密度探测(共9篇)
密度探测 篇1
大同侏罗纪煤田为多煤层赋存煤田, 由于开采历史悠久, 加之小窑滥采乱掘, 各类采空区常引发多种地质灾害:上部煤层采空区或废弃井筒积水给下部煤层开采带来水患;矿区工业广场、住宅、学校地下被小窑采空, 造成建筑物基础下沉、墙体裂缝、倾斜, 甚至倒塌;铁路、公路下被小窑采空, 造成路基下沉或塌陷, 使铁路停运、公路断路等时有发生。近年来高密度电法在管线调查、物探找水、采空区、岩溶、滑坡等灾害探查方面得以广泛应用。
应用高密度电法对大同侏罗纪煤田采空区进行探测, 及时准确地查明了灾害区采空区类型和影响范围, 为地质灾害治理和灾害抢险提供了可靠的地质资料。笔者对大同侏罗纪煤田应用高密度电法技术及方法进行探讨, 以便应用该项技术, 更有效地探测出各类采空区, 更好地指导地质灾害治理和灾害抢险工作。
1 煤田概况及其地球物理特征
大同煤田为双纪煤田, 即侏罗纪和石炭二叠纪煤田, 其中侏罗纪煤田位于山西北部, 属华北断块内二级构造单元吕梁—太行断块中云岗块坳北部的云岗向斜, 为内陆盆地河、湖、沼泽相沉积环境, 煤炭储量丰富, 埋藏浅, 属低变质程度弱黏至不黏结煤, 是优质动力煤。
侏罗系大同组为含煤地层, 厚约234 m, 含21层11个可采煤组, 煤层总厚26 m。大同组地层以砂岩、粉砂岩、泥岩、煤为主, 随着沉积旋回变化, 岩石粒度也由粗到细有规律变化。其中砂岩成分以长石和石英为主, 粉砂岩成分以石英、泥质为主;煤系顶底部各有1个含砾粗砂岩—砾岩标志层, 岩石成分主要以硅质为主。
煤系地层还原性沉积环境有其特有的地球物理特征, 煤系地层中的砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、煤的电阻率变化较大, 目前大同侏罗纪煤田已施工近3 000个钻孔, 且大部分进行了地球物理测井工作。从大量的钻孔视电阻率测井曲线统计分析认为, 煤系地层低变质程度弱黏至不黏煤的电阻率值相对不高, 但与围岩电阻率值相比呈相对高阻, 其视电阻率值为150~300 Ω·m;围岩视电阻率值为40~170 Ω·m, 并且随着岩石粒度加大、硅质成分增多, 其视电阻率值也随之变高。煤层的直接顶、底板为泥岩、粉砂岩、细砂岩, 与煤电阻率差异达4~5倍;间接顶、底板为细砂岩、中粗砂岩, 与煤电阻率差异达2~3倍;煤系地层标志层硅质砾岩—粗砂岩电阻率值亦低于煤电阻率值, 煤层也呈相对高阻特征。
2 高密度电法原理及工作方法
高密度电法勘探原理:由A, B两电极向大地供高压直流电, 通过M, N电极测量目标体的视电阻率, 由于不同的地质体对电流的传导效果不同, 因此可确定地质异常体。高密度电法的核心是常规电法实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集, 由于其采集密度增大、排列装置增多, 为传统电法带来了新的活力, 同时也为技术处理带来了新的课题。
高密度电法进行二维地电断面测量, 兼具剖面法与测深法的功能, 具有点距小、采样密度高的特点, 敷设一次导线后可进行数千个记录点的数据观测, 其信息量大、施工效率高[1]。
3 采空区类型及地球物理特征
不同的岩石具有不同的电性特征。从岩石电性特征上可以看出, 水的视电阻率值远小于煤层、岩层, 特别是采空区, 其视电阻率值远高于煤层, 电性差异明显, 而当采空区积水时, 由于有水的存在, 其视电阻值明显降低, 与煤层、岩层有明显的电性差异, 表现为低阻异常。
4 应用实例
4.1 大秦铁路云岗支线燕子山段小窑采空区探测
燕子山矿大秦铁路专用线于2003年12月23日凌晨发现因小窑采空造成路基下沉, 下沉范围达150 m, 下沉量达0.8 m, 并且下沉范围还不断向西发展, 使铁路运输中断, 附近居民住宅安全受到严重威胁。根据铁路下沉的范围及周围的施工条件, 采用高密度电法和瞬变电磁法对小窑采空范围进行探测。
高密度电法装置选用对称四级法, 两测站之测线首尾重复95 m, 每测站布置60个电极, 极距5 m。探测区域内, 3号层小范围采空, 4, 7号层未采空, 8号层局部采空, 11—12号合并层大范围采空。
从反演剖面图1可以看出, 260~300 m是低阻范围, 为8—12号多层采空, 多层采空造成地面大范围下沉; 310~460 m底部是低阻区, 为11—12号层采空, 单层采空区未造成地面大范围下沉。
4.2 四台矿410盘区小窑采空区探测
大同煤矿集团公司四台矿计划对410盘区的11号煤层进行开采, 由于410盘区内3号、8号煤层大多被小窑采空, 且无具体采掘资料, 故采用高密度电法对3号、8号煤层小窑采空积水进行探测, 为11号煤层安全开采提交可靠的地质资料。高密度电阻率测深在6测线采用了三极和四极2种装置, 试验发现三极装置效果较好, 从6测线3#—12#点 (7#点对应150 m) 高密度三极测深反演成果图2可以看出, 深度100 m以上无明显的低阻异常, 而此处3号煤层的埋深在80 m左右, 8号煤层的埋深在130 m左右, 综合分析认为, 3号煤层采空区无积水反映, 由于探测深度不够, 对8号煤层采空积水区没有反映。
4.3 燕子山矿315盘区小窑采空区探测
大同煤矿集团公司燕子山矿计划对315盘区14号煤进行开采, 在81501工作面大巷掘进过程中, 巷道北部上方有淋水出现, 水量较大, 推断是14号煤的上部煤层采空积水所致。由于315盘区内小窑众多, 上覆的2号、4号煤大多被小窑采空, 且无具体采掘资料, 故采用高密度电法对2号、4号煤层小窑采空积水进行探测, 为14号煤层安全开采提交可靠的地质资料。
高密度电阻率测深在23测线采用了三极和四极2种装置, 三极装置效果较好, 从23测线1#—11#点高密度三极测深反演成果图 (图3) 可以看出, 深度50~80 m、距离130~210 m (即5#—8#点) 处出现低阻异常, 推断为煤层采空积水区。从23测线12#—22#点高密度三极测深反演成果图 (图4) 可见, 深度50~80 m、距离200~300 m (即18#—22#点) 处出现低阻异常, 推断为煤层采空积水区, 这2处异常与瞬变电磁、激电测深吻合较好。
通过以上应用实例说明, 采用高密度电法结合瞬变电磁、激电测深等方法, 能够有效查明小窑采空区范围和类型, 指导煤矿安全生产[2]。
5 存在问题
1) 高密度电法由于采用大线布置方式, 难以适应复杂地形条件;
2) 目前高密度电法仪器由于公用发射和接收电缆, 无法进行大功率发射, 影响探测深度;
3) 高密度电法反演存在多解性, 需结合其他物探方法[3]。
6 结语
高密度电法通过对岩石视电阻率物性的探测, 能够反映地下几百米深的地质异常体, 使一些通过常规的地质手段很难甚至不能解决的地质问题得以准确地查明, 为煤矿安全生产、隐患解除以及市政工程提供准确的地质资料。随着科学技术的不断进步和物探技术的进一步发展, 该技术将会有非常广阔的应用前景。
摘要:应用高密度电法对大同侏罗纪煤田采空区进行了探测, 及时准确地查明了灾害区类型和影响范围, 并对高密度电法的技术和方法进行了探讨, 取得了较好的应用效果。
关键词:高密度电法,探测,煤矿采空区
参考文献
[1]李志聃.煤田电法勘探[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1990.
[2]张胜, 韩许恒, 李秉强, 等.高密度电法在采空区勘测中的应用[J].灾害学, 2005, 20 (4) :64-66.
[3]岳建华, 刘树才, 李志聃.温纳偏置电测深压制表层电性不均匀体影响的研究[J].煤田地质与勘探, 1994, 22 (6) :51-55.
密度探测 篇2
高密度电阻率法在采空区探测中的应用
为探测地下老采空区的分布和规模,采用高密度电阻率法对齐大山铁矿地下采空区进行探测,通过科学布线和分析,较清楚地揭示了地下已开采区和未开采区的具体位置,说明了该方法探测地下采空区的.有效性.与传统电阻率法相比,高密度电阻率法具有效率高、信息丰富、解释方便、勘探能力显著提高的特点.
