电阻率法在沿海浅表富气土层识别中的试验分析

陈 雨

(合肥市测绘设计研究院，安徽 合肥 230000)

1 引言

在东南沿海地区浅部土层中富含大量气体，给工程施工建设带来很大的麻烦[1～3]。因此，精准探测浅层气富存特征问题亟待解决。纵观国内外研究，探测技术多样，以测井、地质雷达、静力触探等探测方法居多，各探测方法特性不一[4，5]。对于电性特征识别技术是以地下介质间的地电场差异为物性基础识别浅层气，周锡堂、孟庆国等基于此，进行了数值模拟和理论分析研究工作的开展[6，7]。本文以电性特征为基础进行数值模拟，利用现场试验数据进行三维电阻率成像，研究富气土层地电性识别特征，为工程安全建设提供保障。

2 地质地球物理探查模拟

2.1 探查地质地球物理基础

探查试验区为杭州一地铁施工区，试验区内自然地理条件优越，可为浅层生物气体生成提供条件[8]。根据前期勘察及踏勘结果[9]，试验场地内主要出露新生界第四系地层。图1为试验区内的地层柱状图，根据勘察结果，试验场地内埋深6～30 m地层为主要的富气段。

电阻率法识别浅层气时，通过探测设备向土层通电，建立地下电流场，电流场因富气区与周围土层的差异表现出异常地电场，以此分析研究浅层气的富存特征[10，11]。查阅资料，部分研究也表明了，土层富气后，气体会充填在孔隙中，土层中含水量降低，部分孔隙膨胀，致使土层电性特征发现改变，呈现出电阻率值异常升高的现象[12～16]。

2.2 模拟试验

运用EarthImager模拟软件从不同含气程度展开数值模拟，基于试验区土层分布特征及土层电性特征建立数值模拟地电模型，采用有限差分建模，Mixde边界条件，最大均方误差为1%，6次迭代，阻尼最小二乘法反演对富气土层电性响应特征进行数值模拟。

在电阻率值测试中，③1与③2土层电阻率值较为相近，为避免地电模型地层太过复杂，影响模拟效果呈现，模型构建时，合并为均一土层；④1与④2土层电阻率值相近，合并为均一土层。背景地电模型参数如表1。

图1 地层柱状图

表1 背景模型参数

本文主要研究土层富气前后及不同含气程度土层的电性响应特征规律。依据相关研究[3,13，14]，在模拟试验中，设置上下两个富气区，深度分别为7.5 m和20.6 m，大小设置为21 m×6 m，模拟过程中，富气区电阻率值分别设置为50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、400 Ω·m。

图2 不同含气程度数值模拟结果

图2为5种不同含气程度地电模型模拟结果。在模型中，测试系统共布设了64个电极，间距为3 m，总长189 m。空间采样间隔纵横向均为1.5 m，横向宽度189 m，纵向高度40 m。在电阻率反演剖面图中，绿色为基本色调，蓝色青色为低电阻率值表现，红黄暖色为高电阻率值表现。为较好呈现电性特征，各剖面图色标有所差异，数据分析时需结合各剖面图色标进行分析。

图2(b)为背景模型电性响应特征，电阻率分带明显，与地电模型中各层位置相一致，且电阻率值也相对应。图2(c)～2(f)为不同含气程度电阻率反演剖面图，由图可知，电阻率设置为50 Ω·m时，富气区上部电阻率值分布在40～60 Ω·m之间，下部电阻率值分布在20～35 Ω·m之间。当设置电阻率值由50 Ω·m逐步升高到400 Ω·m时，富气区上部电阻率值也逐步升高，与设置电阻率值相近，下部富气区电阻率值升高幅度较小，多分布在20～55 Ω·m之间。数值模拟分析，土层富气时呈现明显的高电阻异常，随富气区含气程度升高，电性响应特征越明显，异常区范围、层位与模型相一致；分析下部富气区电阻率值升高幅度小受埋深及下部地层电阻率值影响，这一影响因素分析将在相关研究中进行。

3 现场探测试验

基于地质条件及数值模拟结果，现场采用电阻率法对试验区内地下富气土层进行探测试验。试验时，根据试验环境分别从东西、南北两个走向布置测线，利用垂向数据进行三维电阻率成像。

3.1 测线布置与数据采集

本次探测试验共布设6条测线，一号、二号测线为东西走向，均布设64个电极，电极间距3 m，测线长度189 m，两条测线间隔110 m；四号测线为南北方向布设，穿过一号、二号测线，从垂向上探测试验区内富气土层电性响应特征，由于试验区内地形和建筑环境限制，四号测线长度为165 m，电极数56个，电极间距3 m，图3为现场测线布置示意图。

图3 现场测线布置示意图

3.2 联合三维电场数据处理与分析

现场测试系统采集地电场数据后，采用WBD解析软件进行数据解编，通过EarthImager软件进行数据处理，将富气土层电性响应特征以图像呈现出来。

试验数据处理中，选择一、二、四号测线数据进行电阻率反演三维成像。

图4为电阻率反演三维成像，清晰呈现测区富气土层三维电性响应特征，由图4(a)、图4(b)可知，一号测线下方10～30 m埋深位置呈现出透镜状高阻区，电阻率值分布在30～250 Ω·m之间，二号测线下方6～25 m埋深位置呈现出扁豆状和不规则状高阻区，电阻率值分布在30～300 Ω·m之间，四号测线下方6～15 m埋深位置呈现条带状高阻区，电阻率值分布在30～150 Ω·m之间。结合数值模拟结果及地质勘察资料分析，测线下方粉砂层和黏土层中高阻区多为浅层气富集区。后期施工过程中，采用钻孔施工排气措施，证实了地下浅层气的存在，同时也验证了电阻率法测试技术对土层中富气区位置和范围的响应识别具备一定效果。

图4 电阻率反演三维成像

4 结论

(1)数值模拟结果表明，土层富气时呈现明显的高电阻异常，随富气区含气程度升高，电性响应特征越明显。

(2)现场试验表明，电阻率反演三维成像可清晰呈现富气土层电性响应特征，电阻率法在浅表土层富气区探测识别中具有一定效果，可为浅层气研究和工程应用提供重要参考。

(3)电法测试时，影响因素较多，需要对电极的耦合效果及其他影响因素综合考虑，提高对土层中富气区的响应与识别能力。