物探技术在多年冻土探测中的作用研究

2014-04-04李万钦

河南科技 2014年4期

关键词：冻土层多年冻土电法

李万钦

（平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，河南平顶山 467099）

物探技术在多年冻土探测中的作用研究

李万钦

（平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，河南平顶山 467099）

本文在对高原地区多年冻土层地质特性进行分析的基础上，对多年冻土勘探过程中所采用的几种典型物探技术功能及应用范围进行了详细论述。同时，从实际的冻土勘探工程应用出发，分析了不同类型物探技术在多年冻土层探测的实际应用效果，为冻土探测技术的应用提供参考。

物探技术；多年冻土；高密度电法；地质雷达法

我国国土面积中有20%以上的多年冻土分布，主要集中于小兴安岭地区以及青藏高原的高原地区。这些冻土区域的分布给基础建设带来了诸多不利，例如给冻土区域的建筑工程以及铁路工程结构造成不稳定影响。加之多年冻土长期受土壤、雨水、坡度、植被以及岩土性质等多种因素的影响，采用单一的钻孔、地面调查以及坑探等方式不能对冻土的具体分布情况以及形态作出准确分析。需要根据多年冻土的地球物理特性，采用综合物探手段，才能对多年冻土的整体特性进行精确分析。

1 高原地区多年冻土地质特性

与低海拔地区相比，高原地区的地质勘探工作中经常会遇到冻土工程问题。因为多年冻土区域具有热稳定性较差、地下冰层较厚、冻土中含冰量大、对水热与气温变化极为敏感等特点，导致冻土沿线的工程结构容易出现地基胀缩、融沉等问题，同时还伴随着冰锥、热融滑塌、热融湖塘、冻土沼泽等不良冻土现象的出现，在工程建设过程中一旦处理不当将会造成地基开裂、不均匀沉降、地层断裂等问题，给工程结构造成极为严重的安全隐患。因此，在大型工程建设之前，需要对多年冻土区域进行高准确度的地质勘探。

以青藏高原多年冻土区为例，冻土区域的地层类型以及冻土区域分布规律十分复杂，在给冻土区域研究带来障碍的同时，也给工程建设形成了阻碍。沿线的岩土类型复杂，包括坚硬岩和软弱岩类、粗粒土、细粒松散土等。其中的第四系沉积类型包括了残积物、坡积物、洪积物和风积物、冰水沉积物等。

考虑到高原多年冻土地区勘察工作的特殊性，要求物探工作在克服地层情况多变、冻土类型多样和对冻土变化情况认识不足等原因，必须选择合适的物探技术，以克服勘探过程中的问题，查清冻土分布特征、分布上限以及冻土中冰层的相对含量等，解决工程中存在的滑坡、岩溶、沙漠等不良地质勘测难题。

2 几种典型的物探技术

当前，地质勘探中所采用的地球物理勘探方法主要包括六种：重力勘探、电法勘探、磁法勘探、地震勘探、地温勘探、放射性勘探。在实际的勘探过程中可以根据物探技术的类型采取合适的勘探方法。从物探探测应用范围来看，可以归类成为以下三种类型。

2.1 浅层探测技术

探地雷达是工程物探的一项新技术，具有作业效率高、连续、无损以及精度高的特点。在施工过程中，采用一体化设备、天线和相配套的软件组成，按照电磁波在传播介质中对应的传播特性，采用宽频带短脉冲的方式向介质中发射高频电磁波，当电磁波遇到不均匀的介质时，将会反射回部分电磁波，通过利用雷达主机接收得到对应的反射信号，并处理之后进行解译，最终达到识别冻土层中目标物的目的。

而浅层地震技术则是采用发射由人工激发弹性波，并将之在岩层中传播的方式，按照激发波在岩层中的传播特性、返回数据等分析得到冻土层结构、性质等信息。

高频电磁成像技术，通过采用X射线理论，将冻土地层中的物理特性使用地震波数据反演的方式进行探测，通过数据信息反演的方式得到对应的图像。

2.2 中深层探测技术

该技术是在上世纪八十年代兴起的一种采用主动场源频率域作为电磁物探勘测依据的技术，又被称为高密度电法。该技术具有勘探深度较大的特点，能够达到2km以上，而且通过频率调整之后达到不同的需要探测的深度，具有深度测量以及剖面分析的两项功能，尤其是对冻土层深层部位的地质构造以及深层矿藏资源的探寻有重要作用。在探测作业过程中只需要移动接收设备就可以进行冻土区域面积的探测工作，且工作效率高、成本较低。

