陳 雨

(合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230000)

1 引言

在東南沿海地區(qū)淺部土層中富含大量氣體，給工程施工建設(shè)帶來很大的麻煩[1～3]。因此，精準(zhǔn)探測(cè)淺層氣富存特征問題亟待解決?？v觀國(guó)內(nèi)外研究，探測(cè)技術(shù)多樣，以測(cè)井、地質(zhì)雷達(dá)、靜力觸探等探測(cè)方法居多，各探測(cè)方法特性不一[4，5]。對(duì)于電性特征識(shí)別技術(shù)是以地下介質(zhì)間的地電場(chǎng)差異為物性基礎(chǔ)識(shí)別淺層氣，周錫堂、孟慶國(guó)等基于此，進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析研究工作的開展[6，7]。本文以電性特征為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電阻率成像，研究富氣土層地電性識(shí)別特征，為工程安全建設(shè)提供保障。

2 地質(zhì)地球物理探查模擬

2.1 探查地質(zhì)地球物理基礎(chǔ)

探查試驗(yàn)區(qū)為杭州一地鐵施工區(qū)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)自然地理?xiàng)l件優(yōu)越，可為淺層生物氣體生成提供條件[8]。根據(jù)前期勘察及踏勘結(jié)果[9]，試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)主要出露新生界第四系地層。圖1為試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地層柱狀圖，根據(jù)勘察結(jié)果，試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)埋深6～30 m地層為主要的富氣段。

電阻率法識(shí)別淺層氣時(shí)，通過探測(cè)設(shè)備向土層通電，建立地下電流場(chǎng)，電流場(chǎng)因富氣區(qū)與周圍土層的差異表現(xiàn)出異常地電場(chǎng)，以此分析研究淺層氣的富存特征[10，11]。查閱資料，部分研究也表明了，土層富氣后，氣體會(huì)充填在孔隙中，土層中含水量降低，部分孔隙膨脹，致使土層電性特征發(fā)現(xiàn)改變，呈現(xiàn)出電阻率值異常升高的現(xiàn)象[12～16]。

2.2 模擬試驗(yàn)

運(yùn)用EarthImager模擬軟件從不同含氣程度展開數(shù)值模擬，基于試驗(yàn)區(qū)土層分布特征及土層電性特征建立數(shù)值模擬地電模型，采用有限差分建模，Mixde邊界條件，最大均方誤差為1%，6次迭代，阻尼最小二乘法反演對(duì)富氣土層電性響應(yīng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬。

在電阻率值測(cè)試中，③1與③2土層電阻率值較為相近，為避免地電模型地層太過復(fù)雜，影響模擬效果呈現(xiàn)，模型構(gòu)建時(shí)，合并為均一土層；④1與④2土層電阻率值相近，合并為均一土層。背景地電模型參數(shù)如表1。

圖1 地層柱狀圖

表1 背景模型參數(shù)

本文主要研究土層富氣前后及不同含氣程度土層的電性響應(yīng)特征規(guī)律。依據(jù)相關(guān)研究[3,13，14]，在模擬試驗(yàn)中，設(shè)置上下兩個(gè)富氣區(qū)，深度分別為7.5 m和20.6 m，大小設(shè)置為21 m×6 m，模擬過程中，富氣區(qū)電阻率值分別設(shè)置為50 Ω·m、100 Ω·m、200 Ω·m、400 Ω·m。

圖2 不同含氣程度數(shù)值模擬結(jié)果

圖2為5種不同含氣程度地電模型模擬結(jié)果。在模型中，測(cè)試系統(tǒng)共布設(shè)了64個(gè)電極，間距為3 m，總長(zhǎng)189 m?？臻g采樣間隔縱橫向均為1.5 m，橫向?qū)挾?89 m，縱向高度40 m。在電阻率反演剖面圖中，綠色為基本色調(diào)，藍(lán)色青色為低電阻率值表現(xiàn)，紅黃暖色為高電阻率值表現(xiàn)。為較好呈現(xiàn)電性特征，各剖面圖色標(biāo)有所差異，數(shù)據(jù)分析時(shí)需結(jié)合各剖面圖色標(biāo)進(jìn)行分析。