作 者:于宝新 Yu Baoxin 作者单位:鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿刊 名:金属矿山 ISTIC PKU英文刊名:METAL MINE年,卷(期):“”(3)分类号:P61关键词:高密度电阻率法 采空区 探测效果
密度探测 篇3
关键词:超高密度电阻率法;烧变岩;破碎带;矿井水害
引言:在新疆煤田火烧影响范围大、地域广,而火烧形成的烧变岩对煤田开采形成了一系列危害:其中以烧变岩富水带来的矿井突水的危害为甚,因此探测烧变岩富水带为解决煤矿水害有重要的现实意义。烧变岩是地表附近的厚煤层在地质历史时期自然使围岩受到火烧而形成的特殊类型的岩体。不同岩性受热后形成的烧变岩,结构有所差异。一般粉砂岩、泥岩烧变变形破坏后,呈片状、棱片状等碎块状,裂隙发育,富水性强。随着对烧变岩富水带探测的要求越来越高,而其它普通物探方法:如瞬变电磁法、直流电法等受地表条件和财力限制,采集的数据信息量有限,分辨率也不高。超高密度电阻率法具有高分辨率、高效等特点,能满足目前烧变岩勘察中要求。
1基本原理
高密度电测深法是一种高分辨的电法探测技术,与常规直流电法勘探一样,是以探测地下目标体与围岩之间的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。当人工向地下加载直流电流时,在地表利用相应的仪器观测其电场分布,通过研究这种人工施加电场的分布规律达到解决地质问题的目的。高密度电阻率法视电阻率的求取与常规电阻率方法一样,通过给供电电极A和B供电流I,利用测量电极M和N测量电位差△u就可以获得MN两点间的视电阻率值。高密度电法测量装置常用的类型有:对称四极、对称偶极、施伦贝谢尔、偶极-偶极、单极-偶极、赤道偶极装置。
超级高密度电法的基本原理与普通高密度电法一致,其与普通电法的主要差异是:超级高密度电法一次布设的电极是普通高密度电法的几倍:超级高密度电法使用的直流电源电压远高于普通高密度电法:超级高密度电法勘探深度能够到达几百米,而普通高密度电法只能达到80m左右。
2测区地球物理特征
地质目标体的地球物理特征是电法勘探的重要物性参数,明显的物性差异是电法勘探的实施必要前提,也是合理选择物探方法和技术参数的依据。测区地层主要煤系地层为下侏罗统塔里奇克组上段和中段,上段和中段均由煤层和砂泥岩构成:其中上段中的5煤火烧最为严重,而中段的7煤与10煤相对于5煤火烧范围要小一些,而当砂泥岩发生烧变富水后与未烧变的砂泥岩存在很大的电阻差异,这为超高密度电法提供了勘探的物性基础。
3工程概况
本次高密度电法探测根据地质任务要求,在煤矿东北部历年突水事故发生处,垂直于岩层走向(正北正南)布设测线13条,其中(5条长632m,8条712m),电极间距均为8m。
根据试验结果采用了温纳装置,供电电压1000V,接地电阻小于1000Q·m:共完成测线13条。野外实测数据经过数据检查、反演计算、数据合并等处理后,形成综合剖面,用surfer绘制出视电阻率剖面。在剖面解释的基础上绘制平面图,最终形成综合平面赋水图。
4资料解释
本矿区的岩体烧变标高一般深达1750m,走向西东的向斜为矿区主要构造,勘探控制区域位于向斜的北翼,浅部为较薄的Q4土层,土层下部由砂泥岩组成的煤系地层;如果烧变岩裂隙被水充填,因水的电阻率很低,而不含水的烧变岩的电阻率较高,且未烧变的岩体因本身就有一定的含水量,所以其电阻率较不含水的燒变岩低:因此用电法在烧变岩地区找水的主要解释方法是在找低阻点,这些低阻点往往就是含水的烧变岩或裂隙或破碎带。通过数据合并和反演处理,得出13个综合剖面。图1所示为55号测线综合视电阻率断面图,根据下5煤与下7煤高阻发育情况,并结合磁法勘探,推测岩石烧变深度一般发育至标高+1770m,其中1号异常为烧变岩裂隙富水带,而2、3号异常均为构造裂隙富水带。
在剖面解释的基础上绘制平面图,最终形成综合平面赋水图,见图2在综合平面图上,共解释2个烧变岩富水带,其中s10-2烧变岩富水带为其历史突水事故水源,其突水点见图上红色圆圈处。
结论:(1)在烧变岩地区,超高密度电阻率法对烧变岩富水带的勘察具有很好的效果,分辨率高,定位准确,能满足工程勘察的高精度要求。(2)在进行布设电极时,要特别注意处理好接地电阻,尽量使接地电阻小于1000Qm。(3)电极需一次布设完成,供电电压应能满足勘探控制深度。(4)在解释资料时,应注意断面解释与平面解释相结合进行,避免得出与实际情况不相符合的结果。
高密度电阻率探测法论析 篇4
关键词:高密度电阻率探测,工程地质,工程环境
高密度的电阻率是以对地下的被探测目标和周围介质间电阻率的差异作为地球物理的基础, 结合电测探法和电剖面法, 采用高密度的分布, 进行二维电断面的测量地学层析的成像, 通常称为GT技术。高密度的电阻率法是基于静电场的理论, 可在空间及时间上运用。在工程勘探的过程中, 饱和区域的水位变化、未饱和区域的水流动、化学的污染成分扩张等都会使地下电阻率随着时间变化发生改变, 由此可以勘察出个工程环境问题, 尽早做好防范措施。
1 高密度电阻率的探测法的方法原理
1.1 施工电场的研究
高密度的电阻率法与常规直流的电法类似, 均以对地下目标体相互之间导电性差异的探测为基础的物理的勘探方式。在对地下进行直流电流的加载时, 利用相关的仪器在地表观测电场的分布, 根据对人工施加的电场分布规律的研究来解决相关地质的问题。由此需在电场发挥功效时, 根据地层传导电流分布的规律, 来求解电场的分布, 理论上我们通常采用解析的方法, 要求电场的分布规律满足相应的偏微分方程。而在对较复杂的电场分布模型时, 一般采用各数值模拟的方法。
1.2 三电位的电极系
高密度的电阻率法, 其通常采用二极方式的排列原则, 即依次对某个电极进行供电, 并利用其他全部的电极进行电位的测量, 再将测量的结果按照一定的需要转化为相应电极的排列方式。这种方案由于需增设两个无穷的远极会在实际操作中带来许多不便, 且如果测量的电极逐渐远离供电的电极时, 其电位测量的幅度的变化会较大, 此时就需要经常性对电源进行改变, 这不利于实现自动的测量方式。故在方法的设计中较多采用三电位的电极系。
三电位电机系, 即将微分的装置、偶极、温纳四极按照一定的方式进行组合构成一个统一的测量系统。此类系统在实际的测量时, 只要将电极开关转换, 就可将相邻的四个电极进行组合, 这样在一个测点便可获得较多电极的排列测量参数。
2 高密度电阻率的探测法野外工作技术
测区的选择, 通常来说地球上物理工作测区有测区地质的任务来决定, 需遵循相应的原则。而对于主要是应用在环境地质的调查和工程高密度的电阻率法来说, 根据地质的任务所给定的测区往往有所限制, 应在需要解决问题的工程的有限范围中选择布置测网和测区, 在这种条件下可以选择的选项往往都挺少的。
测网的布置, 除了需要建立测区坐标的系统外, 还包括工程技术人员选择用多大网度及何种工作的模式解决工程中所面临地质的问题, 工程技术人员的技术和经验往往能给测区的布置提供很大的方便。就高密度的电阻率法来说, 其野外的数据采集方式有地表剖面的数据采集和井中的电阻率成像数据采集两种方式。
除了上述所说的测区的选择和测网的布置外, 高密度的电阻率法, 其野外工作技术还包括以下几点。极距的选择, 其主要还是取决于工程地质对象埋藏的深度, 高密度的电阻率法实则是一种二维的探测方法, 故确保最大极距需能探测到工程主要的地质对象前提下, 还在二维的断面图上充分反映围岩的背景。测点的分布, 由于高密度的电阻率法的电极总数是一个固定的值, 所以测点数会随着隔离系数的增大而减少。装置的选择, 高密度的电阻率法运用三电位的电极系, 其电极的排列方式包含偶极排列、温纳四极的排列、微分排列等, 各电极之间可进行单独或者联合排列使用。导线的敷设, 高密度的电阻率法目前所使用的仪器可以控制30路、60路、90路及120路等多路电极。
3 高密度电阻率的探测法所存在问题
3.1 接地的电阻与电极的布置
电极在打入地面后, 由电极的表面至无穷远间大地的电阻, 称为接地电阻。在生产的过程中, 通常都会增大供电的电流来提高信噪, 增加供电的电压以使供电的电流有所增加。如此一来, 电能就消耗在了接地的电阻上, 也增大了电磁祸合的效应。此外, 通常需要增加电极与土壤的接触有效面积来减少接地的电阻。土壤是由许多细小的颗粒所组成的, 而地质的土质越细、颗粒越小, 接触的面积也就越大, 使电极和土壤的接触也就越发紧密。通常采用多根电极并联的方式来增加接触的面积, 也可用铝箔来代替棒状的电极来增加相应的接触面积, 减少接地的电阻。
由于工程地质地形的复杂性, 在电极布置时往往会遭遇到很多困难, 举例来说, 灰岩地区的地表所露岩石的面积会偏大等, 都会对电极布置的完整性产生一定影响。对于此类情况, 在侧线设计时就应尽量的避免。如果遇到必须在岩石上进行电极的布设时, 可用较潮湿泥土堆砌成土包, 并将电极插入其中, 以使电极的排列完整性得以保障。
3.2 排列装置的选择与电极极距的选择
排列的装置选择会对整个勘察的过程产生重大的影响, 不同探测的目标所使用的不同装置会具备不同的探测深度与分辨率。通常使用的几种装置中, 异常的幅度值最小的是微分的装置, 其信号震荡出现的也最早。温纳装置的异常幅度值较小, 信号的震荡也不错, 具有较强的分辨能力。电极的间距越小, 对目标体探测的精度也就越高, 但是如果电极的间距过小, 就会产生震荡, 构成异常。一般来说, 最小电极的间距应和目标体相当。
在进行野外的探测时, 首先需对相关的资料进行收集, 还需对所要进行地下探测的目标体的分布及尺寸的大小有深入详尽的了解, 之后再对合理设计数据的采集装置与极距。
4 结语
对于高密度电阻率的探测法, 通过对其科学理论原理的研究及项目工程的实践, 有了一定的了解。在工程野外的探测中, 应遵循其相应的理论和操作规范, 已达到事半功倍的目的。而对于高密度电阻率法中还存在的一些问题, 可以对其进行更深入地研究改善, 使其能更好为工程的环境地质服务。
参考文献
[1]王自民.高密度电阻率法的应用[J].科技创业月刊, 2010 (7) .
