东南沿海典型浅覆盖区高密度电阻率法残坡积层测深研究

房 浩，李 晨，雷晓东，杜显祥，孙杰夫，韩宇达

(1.中国地质环境监测院，北京 100081；2.北京市地质勘察技术院，北京 100120；3.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

0 引言

残坡积层是经物理风化和化学风化后形成的一种碎屑物，其分布十分广泛，在我国东南沿海地区如浙江、福建等省份尤为突出，由于其特殊的工程地质特性(受扰动后强度降幅大，遇水软化快等特点)[1]，成为这一地区崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害孕育与发生的主要影响因素之一。在残坡积层浅覆盖区的不稳定斜坡体上，崩塌、滑坡灾害事故经常发生，经支挡加固后的失事边坡也屡见不鲜，给山区城镇居民的生命财产安全带来巨大损失，其破坏常具有反复性和长期潜在危害性[2]。

残坡积层厚度的确定对于山区地质灾害防治意义重大，也是地质灾害治理工程设计成败的关键因素所在。应用地球物理技术解决工程与环境问题是近年来学科交叉发展形成的前沿研究领域，国内外目前确定残坡积层厚度的方法主要有地质调查法、物探法和钻探法。物探法又可主要分为高密度电阻率法、瑞雷面波法、地质雷达法等[3]。其中，高密度电阻率法是为满足浅部精细勘查需要所研制的一种集成了传统的电剖面法和电测深法特点为一体的常规直流电法[4]，由于其布极和数据采集采用自动化芯片电缆统一完成，避免了人工跑极带来的误差，使其具有工作效率高、劳动强度低、数据信息丰富、分辨率高、成本低等优点[5]。

国外学者利用高密度电法探测地层厚度的研究早在20世纪80年代前就相继进行，一些国外的研究者们利用三维高密度电阻率法对地质灾害滑坡隐患部位进行了第四系覆盖层探测，探明了滑坡第四系覆盖层空间分布特征[6-7]；Vincenzo Sapia等在越南岘港市Hoa Khanh工业园区使用二维电阻层析成像对地层污染物厚度进行成像，有效获取污染层厚度分布情况[8]。随后高密度电法引入我国，国内学者利用该法在第四系覆盖层厚度探查和滑坡勘察[2,6-10]、隐伏活动断裂探测、采空区勘查、圈定地下水富水区勘查等方面开展深入研究，并取得了一定的效果。如薛翊国等利用高密度电法等综合物探技术方法有效的对厚层堆积层的滑动面厚度和形态进行了探测[2]。李富等通过对20多个滑坡体的高密度电法勘察资料中总结了不同类型滑坡体的电阻率特征差异，能够有效的推断覆盖层厚度[3]。李波等利用高密度电阻率法有效的查明了不稳定斜坡单元的覆盖层与下伏基岩之间的控滑界面，为后期治理提供了依据[11]。

但以往高密度电法测深研究和应用实例多是针对覆盖层相对较厚区域而开展的，其厚度一般超过15 m，而对于具有厚度薄、含水率变化大、岩性复杂等特点[12-13]的东南沿海以花岗岩为主要岩性的浅覆盖区域的残坡积层的研究则相对较少。本文以地处东南沿海的浙江省杭州市余杭区鸬鸟镇为研究区，通过野外调查发现，发现区内山坡上覆的残坡积层厚度变化较大，从几十厘米到十几米不等，覆盖层含水率也有较大的差异，且地表起伏较大，植被茂盛，利用传统的坑探、槽探、钻探等方法无法准确探测残坡积层的厚度。为较为有效地利用高密度电法，解决影响东南沿海花岗岩浅覆盖区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发育的覆盖层厚度这一重要影响因素的探测问题，本文在研究内选取2处典型斜坡段开展高密度电法残坡积层测深试验，从岩土体电性特征分析、野外探测操作技术要点、厚度解译成果及验证几方面深入研究，总结形成东南沿海花岗岩浅覆盖区适用的、能够高效准确查明残坡积层厚度的高密度电法探测技术方法，为合理评价地质灾害的稳定性，为科学防灾减灾提供科学支撑。

