三维并行高密度电法在六国化工磷石膏堆场场地勘察中的应用

周官群, 崔颖 , 梁希凯, 陈兴海, 岳明鑫, 王亚飞 , 吴小平, 曹煜, 刘耀辉

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院, 合肥 230009; 2.中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026; 3.安徽国科骄辉科技有限公司, 合肥 230088; 4.安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司, 合肥 231202)

随着中国经济持续的飞速发展,国内对矿产资源的需求仍然很大。矿产资源开发规模继而加大,产生的选矿尾矿数目呈现增长趋势,为控制尾矿无限制排向江河海等处。尾矿库随之建成,据统计,1965年以来由于渗透破坏致使中外尾矿库溃坝事故频发[1-2]。在长期堆存过程中,受风化、降雨作用导致可溶性污染物通过裂隙密集带、采空区、岩溶等渗漏通道渗入土壤导致堆场下部及周围区域水土污染,因此探索地下空间的三维可视化尤为重要。由于地下地质条件复杂,常规钻探方法成本高,难以进行高密度勘探。物探方法由于操作简便,成本低且探测范围大,精度高,有力弥补了钻探方法的缺陷。被广泛地运用于地下异常探查工作中。郑智杰等[3]通过研究不同深度谷地对高密度电法探测地下岩溶通道的影响,提出在谷地较深区域利用高密度电法勘探应适当增大电极距的指导性意见。孙宗龙等[4]结合高密度电法和地震面波法探明了居民楼下防空洞分布,为建筑物安全设计提供指导依据。王志鹏等[5]通过对比分析2D、3D高密度电法探测断层效果,得出3D高密度电法数据量更大探测结果更准确;谢兴隆等[6]结合浅层地震反射法、高密度电法及地震折射层析法综合有效查明了目标滑坡的断裂分布等地质特征,为复杂型滑坡勘查提供了一定借鉴;王栩等[7]结合实际案例系统分析了高密度电法、探地雷达等多种方法在城市地下空间探测中的适用性及探测效果,并对未来城市地下空间探测技术发展做出展望;Tosti等[8]利用探地雷达法(ground-penetrating radar)有效探查了地下钢筋分布;闫清华等[9]采用高密度电法温纳装置有效探查了场址地下溶洞规模及分布情况;龙慧等[10]联合二维地震和高密度电阻率测深法精细刻画了工作区内地层结构及构造空间展布,为雄安新区地下空间开发利用及大厚度沉积盆地城市地下空间探测提供借鉴。肖关华等[11]采用无线网络代替传统传输线缆的浅层地震技术在济南地下空间探测中取得了可观勘探结果,为浅层地震技术发展提供了新思路。目前以地震和电磁法为主,但多为二维勘探,由于三维勘探观测系统布置复杂,成本高,如何高效率地实现地下空间三维勘探,对于工程勘察十分重要。而传统三维高密度电法观测系统的布设难度大,使用常规电法仪采集耗时长,在真实复杂地质条件下,应用难度大,而利用三维并行高密度电法能够达到高效采集数据的目的。

为查清此次磷石膏堆场拟建场地下部及周边可能形成渗漏通道的三维形态,现根据测区现有地质资料及现场勘察详情分析,勘查区地形起伏高差较大,且多处区域为填土及碎石,适宜开展三维电法勘探工作。

1 三维并行高密度电法方法和原理

1.1 方法原理

并行高密度电法是一种电场实时跟踪技术,是新型数据采集方法。并行是指发射电极在提供电源的情况下,剩余的全部电极都正在检测电位差的信息,为拟地震式直流电法资料采集方式,数据采集时,全部电极都处于工作状态,采集效率超高,同时采集的数据量极大。其可在一次测量中获得自然场、一次场和二次场信息,利用提取的三维电位差信息进行三维视电阻率常规计算,其数据采集方式有单极全电位采集法(single point power field acquisition method,AM)和双极全电位采集法(bitropic point power field acquisition method,ABM)[12-13],如图1所示。研究表明,在相同时间内,以电极数s为例,其AM法数据采集量是普通高密度电法串行数据采集量的(s-1)(s+1)/3倍(s≥3),双极全电位采集法(AM法)数据采集量普通高密度电法串行数据采集量的为(s-2)(s-3)/2倍(s≥4)[14]。收集数据时具有同时性和瞬时性,测量线上的所有电位曲线可在供电过程中得到(图1),使图像更加真实合理。现场工作中,在测区内布置真三维直流电法观测系统,通过两条或两条以上的测线,得到测线间电性分布情况。分别提取供电电极与任意两测量电极间的电流电位信息,进行空间三维反演,获取空间三维电性分布图[15]。

