井—电联合勘探与三维地质建模在某填埋场环境调查中的应用

宋涛,包怡,赵松,吴建峰,许元顺,涂海峰

(1.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司,江苏 南京 210007;2.江苏省地质局,江苏 南京 210001;3.生态环境部 南京环境科学研究所,江苏 南京 210042)

0 引言

世界上大多数存量的垃圾填埋场都是未按照相关规范标准建造和管理的非正规垃圾填埋场[1]。据不完全统计,截至2017年全国非正规垃圾堆放点排查整治信息系统登记录入2.7万个,多为20世纪80～90年代就地选址所建[2-3]。非正规垃圾填埋场因设计不规范、防渗措施不严格、维护管理不到位,易造成垃圾中的有害物质随渗滤液迁移,污染地表水、土壤和地下水,对环境造成危害,有害物质进入人类食物链进而诱发疾病[4-5]。因此,非正规垃圾填埋场的环境调查和治理极为重要,近年来全国各地已陆续开展此类工作。

地质勘探成果的可靠性直接影响环境调查成果的精度。国内外学者对基于高密度电阻率法的地质构造探测、填埋物圈定、渗滤液及污染物羽流监测、污染渗漏与扩散监测、修复效果监测等环境地质问题做了大量研究[6-10]。高密度电阻率法因具有自动化程度高、数据信息采集量大、反映地下电性结构直观、非侵入性等优势而被广泛应用,但其在不同的场地条件下常表现出差异性效果。在填埋场勘探中,部分填埋物分散填埋和多层分布、渗滤液和地下水的干扰,均可能造成反演断面的电阻率形态畸变,单一方法难以精确圈定填埋边界、分析渗滤液分布特征,复杂的地质条件与方法多解性为数据处理解释带来了巨大的挑战[11-13]。通过钻井与高密度电阻率法联合勘探,钻井分层和井旁电阻率反演可以为反演解释提供可靠的约束信息和物性桥梁,采用二元分析方法获取调查要素的空间数据,应用模糊数学方法判断渗滤液分布,建立填埋场三维地质模型,可有效控制基底边界、构造特征和填埋物空间分布,反映渗滤液分布特征,为填埋场环境调查提供详细的地质基础数据。

1 地质背景

研究区位于下扬子地台,在前震旦系变质岩陆块基底上发育三套沉积盖层:震旦系—三叠系下统海相沉积建造、三叠系中上统—白垩系下统活动陆缘型海陆过渡相—陆相碎屑岩沉积建造、晚白垩世以来的陆相碎屑沉积建造。研究区面积约7 万余m2,是一处位于旧采石坑上的历史遗留垃圾填埋场,周边基岩最大标高约50余米,基岩断崖下的填埋区标高10～30 m。基底与周边岩石露头一致,为泥盆系砂岩地层,主要填埋物为素填土、杂填土、建筑垃圾、生活垃圾等,填埋深度约30 m内,砂岩基底及填埋层内部不同物质间具较明显的电阻率差异,为高密度电阻率勘探提供了条件。

2 井—电联合勘探

2.1 方法思路

采用钻孔和高密度电阻率法联合勘探、环境地质要素提取与三维建模、钻孔验证与精度评价“三位一体”的研究思路开展工作。如图1所示,在全区红线范围内部署高密度电法测点754个,网度约10 m×10 m;部署参数井12口,重点控制填埋区、兼顾填埋边界和物探标定作用;另实施全区航拍航测,为三维建模提供DEM数据和现状底图。

图1 研究区航拍影像Fig.1 Aerial image of the study area

高密度电阻率法是以地质体导电性差异为基础,观测和研究人工电场的分布规律,进而确定地下介质相关信息的一种阵列电探方法,其勘测体系主要包括数据采集、数据处理两部分[14]。采集的数据经过畸变点剔除等预处理后进行反演,得到电阻率断面。本次数据采集使用深圳赛盈生产的GD-20高密度电法仪,测线东西向,点距10 m,电极24根,采集装置为温纳装置,采集层数8层;反演使用RES2DINV软件,反演方法为最小二乘法带地形反演。二维反演断面与参数井数据反映填埋基底与填埋层有较明显的电阻率差异,但填埋界线位于电阻率等值线的梯度带上,电阻率值波动较大;填埋层内部存在电阻率变化,但异常界限不清晰。反演的多解性、渗滤液及地下水均可对结果造成影响[15-16],故基于填埋场岩土层电阻率变化规律的地质体边界锐化处理、弱异常的强化提取、渗滤液的分析评价十分必要。