1 高密度电阻率法概述

1.1 工作原理

高密度电阻率法的工作原理和常规直流电法一样，以岩(矿)石的导电性差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律，以解决地质问题的一组电法勘探方法[14]。高密度电阻率法的装置形式根据供电电极和接收电极位置关系的不同，可以分为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、施伦贝格装置等。温纳β装置的横向分辨率相对较高，适合探测断层等横向电性变化较大的目标体，温纳α装置垂向分辨率较高，更适合于探测垂向电性界面分层，温纳γ装置则能够更加清晰的显示异常体的几何形状[14-18]。本文采用温纳α装置形式，更有利于划分残坡积层、基岩全风化层、强风化层等各层界面。

1.2 数据处理方法

高密度电法的数据处理方法多采用马来西亚M.Loke博士研发的Res2Dinv反演软件和AGI公司研发的Eerth-Imager 2D反演软件。相比较Res2Dinv反演软件更具有通用性，在一定程度上更为便捷，更适合多种的仪器设备的采集文件格式。本文采用Res2Dinv反演软件对数据进行预处理、反演，简要步骤为：①启动Res2Dinv反演软件，打开数据文件，加入地形高程；②对采集数据进行查看，对不合格数据点进行剔除和平滑滤波；③设定合适的反演参数，利用最小二乘法进行带地形二维数据反演处理，保证RMS收敛于8%左右；④显示图像、输出Surfer可编辑格式文件、利用Surfer软件进行图像编辑出图、保存图像。

2 研究区地质概况

(1)工程地质岩组

本次研究区主要位于杭州市余杭区鸬鸟镇，为低山浅覆盖区，植被多为竹林，地表大面积出露燕山晚期的花岗岩(γ53)，零星分布一些基性、中性、中酸性及酸偏碱性侵入岩脉，以酸性岩类较为发育。其中分布较多的是石英正长斑岩(K2L)、凝灰质流纹斑岩(λπK1)、辉绿岩(βμ)、花岗斑岩(γπ52)、花岗闪长岩(γδ)等，具体的工程地质岩组及其特性见表1、图1。

表1 研究区相关工程地质岩组一览表Table 1 Engineering geological rock formations in the study area

(2)第四系地层

第四系地层主要有中更新统上组、上更新统上组、全新统上组。山麓沟谷区为坡洪积、洪积、冲积等陆相沉积。山地丘陵区的沟谷、斜坡上分布有大量的冲积、洪积、残积及残坡积松散堆积层。残积及残坡积层广泛分布于山体顶部、斜坡及坡麓表部，岩性主要为含砾石黏性土及碎石土层等，厚0.2～2.5 m。花岗岩残坡积土主要特征为土含有大量(30%～60%)砂粒～砾粒级残留石英粒，使它成为一种特殊的、带有砂土性质的黏性土—砾质(砂)黏性土。土中往往夹有球形风化残留的孤石(石蛋)，分布不均，大小不一，平原区及山麓沟谷区详细的第四纪地层及其特性见表2、表3。

3 电性特征分析

杭州浅覆盖区残坡积层主要由耕植土、黏性土和碎、块石组成，加上杭州地区雨季持续时间较长，相对潮湿，使得各地层电性特征在无降雨和雨后有明显的差异，对探测效果也将产生一定的影响。在没有全风化花岗岩的区域，残坡积层平均电阻率与下伏强风化花岗岩及较为完整的中风化或微风化岗岩在垂向上有明显差异(表4)，残坡积层呈高阻特征，强风化花岗岩因构造裂隙发育，富水性较强呈中阻特征，两层电性差异明显，为根据视电阻率测量结果进行残坡积层划分奠定了地球物理基础。

表2 研究区平原区第四纪地层简表

表3 研究区山麓沟谷区第四纪地层简表

图1 工作区工程地质岩组图Fig.1 Engineering geological map of study area

在发育全风化花岗岩的区域，残坡积层中夹杂着全风化花岗岩颗粒，整体表现全风化层的低阻特征，在无降水的条件下，与下伏强风化花岗岩有明显垂向电性差异，为含全风化颗粒的残坡积层划分、圈定可能出现的控滑界面提供了地球物理前提。

