電阻異常，隨富氣區含氣程度升高，電性響應特征越明顯，異常區范圍、層位與模型相一致；分析下部富氣區電阻率值升高幅度小受埋深及下部地層電阻率值影響，這一影響因素分析將在相關研究中進行。

3 現場探測試驗

基于地質條件及數值模擬結果，現場采用電阻率法對試驗區內地下富氣土層進行探測試驗。試驗時，根據試驗環境分別從東西、南北兩個走向布置測線，利用垂向數據進行三維電阻率成像。

3.1 測線布置與數據采集

本次探測試驗共布設6條測線，一號、二號測線為東西走向，均布設64個電極，電極間距3 m，測線長度189 m，兩條測線間隔110 m；四號測線為南北方向布設，穿過一號、二號測線，從垂向上探測試驗區內富氣土層電性響應特征，由于試驗區內地形和建筑環境限制，四號測線長度為165 m，電極數56個，電極間距3 m，圖3為現場測線布置示意圖。

圖3 現場測線布置示意圖

3.2 聯合三維電場數據處理與分析

現場測試系統采集地電場數據后，采用WBD解析軟件進行數據解編，通過EarthImager軟件進行數據處理，將富氣土層電性響應特征以圖像呈現出來。

試驗數據處理中，選擇一、二、四號測線數據進行電阻率反演三維成像。

圖4為電阻率反演三維成像，清晰呈現測區富氣土層三維電性響應特征，由圖4(a)、圖4(b)可知，一號測線下方10～30 m埋深位置呈現出透鏡狀高阻區，電阻率值分布在30～250 Ω·m之間，二號測線下方6～25 m埋深位置呈現出扁豆狀和不規則狀高阻區，電阻率值分布在30～300 Ω·m之間，四號測線下方6～15 m埋深位置呈現條帶狀高阻區，電阻率值分布在30～150 Ω·m之間。結合數值模擬結果及地質勘察資料分析，測線下方粉砂層和黏土層中高阻區多為淺層氣富集區。后期施工過程中，采用鉆孔施工排氣措施，證實了地下淺層氣的存在，同時也驗證了電阻率法測試技術對土層中富氣區位置和范圍的響應識別具備一定效果。

圖4 電阻率反演三維成像

4 結論

(1)數值模擬結果表明，土層富氣時呈現明顯的高電阻異常，隨富氣區含氣程度升高，電性響應特征越明顯。

(2)現場試驗表明，電阻率反演三維成像可清晰呈現富氣土層電性響應特征，電阻率法在淺表土層富氣區探測識別中具有一定效果，可為淺層氣研究和工程應用提供重要參考。

(3)電法測試時，影響因素較多，需要對電極的耦合效果及其他影響因素綜合考慮，提高對土層中富氣區的響應與識別能力。