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四川中水成勘院工程勘察有限责任公司 四川成都 610072
摘要：高密度电法集电测深和电剖面装置于一体，由于它具有采集信息多，数据量大，观测精度高，速度快和探测深度较大等特点，在工程勘查中广泛应用。本文將高密度电法用于冰碛堆积体勘察中，通过数据模型的正演和反演模拟以及应用实例，验证了实施高密度电法调查冰碛堆积体的切实可行性，对调查冰碛堆积体性状参数及其勘察治理提供了地球物理依据。
关键词：高密度电法；冰碛堆积体；正演模拟；反演模拟；应用
1 前 言
冰碛堆积体是指规模较大、埋藏较深、以崩塌作用为主的堆积体，滑坡少见，组成物质以粉土、粉细砂为主，夹碎、块石或部分卵砾石。一般形成台地地形，冰碛物在上部，主体由有冰碛、冲积成因的堆积物与部分崩塌堆积物混杂而成[1]。
高密度电法是工程地球物理勘探的主要方法，其作为轻便、快捷、经济有效的工程地质勘探与地下工程质量检测手段已被国内外工程界所共识。另一方面计算机数据处理与成像技术，又把大量烦琐的数据计算、成像处理变得快速准确，大大提高了探测效率和成功率，因此该探测方法与其它物探方法相比具有更强的优越性[2-4]。
冰碛堆积体与下伏基岩之间存在着电性差异，具备了高密度电法探测的地球物理条件，而且，冰碛堆积体的结构比较密实，向地下供电比较容易，因此运用高密度电法探测冰碛堆积体效果比较理想。
2.测区工程地质条件及地球物理特征
工程区位于青藏高原的东缘沙鲁里山脉与大雪山之间，地貌区划属川西高原，紧邻川西南高山区。该冰碛堆积体上游侧以一冲沟为界，沟心及沟右侧基岩多裸露，下游侧以右岸基岩陡壁为界，前缘基岩出露并形成高30～50m岩壁。冰碛堆积体内部冲沟将其分为左、右两部分，地下水主要受大气降水补给，沿冲沟排泄或直接排泄，排泄条件良好。冰碛堆积体下游侧及堆积体内部冲沟为干沟，前缘及冰碛堆积平台内未见地下水出露。
该冰碛堆积体主要由冰碛堆积的孤块碎石土组成，表面呈半胶结状态，为钙泥质胶结，在表部形成“硬壳”，其表层植被较为发育，电阻率为2000～6000Ω·m；下部密实性相对较差，堆积体主体内部电阻率为300～800Ω·m；下伏基岩为燕山早期中粒花岗闪长岩（γδ52），随机分布岩脉，其电阻率为5000Ω·m。覆盖层与基岩电性存在明显差异，具备采用电法勘探的物理前提。
3.野外数据采集及处理
高密度电法有多种电极排列方式，根据多组现场实验，在本次工作中，采用温纳AMNB（α）装置，该装置数据稳定性好，测试效果对垂向电性变化反映最为明显，反演深度准确。其参数为：
AM=MN=NB，AN=BM=2a，
在工区延冰碛堆积体方向，在堆积体左右两部分分别布置两条纵测线Z1、Z2（见图2-1）。根据地形、地质条件和目标层埋深选用电极距和排列长度，采用6m电极距，每个排列布置电极120根。测量时对同装置采用0.3s和0.5s不同供电时间进行两次测量、采用不同装置检验测量数据的一致性和稳定性。
本次工作野外数据采集使用仪器为DUK-2高密度电法仪和DUK-2多路电极转换器，以及配套电缆、电极、通讯线等设备。使用RES2DINV软件包，将所测得的视电阻率，经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算，最后得到视电阻成像色谱图并对其进行解释[5-6]。
4.冰碛堆积体的高密度电法测试数据模拟
为了进一步判断冰碛堆积体的高密度电法测试表征，了解高密度电法在冰碛堆积体勘察中的探测效果，根据图2-2中的冰碛堆积体地球物理模型图进行高密度电法测试数据模拟。
4.1 数据模型
在数据模型中设置点距1m，电极101根，冰碛堆积体的钙泥质胶结表层电阻率为3000Ω·m，冰碛堆积体内部松散结构体的电阻率为500Ω·m，基岩的电阻率为5000Ω·m，模拟数据模型见图4-1。
