宋濤,包怡,趙松,吳建峰,許元順,涂海峰

(1.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司,江蘇 南京 210007;2.江蘇省地質(zhì)局,江蘇 南京 210001;3.生態(tài)環(huán)境部 南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042)

0 引言

世界上大多數(shù)存量的垃圾填埋場都是未按照相關(guān)規(guī)范標準建造和管理的非正規(guī)垃圾填埋場[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計,截至2017年全國非正規(guī)垃圾堆放點排查整治信息系統(tǒng)登記錄入2.7萬個,多為20世紀80～90年代就地選址所建[2-3]。非正規(guī)垃圾填埋場因設計不規(guī)范、防滲措施不嚴格、維護管理不到位,易造成垃圾中的有害物質(zhì)隨滲濾液遷移,污染地表水、土壤和地下水,對環(huán)境造成危害,有害物質(zhì)進入人類食物鏈進而誘發(fā)疾病[4-5]。因此,非正規(guī)垃圾填埋場的環(huán)境調(diào)查和治理極為重要,近年來全國各地已陸續(xù)開展此類工作。

地質(zhì)勘探成果的可靠性直接影響環(huán)境調(diào)查成果的精度。國內(nèi)外學者對基于高密度電阻率法的地質(zhì)構(gòu)造探測、填埋物圈定、滲濾液及污染物羽流監(jiān)測、污染滲漏與擴散監(jiān)測、修復效果監(jiān)測等環(huán)境地質(zhì)問題做了大量研究[6-10]。高密度電阻率法因具有自動化程度高、數(shù)據(jù)信息采集量大、反映地下電性結(jié)構(gòu)直觀、非侵入性等優(yōu)勢而被廣泛應用,但其在不同的場地條件下常表現(xiàn)出差異性效果。在填埋場勘探中,部分填埋物分散填埋和多層分布、滲濾液和地下水的干擾,均可能造成反演斷面的電阻率形態(tài)畸變,單一方法難以精確圈定填埋邊界、分析滲濾液分布特征,復雜的地質(zhì)條件與方法多解性為數(shù)據(jù)處理解釋帶來了巨大的挑戰(zhàn)[11-13]。通過鉆井與高密度電阻率法聯(lián)合勘探,鉆井分層和井旁電阻率反演可以為反演解釋提供可靠的約束信息和物性橋梁,采用二元分析方法獲取調(diào)查要素的空間數(shù)據(jù),應用模糊數(shù)學方法判斷滲濾液分布,建立填埋場三維地質(zhì)模型,可有效控制基底邊界、構(gòu)造特征和填埋物空間分布,反映滲濾液分布特征,為填埋場環(huán)境調(diào)查提供詳細的地質(zhì)基礎數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于下?lián)P子地臺,在前震旦系變質(zhì)巖陸塊基底上發(fā)育三套沉積蓋層:震旦系—三疊系下統(tǒng)海相沉積建造、三疊系中上統(tǒng)—白堊系下統(tǒng)活動陸緣型海陸過渡相—陸相碎屑巖沉積建造、晚白堊世以來的陸相碎屑沉積建造。研究區(qū)面積約7 萬余m2,是一處位于舊采石坑上的歷史遺留垃圾填埋場,周邊基巖最大標高約50余米,基巖斷崖下的填埋區(qū)標高10～30 m?；着c周邊巖石露頭一致,為泥盆系砂巖地層,主要填埋物為素填土、雜填土、建筑垃圾、生活垃圾等,填埋深度約30 m內(nèi),砂巖基底及填埋層內(nèi)部不同物質(zhì)間具較明顯的電阻率差異,為高密度電阻率勘探提供了條件。

2 井—電聯(lián)合勘探

2.1 方法思路

采用鉆孔和高密度電阻率法聯(lián)合勘探、環(huán)境地質(zhì)要素提取與三維建模、鉆孔驗證與精度評價“三位一體”的研究思路開展工作。如圖1所示,在全區(qū)紅線范圍內(nèi)部署高密度電法測點754個,網(wǎng)度約10 m×10 m;部署參數(shù)井12口,重點控制填埋區(qū)、兼顧填埋邊界和物探標定作用;另實施全區(qū)航拍航測,為三維建模提供DEM數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀底圖。