图1 并行电法采集电位图Fig.1 Parallel electrical collection potentiogram

1.2 并行电法反演技术

地球物理反演旨在基于地表观测信号,推测地下地质异常体相关物理参数。随着计算机技术和电磁勘探技术的发展,利用高密度电法来实现这种目标具有重要意义。高密度电法反演过程以正演为基础,它的基本原理是以现场采集资料或正演模拟所得资料为基础,构建初始电阻率预测基础模型并进行正演测算,获取同其对应的预测数据,对预测数据与实测数据进行均方根误差计算,如果误差满足要求,那么所建模型与地下介质实际电阻率分布大致相符,否则,修改模型参数,再一次正演,直至修正模型与实际相符依据正演计算,通过正演计算,预估地质模型的视电阻率理论分布,并与观测值进行比较,在最小二乘法下构造误差函数,通过不断修正模型参数使误差函数最小化,使修正后的模型参数为地下地质体的真实参数[16-17]。

电法反演技术处于不断的发展和进步的阶段。随着数值计算领域中计算机的日益升级,已从原来的一维反演演变为今天的二维、三维反演。从单一参数或多物理场耦合分析向多种模型联合应用转变是今后电法反演研究工作的主要方向之一。进行电阻率反演时,反演理论电测深曲线一维反演解释发展最早也是最成熟的;二维及2.5维反演技术与解释亦会趋向完善;但三维反演因存在计算效率问题,还在不断发展与完善中[18]。因此,对复杂地质体进行准确的电性参数反演是一项十分重要而且具有挑战性的工作。关于电阻率反演,经过国内外学者不懈地研究,各种反演方法已经开发出来,大体有基于Born近似的三维反演[19]、层析成像反演[20-21]、Tarantola反演[22]、传统最小二乘反演等方法[23-25]。

本次数据处理采用的是基于共轭梯度法(conjugate gradient,CG)的三维反演软件Earthimage3D。

1.3 共轭梯度法(CG)

共轭梯度法(CG)就是求解大型最优化问题的有效手段之一,它可以直接从目标函数的反演入手,能明显提高计算速度,减少内存的需求。吴小平等[24,26]采用CG方法求电阻率三维最小构造反演,它的目标函数为

(1)

式(1)中:第一项是以差分代替一阶微分后模型粗糙度的离散形式;Rx、Ry、Rz模型在x、y、z方向的粗糙度矩阵;λ为拉格朗日因子;G为Jacobi矩阵;Δd为观测数据dobs和正演理论值d0的残差向量;Δm为初始模型m的修改变量。三维反演观测数据即单极-单极E-SCAN测量的电位值φobs。由于变化幅度大,通过对数定义反演数据和模型参数的方法提高反演稳定性,即d=lnφobs和m=lnσ,其中σ为电导率,相应的Δd=lnφobs-lnφ0,Δm=lnσ-lnσ0,其中φ0为理论电位值,σ为电导率,σ0为初始模型电导率。

通过共轭梯度算法,易导出求解目标函数Ψ的最小构造反演流程如下。

(1)给定初始模型:mk。

(3)计算残差向量:

(2)

(4)计算右端项:bk=GTΔdk(由于y=Δdk,故只需计算GTy)

(3)

式(3)中:y=Gx;x=pj。

(4)

(6)CG迭代结束求得Δmk。

(5)

上面介绍了一种共轭梯度最小构造反演算法,由于共轭梯度法具有收敛速度快、对初值不敏感等优点。反演算法回避直接计算G的问题,只需G与任一向量x的乘积Gx及与GT任一向量y的乘积GTy。吴小平等[27]较详细地论述了用单次正演计算所得单极—单极电位值求取Gx及GTy方法。那么通过CG迭代就可以得到Δmk再修改初始模型mk进行再次迭代,直至达到收敛标准的反演迭代完成。这种新的正反演计算方法是对以往常规反演算法的改进和完善,在提高反演效率方面取得显著效果。例如,每一次非线性反演迭代只需要正演计算1次,极大地加快反演的计算速度,利于较精细网格参数单元复杂模型反演。

2 现场探测应用研究

安徽六国化工股份有限公司磷石膏堆场项目,位于铜陵市义安区铜都大道与铜都大道北段之间,地块场地总用地面积约6.3×104m2。为保障磷石膏堆场后期的安全及稳定性,在形成前需要对堆场下部及周边可能形成渗漏管道的区域规模形态和位置进行地球物理勘探工作,为后期工作提供地质依据。

