综合物探方法在工程选址中的应用

王 晖,张圣勇,张丽媛,叶瑞凤,徐洪亮

(山东农业大学水利土木工程学院,山东泰安271000)

0 前 言

铝业的废料处置厂选址有严格的要求,必须对被选场址的工程地质、环境地质、及矿产地质等进行全面勘查和评价。本次研究对象为某铝业废料处置厂选址,铝业废料处置厂按规定应远离村庄800 m,厂址的区域不能含有岩溶、断层、裂隙等不良地质结构,综合物探方法是进行前期工程选址阶段科学而经济的手段。

本次物探综合应用了高密度电阻率法和探地雷达两种手段,每种检测方法都有其各自的优缺点。高密度电阻率法具有工作效率高、探测深度大的优点,但是探测精度相对探地雷达低;探地雷达具有实时成像,精度高的优点,但是与电阻率法相比探测深度受到介质的影响较大。

1 工作原理

1.1 高密度电阻率法工作原理[1]

高密度电阻率法与常规直流电阻率法一样,是利用天然或人工电场,对不同岩层的电性差异引起的电场异常,查明岩层和构造等问题。高密度电阻率法首先采用三电位电极系(即 α、β、γ装置),在地面上进行二维测量。后来研究提出阵列电探系统,它不仅增加了装置序列,而且可在井孔中实现CT成像。20世纪90年代后,阵列电探系统开始往三维电阻率测量方面发展,并成功地实现了少量电极、小网格的正反演理论计算,研制出了各种各样的处理软件。三电位电极系是将温纳四极、偶极及微分装置按一定方式组合所构成的一种统一测量系统,该系统在实测中,只须利用电极转换开关,便可将每四个相邻电极进行一次组合,从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数。

高密度电阻率法具有以下优点:①电极布设一次性完成,减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差;②能有效地进行多种电极排列方式的测量,从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息;③数据的采集和收录全部实现了自动化(或半自动化),不仅采集速度快,而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误;④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理,根据需要自动绘制和打印各种成果图件,大大提高了电阻率法的智能化程度。由此可见,高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的电阻率法勘探新方法。

1.2 地质雷达探地原理

探地雷达技术是利用广谱电磁波(主频为10 MHz～103 MHz)确定地下介质特征的一种地球物理探测方法。其基本原理是:首先由发射天线向地下发射高频宽带短脉冲电磁波。同时由接收天线接收来自地下空间不同深度介质界面的反射波。电磁波在地下不同介质中反射时其路径、电磁场强度、反射波波形特征等将随介质的电性、几何形态而变化。假设地下半无限空间内存在 n+1层电性介质,则存在n个电性界面,设每个电性层厚度为Hi,电磁波速度为Vi,介电常数为Ei,每个电性界面的反射波系数为Ri,则有如下关系式:

第i层反射系:

第i层双程走时:

其中:下标i代表i个电性界面。探地雷达就是基于电磁波反射信号特征研究地下各种地质现象的。

2 工作方法及地电特征

2.1 工作方法

2.1.1 高密度电阻率法工作方法

野外实际测量中先根据勘测目的、勘测区域的大小及地质条件确定需要采用的电极装置类型及测量布置方案,并按照测量顺序准备好测量电极文件,然后进行电极的布置。安置电极时要注意使电极与介质充分接触,尽可能减小接地电阻,同时,要注意防止勘测中出现电极极化现象,宜采用不极化电极。

2.1.2 探地雷达工作方法[2]

探地雷达具有不同的野外工作方法,根据实际工区的地质、地形条件的不同,测量方式可以选择剖面法、多次覆盖法以及宽角法等。实际工作中测量参数如分离距、时窗以及天线中心频率等,也可以根据不同要求进行选择,选择不同的参数可以得到不同分辨率及不同探测精度的雷达图形。一般情况下在正式进入工区以前应有目的地进行前期参数选择试验,以达到最佳探测效果。

2.2 地电特征

地球内部不稳定的自然电流,其在地下空间中的分布随时间发生变化。地电断面可大致反映工程选址地质断面情况。由于相同的地层,电阻率可能不同,地电断面不一定与地质断面完全一致。

3 工程应用

3.1 工程概况

本次物探对象为某铝业废料处置厂的一处选址,检测目的是探明厂址的区域不良地质情况,如岩溶、断层、裂隙等问题,此选址视野广阔,地质表面为红粘土覆盖,地质有利于高密度电阻率法与探地雷达工作。布置测线3条,0+30m与0+90m为雷达测线;0+60m为电阻率法测线1条。如图1所示。