表4 杭州浅覆盖区残坡积层与下伏花岗岩电性特征

4 野外探测操作技术

4.1 测线布置

为探查工作区残坡积层厚度沿坡向变化特征，测线布设应遵循以下三点原则：①研究区内类似的工程地质条件下发生过地质灾害，②斜坡坡脚处有明显露头或在野外地质调查中布设有工程地质钻探，③坡体残坡积层厚度变化较明显。依据上述原则利用高精度GPS在研究区内选取两处不同类型的残坡积层的斜坡单元各布设两条高密度电法剖面，编号分别为GM1、GM2、GM3和GM4。

GM1和GM2测线位于鸬鸟镇山沟沟村工区中部，斜坡坡脚处有明显露头，露头顶部为残坡积层，厚度很薄，向下为强风化层，土质很坚硬不含全风化层的斜坡单元；GM3和GM4测线位于鸬鸟镇白沙村区，区内有一处重点地质灾害调查区，且人口密集，周围景区多，人员流动大，是地质灾害调查的重点区域，斜坡从上到下依次为，地表耕植土、砾石夹泥岩层段、全风化与强风化层过度段及下部基岩地层段。

4.2 仪器设备选取

本次高密度电法测深研究工作的测量仪器采用吉林大学研发的“E-60DN”高密度电法工作站(自有设备，性能稳定，国内认可度最高)。该设备的系统采用分布式设计，分布式电极开关串最多可以连接65 535个电极，以满足深大剖面以及三维高密度勘探的需要，具有分档滤波功能，可有效地压制地电干扰，提高信噪比。测试过程中实时显示视电阻率图像、当前数据点供电电极和测量电极的位置、监测供电电流、测量电位曲线，在数据采集过程可随时中断数据采集进程，进行电极的屏蔽、非值剔除以及从新设定数据开始采集的位置。可对单点进行多次测量，并连续对每次测量之后自动计算平均值、信噪比，电压，电流和视电阻率；电阻率值根据用户所选择的装置自动计算。

4.3 参数选取

高密度电阻率法在一条剖面上布置一系列电极时可组合出十多种装置。在装置的选择上，通常要通过现场试验来选择。高密度电阻率法的试验工作一般选择在干扰相对较小、较安静的环境下进行，运用不同的装置形式在同一地点下采集数据，对比分析不同装置各自的优缺点以及相应的限制条件，根据具体场地的地电条件、地形条件等实际问题情况选择合理的装置形式进行。

温纳排列(α)，测量时A、M、N、B 等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是测量电极，AM=MN=NB为一个电极距，电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开。该测量方式为剖面测量方式，所得断面为倒梯形。温纳装置电极移动方式见(图2、图3)。装置系数K=πn(n+1)a，其中a为电极间距，n为隔离系数，MN=a，AM=NB=na。

图2 温纳装置Wenner(α)示意图Fig.2 Wenner (α)

因研究区残坡积层较薄，通过现场试验对比研究分析，发现温纳(α)装置纵向上分层较为清晰，探测深度相对较深，横向有一定的分辨能力，且与现场试验测线真实地层情况比对后，温纳(α)装置与实际的地层情况更接近。因此装置形式采用温纳α装置，GM1测线电极距采用0.3 m，其他测线采用1～2 m，供电时长1 s，最小隔离系数1，最大隔离系数25，测线长度较长时，选择剖面滚动式测量，末端不收敛，便于多个测段的覆盖式拼接。

4.4 野外数据采集

铁路、地下埋设的金属管线，高压电线、钢筋混凝土建筑物、金属堆积物等人工构造物对高密度电法测量的精度影响很大。由于这些构造物和周围介质相比表现为低阻特征，吸引电流集中流向这里，使测得的地层真实电阻率值变化很大。因此，野外布线时应尽量避开这些构造物。

野外设置电极时，应尽量避开含砾层和树根多的地方，选在表层土致密和潮湿的地方。如果在干燥的山坡布极，在电极周围尽量多地撒一些水或盐水也能减小接地电阻。条件允许的情况下，电极直接打入地层的湿润部分效果较好。

进行数据采集前，先检测接地电阻，确保各电极接地电阻准确无误后，再进行各种电极排列方式的测量实验，电极间距要准确，电极要垂直入地。供电电极和测量电极一定要接地良好。尽量减小接地电阻，供电流应大于50 mA。