[2]丑景俊, 王进, 孟琪.高密度电阻率法的应用技术研究[J].东北地震研究, 1995 (4) .
[3]孙景慧, 高树义, 任建国.高密度电阻率法在活动断裂探测中的应用——以山西大同大学场地为例[J].山西地震, 2004 (4) .
[4]周黎明, 肖国强, 王法刚, 等.高密度电法在抛石体与土层分界面探测中的应用[J].长江科学院院报, 2004 (6) .
密度探测 篇5
隐伏断裂是在地表无显示或出露不明显而潜伏在地表以下的断裂[1,2,3,4]。研究表明, 运用高密度电法层析成像技术, 可以探测断裂的空间位置及相关地质参数, 从而使重要设施有效地避开隐伏断层, 最大程度减轻地震灾害[5]。
为了进一步研究高密度电法在隐伏断裂探测中的应用, 我们在潞城县北部天脊集团乙醇项目场地西侧布设了2条高密度电法测线, 对文王山地垒南侧断裂进行高密度电法探测, 并结合钻孔地层资料对断裂大致走向、上棱埋深、活动时代等进行了综合研究。
1 文王山地垒南侧断裂概况
文王山地垒南侧断裂位于长治盆地北缘文王山地垒南侧, 为长治拗陷盆地文王山凸起和屯留拗陷的分界断裂 (见图1) 。野外调查表明, 文王山地垒南侧发育早、中、晚更新世地层, 直接覆于文王山前缘。水文地质资料查明, 断层走向NEE70°~80°, 倾向SE, 倾角70°, 垂直断距230 m~400 m, 为一条隐伏的张性正断层。经野外地质调查, 该断裂错断第四纪早更新世地层, 第四纪中更新世地层未见错断, 表明该断裂为早更新世断裂。
2 高密度电法探测系统
高密度电法的物理前提是地下介质间的导电性差异[6]。野外工作时, 首先沿剖面按一定间距一次性布好多根电极, 观测时, 仪器可按照特定的装置方式接通电极, 依次测量剖面上不同位置、不同深度的视电阻率值, 从而获得一条完整的二维视电阻率剖面。根据实测的视电阻率剖面, 进行计算、处理、分析, 便可获得地层中的电阻率分布情况, 从而可以划分地层、圈闭异常等。
根据探测要求, 我们采用重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-1多功能数字直流激电仪和WDZJ-1多路电极转换器所构成的WGMD-1高密度电阻率测量系统。数据采集后, 应用RES2D软件对数据进行处理, 根据得到的反映地下不同性质介质及断裂的产状和深度的二维地电断面图进行合理的地质解释[7]。
3 探测结果处理及解释
3.1 探测方案及测线布置原则
探测过程中考虑到测量深度及仪器分辨率、场地条件等问题, 我们采用了温纳测量装置, 电极距5 m。由现有资料知, 工程场地通过的文王山地垒南侧断裂为NEE向, 因此, 我们在NW方向共布设了2条测线来控制该断层。测线布设见图1, 测线参数见表1。
3.2 探测结果分析与解释
从剖面整体上看, 电阻率值变化较大, 这主要是由于工作区涉及黄土丘陵及基岩山地, 不同的地貌单元, 场地物性介质变化较大。根据地质调查及周围钻孔揭露, 场地地表松散层由第四系中更新统及下更新统组成, 场地地层相变不大, 基底地层由古生界二叠系、石炭系及奥陶系地层组成, 二叠系、石炭系岩性以砂岩、泥岩为主, 奥陶系主要以灰岩为主。根据对比上述地层的电阻率值范围大致如下:
第四系下、中更新统粉质粘土、粘土:电阻率值在6.74Ω·m~144.0Ω·m之间变化。
二叠系、石炭系砂岩、粉砂岩、泥岩:电阻率值在48.9Ω·m~909.0Ω·m之间变化。
奥陶系灰岩:电阻率值在1 000Ω·m~9 211.0Ω·m之间变化。
下面对两个电阻率CT剖面的具体特征做一分析。
1) 剖面A—A'。
从已了解的地质情况看, 该剖面顶部为第四系松散地层, 从图2可以看出, 电阻率值在垂直方向上大致可以分为两层:
第一层电性层深度在1.5 m~30 m左右, 该层电阻率值为相对低阻值区, 该电性层的厚度变化较大, 水平方向分布不均匀, 在测线800 m左右该电性层的厚度发生较大变化。据钻孔揭露及地质调查, 该层主要是由粉质粘土及粘土层组成。由剖面可见北西部该层厚度较薄, 仅为1.5 m~7 m左右。东南部该层厚度可达30 m左右。该层的电阻率在7.38Ω·m~40Ω·m之间变化, 电阻率曲线稳定连续, 第四纪中更新世粉质粘土层未见错断迹象。
第二层电性层深度在7 m~50.5 m之间, 该层电阻率值为相对高阻值区, 电阻率值曲线呈向南倾斜的舒缓波状, 这与场地地层为基岩相对应。该物性层在高阻值的背景下, 又分为两部分, 在剖面测线0 m~800 m段, 电阻率在93.2Ω·m~842Ω·m区间变化, 阻值相对较低。在剖面测线800 m~1 050 m段, 为连续的高阻值, 该层的电阻率在1 178Ω·m~4 310Ω·m区间变化, 电阻率阻值发生突变, 显示物性介质发生突变, 且电阻率曲线由舒缓波状变为近于直立。根据电阻率值数值特征, 推测在剖面测线0 m~800 m段为石炭、二叠系的砂岩、泥岩。在剖面测线800 m~1 050 m段, 为连续的高阻值, 所对应的基岩地层为奥陶系灰岩。
推断该处异常现象的出现与断层有关, 根据已有资料显示, 文王山地垒南侧断裂由附近通过, 由此可以推测在A—A'测线800 m处电阻值异常变化是文王山地垒南侧断裂引起的, 根据电阻率曲线异常特征, 推断断层异常带宽150 m左右。
由图3 (电阻率CT地质解译图) 可见, 剖面中文王山地垒南侧断裂错断了基岩地层, 推测上盘地层为奥陶系灰岩、石炭系铝质泥岩, 由电阻率曲线呈舒缓波状的特征可以看出, 近断面处奥陶系地层拖曳现象明显, 地层倾向南, 视倾角在55°~70°之间, 推测破碎带上窄下宽, 破碎带宽度150 m左右。由于断裂的原因, 以测线800 m处为界, 测线南部的新生界松散层的厚度达30 m左右, 而测线北部新生界松散层仅为数米。
综上所述:文王山地垒南侧断裂由测线A—A'800 m处通过, 断裂上棱埋深约10 m, 该断裂未错断上覆第四系中更新统粉质粘土。
2) 剖面B—B'。
该测线是剖面A—A'的补充验证测线。从图4可以看出, 电阻率值在垂直方向上大致可以分为两层:
第一层电性层深度在1.3 m~15 m左右, 该层电阻率值为相对低阻值区, 该电性层的厚度变化较大, 水平方向分布不均匀, 在测线140 m左右该电性层的厚度发生较大变化。据地质调查, 该层主要由粉质粘土及粘土层组成。由剖面可见测线北部该层厚度较薄, 仅为1.3 m~5 m左右。测线南部该层厚度可达15 m左右。该层的电阻率在9.03Ω·m~144Ω·m之间变化, 电阻率曲线稳定连续, 结合场地地质调查 (见图4) , 第四纪中更新世粉质粘土层未见错断迹象。
第二层电性层深度在5 m~50.5 m左右, 该层电阻率值为相对高阻值区, 电阻率值曲线呈向南倾斜的舒缓波状, 这与场地地层为基岩相对应。该物性层在高阻值的背景下, 又分为两部分, 在剖面测线140 m~300 m段, 电阻率在361.0Ω·m~909Ω·m区间变化, 阻值相对较低。在剖面测线0 m~140 m段, 为连续的高阻值, 该层的电阻率在2 285Ω·m~9 000Ω·m区间变化, 电阻率值发生突变, 显示物性介质发生突变, 且电阻率曲线由舒缓波状变为近于直立。根据电阻率值数值特征, 推测在剖面测线140 m~300 m段为奥陶系灰岩破碎带。在剖面测线0 m~140 m段, 为连续的高阻值, 所对应的基岩地层为奥陶系灰岩。
测线140 m处异常值的位置与测线A—A'800 m处值异常基本在同一走向上。推断该处异常现象的出现与文王山地垒南侧断裂有关, 由此可以推测在B—B'测线140 m处阻值异常变化是文王山地垒南侧断裂引起的。
由图5 (电阻率CT地质解译图) 可见, 剖面中文王山地垒南侧断裂错断了奥陶系基岩地层, 视倾角在60°~70°之间。由于断裂的存在, 以测线140 m处为界, 测线南部的新生界松散层的厚度达15 m左右, 而测线北部新生界松散层仅为数米。
综上所述:文王山地垒南侧断裂由测线140 m处通过, 断裂上棱埋深约7 m, 该断裂未错断上覆第四系中更新统粉质粘土。
4 结语
电阻率CT剖面及地震地质调查认为, 场地上部松散地层为第四系中更新统及下更新统, 岩性以粉质粉土、粘土为主, 中更新统以粉质粘土为主, 下更新统以粘土为主。在剖面A—A'测线800 m处为电阻率异常, 剖面B—B'测线140 m处为电阻率异常, 该两处异常是由于文王山地垒南侧断裂造成, 确定该断裂走向为NEE75°, 断裂破碎带宽度约150 m, 断裂上棱埋深约7 m~10 m。断裂未错断上覆第四系中更新统粉质粘土, 为早更新世断裂。