圖1 研究區(qū)航拍影像Fig.1 Aerial image of the study area

高密度電阻率法是以地質(zhì)體導電性差異為基礎,觀測和研究人工電場的分布規(guī)律,進而確定地下介質(zhì)相關(guān)信息的一種陣列電探方法,其勘測體系主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理兩部分[14]。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過畸變點剔除等預處理后進行反演,得到電阻率斷面。本次數(shù)據(jù)采集使用深圳賽盈生產(chǎn)的GD-20高密度電法儀,測線東西向,點距10 m,電極24根,采集裝置為溫納裝置,采集層數(shù)8層;反演使用RES2DINV軟件,反演方法為最小二乘法帶地形反演。二維反演斷面與參數(shù)井數(shù)據(jù)反映填埋基底與填埋層有較明顯的電阻率差異,但填埋界線位于電阻率等值線的梯度帶上,電阻率值波動較大;填埋層內(nèi)部存在電阻率變化,但異常界限不清晰。反演的多解性、滲濾液及地下水均可對結(jié)果造成影響[15-16],故基于填埋場巖土層電阻率變化規(guī)律的地質(zhì)體邊界銳化處理、弱異常的強化提取、滲濾液的分析評價十分必要。

2.2 地質(zhì)—地球物理模型

選擇過參數(shù)井的高密度電法測點(圖1),從視電阻率擬斷面數(shù)據(jù)中抽取12條電測深曲線[17]如圖2所示。12條電測深曲線可歸納為6種曲線類型,結(jié)合鉆井資料對電測深曲線進行定性分析,ZK01、ZK05、ZK08、ZK11井測深曲線為HKH型曲線,顯示“素填土—雜填土—建筑垃圾—生活垃圾—砂巖”5個電性層的視電阻率基本上呈“高—低—高—低—高”變化;ZK03、ZK06、ZK10井測深曲線為H型曲線,ZK07、ZK12井測深曲線為K型曲線,ZK02、ZK04和ZK09井測深曲線分別為AK、KH和KQ型曲線,反映了不同的填埋物組合、破碎帶和地下水對測深曲線的電阻率變化有復雜的影響。因此,通過對井旁實測視電阻率數(shù)據(jù)進行界面約束正演擬合,定量獲取各地質(zhì)體的電阻率物性,從而采建立地質(zhì)—地球模型。

圖2 抽取的電測深曲線及同點位參數(shù)井柱狀Fig.2 Electrical sounding curve and histogram of borehole location

以鉆遇各層較齊全的參數(shù)井ZK08地質(zhì)—地球物理正演擬合為例(圖3),其正演電阻率變化規(guī)律一致。對全部12口井的井旁視電阻率數(shù)據(jù)進行正演擬合結(jié)果統(tǒng)計(表1),顯示砂巖與上覆填埋物、建筑垃圾與填埋層中的其他填埋物電性差異明顯,可作為處理解釋的標志層界面;砂巖基底、同一填埋層的電阻率值存在較大變化,可能與滲濾液及地下水分布有關(guān)。通過電阻率測深曲線的分析、視電阻率統(tǒng)計以及地質(zhì)—地球物理模型正演擬合,全面了解研究區(qū)物性特征,為數(shù)據(jù)的進一步處理提供了科學依據(jù),為物探數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋提供了橋梁。

表1 正演模型電阻率統(tǒng)計Table 1 Statistical of resistivity of forward model

圖3 ZK08鉆井正演擬合地質(zhì)—地球物理模型Fig.3 Geological-geophysical model diagram of ZK08 drilling forward modeling

2.3 填埋層與基底的二元分析

物性統(tǒng)計分析和正演結(jié)果證實,二維電法斷面是填埋層、滲濾液以及填埋基底的綜合電性異常的反映。由于沉積環(huán)境、填埋物質(zhì)含量的不同,二維斷面中的電阻率信息往往同時具有區(qū)域性和局部性的特征。將填埋層與基底進行“場分離”,可以突出各層內(nèi)電阻率變化細節(jié),提取填埋層內(nèi)次級薄層、微構(gòu)造等弱異常信息,為三維地質(zhì)建模提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3.1 基于先驗信息約束的界面收斂處理

L4線二維反演斷面(圖4a)顯示“上低下高”的電阻率特征:淺部電阻率值約10～40 Ω·m,深部電阻率多在40～200 Ω·m,基于參數(shù)井ZK05及ZK07先驗信息約束和井旁反演曲線處理,可判斷填埋界面大概位于40～50 Ω·m左右的梯度帶附近,但受淺部填埋層及西段斷裂影響,僅靠電阻率段面難以準確提取該界面。