图4-1模拟数据模型图 4-2 正演模拟电阻率断面图
4.1 正演模拟
采用有限元法将地下介质空间的二维模型分成一系列的矩形网格，将模拟空间数值化，用离散的空间点表示连续的空间，还要将场的方程进行离散，用离散的空间点的函数值表示连续的空间变化函数。用差商代替微商，将待解的连续的微分方程变换为离散的差分方程，并通过求解差分方程得到原微分方程的近似解[7-8]。
正演模拟电阻率断面图见图4-2。
4.2 反演模拟
对正演模型计算出的视电阻率值进行快速、稳定的最小二乘反演，通过迭代非线性最优化方法确定地下介质空间矩形网络的每一小块的电阻率值[9]，反演模拟电阻率断面图见图4-3。
图4-3 反演模拟电阻率断面图
对比数据模型、正演和反演电阻率断面图可见：
1）正演和反演电阻率断面图与数据模型对应吻合较好，且分界面清晰。
2）虽然冰碛堆积体钙质胶结表层电阻率较高，但由于厚度较小，对冰碛堆积体主体在电阻率断面图呈现的低阻异常区域的影响较小，基本可以忽略不计。
3）冰碛堆积体在模拟电阻率断面图上呈电阻率较低的封闭圈状异常，基岩呈现高阻异常且连续。
4）由于如果相邻区域的高密度电法测试电阻率值差异较大，在平滑限定条件的最小二乘反演过程中就会产生局部假异常且范围在纵向有所展布，如图4-3中剖面42m处，因此在判断冰碛堆积体下伏基岩界面时，要注意剔除这方面的异常。
5.测试成果与分析
本次工作采用高密度电法对冰碛堆积体体进行勘探，其目的是查明该冰碛堆积体的规模，下伏基岩的空间形态特征、埋深等问题。
由图5-1、图5-2纵剖面高密度电法反演成像色谱图可见，电阻率分层明显。 由图5-1可见，在Z1剖面约138～246m段、384m处、462m处和540m处，出现由于表层钙质胶结化引起的局部高阻异常，电阻率为2000～6000Ω·m，而在剖面约582m处由于两侧基岩视电阻率相对较高而出现低阻假异常；在剖面两端，约0～96m段和600～714m段，对应高程2545～2600m和2200～2310m，地表局部见基岩出露，冰碛堆积体厚度较浅，基岩埋藏深度小于5m；在剖面约96～600m段，对应高程约2310～2545m，出现一两端薄中间厚低阻冰碛堆积体渐变带，厚度为0～66m。其中在剖面192m处最厚约66m，在剖面288处厚度约为50m，在剖面384m处厚度约为54m，在剖面480m处厚度约为30m，电阻率值300～800Ω·m。
由图5-2可见，在Z2剖面约318～612m段，出现由于表层钙质胶结化引起的局部高阻异常，电阻率为2000～6000Ω·m，而在剖面约450m和558m处由于表层和基岩视电阻率相对较高而出现低阻假异常；在剖面两端，约0～120m段和672～714m段，对应高程2455～2550m和2150～2200m，地表局部见基岩出露，冰碛堆积体厚度较浅，基岩埋藏深度小于5m；在剖面约120～672m段，对应高程约2200～2455m，出现一两端薄中间厚低阻冰碛堆积体渐变带，厚度为0～50m。其中在剖面336m处最厚约50m，在剖面384处厚度约为40m，在剖面480m处厚度约为30m，在剖面576m处厚度约为22m，电阻率值100～800Ω·m。
图5-1 Z1剖面高密度电法反演成像色谱图 图5-2 Z2剖面高密度电法反演成像色谱图
根据高密度电法资料可以推断：该冰碛堆积体前缘最低高程2200m，后缘最高高程2540m，縱向长约550m。基覆接触面总体后陡前缓，中后部倾角31°，前缘较缓，倾角19°。冰碛堆积体内部岩性较为均匀，承载力较高，经工程处理后可作开关站地基。
宏观综合分析判断，堆积体整体稳定性较好，但水库蓄水后，库水位淹至堆积体中部陡缓交界部位，在库水的浸泡作用下，堆积体局部可能产生坍滑，但规模较小。
