三維并行高密度電法在六國化工磷石膏堆場場地勘察中的應(yīng)用

周官群, 崔穎 , 梁希凱, 陳興海, 岳明鑫, 王亞飛 , 吳小平, 曹煜, 劉耀輝

(1.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 合肥 230009; 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026; 3.安徽國科驕輝科技有限公司, 合肥 230088; 4.安徽惠洲地質(zhì)安全研究院股份有限公司, 合肥 231202)

隨著中國經(jīng)濟持續(xù)的飛速發(fā)展,國內(nèi)對礦產(chǎn)資源的需求仍然很大。礦產(chǎn)資源開發(fā)規(guī)模繼而加大,產(chǎn)生的選礦尾礦數(shù)目呈現(xiàn)增長趨勢,為控制尾礦無限制排向江河海等處。尾礦庫隨之建成,據(jù)統(tǒng)計,1965年以來由于滲透破壞致使中外尾礦庫潰壩事故頻發(fā)[1-2]。在長期堆存過程中,受風(fēng)化、降雨作用導(dǎo)致可溶性污染物通過裂隙密集帶、采空區(qū)、巖溶等滲漏通道滲入土壤導(dǎo)致堆場下部及周圍區(qū)域水土污染,因此探索地下空間的三維可視化尤為重要。由于地下地質(zhì)條件復(fù)雜,常規(guī)鉆探方法成本高,難以進行高密度勘探。物探方法由于操作簡便,成本低且探測范圍大,精度高,有力彌補了鉆探方法的缺陷。被廣泛地運用于地下異常探查工作中。鄭智杰等[3]通過研究不同深度谷地對高密度電法探測地下巖溶通道的影響,提出在谷地較深區(qū)域利用高密度電法勘探應(yīng)適當增大電極距的指導(dǎo)性意見。孫宗龍等[4]結(jié)合高密度電法和地震面波法探明了居民樓下防空洞分布,為建筑物安全設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)。王志鵬等[5]通過對比分析2D、3D高密度電法探測斷層效果,得出3D高密度電法數(shù)據(jù)量更大探測結(jié)果更準確;謝興隆等[6]結(jié)合淺層地震反射法、高密度電法及地震折射層析法綜合有效查明了目標滑坡的斷裂分布等地質(zhì)特征,為復(fù)雜型滑坡勘查提供了一定借鑒;王栩等[7]結(jié)合實際案例系統(tǒng)分析了高密度電法、探地雷達等多種方法在城市地下空間探測中的適用性及探測效果,并對未來城市地下空間探測技術(shù)發(fā)展做出展望;Tosti等[8]利用探地雷達法(ground-penetrating radar)有效探查了地下鋼筋分布;閆清華等[9]采用高密度電法溫納裝置有效探查了場址地下溶洞規(guī)模及分布情況;龍慧等[10]聯(lián)合二維地震和高密度電阻率測深法精細刻畫了工作區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造空間展布,為雄安新區(qū)地下空間開發(fā)利用及大厚度沉積盆地城市地下空間探測提供借鑒。肖關(guān)華等[11]采用無線網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸線纜的淺層地震技術(shù)在濟南地下空間探測中取得了可觀勘探結(jié)果,為淺層地震技術(shù)發(fā)展提供了新思路。目前以地震和電磁法為主,但多為二維勘探,由于三維勘探觀測系統(tǒng)布置復(fù)雜,成本高,如何高效率地實現(xiàn)地下空間三維勘探,對于工程勘察十分重要。而傳統(tǒng)三維高密度電法觀測系統(tǒng)的布設(shè)難度大,使用常規(guī)電法儀采集耗時長,在真實復(fù)雜地質(zhì)條件下,應(yīng)用難度大,而利用三維并行高密度電法能夠達到高效采集數(shù)據(jù)的目的。

為查清此次磷石膏堆場擬建場地下部及周邊可能形成滲漏通道的三維形態(tài),現(xiàn)根據(jù)測區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)資料及現(xiàn)場勘察詳情分析,勘查區(qū)地形起伏高差較大,且多處區(qū)域為填土及碎石,適宜開展三維電法勘探工作。