摘要:应用高密度电法对长治盆地的文王山地垒南侧断裂进行了探测, 结合周围钻孔地层资料进行了地质解译, 并根据电阻率曲线异常特征揭示了该断裂的空间位置和相关地质参数, 说明高密度电法探测技术在隐伏断裂探测中具有广阔应用前景。
关键词:高密度电法,断裂,隐伏断裂探测
参考文献
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密度探测 篇6
随着河道清淤准确度的提高,在清淤工作中要求检测水下淤泥的密度,本设计采用光电传感器检测水下淤泥密度并将结果显示在计算机上,可以指导清淤人员准确高效地清理河道,目前国内外传统的测量淤泥方法有以下几种:钻孔取样法,使用钻机单点采集柱状淤泥样本,但钻孔取样对淤泥的扰动不能避免,浮泥和流泥样本无法采集,无法测量其密度,且其工作量大,价格昂贵,效率低;静力触探法,用专用测杆进行,通过单点测定淤泥层对测杆的比贯入阻力来计算淤泥的承载力,从而确定淤泥厚度,但无法测定淤泥的密度,也无法查明浮泥和流泥的分布[1];放射线探测法,是根据放射线的放射衰减比率来测定淤泥的密度,测定精度较高,但工作效率低,对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害,不适合在工程测量中使用;多普勒双频超声波测量法,原理是以高频测量泥水界面,再通过低频测量淤泥底层距水面距离,从而得到淤泥厚度;这种方法较之其他方法高效快速,但淤泥的密度无法测定[2]。
本探测仪采用光电法检测水下淤泥分布及密度情况,具有体积小、功耗低、安全性强、准确度较高等特点。能够分辨出不同密度的淤泥,对淤泥的扰动也小。
1 淤泥密度探测仪基本原理及构成
淤泥密度探测仪采用光电法探测淤泥密度,原理是当光路长度一定,介质对光的吸收量和它的密度成比例。据此,由光源发送一束光,经不同密度的淤泥吸收后,光电传感器接收到的光强度不一样,产生的电信号大小也就不一样,这样能够将淤泥密度转变成电信号。根据实验得到淤泥密度与电信号的关系,可以测量淤泥密度从而区分不同泥层。
淤泥密度探测仪主要由光电传感器和数据转换与传输系统构成。如图1所示,光电传感器探测淤泥的密度,数据转换与传输系统将光电传感器采集到的电信号进行转换,然后,通过RS485总线串行传输至计算机。
1.1 光电传感器
光电传感器主要由光源和硅光电池构成。硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件,对有效入射光的吸收率达到90%以上。光电池的光谱特性曲线如图2所示[3],它的光谱响应范围为400~1100nm。
由图2可知,硅光电池对波长为850nm左右的光最为敏感,因此选择波长为850nm的红外LED作为光源。光电传感器如图3所示:
红外LED发射出红外光,经不同密度的淤泥吸收后,硅光电池接收到的光强度不同,从而产生不同大小的电信号,经三极管放大后传输至单片机,进行信号处理。
2 光电传感器的标定
2.1 淤泥分层
由淤泥分层理论可知,不同淤泥层面的划分标准因不同地区泥质而异,按照一般的情况,可以大致按密度变化范围划分出4个层面[2],如表1所示。
2.2 标定
在实验室中配置出表1中四个密度范围的淤泥样本,将光电传感器放入事先配置好的泥样中,让泥样均匀分布在红外LED和硅光电池中间,测量不同密度泥样下产生的电信号大小,进行三次试验,实验结果如表2所示。
由表1、表2可以得出光电传感器产生电信号与所在泥层的对应关系,如表3所示。
根据光电传感器检测到的电信号大小,可以得出光电传感器所在泥层的密度从而分层。
3 数据转换与传输
数据转换与传输电路原理图如图4所示。
3.1 数据转换
数据转换核心器件是stc12c5410ad型单片机,程序通过在线可编程系统直接烧写到单片机,无需专用编程器,方便对程序的修改。光电传感器产生的电信号经放大后
送给单片机上,经AD转换后以数字量输出。信号采集与转换程序如下:
3.2 数据传输
水下测量深度按10m考虑,而RS485电平抗干扰性好,有效传输距离长,故选择将数字信号经RS485总线串行传输至计算机,经计算机进一步处理后显示泥层以及该泥层的密度,从而起到指导工作人员清淤的作用。
4 结束语
采用淤泥密度探测仪探测水下淤泥分布情况,指导清淤人员工作。这种方法与其他淤泥探测方法相比,具有速度快,精度高,费用省,对水下淤泥扰动小等优点,同时还可以将测量的数据保存起来,便于以后分析。
参考文献
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密度探测 篇7
关键词:不稳定斜坡,视电阻率异常,地形校正,沉积岩
0 引言
汶川8.0级大地震,震动了半个中国。地壳剧烈的运动诱发多处滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害。如某地区产生滑坡(见图1),地震使地层中软弱带或软弱面内的物质更加软化,物理力学性质降低,导致此次滑坡的发生。而且此次地震产生为数众多的不稳定斜坡。频繁的余震、降雨、河流等地表水体对斜坡坡脚长时间的冲刷、浸泡,不合理的人类工程活动,如开挖坡脚、坡体上部堆载、爆破、水库(泄)水、矿山开采等,还有如暴风、冻融等作用下,这种不稳定斜坡很容易变成类似的滑坡[1~4]。
针对此类存在极大隐患的工程地质问题勘探,仅仅靠钻探的方法是不够的,钻探设备笨重,搬运困难,加之勘探费用较高,致使钻孔数量有限,所取得的地质资料信息也相对较少。整个不稳定斜坡区用几个钻孔查明不稳定斜坡体的规模、纵横向发育及展布的情况、不稳定斜坡体的空间形态特征、滑动面的埋深等问题是很困难的。为了使不稳定斜坡工程勘察工作更加快速、经济、全面,根据不稳定斜坡体在不同位置的物性差异,许多物探方法在实际工作中得到广泛应用,高密度电法就是主要的一种方法。该方法可以获得不稳定斜坡体的纵、横向发育及展布的情况,查明不稳定斜坡体空间形态特征、滑动面埋深、可能与滑坡发育相关的断裂情况等,这有助于我们研究滑坡的发生规律,合理地制定治理不稳定斜坡的方案,达到抗灾减灾的目的[4~6]。
高密度电阻率法是工程地球物理勘探的主要方法之一。与常规电阻率法相比,在野外信息采集过程中可组合使用多种装置形式,在电性不均匀的探测中取得了良好的地质效果。一次布极可以完成纵、横向二维勘探过程,既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化,同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况,具备电剖面和电测深法两种方法的综合勘探能力。作为一种高效便捷的勘探手段,其解决了诸多实践问题,取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益[4~6]。
1 不稳定斜坡体地形、地质及地球物理特征
工区地处四川盆地与青藏高原东南缘的过渡地带,绝大部分属构造侵蚀的高山、中山地形,溪沟纵横,河流水系发育,切割强烈,岭谷高差360~390 m,强烈的内、外动力地质作用塑造了本区典型的侵蚀、构造地貌形态特征。区内“V”字型沟谷异常发育,常见悬崖和峭壁,地层岩性和地质构造复杂,褶皱强烈,断裂发育,属泥石流、滑坡等自然灾害的多发区。工区内山坡坡顶为裸露的岩质山坡,岩性主要为泥质灰岩、粉砂质页岩、灰色页岩为主,半坡多为残坡积碎块石土,山脚为崩坡积物,岩性为中密粘土夹碎块石。
工区不稳定斜坡变形主要表现为雨季局部崩塌,5.12特大地震加剧了斜坡变形,在斜坡后缘出现了一条长约200m、宽约5cm、深1~2m的裂缝,斜坡中部也出现了一条长约40m、宽约4cm、深约1 m的裂缝;由于人为开挖坡脚,造成斜坡前缘局部临空高2.5~4m,在地震中局部出现小崩塌。工区内坡度较陡,覆盖层多为粉质粘土及块碎石土崩坡积堆积体。由物探资料可知,测试区覆盖层多为第四纪堆积的崩坡积堆积体,电阻率为20~150Ω·m;基岩为泥质灰岩、粉砂质页岩、灰色页岩,电阻率为500~1500Ω·m。不稳定斜坡(第四系覆盖层)与未滑动部分(即基岩为滑坡床、滑坡体两侧及后缘不动体)的地层在电阻率值上存在明显的差异,一般相差500~1000Ω·m,说明在该区适合开展高密度电阻率法的地球物理探测。
2 高密度电阻率法装置的选择及原理