圖2(b)為背景模型電性響應(yīng)特征，電阻率分帶明顯，與地電模型中各層位置相一致，且電阻率值也相對(duì)應(yīng)。圖2(c)～2(f)為不同含氣程度電阻率反演剖面圖，由圖可知，電阻率設(shè)置為50 Ω·m時(shí)，富氣區(qū)上部電阻率值分布在40～60 Ω·m之間，下部電阻率值分布在20～35 Ω·m之間。當(dāng)設(shè)置電阻率值由50 Ω·m逐步升高到400 Ω·m時(shí)，富氣區(qū)上部電阻率值也逐步升高，與設(shè)置電阻率值相近，下部富氣區(qū)電阻率值升高幅度較小，多分布在20～55 Ω·m之間。數(shù)值模擬分析，土層富氣時(shí)呈現(xiàn)明顯的高電阻異常，隨富氣區(qū)含氣程度升高，電性響應(yīng)特征越明顯，異常區(qū)范圍、層位與模型相一致；分析下部富氣區(qū)電阻率值升高幅度小受埋深及下部地層電阻率值影響，這一影響因素分析將在相關(guān)研究中進(jìn)行。

3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)試驗(yàn)

基于地質(zhì)條件及數(shù)值模擬結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)采用電阻率法對(duì)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地下富氣土層進(jìn)行探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境分別從東西、南北兩個(gè)走向布置測(cè)線，利用垂向數(shù)據(jù)進(jìn)行三維電阻率成像。

3.1 測(cè)線布置與數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)試驗(yàn)共布設(shè)6條測(cè)線，一號(hào)、二號(hào)測(cè)線為東西走向，均布設(shè)64個(gè)電極，電極間距3 m，測(cè)線長(zhǎng)度189 m，兩條測(cè)線間隔110 m；四號(hào)測(cè)線為南北方向布設(shè)，穿過一號(hào)、二號(hào)測(cè)線，從垂向上探測(cè)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)富氣土層電性響應(yīng)特征，由于試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地形和建筑環(huán)境限制，四號(hào)測(cè)線長(zhǎng)度為165 m，電極數(shù)56個(gè)，電極間距3 m，圖3為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置示意圖。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置示意圖

3.2 聯(lián)合三維電場(chǎng)數(shù)據(jù)處理與分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)采集地電場(chǎng)數(shù)據(jù)后，采用WBD解析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解編，通過EarthImager軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將富氣土層電性響應(yīng)特征以圖像呈現(xiàn)出來。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，選擇一、二、四號(hào)測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行電阻率反演三維成像。

圖4為電阻率反演三維成像，清晰呈現(xiàn)測(cè)區(qū)富氣土層三維電性響應(yīng)特征，由圖4(a)、圖4(b)可知，一號(hào)測(cè)線下方10～30 m埋深位置呈現(xiàn)出透鏡狀高阻區(qū)，電阻率值分布在30～250 Ω·m之間，二號(hào)測(cè)線下方6～25 m埋深位置呈現(xiàn)出扁豆?fàn)詈筒灰?guī)則狀高阻區(qū)，電阻率值分布在30～300 Ω·m之間，四號(hào)測(cè)線下方6～15 m埋深位置呈現(xiàn)條帶狀高阻區(qū)，電阻率值分布在30～150 Ω·m之間。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果及地質(zhì)勘察資料分析，測(cè)線下方粉砂層和黏土層中高阻區(qū)多為淺層氣富集區(qū)。后期施工過程中，采用鉆孔施工排氣措施，證實(shí)了地下淺層氣的存在，同時(shí)也驗(yàn)證了電阻率法測(cè)試技術(shù)對(duì)土層中富氣區(qū)位置和范圍的響應(yīng)識(shí)別具備一定效果。

圖4 電阻率反演三維成像

4 結(jié)論

(1)數(shù)值模擬結(jié)果表明，土層富氣時(shí)呈現(xiàn)明顯的高電阻異常，隨富氣區(qū)含氣程度升高，電性響應(yīng)特征越明顯。

(2)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，電阻率反演三維成像可清晰呈現(xiàn)富氣土層電性響應(yīng)特征，電阻率法在淺表土層富氣區(qū)探測(cè)識(shí)別中具有一定效果，可為淺層氣研究和工程應(yīng)用提供重要參考。

(3)電法測(cè)試時(shí)，影響因素較多，需要對(duì)電極的耦合效果及其他影響因素綜合考慮，提高對(duì)土層中富氣區(qū)的響應(yīng)與識(shí)別能力。