1 三維并行高密度電法方法和原理

1.1 方法原理

并行高密度電法是一種電場實時跟蹤技術(shù),是新型數(shù)據(jù)采集方法。并行是指發(fā)射電極在提供電源的情況下,剩余的全部電極都正在檢測電位差的信息,為擬地震式直流電法資料采集方式,數(shù)據(jù)采集時,全部電極都處于工作狀態(tài),采集效率超高,同時采集的數(shù)據(jù)量極大。其可在一次測量中獲得自然場、一次場和二次場信息,利用提取的三維電位差信息進行三維視電阻率常規(guī)計算,其數(shù)據(jù)采集方式有單極全電位采集法(single point power field acquisition method,AM)和雙極全電位采集法(bitropic point power field acquisition method,ABM)[12-13],如圖1所示。研究表明,在相同時間內(nèi),以電極數(shù)s為例,其AM法數(shù)據(jù)采集量是普通高密度電法串行數(shù)據(jù)采集量的(s-1)(s+1)/3倍(s≥3),雙極全電位采集法(AM法)數(shù)據(jù)采集量普通高密度電法串行數(shù)據(jù)采集量的為(s-2)(s-3)/2倍(s≥4)[14]。收集數(shù)據(jù)時具有同時性和瞬時性,測量線上的所有電位曲線可在供電過程中得到(圖1),使圖像更加真實合理。現(xiàn)場工作中,在測區(qū)內(nèi)布置真三維直流電法觀測系統(tǒng),通過兩條或兩條以上的測線,得到測線間電性分布情況。分別提取供電電極與任意兩測量電極間的電流電位信息,進行空間三維反演,獲取空間三維電性分布圖[15]。

圖1 并行電法采集電位圖Fig.1 Parallel electrical collection potentiogram

1.2 并行電法反演技術(shù)

地球物理反演旨在基于地表觀測信號,推測地下地質(zhì)異常體相關(guān)物理參數(shù)。隨著計算機技術(shù)和電磁勘探技術(shù)的發(fā)展,利用高密度電法來實現(xiàn)這種目標具有重要意義。高密度電法反演過程以正演為基礎(chǔ),它的基本原理是以現(xiàn)場采集資料或正演模擬所得資料為基礎(chǔ),構(gòu)建初始電阻率預(yù)測基礎(chǔ)模型并進行正演測算,獲取同其對應(yīng)的預(yù)測數(shù)據(jù),對預(yù)測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行均方根誤差計算,如果誤差滿足要求,那么所建模型與地下介質(zhì)實際電阻率分布大致相符,否則,修改模型參數(shù),再一次正演,直至修正模型與實際相符依據(jù)正演計算,通過正演計算,預(yù)估地質(zhì)模型的視電阻率理論分布,并與觀測值進行比較,在最小二乘法下構(gòu)造誤差函數(shù),通過不斷修正模型參數(shù)使誤差函數(shù)最小化,使修正后的模型參數(shù)為地下地質(zhì)體的真實參數(shù)[16-17]。

電法反演技術(shù)處于不斷的發(fā)展和進步的階段。隨著數(shù)值計算領(lǐng)域中計算機的日益升級,已從原來的一維反演演變?yōu)榻裉斓亩S、三維反演。從單一參數(shù)或多物理場耦合分析向多種模型聯(lián)合應(yīng)用轉(zhuǎn)變是今后電法反演研究工作的主要方向之一。進行電阻率反演時,反演理論電測深曲線一維反演解釋發(fā)展最早也是最成熟的;二維及2.5維反演技術(shù)與解釋亦會趨向完善;但三維反演因存在計算效率問題,還在不斷發(fā)展與完善中[18]。因此,對復(fù)雜地質(zhì)體進行準確的電性參數(shù)反演是一項十分重要而且具有挑戰(zhàn)性的工作。關(guān)于電阻率反演,經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者不懈地研究,各種反演方法已經(jīng)開發(fā)出來,大體有基于Born近似的三維反演[19]、層析成像反演[20-21]、Tarantola反演[22]、傳統(tǒng)最小二乘反演等方法[23-25]。

本次數(shù)據(jù)處理采用的是基于共軛梯度法(conjugate gradient,CG)的三維反演軟件Earthimage3D。

1.3 共軛梯度法(CG)

共軛梯度法(CG)就是求解大型最優(yōu)化問題的有效手段之一,它可以直接從目標函數(shù)的反演入手,能明顯提高計算速度,減少內(nèi)存的需求。吳小平等[24,26]采用CG方法求電阻率三維最小構(gòu)造反演,它的目標函數(shù)為

(1)