2.1 高密度电阻率法装置的选择
常用排列有α排列、β排列、γ排列方式,其均为四极排列,适用于固定电阻率断面的扫描测量。α温纳装置对水平层状局部不均匀体分辨率较高,主要用来探测水平层状电阻率异常。β偶极装置对横向等轴状不均匀体具有较高的灵敏度,主要用来探测横向等轴状电阻率异常。而γ微分装置对水平层状和横向等轴状不均匀体的分辨率都不高。
本次是对不稳定斜坡的探测,不稳定斜坡属于水平层状不均匀体,所以选α温纳装置进行探测。
2.2 装置原理及数据采集
α排列(温纳装置AMNB)装置采用对称四极装置方式,当AM=MN=NB=a时,这种对称等距排列称为温纳(winner)装置(见图2)。其ρsα表达式为:
式中:Kα为装置系数,Kα=2πa,a为电极距。
如图2所示,测量时,AM=MN=NB=a为一个电极距,A、M、N、B逐点同时向右移动,得到第一条剖面线;接着AM、MN、NB增大一个电极距,A、M、N、B逐点同时向右移动,得到另一条剖面线;随着电极距的增大,探测深度也随之增大,对地下深部介质的反映能力亦逐步增加。因为测线的测点数是固定的,所以当极距扩大时,反映不同勘探深度的测点数将依次减少。这样不断扫描下去,整条剖面的测量结果就表示成为一种倒梯形的电性分布剖面。
3 高密度电阻率法的资料处理
高密度电阻率法的数据处理是把所测得的视电阻率,经数据格式转换、数据预处理、地形校正、正演和反演计算,最后得到视电阻率成像色谱图并对其进行地质解释。
把格式转换好的视电阻率,经数据预处理消除坏点,保留数据较一致的数据点。并根据现场试验数据与其它资料对比分析,选择正演、反演计算参数。把经预处理后的数据经地形校正,绘成原始测试数据的视电阻率成像色谱图。资料处理流程如图3所示。
反演计算是由所测得的高密度电阻率法原始数据色谱图,反演计算该剖面下的地电断面,确定地下岩石的视电阻率分布。
4 不稳定斜坡勘察效果
本次工作采用高密度电阻法对不稳定斜坡进行勘探,其目的是查明该不稳定斜坡上地震震裂裂缝深度、卸荷岩体厚度、岩性变化、基岩起伏、不稳定斜坡区含水层及富水带的分布和埋深、纵横向发育及展布的情况及滑动面的埋深等,为灾后重建及治理工程设计等提供可靠的地质依据。
在大多数勘探中,由于都在较平坦地形上进行,故可以不考虑地形影响,然而在地形影响较大时,由于地下电流密度变化,导致视电阻率曲线严重畸变,有时会出现假信息,使推断解释出现误差,降低了电阻率法的解释精度,甚至导致错误的解释。因此研究地形影响及其改正方法,是提高山区高密度电法勘探地质效果的一个关键。本文使用经过边界元法对二维地形改正后的加地形高密度电阻率法反演拟断面色谱图。
4.1 A剖面
该地区属于沉积岩地区。A剖面(经过地形改正后的高密度电阻率法反演拟断面色谱图,见图4)沿顺坡向布置于不稳定体上方,地形起伏变化较小,电阻率分层较明显。在619m测点之前斜坡倾角约30°左右,619~682m测段之间倾角为5°左右,682m测点之后斜坡倾角约20°左右,剖面斜坡前陡后缓。整个覆盖层厚度变化相对较大,其中主要成分以粘土、砂石、碎石为主,厚度在0.1~20 m之间。从高密度电阻率法反演断面色谱图(见图4)可以看出,在430~570m测段电性变化较大,埋深0.1~8m左右出现大片高阻晕团,电阻率在800~1200Ω·m之间,推测为电阻率较高的泥质灰岩,灰岩之上的第四纪覆盖层较薄,主要由砂石构成,其中在558m测点对应高程约1660m测点处发现地表基岩出露;在570~591m测段电性变化较小,出现一个较大的低电阻率晕团,电阻率在130~300Ω·m之间,判断是由地表水出现渗漏造成地下水的富集形成,主要由砂石、碎石、粘土构成;在591~850 m测段电性变化较大,表层电阻率在100~200Ω·m之间,深度6~20 m以下出现水平板状高阻晕团,推测为基岩所在。基岩之上为第四纪覆盖层,主要由松散粘土夹碎石、砂石、角砾构成。
分析该不稳定斜坡岩性结构得出,由砂石构成的430~570m测段覆盖层较薄,厚度多在0.1~8m之间,基岩较浅,发展成滑坡的可能性不大。但在570~850 m测段中,表层电阻率较低,推测是由含水量较高的粘土和松散粘土夹碎石、角砾构成的松散第四纪覆盖层,厚度在6~20m之间,发展成滑坡的可能性较大,滑动面与基岩面起伏形态基本一致(如图4中所示)。并且656m测点处存在1条裂缝,深度为1m。在570~591m测段下,推测可能存在一个含水量较大的粘土、砂土、碎石组成的富水带(如图4中封闭区域)。在682m测点处可能存在1条隐藏正断层,断层面如图4中所示,此测段在以后的评价和治理中要引起重视。以上的推断经钻孔验证精确度达到90%以上。
推测570~850m段很可能发展成滑坡,其长度为280m,平均厚度在12m左右,滑坡面的宽约20 m,大致推算滑坡体土石方量约为67200 m3。
4.2 B剖面
该地区属于沉积岩地区。B剖面(经过地形改正后的高密度电阻率法反演拟断面色谱图,见图5)沿顺坡向布置于不稳定体上方,地形起伏变化较大,电阻率分层较明显。在843m测点之前斜坡倾角约10°左右,843m测点之后斜坡倾角约35°左右,整个斜坡前缓后陡。剖面覆盖层厚度变化相对较大,其中主要成分以不稳定粘土、砂石、碎石为主,厚度在0.1~22m之间。从高密度电阻率法反演断面色谱图(见图5)可以看出,在633~822m测段电性变化较小,地表电阻率较低,出现较大范围低电阻率晕团,阻值在90~200Ω·m之间,推测主要表层粘土富含低电阻率水分造成,覆盖层整体较厚,厚度在13~22m之间,主要成份为砂石、碎石、粘土;在822~857m测段电性变化较大,电阻率从1000Ω·m上升到9000Ω·m,覆盖层较薄,厚度在0.1~0.3m之间,主要由砂石构成;在857~1004 m测段电性变化较小,地表电阻率较低,出现较大范围低电阻率晕团,阻值在90~200Ω·m之间,推测主要表层粘土富含低电阻率水分造成,覆盖层整体较厚,厚度在10~16m之间,主要由松散粘土夹碎石、砂石、角砾构成。
分析该不稳定斜坡岩性结构得出,由砂石、碎石、粘土构成的633~822m测段覆盖层较厚,最厚处达到22m,而且富含水分,具备发展成滑坡的一些条件,但在822~857m测段有表层高阻基岩的阻挡,发展成滑坡的可能性较小,滑动面与基岩面起伏形态基本一致(如图5中所示)。在822~857m测段的电阻率存在较大异常,推测可能存在一个较大的溶洞(如图5中所示)。由松散粘土夹碎石、砂石、角砾构成857~1004m测段覆盖层也较厚,厚度最大处达到16m,富含水分,坡度也较陡,发展成滑坡可能性较大。滑床与基岩起伏形态基本一致(如图5中所示)。上述两处存在极大地质灾害隐患,应在以后的评价和治理中引起重视。以上的推断经钻孔验证精确度达到90%以上。
推测857~1004m段很可能发展成滑坡,其长度为147m,平均厚度在13m左右,滑坡面的宽约23 m,大致推算滑坡体土石方量约为43953 m3。
综合其它沉积岩地区不稳定斜坡勘查,发现沉积岩地区的不稳定斜坡大多与软弱夹层有关,滑动面基本由软弱夹层演变而来。该类不稳定斜坡在电阻率成层性较好的分界面处形成滑坡面。
5 结论
使用高密度电阻率法查明不稳定斜坡的规模、纵横向发育及展布的情况、不稳定斜坡的空间形态特征、滑动面的埋深等问题具有很好的效果,所得结果一目了然,颜色分明,层次清晰,所得出的不稳定斜坡体的结构形态与后来经过钻孔和地震勘探资料证实的结果基本一致,说明高密度电阻率法是探测不稳定斜坡地质体隐患的有效方法之一。通过工程实例,得出以下结论:
(1)在使用高密度电阻率法探测不稳定斜坡时,由于覆盖层和软弱层与基岩的电性相差很大,在高密度反演拟断面图中可以很明显地看到高阻晕团和低阻晕团的出现,再结合当地的地质资料和钻孔资料,可以较精准地解释不稳定斜坡的厚度和危害程度大小,较准确地找到不稳定体的滑动面位置。并根据电性的不同来探测不稳定斜坡中裂缝的大小和深度。取得了较好的地质效果。
(2)高密度电阻率法是不稳定斜坡勘探中较有效的物探方法之一,实测结果反演拟断面图,能准确反映探测目标的二维分布情况。并能较准确地反映不稳定斜坡的形态、规模、产状及滑动面的埋深。甚至可以大致推算不稳定斜坡土石方量。
(3)因为工区地形起伏比较大,地形的变化会影响到地下电流的密度,因此会引起反演断面色谱图中异常体与实际目标体的位置差异,所以必须对高密度电法数据进行地形改正,使其和真实地层相符。从本文可以看出,加地形改正后的高密度反演拟断面图效果较好。