a—帶地形二維反演電阻率;b—反演電阻率梯度;c—基巖電阻率小波細節(jié);d—填埋層電阻率值殘差;e—解釋剖面

鑒于梯度法可以提取電阻率變化強度,對二維電法斷面沿深度方向求取梯度(導數(shù)),在電性變化大的位置必然出現(xiàn)極大值或極小值,從而可以強化電阻率在垂向上的變化特征,其往往對應地層界面或巖性的分界面。當梯度異常極值為正值時,表明求導前進方向為相對高阻層;相反則表明求導前進方向為相對低阻層。對二維反演斷面求取梯度,并在顯示上弱化低梯度值和非連續(xù)梯度值(圖4b)。結(jié)合鉆井標定結(jié)果,發(fā)現(xiàn)梯度極值連線,即垂向上電阻率值增大最快的位置,與參數(shù)井實測的填埋界面基本相符。即使在斷面西段,也有串珠狀極值顯示。通過基于先驗信息約束的界面收斂處理,可以更準確地獲取填埋界面信息,繼而分別對基底和填埋層做二元分析,進一步提取更多細節(jié)。

2.3.2 填埋基底構(gòu)造強化

人工開采、長期風化作用造成砂巖基底內(nèi)發(fā)育不同規(guī)模的斷層、裂隙構(gòu)造,從而多賦含滲濾液和地下水,在電阻率斷面上易呈一定規(guī)模的低阻異常。小波多尺度分解可壓制背景電阻率,突出不同規(guī)模的局部異常。經(jīng)多參數(shù)試驗對比,對二維反演斷面的填埋基底部分提取了小波三階細節(jié)(圖4c)。該圖顯示L4線樁號20～70 m段存在一規(guī)模較大的低阻局部異常,經(jīng)鉆孔驗證,為含水性較好的破碎帶,結(jié)合其他斷面發(fā)現(xiàn),該破碎帶具有一定的連續(xù)性。

2.3.3 填埋層弱異常信息提取

填埋層的低阻背景在一定程度上弱化了內(nèi)部不同電性層(體)的對比度,基于某一電阻率值提取的異常體易呈碎片化且可能與鄰線數(shù)據(jù)值差異較大,在根據(jù)反演電阻率進行三維建模時會造成較大的數(shù)據(jù)偏差[14-17]。高斯濾波是一種線性平滑濾波器,剖面上每一個點值,都由其本身和鄰域內(nèi)的其它點經(jīng)過加權(quán)平均后得到。采用高斯濾波方法對電阻率反演剖面進行多次平滑處理,以此獲得填埋層“電阻率背景斷面”,該斷面仍具電阻率高低變化,非單一電阻率值。繼而求取原始電阻率斷面與“電阻率背景斷面”之差值,分離出填埋層“電阻率殘差斷面”,多次求取,結(jié)合鉆井資料分析填埋層電阻率變化特征,選定電阻率變化與參數(shù)井鉆遇各層具有較高匹配度的“電阻率殘差斷面”為最優(yōu)結(jié)果?！半娮杪蕷埐顢嗝妗比趸吮尘靶畔?突出某點與其鄰域電阻率的差異,能夠強化地層內(nèi)部薄層的弱電阻率異常、微構(gòu)造信息,解釋、提取其空間要素可直接為三維建模提供基礎數(shù)據(jù)。L4線淺部填埋層(圖4a)整體呈低電阻率特征,但低阻層中仍有次級高阻層且界限模糊;分離電阻率背景值范圍為5～29 Ω·m的電阻率背景斷面,與ZK04和ZK05鉆探結(jié)果一致,選定L4線填埋層的最優(yōu)殘差斷面(圖4d),次級電性層異常顯示明顯的“高—低—高—低”特征,素填土、雜填土、建筑垃圾、生活垃圾等填埋物反映清晰,與參數(shù)井匹配程度高,因而能夠直接提取各類填埋物的空間信息(圖4e)。

2.4 滲濾液模糊邊界提取

填埋物因受滲濾液影響導致其電阻率降低。郭秀軍等[18]利用 Miller Soil Box 法測試土樣電阻率的結(jié)果顯示,土樣含水飽和度從10%增大到75%,電阻率降低至原來的十分之一,趙艷茹等[19]垃圾土電阻率、孔隙度與含水率變化的研究結(jié)果亦顯示相似規(guī)律,劉棟等[20]在黃土滑坡高密度勘探中分析了電阻率與含水率的關(guān)系。本次在建立地質(zhì)—地球物理模型和解釋斷面的過程中,也發(fā)現(xiàn)滲濾液(或地下水)對電法數(shù)據(jù)存在影響。然而,在復雜填埋環(huán)境中獲取的電法斷面上,滲濾液的影響是連續(xù)的,很難清晰劃分其邊界。本次基于Zadeh的模糊理論,通過單元電阻率的隸屬度函數(shù),試圖分析滲濾液影響的模糊邊界。

