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        物探方法在青藏高原凍土勘查中的應(yīng)用

        2013-01-18 16:13:46孫銀行
        地下水 2013年6期
        關(guān)鍵詞:大灘凍土層側(cè)線

        孫銀行

        (中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定071051)

        物探方法在青藏高原凍土勘查中的應(yīng)用

        孫銀行

        (中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定071051)

        隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展,西部寒區(qū)的凍土問題越來越成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素。以西大灘凍土區(qū)為研究區(qū),在分析凍土區(qū)物探勘查工作原理的基礎(chǔ)上,采用直流電阻率法、EH4兩種方法對該區(qū)進行了野外實地側(cè)線,并對數(shù)據(jù)進行了解釋分析。從資料分析來看,EH-4受高頻截止頻率的限制,淺部數(shù)據(jù)少且相對校亂,對淺部凍土層反映不明顯;相比之下,直流電阻率法確定凍土層厚度效果明顯;清晰的劃分了季節(jié)性凍土層和多年凍土層,達到了勘查凍土的目的。

        多年凍土;青藏高原;凍土上限;截止頻率

        凍土是指溫度等于或低于0℃并含有冰晶的巖土。它是由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體四種物質(zhì)勻質(zhì)組成的多成分多相體系,其中水、未凍水和氣體的含量隨溫度變化。

        青藏高原是北半球中、低緯度地帶海拔最高、分布面積最廣、厚度最大的凍土區(qū)。青藏鐵路沿線凍土主要發(fā)育在西大灘至安多段[1]。根據(jù)多年凍土特征,可將其分為融區(qū)、過渡帶(島狀凍土區(qū))、多年凍土區(qū)[2]。

        隨著國家經(jīng)濟重心發(fā)展向西部的轉(zhuǎn)移,廣闊的寒區(qū)建設(shè)中不可避免地將會遇到越來越多的凍土工程問題[3]。凍土具有流變性,其長期強度遠(yuǎn)低于瞬時強度特征。正由于這些特征,在凍土區(qū)修筑工程構(gòu)筑物就必須面臨兩大危險:凍脹和融沉[4]。多年凍土上、下限的勘察,是解決這類問題的重要前提條件。因為多年凍土上、下限的變化以及其上部的季節(jié)融化層對工程的影響很大,是多年凍土地區(qū)各項工程設(shè)計的主要數(shù)據(jù),只有準(zhǔn)確查明多年凍土的上、下限,并采取與其相適應(yīng)的工程處理措施,才能避免工程產(chǎn)生病害。所以準(zhǔn)確判定多年凍土上、下限及變化,對各類工程的設(shè)計和應(yīng)采取的處理措施有重要意義。

        1 凍土區(qū)物探勘查的工作原理

        地下不同部位的地質(zhì)體在形成和演化的過程中,由于其所處的地質(zhì)、地理、溫度場、水分場等各種物理場外部環(huán)境的不同,以及地質(zhì)體形成時物質(zhì)來源等內(nèi)部條件的不同,造成了地質(zhì)體在構(gòu)造、組構(gòu)成分上會發(fā)生很大的差異,所表現(xiàn)出的各種物理性質(zhì)(包括地質(zhì)體的電性、密度、彈性、磁性等特征)自然會有很大的不同。物探方法正是利用和通過對地質(zhì)體的這種物性差異的勘測,間接達到對地下地質(zhì)情況勘測和了解的目的。在多年凍土區(qū)開展的凍土物探工作也正是基于同樣的原理。

        在常溫條件下,溫度變化對巖石電阻率的影響不大;但是,在0℃以下的負(fù)溫區(qū)內(nèi),含水巖石的電阻率隨著溫度的降低而明顯增高。粗粒巖石比細(xì)粒巖石變化的更加明顯。冰凍巖石電阻率顯著增高是由于巖石中空隙水結(jié)冰后失去了導(dǎo)電性水溶液的緣故[5]。通過總結(jié)前人資料、測試室內(nèi)模型并對大量物探勘測資料進行正反演,發(fā)現(xiàn)第四系沉積物和泥巖凍融間明顯的物性差異,季節(jié)凍土的電阻率范圍1 000~1 500,多年凍土的電阻率范圍1 500~2 700。由于第四系沉積物和泥巖在凍結(jié)和融化狀態(tài)下,存在物性的顯著差異,這為應(yīng)用物探方法勘查凍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、勘查剖面布設(shè)靈活、可變,勘查手段多樣,勘查剖面資料連續(xù)等諸多優(yōu)點。