(4)高密度电阻率法能快速采集地电断面结构的大量信息,可减少不稳定斜坡区内的钻孔和人工挖孔勘探点数量,节约资金和时间,并且受现场施工干扰因素小。是地质灾害勘查的一种有效物探技术方法,可以起到事半功倍的效果。
(5)在实地探测的时候,因为高密度电法探测时电极多,必须要做电极接地检测,对提示的接地不良电极要插实,必要时可给电极周围加水,以使之接地良好。
(6)为了更准确地对不稳定斜坡进行探测,得到更准确的物探数据,建议采用多种工程物探方法。在实际工作中应结合当地的地球物理条件,具体情况具体分析,先做实验,选取最适合工区地球物理条件的物探方法及装置,从而取得最佳的工程物探效果。
参考文献
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密度探测 篇8
近年来,随着我国高速公路事业飞速发展,对高速公路设计、勘查、施工等环节的要求也越来越高,尤其是对南方复杂地质条件下的地区更是如此。为了确保高速公路软基的顺利施工以及运营后的安全与正常使用,在施工阶段的补充勘查过程中查明途径的软土空间分布范围及厚度就显得尤为重要。对于软土厚度的探测,最为准确的方法应是钎探和槽探,但是钎探和槽探只能控制一个点,对线、面、体情况却无法准确探测控制软土厚度变化及空间分布情况。于是人们自然会想到物探方法的优势——线、面、体的控制,也会自然而然想到适合探测低阻目标体、探测效率较高的高密度电法。有不少物探工作者开展了关于高密度电法在岩溶探测、找水等方面的理论研究和应用研究:2010年、2012年杨天春[2,3]等人对高速公路岩溶探测做了应用分析,并结合土工试验参数对其地基评价;2011年王喜迁[4]以某一段穿越岩溶发育区的高速公路为例,对高密度电法在其第四系土洞、岩溶、断裂发育等灾害地质体进行了探测工作,取得了较好的应用效果;2012年邓帅奇[5]从三电位电极系基本理论出发,对高密度电阻率法常用温纳、偶极及微分装置的分辨率、信号强度等进行了比较研究;2010年殷勇[6]、2011年付小明[7]等人基于res2dmod软件开展了温纳、偶极装置的正演模拟分析,总结了部分具体地电模型的部分装置特征;2012年李金玺[8]等人基于两异性点电流源电流密度的理论,探讨了温纳α装置和温纳β装置的横向和纵向分辨率问题;另外,在数据处理方面,2010年周竹生[9]等人还参照图像去噪法对高密度电法数据进行了去噪分析;在反演方面,近年来Xu Hailang[10]、程勃[11]、张凌云[12]等人基于人工神经网络、遗传算法等开展新型反演方法尝试,并取得了一定的效果。但在软基(软土)厚度探测方面,除了2003年肖玉辉、朱自强、鲁光银等人[12]就基于高密度电法开展相应的探测工作外,至今为止未发现相关的研究成果发表,也未对高密度电法探测软土的装置类型该怎么选择、视深度校正、正演模拟等方面开展更深入的理论和应用研究。本文基于这一现状,开展了高密度电法装置特性理论定性分析、软土探测的视深度校正方法与正演模拟分析的探索工作,为今后高密度电法软土探测奠定坚实的理论基础并提供应用经验分享。
1 方法原理
高密度电法是一种特殊的直流电法,其探测原理与普通直流电法相同,只是其具体的探测方法有所改进,其探测效率和采集的数据质量有较大提高。高密度电法最大特殊点是它属于一种阵列式、程控自动切换测量电极(M、N)和供电电极(A、B)的观测系统。一般情况下,供电电极A为正极,供电电极B为负极,测量电极M靠近A极一侧、测量电极N靠近B极一侧。探测时,仪器直接测量参数为M和N之间的电位差,一般以伏(V)为量纲,并已知直流供电电源箱供电电流大小,一般也以毫安(mA)为量纲。故相当于我们已知A、B供电电极组成的回路的电流大小和测量电极M、N直接的电位差大小(UMN)。根据物理学中长条形物体电阻的定义,可推导出M、N电极之间视电阻率的计算公式:
式中:K是装置系数,无量纲。通用的装置系数公式如下:
一般情况,假设供电电极M、N的中点为O,并记O点为地表测线测点的记录点。关于视深度hs的计算问题,一般是基于半空间均匀介质模型或半空间层状介质模型理论推导的经验公式(3)。
但众所周知,实际探测情况并非理想介质模型情况,式(3)不能直接采用,尤其是像探测软土厚度及空间分布情况这样需要很高精度时更不能直接引用该公式。马来西亚M. H. Loke[13]的res2dinv处理软件是在每数据层设置深度上阻尼系数和模型层厚度参数来控制视深度的,从抑制平滑度最小平方反演计算上这两个参数设置都很符合计算方法和直流电法探测原理的需要,但是这两个参数具体取多少为最佳,跟使用式(3)一样也很难把握。为了更好地解释高密度电法精确探测软土厚度等问题,采用钎探或槽探与高密度电法结合起来的思路,提出标点视深度校正方法。假设视深度修正系数为HAO,于是新的修正计算视深度公式见式(4)。
具体实现方法:基于式(3)的Surfer软件或res2dinv处理软件绘制初步的视电阻率等值线剖面图,确定2~3个关键异常点,然后在关键异常点处钎探或槽探精确测量软土厚度真值hr,再把hr代入式(4)就算出HAO值了。
高密度电法常用的装置类型有温纳α装置(Wenner Alpha)、温纳β装置(Wenner Beta)、温纳γ装置(Wenner Gamma)、二极装置(Pole-Pole)、偶极装置(Dipole-Dipole)、三极装置(Pole-Dipole)、施龙贝格装置(Wenner Schlumberger),这几种常用装置设置示意图及装置系数见图1。装置类型的不同主要与供电电极和测量电极的排列顺序、电极相互之间的间距大小、隔离系数等有关,故基于特定探测目的与任务也可自行定义特殊的装置类型。温纳装置特点是相邻两电极的间距是相等的,根据供电和测量电极的排列顺序的不同又细分为α、β、γ三种形式,纵向分辨率高于水平分辨率,适合探测层状分布的目标体。二极装置顾名思义就是只有两个电极(A、M),另外B极和N极置于“无穷远处”,故称其为无穷远极,实际布置电极时其无穷远极B、N应布置在AM的20倍远以上,测深能力很强,水平覆盖范围很大,但是测量电极M与N距离较大,会接受到较大的大地噪声,分辨率较低,但在崎岖难行的测区也可以采用小AM间距的测深较深的该装置。偶极装置特点是供电电极和测量电极各在一侧,水平分辨率比较高,而且该装置电流与电位回路之间的电磁耦合很小,经常用来做激发极化方法。三极装置顾名思义就是只有三个电极,另外一个供电电极B置于“无穷远处”,故也称无穷远极。其采集数据质量稍高于二极装置,纵向分辨率高于偶极装置,主要用于测深装置,值得注意的是在做剖面装置探测时,左三极和右三极都应测量,便于交叉修正提高其解释精度。实际现场布置电极时,B极应布置于垂直测线方向5倍测线长度之外。施龙贝格装置是一种基于温纳装置和偶极装置的复合装置,故也称复合对称四极装置,其水平分辨率和纵向分辨率均较好,同时一定程度上吸收了温纳装置和偶极装置的优点,当不能进行专业的正演模拟分析或不具备专业的能力选择最佳的装置时,可以折中地选择该装置。
高密度电法在近年来能受地质勘查工作人员的青睐,是因为它在电法勘探方法中具有较多独特优势:(1)电极布设是一次完成的,这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰,而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础;(2)能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量,因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息;(3)野外数据采集实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快(大约每一测点需2~5s),而且避免了由于手工操作所出现的错误;(4)可以对资料进行预处理并实时显示剖面或曲线形态,脱机处理后还可以自动绘制和打印各种成果图件;(5)与传统电阻率法相比,成本低,效率高,信息丰富,解释方便,勘探能力显著提高。
