物探方法在青藏高原冻土勘查中的应用

孙银行

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051)

物探方法在青藏高原冻土勘查中的应用

孙银行

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051)

随着国民经济的发展，西部寒区的冻土问题越来越成为制约经济发展的重要因素。以西大滩冻土区为研究区，在分析冻土区物探勘查工作原理的基础上，采用直流电阻率法、EH4两种方法对该区进行了野外实地侧线，并对数据进行了解释分析。从资料分析来看，EH－4受高频截止频率的限制，浅部数据少且相对校乱，对浅部冻土层反映不明显;相比之下，直流电阻率法确定冻土层厚度效果明显;清晰的划分了季节性冻土层和多年冻土层，达到了勘查冻土的目的。

多年冻土;青藏高原;冻土上限;截止频率

冻土是指温度等于或低于0℃并含有冰晶的岩土。它是由矿物颗粒、冰、未冻水和气体四种物质匀质组成的多成分多相体系，其中水、未冻水和气体的含量随温度变化。

青藏高原是北半球中、低纬度地带海拔最高、分布面积最广、厚度最大的冻土区。青藏铁路沿线冻土主要发育在西大滩至安多段［1］。根据多年冻土特征，可将其分为融区、过渡带(岛状冻土区)、多年冻土区［2］。

随着国家经济重心发展向西部的转移，广阔的寒区建设中不可避免地将会遇到越来越多的冻土工程问题［3］。冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险:冻胀和融沉［4］。多年冻土上、下限的勘察，是解决这类问题的重要前提条件。因为多年冻土上、下限的变化以及其上部的季节融化层对工程的影响很大，是多年冻土地区各项工程设计的主要数据，只有准确查明多年冻土的上、下限，并采取与其相适应的工程处理措施，才能避免工程产生病害。所以准确判定多年冻土上、下限及变化，对各类工程的设计和应采取的处理措施有重要意义。

1 冻土区物探勘查的工作原理

地下不同部位的地质体在形成和演化的过程中，由于其所处的地质、地理、温度场、水分场等各种物理场外部环境的不同，以及地质体形成时物质来源等内部条件的不同，造成了地质体在构造、组构成分上会发生很大的差异，所表现出的各种物理性质(包括地质体的电性、密度、弹性、磁性等特征)自然会有很大的不同。物探方法正是利用和通过对地质体的这种物性差异的勘测，间接达到对地下地质情况勘测和了解的目的。在多年冻土区开展的冻土物探工作也正是基于同样的原理。

在常温条件下，温度变化对岩石电阻率的影响不大;但是，在0℃以下的负温区内，含水岩石的电阻率随着温度的降低而明显增高。粗粒岩石比细粒岩石变化的更加明显。冰冻岩石电阻率显著增高是由于岩石中空隙水结冰后失去了导电性水溶液的缘故［5］。通过总结前人资料、测试室内模型并对大量物探勘测资料进行正反演，发现第四系沉积物和泥岩冻融间明显的物性差异，季节冻土的电阻率范围1 000～1 500，多年冻土的电阻率范围1 500～2 700。由于第四系沉积物和泥岩在冻结和融化状态下，存在物性的显著差异，这为应用物探方法勘查冻土提供了良好的地球物理前提［2］。此外，物探具有勘查速度快捷、勘查成本低廉、勘查剖面布设灵活、可变，勘查手段多样，勘查剖面资料连续等诸多优点。

2 工作区概况

工作区为西大滩断陷谷地，岛状多年冻土区，此处青藏高原腹地多年冻土区内，地势开阔，地形呈缓坡状。平均海拔4 630 m左右。空气稀薄，气压低，含氧量少。四季不明显，寒冷期长。西大滩年平均地温 0.2℃ ～0.5℃ 天然多年冻土上限 2.8～4.0 m［6］。表层为第四系河流冲洪积相砂砾石层，地表较干燥，植被稀疏，季节融化深度2.4～2.6 m。

西大滩地区冻土层的地球物理模型特征:表层覆盖层为第四系覆盖，由于地区不同其地球物理参数也不同;季节冻土层的电阻率在1 000～1 500间;多年冻土层的电阻率在1 500 ～ 2 500 间［1］。

3 物探方法研究

为了查明该地区多年冻土的特征，在该区内进行了详细的物体勘查，应用直流电阻率法、EH4法两种方法，布置了一条综合剖面，查明了该地段的冻土特征。

3.1 直流电阻率法

直流电阻率法是电法勘探中最基本而常用的方法，是以地下地质体的电阻率差异为基础，通过观测与研究人工建立的地中直流电场分布规律，从而达到解决地质问题的目的。该方法包括电阻率剖面法和电阻率测深法两类。

3.1.1 工作区侧线布置

结合工作内容和野外实际地质情况，研究区内采用装置为对称四极，供电极距为定比排列的电阻率测深法，其中MN:AB=1:5，点距100 m，侧线长1 400 m，共计15个物理点。起点坐标北纬 35°42.606′，东经 94°00.754′;终点坐标北纬 35°43.345′，东经 94°00.566′。

其中，蓝色实线表示电测深法侧线位置示意图;红色实线表示EH4法侧线位置示意图(EH4测线位置大部分与电测深法侧线位置相重合，故红色实线不可见)。蓝、红两种颜色的圆分别代表两种方法侧线的起始点。

3.1.2 资料解释

1)电测深曲线特征

通过对数据的处理，我们得到该侧线的电测深曲线特征:侧线0～1 150 m范围内主要为HK型和少数的K型，1 150～1 400 m范围内为Q型。单点测深曲线的基本形态如下:

HK型曲线的视电阻率表现为高－低－高－低的特征。第一层，一般厚度在1～2 m范围内，视电阻率在1 000～1 800之间，岩性成分主要为较大的砂砾石。第二层，上界面为第一层底，下界面为－4.5～－6 m左右范围内，厚度大约在3～4.5 m范围，该层为相对低阻层，视电阻率在1 100～1 500之间，成分主要为砂砾石。电阻率的相对下降，表现为季节性冻土层特征。冻土融化后产生的水使得该层的电阻率降低。第三层，上界面为第二层底，下界面－25 m左右，厚度大约在15～20 m范围，该层为高阻层，视电阻率在1 500～4 000之间，表现为多年冻土层。岩性为砂砾石。第四层为冻土层下的非冻土层，岩性不变，体积效应的存在，电阻率表现为逐渐下降。单点测深曲线100 m点(见图2)和1 000 m点(图3)为HK型。

图2 西大滩冻土区100 m点电测深单点曲线图

图3 西大滩冻土区1 000 m点电测深单点曲线图

K型曲线的视电阻率表现为低－高－低的特征。少数K型曲线的三层对应着HK型曲线的K型，即一二三层分别对应着HK型的二三四层。缺失H型的原因为侧线前端山脚的积雪融化的水降低了表层岩层的电阻率，在800 m处，地表小水沟存在降低了其周围浅层岩石的电阻率。

曲线尾部的Q型曲线，视电阻率表现为低－低－低的趋势。视电阻率从1 400降到1 000，然后又继续降到800以下。该现象主要受到地下断层的影响。地下水通过断层破坏了冻土层，从而电阻率小于1 000。

2)剖面特征

图4为工作区的电测深视电阻率剖面图。该剖面地层总体岩性为砂砾石层。该剖面总体表现为高－低－高－低阻特征，即浅地表非冻土层和多年冻土层电阻率高，季节性冻土层和多年冻土层下面地层电阻率相对偏低。横向上剖面左端除了浅层有细微变化外，总体变化较小，剖面右端有一断层，破坏了冻土层的向右延伸，中间部位电阻率有高变低。剖面方向为由南向北。纵向上剖面左端可以分为四层，地表大颗粒砂砾石导致表层电阻率变高，然后电阻率变得相对较低，表现为季节性冻土融化层的出现，季节性冻土融化层与多年冻土层是相互衔接的，随着勘探深度的增大而逐渐进入多年冻土区域，电阻率亦随着深度的增大而增大，最后勘探深度达到了冻土下限，则电阻率逐渐减小。剖面右端可以分为两层，地表大颗粒砂砾石层和下端的断层及其影响带。

图4 西大滩冻土区电测深视电阻率剖面图

图5 西大滩冻土区冻土层图

3.2 EH －4

EH－4电导率成像系统是由美国GEOMETRICS和EMI公司联合研制生产。该系统属于部分可控源与天然场源相结合的一种音频大地电磁测深系统，观测的基本参数为时间域正交的电场分量(Ex、Ey)和磁场分量(Hx、Hy)。通过频谱分析及一系列运算，求得不同频率的视电阻率值。

3.2.1 工作区侧线位置

结合工作内容和野外实际地质情况，EH4布置侧线长1 440 m，道距30 m，点距30 m，共计49个物理点。起点坐标北纬 35°42.606′，东经 94°00.754′;终点坐标北纬35°43.370′，东经 94°00.559′。侧线位置示意图见图1(红色实线表示)。

3.2.2 资料解释

分析野外工作得到的数据，我们发现，EH－4勘测的浅层100 m以上数据存在以下特征:一比较乱;二、数据点比较少;三、整体的电阻率数值相对较低，一般小于500。由此可以初步断定应用EH－4方法勘查浅部冻土层效果较差，不宜采用。

4 结语

多年冻土具有其特殊性，但也有其规律性。本文以西大滩冻土区为研究区，在分析冻土区物探勘查工作原理的基础上，采用直流电阻率法、EH4两种方法对该区进行了野外实地侧线，并对数据进行了解释分析。从资料分析来看，由于EH－4受高频截止频率的限制，浅部数据少且相对校乱，对浅部冻土层反映不明显，因而勘查浅层冻土层也就相对比较困难;相比之下，直流电阻率法确定冻土层厚度效果明显;清晰的划分了季节性冻土层和多年冻土层，达到了勘查冻土的目的。这也就为以后更好的对青藏高原冻土区的长期勘查提供了方法和技术参考。

［1］李来喜，韩永琦.青藏线冻土地球物理模型的建立［J］.物探与化探.2002，26(1):71 －74.

［2］王文龙.青藏铁路多年冻土勘察的物探方法选择及其应用效果［J］.物探与化探.2003，27(2):150 －154.

［3］冯文杰，李东庆，马巍，等.不同边界条件对多年冻土上限影响的模型试验研究［J］.冰川冻土.2001，23(4):353－359.

［4］王飞.浅谈对青藏高原冻土的几点认识［J］.甘肃科技.2007，23(10):109－110.

［5］唐君辉，刘国兴，韩江涛，等.电测深法在漠河地区探测永久冻土层的应用［J］.吉林大学学报(地球科学版).2005，35:104－108.

［6］吴青柏，刘永智，童长江，等.高原多年冻土地区公路工程地质研究［J］.公路.2002，2:1－4.

P642.14

B

1004－1184(2013)06－0110－03

2013－09－24

青藏铁路沿线水文地质环境地质调查评价(1212010818080)

孙银行(1982－)，男，安徽宿州人，工程师，主要从事水文地质、工程地质和环境地质电法勘探。