式(1)中:第一項是以差分代替一階微分后模型粗糙度的離散形式;Rx、Ry、Rz模型在x、y、z方向的粗糙度矩陣;λ為拉格朗日因子;G為Jacobi矩陣;Δd為觀測數(shù)據(jù)dobs和正演理論值d0的殘差向量;Δm為初始模型m的修改變量。三維反演觀測數(shù)據(jù)即單極-單極E-SCAN測量的電位值φobs。由于變化幅度大,通過對數(shù)定義反演數(shù)據(jù)和模型參數(shù)的方法提高反演穩(wěn)定性,即d=lnφobs和m=lnσ,其中σ為電導(dǎo)率,相應(yīng)的Δd=lnφobs-lnφ0,Δm=lnσ-lnσ0,其中φ0為理論電位值,σ為電導(dǎo)率,σ0為初始模型電導(dǎo)率。

通過共軛梯度算法,易導(dǎo)出求解目標函數(shù)Ψ的最小構(gòu)造反演流程如下。

(1)給定初始模型:mk。

(3)計算殘差向量:

(2)

(4)計算右端項:bk=GTΔdk(由于y=Δdk,故只需計算GTy)

(3)

式(3)中:y=Gx;x=pj。

(4)

(6)CG迭代結(jié)束求得Δmk。

(5)

上面介紹了一種共軛梯度最小構(gòu)造反演算法,由于共軛梯度法具有收斂速度快、對初值不敏感等優(yōu)點。反演算法回避直接計算G的問題,只需G與任一向量x的乘積Gx及與GT任一向量y的乘積GTy。吳小平等[27]較詳細地論述了用單次正演計算所得單極—單極電位值求取Gx及GTy方法。那么通過CG迭代就可以得到Δmk再修改初始模型mk進行再次迭代,直至達到收斂標準的反演迭代完成。這種新的正反演計算方法是對以往常規(guī)反演算法的改進和完善,在提高反演效率方面取得顯著效果。例如,每一次非線性反演迭代只需要正演計算1次,極大地加快反演的計算速度,利于較精細網(wǎng)格參數(shù)單元復(fù)雜模型反演。

2 現(xiàn)場探測應(yīng)用研究

安徽六國化工股份有限公司磷石膏堆場項目,位于銅陵市義安區(qū)銅都大道與銅都大道北段之間,地塊場地總用地面積約6.3×104m2。為保障磷石膏堆場后期的安全及穩(wěn)定性,在形成前需要對堆場下部及周邊可能形成滲漏管道的區(qū)域規(guī)模形態(tài)和位置進行地球物理勘探工作,為后期工作提供地質(zhì)依據(jù)。

2.1 工程地質(zhì)概況

本次勘探深度控制范圍內(nèi)共4層土,自上而下分別為①層素填土(Q4ml),厚度1.5～10.3 m;②層黏土(Q4dl),厚度3.5 m;③層破碎中風(fēng)化灰?guī)r(T2)節(jié)理發(fā)育,厚度2.1～13.3 m;④層中風(fēng)化灰?guī)r(T2),巖體完整未揭穿,最大厚度18.6 m。本次調(diào)查深度內(nèi)地下水類型為潛水,主要以蒸發(fā)和地下徑流為主的排泄方式,受地表水和大氣降水補給,水位隨季節(jié)變化,賦存于淺部土層的孔隙中。地表水在附近沒有發(fā)現(xiàn)。③、④層是以裂隙性質(zhì)和發(fā)育程度控制滲透性的基巖裂隙水,裂隙一般,水量一般。

2.2 地球物理條件和方法選取

根據(jù)場區(qū)鉆探資料,測區(qū)內(nèi)以填土、破碎中風(fēng)化灰?guī)r、中風(fēng)化灰?guī)r為主,電性上表現(xiàn)為高阻,裂隙區(qū)的電阻率與周圍介質(zhì)的電阻率有明顯差異,呈現(xiàn)高阻,當裂隙區(qū)充水的情況下,其電阻率值降低,此為本次探測的地球物理基礎(chǔ)。由于本次勘查區(qū)地形起伏大,且多處區(qū)域為填土及碎石(圖2),無法進行長測線探測。地震勘探受地形影響難以獲得可靠效果,傳統(tǒng)二維高密度電法勘探方法受體積效應(yīng)影響,無法準確定位測區(qū)下部裂隙等異常。因此本項目采用三維并行高密度電法技術(shù),對場地裂隙發(fā)育情況進行探查。

圖2 測區(qū)現(xiàn)場地形圖Fig.2 Site topographic map of the test area

2.3 儀器設(shè)備及參數(shù)