软土土层具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高、抗剪强度低、触变性等特点。南方地区软土主要可概括为河流沉积相与山地冲积沉积相两类。河流沉积相软土组成和构造特点:组成颗粒细微、均匀,富含有机质。其组成主要为填筑土、种植土、低液限粘土、有机质低液限粉土、粘土质砂或卵石夹土等。山地冲积沉积相软土主要分布在冲沟、谷地、河流阶地,其特点:由当地的页岩风化产物和地表有机物质经水流搬运,沉积于原始地形的低洼处,长期饱水软化,间有微生物作用形成。其成分主要为种植土、亚粘土、软土、碎石土和页岩等。这两类软土与上覆土或下伏岩土层电性差异较大,满足高密度电法探测地球物理条件。经物探标本测试得到南方软土主要地球物理参数范围值(见表1)。
2 正演模拟分析
正演模拟计算不仅是地球物理勘探理论研究工作的重要组成部分,同时也是实际应用工作中的重要组成部分。高密度电法正演模拟工作不仅能帮助人们合理选择探测装置的类型,还能在反演计算中指导人员合理设置相关参数,使反演的视深度和异常体形态及位置更接近实际情况。本文基于res2dmod软件[13]对高速公路补充勘查中软土厚度探测地电模型进行了正演模拟。通过前述各种装置特性理论分析可知,温纳装置和施龙贝格装置是适合层状目标体探测的。而且以前我们探测软土厚度普遍是使用温纳装置的,这样选择温纳装置或其它装置探测软土厚度到底是最适合还是不适合?这些均需要合理设置软土厚度探测正演地电模型,并通过正演模拟结果来验证。
假设模拟模型参数设置如下:第一层为淤泥质水田中的软土层,厚度为5m,电阻率为25Ω·m;第二层为红粘土层,厚度为13m,电阻率200Ω·m,第三层为下覆完整性较好的灰岩层,厚度不计,电阻率为1500Ω·m。正演模拟时,分两种情况,一为理想水平分层界面,二为小起伏型地层。其地电模型示意图见图2。
图3为理想等厚度水平软土层正演模拟结果,温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、施龙贝格装置并不能看出正演模拟效果的明显差异,只是探测最大深度不一样,温纳γ装置探测深度最大,温纳α装置探测深度第二,温纳β装置探测深度次之,施龙贝格装置探测深度最小。但是值得注意的是实际情况软土层厚度并非等厚的,而是起伏变化的,于是设置了图2(b)不等厚的软土厚度模型,正演模拟结果见图4。值得一提的是,图4的正演模拟只是改变软土层厚度(起伏变化),其它所有参数设置与图3相同。由图4可知:四种装置均能反映软土厚度变化趋势,但是最能明显、准确反映软土厚度变化情况的是施龙贝格装置。综上分析,软土厚度探测最佳装置应该是施龙贝格装置,而并非是温纳装置或其它装置。
3 应用实例
应用实例以2008年12月在夏蓉高速公路汝城至郴州段第15合同段软土地基不良地质探测资料为例。该段路线范围内局部存在一些农田或池塘,为了确保高速公路软基的顺利施工以及运营后的安全与正常使用,需要确定软土层的厚度和分布范围。
3.1 第四系全新统土层特征
夏蓉高速公路汝城(湘赣界)至郴州段第15标段的软土主要为如下几种土体:
(1)种植土:灰褐色、黑褐色、灰黄色,水田中为饱和流塑状,含少量有机质,旱地为松散状;主要为稻田、旱地表土,一般厚度约0.60~1.00m左右。
(2)粘土:褐黄色,硬塑,局部含少量石英砂岩质卵石,厚0.50~22.60m。少量冲沟内粘土呈软塑状态,图5为该标段该类土现场照片。
(3)卵石:灰黄色、青灰色,粒径2~6cm,主要成分为石英砂岩,分布于丘陵冲沟内,局部混块石。主要分布于K74+100~K74+720段,厚4.60~6.80m。
(4)碎石:灰黄色,中密,粒径2~5cm,次棱角状。为砂岩风化残积而成。
该路基段表层由耕植土、淤泥质土、粘土及红粘土组成。
3.2 探测成果分析
夏蓉高速公路汝城(湘赣界)至郴州段第15标段软基段较多,大约有2000m,本文以K71+740~520m水田段探测为例。探测时间为冬季,水田软土表层含水量是一年中最少的时候,见图5。测线布置:平行路中线布置了左、中、右3条测线,其编号分别为1-1′(中线偏左10m)、2-2′(中线)、3-3′(中线偏右10m),起点均是大桩号一端(K71+740),终点均是小桩号一端(K71+520)。探测装置为施龙贝格装置,由前面表1及该标段土工试验可确定,该段软土视电阻率值在50~60Ω·m范围内。
1-1′测线:视电阻率断面如图6所示,电阻率具有较明显的分层差异,上部表现为低阻层,下部总体为高阻层。整条测线为水田,由图6可知,采用传统res2dinv反演计算的软土厚度小于基于钎探或槽探校正法计算厚度。另外经钎探或槽探验证,本文提出的基于钎探或槽探校正法计算视深度更准确。最后综合推断软土层平均厚度为5~6m,详细软土厚度分布情况见图6标注部分。
2-2′测线:视电阻率断面如图7所示,电阻率具有较明显的分层差异,上部表现为低阻层,下部总体为高阻层。整条测线为水田,根据图7(b)推断软土层平均厚度为5~6m,详细软土厚度分布情况见图7标注部分。同理,钎探结果也验证了本文提出的基于钎探或槽探校正法计算视深度更准确。
3-3′视电阻率断面如图8所示:电阻率具有较明显的分层差异,上部表现为低阻层,下部总体为高阻层。整条测线为水田。根据图8(b)推断,0~120m范围内软土层平均厚度为5~6m,210~230m范围内软土层平均厚度为3~4m,详细软土厚度分布情况见图8标注部分。同理,钎探结果也验证了本文提出的基于钎探或槽探校正法计算视深度更准确。
综上3条测线的两种数据处理方法分析结果可知,采用传统res2dinv反演处理视深度偏小,本文提出的结合钎探或槽探视深度校正法处理视深度较接近真实软土厚度。
4 结论
(1)理论上定性分析了高密度电法常用装置的特性,初步定性确定了温纳装置和施龙贝格装置适合层状介质目标体探测任务。
(2)根据软土层厚度及空间分布探测精度需要,基于钎探法或槽探法、传统视深度计算公式及Surfer软件绘图,提出了标点视深度校正方法。并经实例验证,该方法优于传统的res2dinv反演处理软件处理效果,该方法计算出来的视深度更接近真实深度。
(3)在定性了解高密度电法常用装置的特性基础上,基于res2dmod软件正演模拟了温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、施龙贝格装置的软土层地电模型。正演模拟结果说明了施龙贝格装置是最适合实际软土厚度及空间分布探测的装置类型。
(4)应纠正以前物探工作者软土探测偏好使用温纳装置的错误认识,软土探测也应走钎探或槽探与物探相结合的综合勘查道路。
密度探测 篇9
地球物理探测方法在煤矿采空区探测中的应用已相当广泛和成功[1]。目前采空区探测的物理方法主要有:高密度电法、瞬变电磁、探地雷达、井中物探技术和三维地震勘探等方法,不同的物理方法各有不同优势及不足。
高密度电法利用采空区与围岩的电性差异,能够探测出采空区的位置、规模、深度及充填属性[2,3]。其探测效果也得到了国内外物探工作者的一致肯定,在国内外文献中记载的成功探测案例颇多[4,5,6]。本文运用高密度电法在灵新煤矿内老窑采空区及浅部小煤窑巷道进行探测,该成果经钻探工程验证取得了良好的效果。
1浅部采空区工程及电阻率特征
1.1浅部煤层采空区工程特征
浅部小煤窑大多位于矿区的浅部边缘地带,开采系统简单,不正规,无完整的地质及开采资料,开采具有较大的随意性。小煤窑一般为手工作业,开采范围小,开采深度浅深度一般在40m,最深不超过80m,平面延伸不超过400m。对小煤窑而言,采掘技术落后, 开采年代久远。一般以巷道采掘为主,向两边开挖支巷道。一般分布无规律或呈网格状。巷道的高一般不超过3m,大多临时支护。采挖过程中为确保安全留有大量煤柱及煤墙,对较厚的煤层只开采一分部,有的沿顶板采挖上部煤层,有的沿底板采挖下部煤层。大多不进行放顶任其自然坍塌,回采率很低[7,8]。
通常可将采空区的变形破坏在垂直方向上分为 “三带”[9](见图1)煤层开采后上部岩层出现塌落形成冒落带;冒落带上方的岩层应岩层弯曲变形作用, 岩层整体受到破坏而产生大量裂隙,从而形成裂隙带;裂隙带以上直至地表,在自重应力下产生弯曲变形,形成弯曲带。
小煤窑在开采过程中,虽留下许多残留煤柱及支护系统来支持上覆岩体,但残留煤柱(煤墙)强度差, 难以长期保持稳定性。开采后所形成的采空区大多不采取任何措施而任其自然垮落。由于残留煤柱大小不一,采空区范围小且分布不规律,导致上部岩层破坏规律性差,开采后的采空区充填或垮落的岩石压实程度差。由于开采深度较浅,有各种原因导致的残留煤柱破坏和采空区的塌陷,通常会造成地表塌陷、采空区积水、矿山开采等危害,对煤矿安全生产构成很大威胁。
1.2浅部小煤窑采空区电阻率特征
