基于电阻率法的沿海地区浅表富气土层含气特征探测试验分析

2021-06-21陈雨郭立全张平松欧元超付明

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年3期

陈雨，郭立全，张平松，欧元超，付明

(1.安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南 232001；2.清华大学合肥公共安全研究院，安徽合肥 230000)

0 引言

在我国东南沿海及长江三角洲地区浅部软土层中赋存大量生物质气体，因其分布无规律，往往给地下工程建设带来严重的影响[1-4]。因此，需对富气土层分布规律、含气特征等进行准确探测。浅层气探测技术发展至今，方法较多，部分技术方法较为成熟，如测井、录井、静力触探、地震波等地球物理探测技术等，并在国内外得到广泛应用[5-10]。

上述诸多探测识别方法各具优越性，但也存在一定不足。其中，测井、录井和静力触探等技术基于钻井进行探测研究，可切实掌握第一手资料，数据可靠性强，能较为精准地对浅层气进行探测识别，但此类方法受空间约束大，成本较高，易发生井喷等工程危害，不适于大面积或高密度探查工作，适于对浅层气分布特征的验证工作[11-12]。地震类探查方法目前已较为成熟，包括地震波反射法，纵波速度法等，已在沿海平原及海域等多种浅层气探查识别工程中应用[13]，取得了良好的效果。但地震类探查技术的不足之处在于受一定地理环境、地质构造条件束缚，恶劣的地理环境影响地震探查系统合理布置，进而影响探测效果[14-15]，此类方法适于对浅层气分布特征的初步勘探，精准探查需结合测井、录井技术进行综合分析计算。采用电性特征对浅层气进行识别研究，周锡堂等[16]、孟庆国等[17]、E.C.Willoughby等[18]已经做了一定的研究工作且试验效果较为理想，但电性特征识别研究多是基于数值模拟及室内试验开展的，实际应用研究较为缺乏。除此之外，探测研究工作还需紧密结合浅层气的地质背景、运移方式、赋存条件来综合判断其分布特征。

本文根据上述研究现状及存在的问题，以电性特征为基础进行数值模拟，并结合现场探测试验对浅部土层中的富气区域地电场响应特征进行验证，研究富气土层地电性识别特征，为工程安全建设提供保障。

1 地质地球物理探查模拟

1.1 地质地球物理基础

探查试验区为杭州某地铁施工区，区域内基本无构造运动，自然地理条件优越，为浅层生物气体生成提供了良好的环境[19-20]。根据前期勘察及踏勘结果[21]，试验场地内主要出露新生界第四系地层。场地表层土为人工堆积层；上部为一套全新统晚期冲海积粉砂性土层，其厚度、分布及性质较稳定；中部为上更新统海相沉积的黏性土层；下部为上更新统冲洪积砂砾石层。图1为研究区内的地层柱状图，根据勘察结果，试验场地内埋深6～30 m地层为主要的富气段，即图1中的红框内地层。

图1 研究区地层柱状图

电阻率法是以地层中富气区域与周围土层介质间的地电场差异为物性基础，通过测试装置向地下供电，建立稳定的电流场，测试和分析电场在地下土层中的分布规律[22]。已有研究结果表明，在土层富气后，气体成分会充填土层中的孔隙，将土中水分挤压排除；气体压力足够大时，可将土体中孔隙变大，改变土层结构，致使土层地电场发生变化，呈现土层电阻率异常升高的现象[23-24]，且电阻率随气体含量增多呈升高趋势[25-28]。

1.2 模拟试验

运用Adwanced Geosciences Ine公司研发的1.3.9.282版本EarthImager软件进行数值模拟，从富气层位、富气深度两个方面展开，采用有限元正演与阻尼最小二乘法反演对富气土层地电场响应特征进行数值模拟研究。基于现场地层分布特征及相应地层电阻率特性建立相应数值模拟地电模型。

在电阻率测试中，③1与③2土层电阻率较为相近，为避免地电模型层位过于复杂影响模拟测试效果，将两个地层合并为均一地层；④1与④2土层电阻率相近，合并为均一地层。背景地层模型参数见表1。

表1 背景地层模型参数

数值模拟试验选用有限差分法建立模型，深度系数设为1.1，最大均方误差1.0%，模型单元高度和宽度均为1.5 m，水平垂直粗糙比为0.5，6次迭代，混合(Mixde)边界条件。

1.2.1 富气层位模拟

本文主要研究土层富气前后及不同层位土层富气地电场响应特征规律。依据相关研究[2-3,5,28]，模拟试验中将富气区大小设置为21 m×6 m，电阻率设置为200 Ω·m，其中，模型1对应无富气区，模型2对应上部富气土层，模型3对应下部富气土层，模型4对应上、下富气土层，具体参数设置如表2所示。

