孔中电阻率CT法在古海塘探测中的应用

吕 骅

(杭州市城市基础设施建设管理中心，杭州 310006)

0 引言

钱塘江海塘规模宏伟，构筑精巧，与万里长城、京杭大运河同被誉为我国古代三项伟大工程建设[1-3]。大部分古海塘遗址因江道变迁和城镇建设等原因，已被新建设施覆盖或深埋于地下，因此探明淹没于地下的古海塘空间分布，可为古海塘的有效保护提供重要的参考依据。通过杭州某地古海塘探测保护实例，介绍孔中电阻率CT探测技术应用于建筑物覆盖下古海塘探测效果[4-7]。

1 孔中电阻率CT探测技术

1.1 技术原理

本次探测所采用的孔中电阻率CT层析成像技术属于电阻率勘探，其不同于地面电法之处在于它利用了地下的井孔中布设空间，从而较好地获得井-井间或井-地之间的地层电阻率信息，其主要分为跨孔CT和井地CT两种形式。孔中电阻率CT层析成像勘探技术虽然仍是基于人工直流电场的作用下地表的电场分布与地下岩土介质的电阻率分布相关的基本原理，但它是一种创新的直流电法勘探方法，是高密度电阻率法的一种技术改进。其数据采集方法打破常规高密度电阻率法采集模式，装置类型更丰富，包括传统装置和非对称新型装置，综合利用多通道、自动化和智能化技术，大大提高数据采集量，弥补了常规电阻率法勘探数据采集量不足和装置类型不全的缺点。野外测量时只需将布设于孔中或地面的全部电极通过多芯电缆连接至地面仪器，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪实现数据的快速和自动采集，测量数据经处理、反演得到地层电阻率响应断面[8-9]。孔中CT的优点是垂向探测分辨率较高，对多层异常体效果好，且不受地面建筑物或地表硬化的影响，在城市地下空间探测中极具优势[10-11]。另外，城市地面物探因受地表条件、金属管线和居民工业用电等干扰影响，普通电法勘探精度会有所降低，而井中物探不但可以尽量避开这些干扰因素，而且由于人工激发或天然物理场源更接近于勘探目的层，使得其测量数据可以更有效地反映异常体的埋深和产状，提高原始数据信噪比和勘探精度。跨孔电阻率CT技术工作方式如图1所示。

图1 跨孔电阻率CT方法示意

1.2 正反演原理

正演和反演已成为地球物理数据处理一种必不可少的技术。由地质体的赋存状态(形状、产状、空间位置)及物性参数计算该地质体引起的场异常或效应的过程称正演，反之由地球物理异常的分布确定地质体的赋存状态(形状、产状、空间位置)及物性参数的过程称为反演；反演技术在地球物理勘探中，发挥着越来越重要的作用，其结果可以直接反映地下介质间物理特性(电阻率)差异；从国内外电法勘探发展的趋势来看，孔中电阻率法数据处理过程大致包括数据检查、数据预处理、网格剖分、正演、反演、反演结果成图和地质成果解译几个步骤。其中2.5维电法正演方程式如公式1所示，电法反演方程式如公式2所示。

∇·(σ∇U)=-Iδ(r-rc)r,rc∈Ω

(1)

式中：δ代表电导率(电阻率的倒数)；I代表电场强度；r，rc分别为源点、观测点位置。通过解此方程可得到当一个电流极在rc处时的电场强度分布状况。

(2)

式中：Φd(m)=‖Wd(d0-d(m))‖2，Φm(m)=‖Wm(m-m0)‖2；m为电阻率；λ为平衡因子；d(m)为正演推算电场数据；d0为实际测量电场数据；m0为反演初始模型；Wd和Wm为加权因子，加权因子控制迭代过程中对模型的修正量，依实测数据信噪比高低取值。

2 钱塘古海塘概况及地球物理特征

本次探测的杭州乔司古海塘，根据以往资料，呈上窄下宽的梯形。古海塘结构以石塘为主，背水面以夯土堤为戗，石塘为块石头堆砌工艺，一般电阻率大于250Ω·m；第四系黏土层电阻率一般小于80Ω·m；具体数值与含水程度有关。古海塘相对于黏土为高阻异常，与正常地层间电阻率数值存在较大差异，为应用电阻率法进行异常探测提供了较好的地球物理前提[12-14]。

3 数值模型分析

根据钱塘古海塘的现场情况，建立数值模型对现场情况模拟。模型背景为第四系黏土覆盖层，电阻率设定为50Ω·m，深度2m，古海塘塘体为顶宽2m、高6m、底宽5.5m梯形结构，电阻率设定为300Ω·m，模拟了孔间距15m，孔深32m时的孔中电阻率CT响应，如图2所示。

孔间距/m 孔间距/m(a)原始模型 (b)模型响应结果图2 数值模型分析

通过模型正演响应分析：采用孔中电阻率CT探测梯形古海塘应有良好的效果，古海塘呈明显的高阻异常，轮廓结构清晰，范围和大小与模型基本一致。

4 实际应用

4.1 工程布置

杭州乔司古海塘被覆土掩盖，在村道下面，根据该处古海塘探测目的和地面条件，共布置剖面4个，实际测线布置如图3所示。仪器使用了澳大利亚ZZ Resistivity Imaging的FlashRES 64系统，采用井中电极距1m的井-井和井-地装置，供电电压90V。

4.2 解释及成果

本次资料解释是在该区工程地质勘察资料基础上，参照部分钻孔资料和调查资料，并考虑地形地貌对勘探结果影响的基础上开展的，剖面图中下面横坐标为沿测线距起始点距离，上面横坐标为电极位置，纵坐标为沿测线垂直向下探测深度。

图3 孔中电阻率CT测线布置平面示意

L01为跨孔剖面，利用钻孔为ZK01和ZK02，根据设计这两钻孔间跨过道路下的古海塘，因预估古海塘下木桩桩端深度12m，因此设计钻孔深度15m，且要求孔深比孔间距的比例大于1.5，但据现场情况，此设计略有变动。根据反演电阻率剖面分析，古海塘体与黏土电阻率差异明显，分界清晰，从图中看墙体最大宽度约5.5m，底部埋深约7.5m，与开挖验证的情况基本一致。其余L02、L03、L04的剖面成果也得到了开挖验证。

4.3 现场验证

对高阻异常划定区域进行开挖验证，在异常区挖出古海塘基底，该处古海塘宽约5.5m，底深约7.5m，高5m，与反演电阻率形态基本一致(图4)，证明孔中电阻率CT法在古海塘基底探测效果良好。

图4 L01反演电阻率剖面

图5 古海塘现场验证

5 结论

本次古海塘及其基础探测中，反演电阻率电性特征与实际地层吻合，高阻异常经实际开挖验证，达到古海塘探测目的，为今后古海塘的保护、监测提供了准确基础数据。因此，在城市复杂地表环境下，采用孔中、地-井电阻率CT成像可以得到地下地电断面信息，在城市地下空间探测方向具有非常好的推广意义。