2.3 深层冻土层高精度测量技术

大地电磁探测技术是深层冻土层高精度测量技术的典型代表，其测量过程中将地球交变电磁场当作场源，能够探测至地幔，且探测深度不受地层高阻层的屏蔽影响，对高导土层介质具有较强的分辨能力。而且其工作成本相对较低，野外装备成本较为轻便，在高原油气勘探、地热调查以及岩层深部结构分析等有重要应用，但是较少用于冻土地层的分析。

3 物探技术在冻土探测中的应用

从物探方法的具体应用优势来看，浅层探测技术在多年冻土探测中具有较强的优势，尤其以地质雷达、高密度电法等方法为主，这些方法在高原冻土勘探中具有较好的效果。但是，在实际的实施过程中，由于地质结构表层电阻对电磁波产生衰减作用，而且冻土层中的大颗粒会对电磁波造成散射、绕射等损失，使得电极的接地效果不佳，从而使得弹性波的衰减十分明显。上述方法在不同的地质条件下的应用效果并不相同。

3.1 地质雷达与高密度电法探测方法比较

以某建设与冻土层的建筑结构杆区域为例，该杆塔的位置所在地层为：0—1.0m的粉状粘土；1.0-6.0m处为全风化状的泥质岩土，而下层则全部为强风化泥岩。当采用高密度电法对该冻土地层进行反演之后，从探测结果来看，2-3.58m间的地层电阻率较低(300Ω/M)，且层间连续性较好，考虑是该范围内的地层是季节融化层。3.5-7.0m之间地层的电阻率则明显增加，是典型的冻土层。当深度超出7.0m之后，土层电阻率开始下降，这表明在2.0-7.0m之间的深度范围内地层冻土含冰量开始持续增加。

而在采用地质雷达进行探测时，结果表明地层深度为1.9-2.2m之间的地层出现了较为显著的高反射层，可以认为这一层是季节融化层与冻土层之间的界限。但是因为所采用设备的天线分辨率较低，因此使得该地层区域的冰含量区域不够明显，不能对小颗粒冰粒进行分辨，而只有出现了厚层地下冰时才会有明显反应。

从上述两中探测结果来看，在冻土与季节融化层界限的探测来看，两者所得到的结果类似，都较为理想。但是，当对冻土层的含冰量进行评价时，高密度电法探测所获得的地层信息往往会更加准确、丰富。

当采用地质雷达进行冻土层探测时，其精度主要与设备的收发天线频率相关，当频率越高时，所获得的信号分辨率更高，所得到的探测结果也更高。而且高频率的天线对多年冻土层与季节融化层之间的过渡层的探测结果更加精细，但是当其频率越高时，其在冻土层中的衰减周期也越短，电磁波的传播深度将降低。当采用高密度电法来提高探测的分辨率时，可以采用减小极距的方式来提高分辨率，但是当该值减小至对应水平之后，其分辨率变化并不明显，反而会对探测结果负面影响的增加。在具体的探测与实施过程中可以通过现场测试、实验的方式予以确定。

3.2 不同物探方法在冻土层覆盖层结构的应用效果

对于有覆盖层的多年冻土层而言，其上覆盖层通常是石膏岩、且其表层有一层粉质粘土。通过采用高密度电法探测方法来看，该图的断面图能够更直观的反映出石膏岩的埋深状况，加之在杆塔的中心桩处存在一个垂直的低阻区域，该区域可能会对冻土层的石膏岩覆盖层溶蚀。通过实际的勘探来看，该冻土层确实是溶蚀而引发的滑动。

当采用瞬态面波方法进行勘探时，因为地表的碎石土层会使得检波设备的对地插入状况不佳，而且成像分辨率较差，导致其在冻土勘探过程中获得的勘探效果并不明显。但是，该种方法在在沙漠覆盖层处能够获得良好的检测效果。