給定論域U及其模糊子集A,按U中的元素u是否屬于模糊集A的程度,定義一個隸屬函數(shù):

μA:U→[0,1]u→μA(u),

隸屬函數(shù)μA(u)的值范圍為[0,1];μA(u)越接近1,u越屬于A;μA(u)越接近0,u越不屬于A。

將單元ei的電阻率ρi=ρ(ei)視為受滲濾液影響的模糊子集A中的一個元素,建立ρi的隸屬函數(shù)μF(ρi)可表示為:

F={(ρi,μF(ρi))|ρi∈U},

本研究對柯西隸屬度函數(shù)使用以下公式:

式中:ρ0為戒上型隸屬度函數(shù)的介質(zhì)電阻率,說明當電阻率ρi小于ρ0時,單元ei屬于被滲濾液影響的區(qū)域;a和b是戒上型隸屬度函數(shù)的參數(shù),a和b的值越大,ei屬于被滲濾液影響區(qū)域的單位就越小[13]。將高密度電法反演電阻率轉(zhuǎn)換為基于上式的隸屬度函數(shù),以分析滲濾液對電阻率的影響程度及相應范圍。當式中的ρ0、a、b值不同時,受滲濾液影響的隸屬度函數(shù)也不同。

根據(jù)隸屬度函數(shù)μ值將垃圾填埋場滲濾液影響劃分為4個區(qū)域:高影響區(qū)(1≥μ≥0.75)、中影響區(qū)(0.75≥μ≥0.50)、低影響區(qū)(0.50≥μ≥0.25)和無影響區(qū)(0.25≥μ≥0)。對鉆遇滲濾液的鉆孔用水位計測定其穩(wěn)定水位,并對取得的土工樣開展土工試驗測定含水率,獲得飽水帶的空間信息。采用python軟件,代入不同ρ0、a、b值求取各自隸屬函數(shù)結(jié)果,以參數(shù)井的飽水帶信息以及土工試驗數(shù)據(jù)驗證計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隸屬函數(shù)代入ρ0=20、a=0.3、b=2所求取的隸屬度基本反映了滲濾液的分布特征。

圖5是L4線斷面的隸屬度函數(shù)計算結(jié)果,ZK07孔鉆遇的飽水帶與隸屬度0.5～1即中高影響區(qū)中部對應較好,ZK05孔鉆遇的飽水帶與隸屬度0.5～0.75的中影響區(qū)的東部邊緣相符。從全區(qū)計算結(jié)果來看,滲濾液高影響區(qū)反映了具自由液面的滲濾液飽水帶中部,滲濾液中影響區(qū)基本反映了滲濾液飽水帶的邊部,二者的范圍基本代表了滲濾液的模糊邊界。

圖5 L4線隸屬度計算等值線Fig.5 Contour map of L4 line membership calculation

3 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

目前三維可視化在環(huán)境調(diào)查領(lǐng)域應用較少,且多是基于地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)的集成顯示,難以很好地綜合分析研究區(qū)的詳細地質(zhì)信息[21]。采用Schlumberger Petrel三維可視化地質(zhì)建模軟件構(gòu)建填埋場50 m以淺的三維地質(zhì)模型。該軟件能夠綜合航測DEM、鉆孔數(shù)據(jù)、地球物理勘探數(shù)據(jù)、地質(zhì)解釋等多源數(shù)據(jù),對填埋場三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)精細建模,本次建模數(shù)據(jù)包括754個物理點的高密度電阻率數(shù)據(jù)、12口參數(shù)井分層數(shù)據(jù)、22條鉆—電聯(lián)合解釋斷面地質(zhì)分層數(shù)據(jù)和以全區(qū)擴邊的約85 000 m2航測DEM高程數(shù)據(jù)。

3.1 建模方法

填埋場地質(zhì)結(jié)構(gòu)常為多層結(jié)構(gòu),采用自動建模方法獲取精細三維地質(zhì)模型需要詳細的地形高程數(shù)據(jù)和地質(zhì)解釋分層數(shù)據(jù)。基于多源數(shù)據(jù)融合的方法綜合利用地質(zhì)、鉆探、基礎地理、DEM數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型,多源數(shù)據(jù)的融合能夠較好地彌補單一數(shù)據(jù)源的不足,使得建立的模型更加符合實際地質(zhì)情況[22-23]。本次模型構(gòu)建過程可歸納為三步:首先,將DEM高程數(shù)據(jù)、高密度電法解釋數(shù)據(jù)、鉆孔編錄數(shù)據(jù)整理為軟件要求的標準化數(shù)據(jù)并導入,通過插值和擬合算法由上至下生成地質(zhì)層曲面,以參數(shù)井分層數(shù)據(jù)為約束;其次,以地表地形、高程-25 m(填埋區(qū)平均高程以下深60 m)、研究區(qū)紅線外擴規(guī)則矩形作為模型邊界,選擇不同的插值方法進行三維剖分,同時采用Structural Modeling進行系統(tǒng)構(gòu)造建模;最后,通過多次擬合調(diào)整,選用多重網(wǎng)格逼近法進行插值計算,剖分網(wǎng)格1 961 385個,逐層構(gòu)建地質(zhì)實體。