6.结论
1）通过对冰碛堆积体正演、反演模拟和应用实例中资料采集、解释以及和钻孔资料的分析对比等，验证了使用高密度电法查明冰碛堆积体的规模，下伏基岩的空间形态特征、埋深等问题具有很好的效果，具有较广泛的实用性和准确性，从而产生较大的经济效益和社会效益。
2）在进行野外数据采集时，为了更准确的对冰碛堆积体进行探测，得到准确的物探数据，需要根据地形、地质条件和目标层埋深选用电极距和排列长度等参数，测量时采用不同装置测量以及对同种装置采用不同供电时间进行测量，来保持数据的一致性和稳定性。
3）由于冰碛堆积体的钙质胶结外壳、接地条件不良或表层孤块碎石会引起反演成像色谱图浅层出现局部视电阻率高阻异常，多呈闭合圈状，而下伏基岩亦为高阻反映，但连续性较好，在进行解译的时候要注意区分。
4）表层和基岩视电阻率均较高而冰碛堆积体主体视电阻率较低，由于这种视电阻率强烈反差，在数据反演迭代过程可能会在反演成像色谱图上产生局部较大的假异常，在判断冰碛堆积体下伏基岩界面时，要注意剔除。
5）冰碛堆积体主体视电阻率呈低阻闭合圈状，与下伏基岩呈现的连续高阻异常差异明显，能较准确的推断出冰碛堆积体发育状况、基岩分界等，对其勘察治理提供了地球物理依据。
参考文献：
[1]孔宪立编，工程地质学[M]。中国建筑工业出版社，2003
[2]郭建强。地质灾害勘查地球物理技术手册[M]。北京：地质出版社，2003
[3]何继善。电法勘探的发展和展望[J]。地球物理学报，1997，40（增）：308～316
[4]董浩斌，王传雷。高密度电法的发展与应用[J]。地学前缘，2003，10（1）：171-176
[5]雷宛，肖宏跃，邓一谦。工程与环境物探[M]。北京：地质出版社，2006
[6]肖宏跃，雷宛，孙希薷。滑坡勘查中的高密度电阻率法异常特征[J]。灾害学，2008，23（3）：27-31
作者简介：
孙红亮（1982- ），男，工程师，硕士，河北衡水人，从事水电水利工程物探方面的研究与工作。
摘要：高密度电法集电测深和电剖面装置于一体，由于它具有采集信息多，数据量大，观测精度高，速度快和探测深度较大等特点，在工程勘查中广泛应用。本文將高密度电法用于冰碛堆积体勘察中，通过数据模型的正演和反演模拟以及应用实例，验证了实施高密度电法调查冰碛堆积体的切实可行性，对调查冰碛堆积体性状参数及其勘察治理提供了地球物理依据。
关键词：高密度电法；冰碛堆积体；正演模拟；反演模拟；应用
1 前 言
冰碛堆积体是指规模较大、埋藏较深、以崩塌作用为主的堆积体，滑坡少见，组成物质以粉土、粉细砂为主，夹碎、块石或部分卵砾石。一般形成台地地形，冰碛物在上部，主体由有冰碛、冲积成因的堆积物与部分崩塌堆积物混杂而成[1]。
高密度电法是工程地球物理勘探的主要方法，其作为轻便、快捷、经济有效的工程地质勘探与地下工程质量检测手段已被国内外工程界所共识。另一方面计算机数据处理与成像技术，又把大量烦琐的数据计算、成像处理变得快速准确，大大提高了探测效率和成功率，因此该探测方法与其它物探方法相比具有更强的优越性[2-4]。
冰碛堆积体与下伏基岩之间存在着电性差异，具备了高密度电法探测的地球物理条件，而且，冰碛堆积体的结构比较密实，向地下供电比较容易，因此运用高密度电法探测冰碛堆积体效果比较理想。
2.测区工程地质条件及地球物理特征
工程区位于青藏高原的东缘沙鲁里山脉与大雪山之间，地貌区划属川西高原，紧邻川西南高山区。该冰碛堆积体上游侧以一冲沟为界，沟心及沟右侧基岩多裸露，下游侧以右岸基岩陡壁为界，前缘基岩出露并形成高30～50m岩壁。冰碛堆积体内部冲沟将其分为左、右两部分，地下水主要受大气降水补给，沿冲沟排泄或直接排泄，排泄条件良好。冰碛堆积体下游侧及堆积体内部冲沟为干沟，前缘及冰碛堆积平台内未见地下水出露。