高密度电法现场数据采集时，要保证周围场地尽量安静以减小噪声对数据资料的影响，在采集过程中注意数据接收的连续性，避免个别电极出现断路的现象。对每个排列的观测，坏点总数不应超过总测量点数的1%，对意外中断后的复测，进行了不少于2个深度层位的重测值。当地形坡度大于15°时，对测点进行高程观测。当采集完毕后，应检查数据的电阻率值，看有无异常数据，也可以通过仪器查看测试断面的示意图，保证数据完整，以便为后期的资料解释和二维高密度数据反演的准确性提供保证。

5 成果解释推断与验证

最终探测成果的准确与否，一方面与前述“野外探测操作技术”章节叙述的工作环节有关，另一方面取决于对采集数据的处理和分析。通常，数据的处理分析包括以下几个流程：

(1)首先对数据进行异常点剔除、滤波和平滑；

(2)分析随机噪声和背景干扰的强度进行网格精细化、阻尼系数、层厚递增系数的选择的调节；

(3)建立初始模型，对比正演理论值和实测值的残差值，然后反演计算获得真电阻率的分布；

(4)对单个成像剖面进行分析，确定出剖面中电性结构及其异常区，之后应用其他物探方法的综合手段推断电性结构；

(5)利用定性解释和定量解释的结论，结合地质情况，最终作出地质推断解释。

基于以上流程，对现场采集的数据进行了分析与处理，得到不同斜坡单元内残坡积层厚度的解译成果，并与钻孔数据进行了对比分析。

5.1 不含全风化花岗岩的斜坡单元

GM1与GM2测线位于没有全风化花岗岩地层的斜坡单元，坡体表面为耕植土夹杂块石，下部为强风化花岗岩，残坡积层厚度较薄，结合地质条件和不同岩、土体电性特征，利用带地形改正精细二维反演技术对探测结果进行解释推断。

GM1测线反演断面(图4)浅部0～1.5 m表现为中高阻圈闭，反演电阻值在500～2 000 Ω·m变化，反演电阻率曲线密集带横向展布特征和下部低阻层界限明显，结合工区地层电性特征，该斜坡单元残坡积层由耕植土和大量碎块石组成，孔隙度较大，通常呈高电阻显示，推断为浅部高阻位为残坡积层显示，视厚度在0.4～1.2 m变化，坡脚处较厚，坡顶较薄；以深电极号11～36之间反演电阻率小于450 Ω·m，36～56号电极间反演电阻率逐渐变大，推断该段为花岗岩强风化层显示，强风化层裂隙发育，含水率相对较高，坡脚处受汇水作用，表现为反演电阻率低值，向坡顶方向深部反演电阻率增大。

图4 GM1测线高密度电法反演电阻率等值线断面图解释推断成果Fig.4 The interpretation and inference of inversion resistivity contour section of GM1 by high density resistivity method

GM1测线是工区内的典型露头剖面，露头顶部为残坡积层，厚度较薄，下部为花岗岩强风化层，裂隙发育，内部坚硬，残坡积层与强风化层界限清晰，高密度电法反演成果划分的残坡积层界限及其变化特征与出露剖面基本吻合，说明小极距的高密度电法在浅覆盖区探测厚度极薄的残坡层效果较为明显。

GM2测线为切坡布设，电极距2 m。GM2测线反演成果(图5)中反演电阻率纵向变化特征为高-低-高表现，浅部高阻异常特征明显，反演电阻率为800～2 500 Ω·m，主要由残坡积层中的碎、块石引起，与中部低阻层分层界限明显，推断为残坡积层显示；中部低阻层反演电阻率为0～400 Ω·m，推断为花岗岩强风化层显示，裂隙发育，富水性较好；以深反演电阻率值增大，超过3 000 Ω·m，推断为较为致密、含水率较低完整花岗岩，分层界面较为清晰。

5.2 含全风化花岗岩的斜坡单元

GM3和GM4测线位于含有全风化花岗岩层位的斜坡单元，全风化层较为松散，颗粒较细，含水率较高，与浅地表的残坡积碎、块石组合成厚度相对较厚的残坡积层，覆盖于完整花岗岩体之上。