2.1 工程地质概况

本次勘探深度控制范围内共4层土,自上而下分别为①层素填土(Q4ml),厚度1.5～10.3 m;②层黏土(Q4dl),厚度3.5 m;③层破碎中风化灰岩(T2)节理发育,厚度2.1～13.3 m;④层中风化灰岩(T2),岩体完整未揭穿,最大厚度18.6 m。本次调查深度内地下水类型为潜水,主要以蒸发和地下径流为主的排泄方式,受地表水和大气降水补给,水位随季节变化,赋存于浅部土层的孔隙中。地表水在附近没有发现。③、④层是以裂隙性质和发育程度控制渗透性的基岩裂隙水,裂隙一般,水量一般。

2.2 地球物理条件和方法选取

根据场区钻探资料,测区内以填土、破碎中风化灰岩、中风化灰岩为主,电性上表现为高阻,裂隙区的电阻率与周围介质的电阻率有明显差异,呈现高阻,当裂隙区充水的情况下,其电阻率值降低,此为本次探测的地球物理基础。由于本次勘查区地形起伏大,且多处区域为填土及碎石(图2),无法进行长测线探测。地震勘探受地形影响难以获得可靠效果,传统二维高密度电法勘探方法受体积效应影响,无法准确定位测区下部裂隙等异常。因此本项目采用三维并行高密度电法技术,对场地裂隙发育情况进行探查。

图2 测区现场地形图Fig.2 Site topographic map of the test area

2.3 仪器设备及参数

探测区域主要为两块较大采石坑,且两个坑之间有一段较大的陡崖,考虑反演效果及施工安全,无法同时在两采石坑间布置测线,故将测区划分为A区和B区两个块段进行探测(图3)。

图3 探测范围及区块划分Fig.3 Detection range and block division

本次勘探共有8条测线(图4),布置方法为矩形测线布置,每条测线布置81道电极,电极间距5 m,相邻两条测线之间的距离为15 m,测线长度400 m,共计3 200 m。本次探测设备为安徽惠州地质安全研究院研制的HZE11D并行高密度电法仪。测量参数为:AM法,供电时间0.2 s、采样间隔20 ms,供电电压96 V。部分现场采集图如图2所示。

图4 现场测线布置图Fig.4 Field line layout

2.4 资料解释与分析

由于现场地形起伏较大,本次数据处理通过三维反演软件Earthimage3D采用加地形校正的全三维空间反演方法,并按高程进行数据提取成图,结果表达更直观。获得了探测区三维反演结果(图5)。

图5 三维反演结果图Fig.5 3D inversion results

对三维反演结果利用惠州院GVS软件进行三维空间插值和任意切片提取,如图6所示,对本次三维反演结果按15 m间距提取电阻率切片,共得到6张电阻率剖面图(图7),同时对三维反演结果按深度间隔5 m提取等深度切片,得到2张三维并行高密度电法立体结果图(图9和图10),1张异常区平面分布图(图11),利用surfer绘图软件将测区内三维数据体按照钻孔连线切取6个电阻率剖面(图8)。

图6 三维切片图Fig.6 3D slice diagram

图7 三维并行电法电阻率剖面图Fig.7 3D parallel electrical resistivity profile

图8 测区剖面线布置图Fig.8 Layout of section lines in survey area

图9 测区A三维并行电法三维立体图Fig.9 3D parallel electrical 3D stereogram of test area A

图11 低阻异常区平面分布图Fig.11 Plane distribution of low-resistance abnormal areas

图12 YZZK1、YZZK5岩芯图Fig.12 YZZK1,YZZK5 rock core maps

图13 YZZK2 10～15 m岩芯图Fig.13 YZZK2 10～15 m rock core map

图14 YZZK3岩心图Fig.14 YZZK3 core maps

图15 YZZK4岩心图Fig.15 YZZK4 core map

综合本次勘探得到的成果图可以看出:测区内电阻率位于0～4 000 Ω·m,根据电阻率剖面图,将小于300 Ω·m的区域作为本次场地电法勘探的相对低阻异常区,共圈定5个异常区,分别为YC1～YC5(图11)。具体解释如表1所示。

3 钻孔验证

本次钻孔验证共布置7个钻孔,分别是YZZK1～YZZK7,钻孔位置如图11所示,揭露情况如表2所示。

表2 后期钻孔验证情况Table 2 Verification of late drilling

4 结论

(1)通过并行电数据采集方法,实现了现场三维电法数据的快速采集。结合三维电阻率反演技术和三维成图软件,对地下地质异常进行了三维勘探可视化展示,为后续工作提供了有利的基础。

(2)根据三维直流电法反演并结合现场实际地质情况,探测区域内覆盖层、含水裂隙区电阻率较低,小于300 Ω·m,中风化灰岩电阻率值为300～1 500 Ω·m,完整灰岩,破碎灰岩和上覆碎石土的电阻率值均在1 500 Ω·m以上。

(3)经钻探验证,探测结果与现场实际地质情况非常吻合。