表2 不同富气土层数值模拟参数

图2为4种不同富气状态地电模型。测试系统电极间距3 m，电极数64，测线总长189 m。模型中，纵横向空间采样间隔均为1.5 m，横向总长度189 m，纵向总长度40 m。反演剖面图中以绿色为基调，红黄暖色调为高电阻率呈现区，蓝色为低电阻率呈现区。数据结果处理时，为呈现较好的响应特征，各反演结果图对应色标稍有差异，具体电阻率呈现需结合对应色标进行分析。图2(b)为无富气区时呈现明显电阻率分带现象，各分带位置与地电模型中各土层位置相对应，且电阻率与各层位设置相一致。图2(c)呈现明显的高电阻率异常区，电阻率分布在100～200 Ω·m间，异常区域所在层位、范围、电阻率异常值皆与模型中所设模拟含气区域相对应。图2(d)呈现明显的高电阻率异常区，与上部富气层所呈现高电阻率异常区相比，其电阻率明显降低，多分布在40 Ω·m左右，异常区域范围略有缩小。图2(e)呈现两个电阻率异常区域，其上部异常区域所在层位、大小、电阻率异常值皆与模型中所设模拟含气区域相对应；下部异常区域所在层位与设置异常区相对应，其电阻率明显低于设置电阻率，区域大小与设置含气区域相比略有缩小。结合地质资料分析：富气区域地电场响应特征明显，且与其深度密切关系。

图2 不同富气土层数值模拟结果

1.2.2 富气层深度模拟

本文主要研究土层富气深度不同时地电场响应特征规律。为更好地对深度参数响应结果进行分析，将模型中6～36 m富气土层电阻率皆设为13 Ω·m，如地电模型(图3(a))。各模型中富气区域参数如表3所示。

表3 各模型中富气区域参数

图3为4种不同深度富气区域地电模型模拟结果。当顶面埋深为6 m与13.5 m时，异常区所在层位、大小、电阻率异常值皆与模型中所设模拟含气区域相对应，电阻率分布在130～200 Ω·m间；埋深20.6 m时，异常区域电阻率出现明显降低，多分布在40～60 Ω·m间。埋深26.5 m时，异常区域范围有所缩小，电阻率降低明显，多分布在30～50 Ω·m间。说明随富气区域深度增大，异常区收敛效果降低，电阻率反演剖面中呈现的高阻异常随之减弱，异常区域范围减小，即富气区域深度增大，测试分辨能力减弱。

图3 不同深度富气区域模拟结果

2 现场探测试验

现场采用电阻法对杭州某地铁站下方富气土层进行探测。测区分别选择富气土层未经排放处理与富气土层已排放处理两种条件进行，对比两种条件下富气土层的电性响应特征。

2.1 测线布置与数据采集

现场探测共布设6条测线，一号测线为施工排气前布设，距离排气钻孔10 m位置，共64个电极，电极距3 m，测线总长189 m；六号测线为钻孔施工排气数天后在原一号测线位置再次布设进行测试，在测试时测线布设位置、采集参数等因素与一号测线相同，利于对比分析排气前后富气土层地电场响应特征规律，图4为现场测线与钻孔布置示意图，表4为钻孔布置参数。

表4 钻孔布置参数

图4 现场测线与钻孔布置示意图

2.2 数据处理与分析

采集原始的地电场信息数据，采用WBD解析软件对原始数据进行解编，并通过EarthImager软件进行电阻率反演，得出富气土层地电场电阻率响应特征。所采集试验数据中一、二、四、六号测线数据质量较好，选择其中两条对应测线进行现场解释。

2.2.1 一号测线地电场响应特征

图5为一号测线电阻率反演剖面图。由图5可知，电阻率反演剖面图呈现明显的电阻率分带现象，分带位置分别在地表下方5.5 m和20 m左右层位，其电阻率与前期勘察所测试电阻率相吻合。结合地质资料分析，电阻率反演剖面图中，埋深6～30 m土层中出现多处高阻异常区域，分别在反演剖面中测线10～25 m，33.5～42 m，58～74 m，98～124 m，135～172 m处，其中6～20 m层位的粉砂夹黏土层与砂质粉土夹淤泥质粉质黏土层中分布多处。异常区域呈明显高阻，电阻率多分布在30～250 Ω·m间，多以条带状、透镜状呈现。埋深20～30 m地层多为低阻异常，电阻率多分布在0～10 Ω·m间。地质资料表明，现场地层完整，第四纪以来无大的地质构造运动破坏，地层勘察及开挖过程未发现孤石、地下岩溶等不良地质现象，图中标记高阻异常区多为疑似浅层气富集区域。现场开挖时，深部土层多为流塑状，含水率较高，与下部低阻异常相对应。

图5 一号测线电阻率反演剖面图

2.2.2 六号线地电场响应特征

现场试验采用静力触探设备与压力测试装置相结合，测试排气前后不同深度土层中气体压力，结果见表5。排气前，钻孔压力多分布在0.041～0.250 MPa间，排气后钻孔压力减小到0.010～0.020 MPa间。图6为六号测线电阻率反演剖面图。由图6可知，电阻率反演剖面图中同样呈现电阻率分带现象，且与一号测线相一致。但图6中异常区域出现变化，在测线70 m处仅出现较小的电阻率异常区域，宽62～68 m，埋深7～16 m，对比一号测线70 m处异常区域，电阻率有明显的变化，表现为异常区域缩小，降低至30～40 Ω·m间，且测线33.5～42 m，98～124 m处异常区域也有所减小，电阻率略有降低。说明采用钻孔施工对土层中气体进行排放的效果较好，同时也验证了电阻率法测试技术对土层中富气区位置和范围的响应识别效果良好。