        2 工作區(qū)概況

        工作區(qū)為西大灘斷陷谷地,島狀多年凍土區(qū),此處青藏高原腹地多年凍土區(qū)內(nèi),地勢開闊,地形呈緩坡狀。平均海拔4 630 m左右。空氣稀薄,氣壓低,含氧量少。四季不明顯,寒冷期長。西大灘年平均地溫 0.2℃ ~0.5℃ 天然多年凍土上限 2.8~4.0 m[6]。表層為第四系河流沖洪積相砂礫石層,地表較干燥,植被稀疏,季節(jié)融化深度2.4~2.6 m。

        西大灘地區(qū)凍土層的地球物理模型特征:表層覆蓋層為第四系覆蓋,由于地區(qū)不同其地球物理參數(shù)也不同;季節(jié)凍土層的電阻率在1 000~1 500間;多年凍土層的電阻率在1 500 ~ 2 500 間[1]。

        3 物探方法研究

        為了查明該地區(qū)多年凍土的特征,在該區(qū)內(nèi)進行了詳細(xì)的物體勘查,應(yīng)用直流電阻率法、EH4法兩種方法,布置了一條綜合剖面,查明了該地段的凍土特征。

        3.1 直流電阻率法

        直流電阻率法是電法勘探中最基本而常用的方法,是以地下地質(zhì)體的電阻率差異為基礎(chǔ),通過觀測與研究人工建立的地中直流電場分布規(guī)律,從而達到解決地質(zhì)問題的目的。該方法包括電阻率剖面法和電阻率測深法兩類。

        3.1.1 工作區(qū)側(cè)線布置

        結(jié)合工作內(nèi)容和野外實際地質(zhì)情況,研究區(qū)內(nèi)采用裝置為對稱四極,供電極距為定比排列的電阻率測深法,其中MN:AB=1:5,點距100 m,側(cè)線長1 400 m,共計15個物理點。起點坐標(biāo)北緯 35°42.606′,東經(jīng) 94°00.754′;終點坐標(biāo)北緯 35°43.345′,東經(jīng) 94°00.566′。

        其中,藍(lán)色實線表示電測深法側(cè)線位置示意圖;紅色實線表示EH4法側(cè)線位置示意圖(EH4測線位置大部分與電測深法側(cè)線位置相重合,故紅色實線不可見)。藍(lán)、紅兩種顏色的圓分別代表兩種方法側(cè)線的起始點。

        3.1.2 資料解釋

        1)電測深曲線特征

        通過對數(shù)據(jù)的處理,我們得到該側(cè)線的電測深曲線特征:側(cè)線0~1 150 m范圍內(nèi)主要為HK型和少數(shù)的K型,1 150~1 400 m范圍內(nèi)為Q型。單點測深曲線的基本形態(tài)如下:

        HK型曲線的視電阻率表現(xiàn)為高-低-高-低的特征。第一層,一般厚度在1~2 m范圍內(nèi),視電阻率在1 000~1 800之間,巖性成分主要為較大的砂礫石。第二層,上界面為第一層底,下界面為-4.5~-6 m左右范圍內(nèi),厚度大約在3~4.5 m范圍,該層為相對低阻層,視電阻率在1 100~1 500之間,成分主要為砂礫石。電阻率的相對下降,表現(xiàn)為季節(jié)性凍土層特征。凍土融化后產(chǎn)生的水使得該層的電阻率降低。第三層,上界面為第二層底,下界面-25 m左右,厚度大約在15~20 m范圍,該層為高阻層,視電阻率在1 500~4 000之間,表現(xiàn)為多年凍土層。巖性為砂礫石。第四層為凍土層下的非凍土層,巖性不變,體積效應(yīng)的存在,電阻率表現(xiàn)為逐漸下降。單點測深曲線100 m點(見圖2)和1 000 m點(圖3)為HK型。

        圖2 西大灘凍土區(qū)100 m點電測深單點曲線圖

        圖3 西大灘凍土區(qū)1 000 m點電測深單點曲線圖

        K型曲線的視電阻率表現(xiàn)為低-高-低的特征。少數(shù)K型曲線的三層對應(yīng)著HK型曲線的K型,即一二三層分別對應(yīng)著HK型的二三四層。缺失H型的原因為側(cè)線前端山腳的積雪融化的水降低了表層巖層的電阻率,在800 m處,地表小水溝存在降低了其周圍淺層巖石的電阻率。

        曲線尾部的Q型曲線,視電阻率表現(xiàn)為低-低-低的趨勢。視電阻率從1 400降到1 000,然后又繼續(xù)降到800以下。該現(xiàn)象主要受到地下斷層的影響。地下水通過斷層破壞了凍土層,從而電阻率小于1 000。