图1 厂址测线布置示意图

3.2 电阻率法成果解释

本次数据采集使用E60C型高密度电阻率法完成,采用温纳装置进行测量,电极间距为5 m,电极数为56个。野外仪器接收到的原始数据传输至微机中,经过软件处理得出反演图像,反映地下地质体电性特征视电阻率成像剖面及其反演图见图2。

如图2所示,测试成果表明,该场地地层大致分布较稳定,埋深39 m以上一般可分为三个电性层,第一电性层分布在该测区82 m～210m处,深度在5 m左右,表现为高阻区,初步推断为岩石层。第二电性层分布在0 m～80 m,深度在5 m左右,以及95 m～210 m,深度在6 m～28 m处,表现为低阻区,推断为粘土层。第三电性层埋深一般在30 m向下,其电阻率值较稳定,为相对低阻区,估计为粉砂层。

图2 反演图

3.3 探地雷达成图解释

本次检测,采用拉脱维亚Radar Systems有限公司制造的Zond-12e型地质雷达,该仪器具有采集速度快、分辨率高、软件功能强大等特点。根据检测目的,采用100 MHz的屏蔽天线,以点测记录的方式采集数据,见图3。

图3 地质雷达检测图

探地雷达资料的地质解释是在数据处理后所得的探地雷达时间剖面图像中分析反射波组的波形与强度特征。岩石岩性相对均一雷达反射波几乎看不出明显的变化,反射波组为细密直线型。粘土层由于层间含水率差异、风化程度的差异等原因雷达反射波呈现出高幅、低频、宽幅并呈同相轴连续性。粘土层与石灰岩层之间电性差异较大速度界面较清晰。石灰岩层中岩溶发育程度较弱或无岩溶层中反射波组也为细密直线型。当有岩溶发育时反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。一般溶洞的反射波为低幅、高频、细密波型,但当溶洞中充填风化碎石或有水时,局部雷达反射波可变强。溶蚀程度弱的石灰岩的雷达反射波组为高频、低幅细密波[3]。

对测线路1(0+30m)的雷达反射波研究发现在测线水平方向2 m～5 m左右处存在溶蚀,不过溶蚀程度较弱,对场地的影响较小;测线2(0+90m)中基岩0～7.0m处和9.5 m～13.0m处存在较严重的溶蚀作用,13.0 m～23.0 m处发育溶洞。上述溶蚀现象在其余测线上均有不同程度的反映,通过对溶洞空间分布规律的分析可以看出:场地溶洞没有在场地造成太大的影响,场地主要以粘土层为主,雷达反射波主要呈现出高幅、低频、宽幅,与实际地质表面相吻合。

4 结 论

(1)高密度电阻率法特点是数据采集密度大,工作效率高,数据反演时自动化程度高,能直观地反映地下电性异常体的形态,可以定性的确定各种异常地质的位置。

(2)探地雷达是一种新的高分辨率地球物理探测技术,岩溶地质异常的波阻特征与围岩之间差异较大,从雷达剖面上可以识别如溶洞、溶沟或溶槽这样的单个目标体,其所受的影响因素很多,比如选择合适的天线频率,恰当的工作参数,这些要根据工程实际情况,才能得出满意的效果。

(3)综合运用这两种方法,查明选址区的不良地质情况,能够取长补短,提高解释精度。得到的结果为对特定的区域处理后铝业废料处置厂可以建在此区域。通过这两种方法综合运用,高密度电阻率法和探地雷达能相互补充。高密度电阻率法能确定不良地质的长度,在深度上效果不明显,而地质雷达方法能更准确的确定深度。

理论和实践证明:在工程的选址中,综合地球物理方法由于从不同的物性差异上给出同一地质本质的不同现象,可以使解释的可靠性得到大大的提高,综合运用的效果能取长补短,弥补一种方法解释的缺陷,提高解释的精度,因此这是一种行之有效的方法。

[1]刘晓东,张虎生,朱伟忠.高密度电法在工程物探中的应用[J].工程勘察,2001,(4):64-66.

[2]李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[3]石明,冯德山,戴前伟.综合物探方法在堤防质量检测中的应用[J].地球物理学进展,2006,21(4):1328-1331.