GM3测线电极距采用1 m，测线长度96 m。从GM3反演结果(图6)看，横向上，电阻率等值线连续性较好，在80号电极处有高阻异常显示，与剖面上基岩出露相对应，露头对反演结果起到了很好的标定作用。浅部高阻推断为地表碎、块石，厚度极薄，下部反演电阻率降低，反演电阻率值为0～500 Ω·m，结合工区地层电性特征，全风化层为松散颗粒，有一定孔隙度，含水率较高，表现为低阻特征。以深反演电阻呈高阻特征，反演电阻率值达1 000～2 000 Ω·m左右，推断为完整基岩显示，分层界面明显，含全风化花岗岩的残坡积层厚度在3～13 m变化。

图5 GM2测线高密度电法反演电阻率等值线断面图解释推断成果Fig.5 The interpretation and inference of inversion resistivity contour section of GM2 by high density resistivity method

图6 GM3测线高密度电法反演电阻率等值线断面图解释推断成果Fig.6 The interpretation and inference of inversion resistivity contour section of GM3 by high density resistivity method

GM4测线电极距2 m，长度144 m。GM4线反演成果(图7)中纵向反演电阻率纵向变化特征为低-高表现，上中低阻异常特征明显，反演电阻率为0～1 000 Ω·m，浅部由于植被较少，全风化花岗岩颗粒直接出露地表，含水率较高，为低阻异常特征，推断为含全风化花岗岩残坡积层显示，深部反演电阻率值超过2 000 Ω·m，推断为完整花岗岩显示。残坡积层厚度在17～25 m变化，中部较厚，含全风化花岗岩残坡积层界面也可认为斜坡单元可能发生滑坡的滑动面。

图7 GM4测线高密度电法反演电阻率等值线断面图解释推断成果Fig.7 The interpretation and inference of inversion resistivity contour section of GM4 by high density resistivity method

5.3 钻孔验证

为了验证高密度电法在浅覆盖区探测残坡积层的效果，共布设了10个地质钻孔，其中在GM2、GM3和GM4线上有4个，解释推断成果经与钻探结果对比，验证结果显示，高密度电阻率法能够较为准确的推断残坡积层厚度，残坡积层厚度与钻探揭露基本吻合，推断解释较为可靠，误差均较小为10%左右(表5)。由此说明上述高密度电法测线布设方法及参数选取用来测量浅覆盖区残坡积层厚度是有效的。

表5 钻探揭露情况与物探推断解释对比

6 结论与建议

(1)岩层特征及其电性分析结果表明，对于无全风化花岗岩层的斜坡其电性在垂向上与有全风化花岗岩层的斜坡比较更明显，且地层电性随外界环境改变而改变呈现电性的不同，这为高密度电阻率法能够成功有效探测残坡积层厚度提供有力支持。

(2)“E-60DN”高密度电法仪在东南沿海的花岗岩覆盖区进行高密度电阻率法探测残坡积层厚度取得了较好的探测效果，并且能够定量分辨出0.3 m及以上厚度的残坡积层；参数选取方面，且温纳α装置具有最好的分辨率和抗干扰能力。

(3)结合地质钻孔验证高密度电阻率法探测效果，对比分析可得利用带地形改正精细二维反演技术能够有效的提高典型浅覆盖区残坡积层高密度电法资料的准确性，探测结果误差在10%左右。

(4)浅覆盖区高密度电阻率法探测残坡积层厚度，针对覆盖厚度薄、地层岩性复杂、地表起伏大等特点地区，通过区域地层电性分析、野外测线原则控制、试验参数合理选择、厚度解译及成果验证等完整探测方法体系，可精准高效探测其残坡积层厚度，并为东南沿海地区开展类似探测工作提供技术参考与借鉴。

(5)在实际工作中，高密度电法易受静态效应和体积效应影响，杭州地区降水时段密集，雨量充沛，地表土体含水量接近饱和，静态效应明显，给高密度电法探测带来极大的影响，因此雨季开展高密度电法残坡积层测深如何获得准确的资料建议做进一步研究和讨论。