地下煤层被开采后,地球物理特征明显,与周边未采空区的岩体存在明显的物性差异。煤层顶板及上覆地层自然塌陷充填采空区,致使上覆地层松散,使地下岩层间形成一定的空间。使得地层的导电性明显变化,使其视电阻率低于周围围岩的视电阻率,煤层的电性特征连续性发生变化,当采空的区域被大量的水及泥质充填后,该区的电阻率将明显低于周围完整岩石的电阻率,充水采空区一般表现为低阻异常区。 若采空区范围过小,周围裂隙发育充水,就会产生低阻屏蔽,形成低阻异常区。这些特性成为了高密度电法探测采空区提供了良好的地球物理前提。
2高密度电法工作原理
2.1基本原理
高密度电阻率法集中了电剖面法和电测深法,其原理与普通电阻率法相同,所不同的是在观测中设置了高密度的观测点,是一种阵列勘探方法。通过高密度电法测量系统中的软件,控制着同一条电缆上布置的多个电极,使其自动组成多个垂向测深点和多个不同深度的探测剖面,根据控制系统中选择的探测装置类型,对电极进行相应的组合,按照探测点的位置的排列顺序或探测剖面的深度顺序,逐点或逐层探测, 实现供电和探测电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储。通过数据传输软件把探测系统中存储的数据调入计算机中, 经计算机对数据的处理后,可自动生成各测点深度曲线及各条剖面或整体剖面的图像。
野外测量时将全部电极(几十至上百根)置于剖面上,利用电极转换器和主机便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集,图2、 图3为高密度电阻率法工作原理图。
(1)采用温纳(WN)装置,电极总数120(根据情况可调),隔离系数n(min)=1;n(max)=16(根据情况可调)。它的电极排列规律是:A,M,N,B(其中A,B是供电电极,M,N是测量电极),随着极距系数n由n (MIN)逐渐增大到n(MAX),4个电极之间的间距也均匀拉开,测量断面为倒梯形。电极排列如图2所示。
(2)单边三极连续滚动式测量(S3P)装置,电极总数120(根据情况可调),隔离系数n(min)=1;n(max) =20(根据情况可调)。它的电极排列规律是:N,M,A, (其中A,B是供电电极,B置于无穷远,M,N是测量电极),N,M不动,A逐点向右移动,得到一条滚动线:接着N,M,A同时向右移动一个电极,M,N不动, A逐点向右移动,得到一条滚动线:这样不断滚动测量下去,得到矩形断面。电极排列如图3所示。
2.2探测影响因素的分析
野外数据采集的质量是室内数据处理的基础,对于高密度电法来说,数据采集对装置选择的是否合适,直接关系到是否能测试出探测目的所反映的电性差异,从而影响对目的体的解释。通常探测装置的选择取决于场地的选择、地形状况及地下地质体的实际条件等诸多因素,必须结合现场的实际情况进行综合考虑,并合理有效地利用各类探测要素[10]。
2.2.1地形条件的影响
地形的高低起伏对高密度电法勘探会带来一定的影响,因此现场测试场地应尽量避免地形的起伏, 同时考虑到不同装置对地形影响的程度。地形干扰的实例,如某煤矿区进行的高密度电法勘探测试,由于现场测试条件的限制,试验段的地形场地条件多为地面堆积的大量建筑垃圾及正在使用的建筑物、水泥地面、地砖及柏油路面等对电极供电困难及电极接地电阻较大等影响。解决的措施:对电极电位上建筑垃圾进行人工清理,并使用电钻钻穿地基、水泥地面、地砖及柏油路面等,并浇灌盐水使电极与下部土壤层良好接触。确保检查接地电阻达到2K以下,才开始进行测量。采用温纳装置以不同电极距进行测试,测试结果如图4、图5所示,其中图4以5m电极点距测试的结果,图5为10m电极点距测试的结果。
如图4所示,在试验段水平位置17号钻孔-905号钻孔间为沥青路面、建筑垃圾及地砖路面阶地。在剖面上整体表现为部分电极接地电阻过大使剖面浅层形成高阻层,深部数据出现假象。图5所示为10m电极距进行的测试结果,地形阶地及外界条件干扰已明显减弱。试验表明小电极距对地形及外界条件的干扰反应更为明显,对数据造成的影响更大。
2.2.2测试场地条件的影响
高密度电阻率法的最大探测深度可达测线长度的1/3。通常场地条件允许,一般常使用四极装置,因为该装置能获得最大的测量电位,可以减少供电电压,并有利于压制干扰,增强信号。如场地较小可采用采集装置。
2.2.3探测技术要求及精度的影响
探测目标体的大小、深度及分辨能力会对探测技术提出具体的要求,由于不同的装置具有不同的灵敏度,这也会成为测试装置选择的一个重要因素[11]。实际工作中,通常选择a和b两种装置进行数据采集, 目的是通过不同的方法进行综合判别和解释,提高探测精度。
在实际探测进行测试装置选择时,必须充分考虑地下地质体的垂向和横向的变化,探测深度、数据体覆盖程度及信号的可靠性等。根据历史数据和经验资料,温纳装置对垂向分辨率比水平方向变化反应更灵敏,抗干扰能力强且工作效率高,但其数据量有限。通常该装置解决垂向变化(如水平层状构造) 问题比较有利,而对水平方向(如狭窄垂向结构)相对较差。温纳—施伦贝尔是常用的一种方法,它对地质体垂向及横向有着适当的灵敏度,且数据覆盖程度好。
3灵新煤矿老窑采空区探测
探测区位于灵新煤矿东南部,探测区内为原磁窑堡煤矿开采后遗留老窑采空区,主要开采上含煤组二、六煤层。开采方式一般是沿煤层露头下掘斜井。极少数解放前后开采的小窑(如48,58号小窑)则为小型竖井。由于受开采技术限制,开采深度一般40m左右,最大深度亦不超过80m,沿走向长度最大达百米左右。结合调查情况可知,此处为原磁窑堡煤矿老窑采空区。按设计要求在该范围内布置高密度电法测线31条,测试结果结合钻孔及测井资料,探测区上覆第四系岩性为疏松不含水或弱含水的沙土、黄沙土、砾石及基岩风化层。据钻孔揭露,除上部的风成沙层外, 中部为黄色沙土,底部为砂砾石及卵石层,其视电阻率为61~133Ω·m。下伏侏罗系泥岩、砂岩,其视电阻率一般为8~120Ω·m。煤层采空后在其未充水时,其视电阻率明显高于围岩和煤的视电阻率,在本区应大于190Ω·m,通常表现为高阻异常区。煤层采空后,煤层顶板及上覆地层自然塌陷充填采空区,致使上覆地层松散,使得地层的导电性明显变化,使其视电阻率低于周围围岩的视电阻率,煤层的电性特征连续性发生变化,充水采空区一般表现为低阻异常区,本区表现为在煤层上的视电阻率值小于30Ω·m。
采空区在未充水时,通常表现为高阻异常区,当其充水时,它的电阻率会急剧下降,低于其围岩,表现为低阻异常区。通过对温纳装置和单边三极连续滚动测量装置的成果图对比,可以判断出采空区的范围。 通过图6可以看出,在剖面范围内大部分可见二煤, 而剖面显示(D11线)的二煤视电阻率既有 ρS≥30Ω· m也有 ρS<30Ω·m,故推断 ρS≥30Ω·m区域为未采空区,ρS<30Ω·m区域为采空区,图中用椭圆形圆圈标示。采空区上方的浅层低阻区域推断为采空区影响造成。
通过图7可以看出,探测剖面显示(D17线)的二煤视电阻率既有 ρS≥30Ω·m也有 ρS<30Ω·m,故推断 ρS≥30Ω·m区域为未采空区,ρS<30Ω·m区域为采空区,图中用椭圆形圆圈标示。采空区上方的浅层低阻区域推断为采空区影响造成。其他低阻区域推断为潜水面。
在平面图件的解释中,以 ρS=30Ω·m为阈值划分采空区与未采空区,结合剖面图解释成果,将采空区进行合理连接形成最终的解释成果。如图8所示,为二煤层视电阻率等值线平面图,以视电阻率 ρS=30Ω· m为“阈值”划分采空区与未采空区,共获得了7个二煤层采空区区域 (见图9),分别编号为CK1,CK2, CK3,CK4,CK5,CK6,CK7。 依据所解释的成果,在CK7采空区南侧边界布置验证钻孔,钻探结果显示 (见图10),钻孔中115.60~127.45m处煤层未被开采, 煤岩芯较完整,呈短柱状;同时在09勘探线布设ZK0911验证钻孔,钻探结果揭露显示,在94m处出现掉钻现象,且在煤层顶板处出现明显漏水现象。据测井资料解释该孔二煤层大部分被采空。这些迹象都表明此处为老窑采空区,钻探结果与高密度电法探测结果相吻合。
4结语
在采用高密度电法对采空区进行探测时,应尽量避免地形场地条件变化较大的区域,对于干燥黄沙区域采取挖坑至湿沙层并浇灌盐水,然后插接电极,确保检查接地电阻达到2K以下。尽量选择在平坦处布设测线,如无法避开建筑物时,应用电钻钻穿墙体,并用大锤扩大至测线能够穿过的尺寸,使测线能够正常布设。若必须在地形起伏较大地段进行高密度电法测试时,建议在满足测试精度的条件下,选用较大的电极距。