        2)剖面特征

        圖4為工作區(qū)的電測深視電阻率剖面圖。該剖面地層總體巖性為砂礫石層。該剖面總體表現(xiàn)為高-低-高-低阻特征,即淺地表非凍土層和多年凍土層電阻率高,季節(jié)性凍土層和多年凍土層下面地層電阻率相對偏低。橫向上剖面左端除了淺層有細(xì)微變化外,總體變化較小,剖面右端有一斷層,破壞了凍土層的向右延伸,中間部位電阻率有高變低。剖面方向為由南向北。縱向上剖面左端可以分為四層,地表大顆粒砂礫石導(dǎo)致表層電阻率變高,然后電阻率變得相對較低,表現(xiàn)為季節(jié)性凍土融化層的出現(xiàn),季節(jié)性凍土融化層與多年凍土層是相互銜接的,隨著勘探深度的增大而逐漸進入多年凍土區(qū)域,電阻率亦隨著深度的增大而增大,最后勘探深度達到了凍土下限,則電阻率逐漸減小。剖面右端可以分為兩層,地表大顆粒砂礫石層和下端的斷層及其影響帶。

        圖4 西大灘凍土區(qū)電測深視電阻率剖面圖

        圖5 西大灘凍土區(qū)凍土層圖

        3.2 EH -4

        EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)是由美國GEOMETRICS和EMI公司聯(lián)合研制生產(chǎn)。該系統(tǒng)屬于部分可控源與天然場源相結(jié)合的一種音頻大地電磁測深系統(tǒng),觀測的基本參數(shù)為時間域正交的電場分量(Ex、Ey)和磁場分量(Hx、Hy)。通過頻譜分析及一系列運算,求得不同頻率的視電阻率值。

        3.2.1 工作區(qū)側(cè)線位置

        結(jié)合工作內(nèi)容和野外實際地質(zhì)情況,EH4布置側(cè)線長1 440 m,道距30 m,點距30 m,共計49個物理點。起點坐標(biāo)北緯 35°42.606′,東經(jīng) 94°00.754′;終點坐標(biāo)北緯35°43.370′,東經(jīng) 94°00.559′。側(cè)線位置示意圖見圖1(紅色實線表示)。

        3.2.2 資料解釋

        分析野外工作得到的數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn),EH-4勘測的淺層100 m以上數(shù)據(jù)存在以下特征:一比較亂;二、數(shù)據(jù)點比較少;三、整體的電阻率數(shù)值相對較低,一般小于500。由此可以初步斷定應(yīng)用EH-4方法勘查淺部凍土層效果較差,不宜采用。

        4 結(jié)語

        多年凍土具有其特殊性,但也有其規(guī)律性。本文以西大灘凍土區(qū)為研究區(qū),在分析凍土區(qū)物探勘查工作原理的基礎(chǔ)上,采用直流電阻率法、EH4兩種方法對該區(qū)進行了野外實地側(cè)線,并對數(shù)據(jù)進行了解釋分析。從資料分析來看,由于EH-4受高頻截止頻率的限制,淺部數(shù)據(jù)少且相對校亂,對淺部凍土層反映不明顯,因而勘查淺層凍土層也就相對比較困難;相比之下,直流電阻率法確定凍土層厚度效果明顯;清晰的劃分了季節(jié)性凍土層和多年凍土層,達到了勘查凍土的目的。這也就為以后更好的對青藏高原凍土區(qū)的長期勘查提供了方法和技術(shù)參考。

        [1]李來喜,韓永琦.青藏線凍土地球物理模型的建立[J].物探與化探.2002,26(1):71 -74.

        [2]王文龍.青藏鐵路多年凍土勘察的物探方法選擇及其應(yīng)用效果[J].物探與化探.2003,27(2):150 -154.

        [3]馮文杰,李東慶,馬巍,等.不同邊界條件對多年凍土上限影響的模型試驗研究[J].冰川凍土.2001,23(4):353-359.

        [4]王飛.淺談對青藏高原凍土的幾點認(rèn)識[J].甘肅科技.2007,23(10):109-110.

        [5]唐君輝,劉國興,韓江濤,等.電測深法在漠河地區(qū)探測永久凍土層的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版).2005,35:104-108.

        [6]吳青柏,劉永智,童長江,等.高原多年凍土地區(qū)公路工程地質(zhì)研究[J].公路.2002,2:1-4.

        P642.14

        B

        1004-1184(2013)06-0110-03

        2013-09-24

        青藏鐵路沿線水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價(1212010818080)

        孫銀行(1982-),男,安徽宿州人,工程師,主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)電法勘探。

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