该冰碛堆积体主要由冰碛堆积的孤块碎石土组成，表面呈半胶结状态，为钙泥质胶结，在表部形成“硬壳”，其表层植被较为发育，电阻率为2000～6000Ω·m；下部密实性相对较差，堆积体主体内部电阻率为300～800Ω·m；下伏基岩为燕山早期中粒花岗闪长岩（γδ52），随机分布岩脉，其电阻率为5000Ω·m。覆盖层与基岩电性存在明显差异，具备采用电法勘探的物理前提。
3.野外数据采集及处理
高密度电法有多种电极排列方式，根据多组现场实验，在本次工作中，采用温纳AMNB（α）装置，该装置数据稳定性好，测试效果对垂向电性变化反映最为明显，反演深度准确。其参数为：
AM=MN=NB，AN=BM=2a，
在工区延冰碛堆积体方向，在堆积体左右两部分分别布置两条纵测线Z1、Z2（见图2-1）。根据地形、地质条件和目标层埋深选用电极距和排列长度，采用6m电极距，每个排列布置电极120根。测量时对同装置采用0.3s和0.5s不同供电时间进行两次测量、采用不同装置检验测量数据的一致性和稳定性。
本次工作野外数据采集使用仪器为DUK-2高密度电法仪和DUK-2多路电极转换器，以及配套电缆、电极、通讯线等设备。使用RES2DINV软件包，将所测得的视电阻率，经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算，最后得到视电阻成像色谱图并对其进行解释[5-6]。
4.冰碛堆积体的高密度电法测试数据模拟
为了进一步判断冰碛堆积体的高密度电法测试表征，了解高密度电法在冰碛堆积体勘察中的探测效果，根据图2-2中的冰碛堆积体地球物理模型图进行高密度电法测试数据模拟。
4.1 数据模型
在数据模型中设置点距1m，电极101根，冰碛堆积体的钙泥质胶结表层电阻率为3000Ω·m，冰碛堆积体内部松散结构体的电阻率为500Ω·m，基岩的电阻率为5000Ω·m，模拟数据模型见图4-1。
图4-1模拟数据模型图 4-2 正演模拟电阻率断面图
4.1 正演模拟
采用有限元法将地下介质空间的二维模型分成一系列的矩形网格，将模拟空间数值化，用离散的空间点表示连续的空间，还要将场的方程进行离散，用离散的空间点的函数值表示连续的空间变化函数。用差商代替微商，将待解的连续的微分方程变换为离散的差分方程，并通过求解差分方程得到原微分方程的近似解[7-8]。
正演模拟电阻率断面图见图4-2。
4.2 反演模拟
对正演模型计算出的视电阻率值进行快速、稳定的最小二乘反演，通过迭代非线性最优化方法确定地下介质空间矩形网络的每一小块的电阻率值[9]，反演模拟电阻率断面图见图4-3。
图4-3 反演模拟电阻率断面图
对比数据模型、正演和反演电阻率断面图可见：
1）正演和反演电阻率断面图与数据模型对应吻合较好，且分界面清晰。
2）虽然冰碛堆积体钙质胶结表层电阻率较高，但由于厚度较小，对冰碛堆积体主体在电阻率断面图呈现的低阻异常区域的影响较小，基本可以忽略不计。
3）冰碛堆积体在模拟电阻率断面图上呈电阻率较低的封闭圈状异常，基岩呈现高阻异常且连续。
4）由于如果相邻区域的高密度电法测试电阻率值差异较大，在平滑限定条件的最小二乘反演过程中就会产生局部假异常且范围在纵向有所展布，如图4-3中剖面42m处，因此在判断冰碛堆积体下伏基岩界面时，要注意剔除这方面的异常。
5.测试成果与分析
本次工作采用高密度电法对冰碛堆积体体进行勘探，其目的是查明该冰碛堆积体的规模，下伏基岩的空间形态特征、埋深等问题。