探測區(qū)域主要為兩塊較大采石坑,且兩個坑之間有一段較大的陡崖,考慮反演效果及施工安全,無法同時在兩采石坑間布置測線,故將測區(qū)劃分為A區(qū)和B區(qū)兩個塊段進行探測(圖3)。

圖3 探測范圍及區(qū)塊劃分Fig.3 Detection range and block division

本次勘探共有8條測線(圖4),布置方法為矩形測線布置,每條測線布置81道電極,電極間距5 m,相鄰兩條測線之間的距離為15 m,測線長度400 m,共計3 200 m。本次探測設(shè)備為安徽惠州地質(zhì)安全研究院研制的HZE11D并行高密度電法儀。測量參數(shù)為:AM法,供電時間0.2 s、采樣間隔20 ms,供電電壓96 V。部分現(xiàn)場采集圖如圖2所示。

圖4 現(xiàn)場測線布置圖Fig.4 Field line layout

2.4 資料解釋與分析

由于現(xiàn)場地形起伏較大,本次數(shù)據(jù)處理通過三維反演軟件Earthimage3D采用加地形校正的全三維空間反演方法,并按高程進行數(shù)據(jù)提取成圖,結(jié)果表達更直觀。獲得了探測區(qū)三維反演結(jié)果(圖5)。

圖5 三維反演結(jié)果圖Fig.5 3D inversion results

對三維反演結(jié)果利用惠州院GVS軟件進行三維空間插值和任意切片提取,如圖6所示,對本次三維反演結(jié)果按15 m間距提取電阻率切片,共得到6張電阻率剖面圖(圖7),同時對三維反演結(jié)果按深度間隔5 m提取等深度切片,得到2張三維并行高密度電法立體結(jié)果圖(圖9和圖10),1張異常區(qū)平面分布圖(圖11),利用surfer繪圖軟件將測區(qū)內(nèi)三維數(shù)據(jù)體按照鉆孔連線切取6個電阻率剖面(圖8)。

圖6 三維切片圖Fig.6 3D slice diagram

圖7 三維并行電法電阻率剖面圖Fig.7 3D parallel electrical resistivity profile

圖8 測區(qū)剖面線布置圖Fig.8 Layout of section lines in survey area

圖9 測區(qū)A三維并行電法三維立體圖Fig.9 3D parallel electrical 3D stereogram of test area A

圖11 低阻異常區(qū)平面分布圖Fig.11 Plane distribution of low-resistance abnormal areas

圖12 YZZK1、YZZK5巖芯圖Fig.12 YZZK1,YZZK5 rock core maps

圖13 YZZK2 10～15 m巖芯圖Fig.13 YZZK2 10～15 m rock core map

圖14 YZZK3巖心圖Fig.14 YZZK3 core maps

圖15 YZZK4巖心圖Fig.15 YZZK4 core map

綜合本次勘探得到的成果圖可以看出:測區(qū)內(nèi)電阻率位于0～4 000 Ω·m,根據(jù)電阻率剖面圖,將小于300 Ω·m的區(qū)域作為本次場地電法勘探的相對低阻異常區(qū),共圈定5個異常區(qū),分別為YC1～YC5(圖11)。具體解釋如表1所示。

3 鉆孔驗證

本次鉆孔驗證共布置7個鉆孔,分別是YZZK1～YZZK7,鉆孔位置如圖11所示,揭露情況如表2所示。

表2 后期鉆孔驗證情況Table 2 Verification of late drilling

4 結(jié)論

(1)通過并行電數(shù)據(jù)采集方法,實現(xiàn)了現(xiàn)場三維電法數(shù)據(jù)的快速采集。結(jié)合三維電阻率反演技術(shù)和三維成圖軟件,對地下地質(zhì)異常進行了三維勘探可視化展示,為后續(xù)工作提供了有利的基礎(chǔ)。

(2)根據(jù)三維直流電法反演并結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況,探測區(qū)域內(nèi)覆蓋層、含水裂隙區(qū)電阻率較低,小于300 Ω·m,中風(fēng)化灰?guī)r電阻率值為300～1 500 Ω·m,完整灰?guī)r,破碎灰?guī)r和上覆碎石土的電阻率值均在1 500 Ω·m以上。

(3)經(jīng)鉆探驗證,探測結(jié)果與現(xiàn)場實際地質(zhì)情況非常吻合。