3.2 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

研究區(qū)-25 m三維可視化地質(zhì)模型如圖6所示,自上至下為素填土、雜填土、建筑垃圾、生活垃圾、砂巖。航測DEM數(shù)據(jù)采用大疆精靈4RTK實測,經(jīng)后差分和空三處理,投影方式為UTM投影,投影的中央子午線為120°E。模型顯示,填埋場高程范圍為5～55 m,除東部出露的基巖外,填埋區(qū)平均海拔高度約35 m,高點主要位于填埋層東部外緣基巖出露的陡坎位置,填埋場內(nèi)總體呈中部高、四周低趨勢,具有堆填特征。

圖6 研究區(qū)海拔-25 m以淺三維可視化地質(zhì)模型Fig.6 The 3D visual geological model of the study area at an altitude of -25 m

研究區(qū)三維地質(zhì)模型切片清晰的顯示了填埋范圍和填埋底面的起伏,如圖7所示。主填埋區(qū)以多個填埋中心自北向南連接呈帶狀蜿蜒分布,填埋物分布復雜,填埋深度變化大,基巖呈斷崖狀圍繞主填埋區(qū)分布。填埋中心最低高程約-20～-10 m之間,周邊基巖高程約30～50 m。填埋場西部發(fā)育破碎帶F1,走向NW,傾向SW,傾角約45°～60°,區(qū)內(nèi)分布長度約260余米,寬度約3～20 m之間。

圖7 研究區(qū)海拔-25 m以淺三維可視化地質(zhì)模型切片F(xiàn)ig.7 Slice of a 3D visual geological model at an altitude of -25 m in the study area

4 適用性分析

利用后期實施的10口環(huán)境綜合調(diào)查初篩采樣鉆孔數(shù)據(jù),對本次鉆—電聯(lián)合勘探三維模型進行單點抽檢驗證,80%的驗證點位模型誤差在8.6%以下,20%的驗證點位模型誤差達12.3%～14.5%,誤差較大的點位多位于基巖陡坡之上。根據(jù)本次三維模型驗證結(jié)果,結(jié)合工作條件、場地填埋特征分析本次工作的實際勘探效果,總結(jié)與結(jié)合前人同類方法的實踐經(jīng)驗[24-27],對本次采用的垃圾填埋場探測方法提出工作建議,建立同類填埋場探測方法技術(shù)體系(表2)。

表2 探測方法適用性分析Table 2 Applicability analysis of detection methods

5 結(jié)論

1)通過抽取過井斷面的實測電測深曲線,基于鉆井分層數(shù)據(jù)正演建立地質(zhì)—地球物理模型,對正演電阻率數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計,為高密度電法數(shù)據(jù)處理解釋提供了可靠的物性基礎。

2)針對垃圾填埋場人工填埋物與自然沉積物混雜、巖土層與滲濾液同存的地質(zhì)特征,通過梯度計算獲取填埋界面分離填埋層和填埋基底,采用小波分析、殘差法分別對基底和填埋層做二元分析獲取破碎帶和弱異常薄層的空間信息,基于模糊數(shù)學計算反演電阻率的隸屬度函數(shù)提取滲濾液的模糊界面。實踐證明,這些針對性的處理解釋手段,可以獲取垃圾填埋場的關(guān)鍵環(huán)境地質(zhì)要素的空間信息。

3)以井—電聯(lián)合勘探成果為基礎,結(jié)合航測數(shù)據(jù),建立填埋場-25 m以淺三維地質(zhì)模型,能夠更加真實地反映各層填埋物和填埋基底的三維空間結(jié)構(gòu)特征,詳細刻畫斷裂破碎帶的空間展布。

4)通過鉆孔驗證,結(jié)合實際探測效果,對井—電聯(lián)合勘探的適用性進行了研究,分析了該方法體系能夠解決的環(huán)境地質(zhì)問題,可以指導同類填埋場調(diào)查的地質(zhì)勘探工作。