由图5-1、图5-2纵剖面高密度电法反演成像色谱图可见，电阻率分层明显。 由图5-1可见，在Z1剖面约138～246m段、384m处、462m处和540m处，出现由于表层钙质胶结化引起的局部高阻异常，电阻率为2000～6000Ω·m，而在剖面约582m处由于两侧基岩视电阻率相对较高而出现低阻假异常；在剖面两端，约0～96m段和600～714m段，对应高程2545～2600m和2200～2310m，地表局部见基岩出露，冰碛堆积体厚度较浅，基岩埋藏深度小于5m；在剖面约96～600m段，对应高程约2310～2545m，出现一两端薄中间厚低阻冰碛堆积体渐变带，厚度为0～66m。其中在剖面192m处最厚约66m，在剖面288处厚度约为50m，在剖面384m处厚度约为54m，在剖面480m处厚度约为30m，电阻率值300～800Ω·m。
由图5-2可见，在Z2剖面约318～612m段，出现由于表层钙质胶结化引起的局部高阻异常，电阻率为2000～6000Ω·m，而在剖面约450m和558m处由于表层和基岩视电阻率相对较高而出现低阻假异常；在剖面两端，约0～120m段和672～714m段，对应高程2455～2550m和2150～2200m，地表局部见基岩出露，冰碛堆积体厚度较浅，基岩埋藏深度小于5m；在剖面约120～672m段，对应高程约2200～2455m，出现一两端薄中间厚低阻冰碛堆积体渐变带，厚度为0～50m。其中在剖面336m处最厚约50m，在剖面384处厚度约为40m，在剖面480m处厚度约为30m，在剖面576m处厚度约为22m，电阻率值100～800Ω·m。
图5-1 Z1剖面高密度电法反演成像色谱图 图5-2 Z2剖面高密度电法反演成像色谱图
根据高密度电法资料可以推断：该冰碛堆积体前缘最低高程2200m，后缘最高高程2540m，縱向长约550m。基覆接触面总体后陡前缓，中后部倾角31°，前缘较缓，倾角19°。冰碛堆积体内部岩性较为均匀，承载力较高，经工程处理后可作开关站地基。
宏观综合分析判断，堆积体整体稳定性较好，但水库蓄水后，库水位淹至堆积体中部陡缓交界部位，在库水的浸泡作用下，堆积体局部可能产生坍滑，但规模较小。
6.结论
1）通过对冰碛堆积体正演、反演模拟和应用实例中资料采集、解释以及和钻孔资料的分析对比等，验证了使用高密度电法查明冰碛堆积体的规模，下伏基岩的空间形态特征、埋深等问题具有很好的效果，具有较广泛的实用性和准确性，从而产生较大的经济效益和社会效益。
2）在进行野外数据采集时，为了更准确的对冰碛堆积体进行探测，得到准确的物探数据，需要根据地形、地质条件和目标层埋深选用电极距和排列长度等参数，测量时采用不同装置测量以及对同种装置采用不同供电时间进行测量，来保持数据的一致性和稳定性。
3）由于冰碛堆积体的钙质胶结外壳、接地条件不良或表层孤块碎石会引起反演成像色谱图浅层出现局部视电阻率高阻异常，多呈闭合圈状，而下伏基岩亦为高阻反映，但连续性较好，在进行解译的时候要注意区分。
4）表层和基岩视电阻率均较高而冰碛堆积体主体视电阻率较低，由于这种视电阻率强烈反差，在数据反演迭代过程可能会在反演成像色谱图上产生局部较大的假异常，在判断冰碛堆积体下伏基岩界面时，要注意剔除。
5）冰碛堆积体主体视电阻率呈低阻闭合圈状，与下伏基岩呈现的连续高阻异常差异明显，能较准确的推断出冰碛堆积体发育状况、基岩分界等，对其勘察治理提供了地球物理依据。
参考文献：
[1]孔宪立编，工程地质学[M]。中国建筑工业出版社，2003
[2]郭建强。地质灾害勘查地球物理技术手册[M]。北京：地质出版社，2003
[3]何继善。电法勘探的发展和展望[J]。地球物理学报，1997，40（增）：308～316
[4]董浩斌，王传雷。高密度电法的发展与应用[J]。地学前缘，2003，10（1）：171-176
[5]雷宛，肖宏跃，邓一谦。工程与环境物探[M]。北京：地质出版社，2006
[6]肖宏跃，雷宛，孙希薷。滑坡勘查中的高密度电阻率法异常特征[J]。灾害学，2008，23（3）：27-31
作者简介：
孙红亮（1982- ），男，工程师，硕士，河北衡水人，从事水电水利工程物探方面的研究与工作。