2.2 地质—地球物理模型

选择过参数井的高密度电法测点(图1),从视电阻率拟断面数据中抽取12条电测深曲线[17]如图2所示。12条电测深曲线可归纳为6种曲线类型,结合钻井资料对电测深曲线进行定性分析,ZK01、ZK05、ZK08、ZK11井测深曲线为HKH型曲线,显示“素填土—杂填土—建筑垃圾—生活垃圾—砂岩”5个电性层的视电阻率基本上呈“高—低—高—低—高”变化;ZK03、ZK06、ZK10井测深曲线为H型曲线,ZK07、ZK12井测深曲线为K型曲线,ZK02、ZK04和ZK09井测深曲线分别为AK、KH和KQ型曲线,反映了不同的填埋物组合、破碎带和地下水对测深曲线的电阻率变化有复杂的影响。因此,通过对井旁实测视电阻率数据进行界面约束正演拟合,定量获取各地质体的电阻率物性,从而采建立地质—地球模型。

图2 抽取的电测深曲线及同点位参数井柱状Fig.2 Electrical sounding curve and histogram of borehole location

以钻遇各层较齐全的参数井ZK08地质—地球物理正演拟合为例(图3),其正演电阻率变化规律一致。对全部12口井的井旁视电阻率数据进行正演拟合结果统计(表1),显示砂岩与上覆填埋物、建筑垃圾与填埋层中的其他填埋物电性差异明显,可作为处理解释的标志层界面;砂岩基底、同一填埋层的电阻率值存在较大变化,可能与渗滤液及地下水分布有关。通过电阻率测深曲线的分析、视电阻率统计以及地质—地球物理模型正演拟合,全面了解研究区物性特征,为数据的进一步处理提供了科学依据,为物探数据的地质解释提供了桥梁。

表1 正演模型电阻率统计Table 1 Statistical of resistivity of forward model

图3 ZK08钻井正演拟合地质—地球物理模型Fig.3 Geological-geophysical model diagram of ZK08 drilling forward modeling

2.3 填埋层与基底的二元分析

物性统计分析和正演结果证实,二维电法断面是填埋层、渗滤液以及填埋基底的综合电性异常的反映。由于沉积环境、填埋物质含量的不同,二维断面中的电阻率信息往往同时具有区域性和局部性的特征。将填埋层与基底进行“场分离”,可以突出各层内电阻率变化细节,提取填埋层内次级薄层、微构造等弱异常信息,为三维地质建模提供数据支撑。

2.3.1 基于先验信息约束的界面收敛处理

L4线二维反演断面(图4a)显示“上低下高”的电阻率特征:浅部电阻率值约10～40 Ω·m,深部电阻率多在40～200 Ω·m,基于参数井ZK05及ZK07先验信息约束和井旁反演曲线处理,可判断填埋界面大概位于40～50 Ω·m左右的梯度带附近,但受浅部填埋层及西段断裂影响,仅靠电阻率段面难以准确提取该界面。

a—带地形二维反演电阻率;b—反演电阻率梯度;c—基岩电阻率小波细节;d—填埋层电阻率值残差;e—解释剖面

鉴于梯度法可以提取电阻率变化强度,对二维电法断面沿深度方向求取梯度(导数),在电性变化大的位置必然出现极大值或极小值,从而可以强化电阻率在垂向上的变化特征,其往往对应地层界面或岩性的分界面。当梯度异常极值为正值时,表明求导前进方向为相对高阻层;相反则表明求导前进方向为相对低阻层。对二维反演断面求取梯度,并在显示上弱化低梯度值和非连续梯度值(图4b)。结合钻井标定结果,发现梯度极值连线,即垂向上电阻率值增大最快的位置,与参数井实测的填埋界面基本相符。即使在断面西段,也有串珠状极值显示。通过基于先验信息约束的界面收敛处理,可以更准确地获取填埋界面信息,继而分别对基底和填埋层做二元分析,进一步提取更多细节。

2.3.2 填埋基底构造强化

人工开采、长期风化作用造成砂岩基底内发育不同规模的断层、裂隙构造,从而多赋含渗滤液和地下水,在电阻率断面上易呈一定规模的低阻异常。小波多尺度分解可压制背景电阻率,突出不同规模的局部异常。经多参数试验对比,对二维反演断面的填埋基底部分提取了小波三阶细节(图4c)。该图显示L4线桩号20～70 m段存在一规模较大的低阻局部异常,经钻孔验证,为含水性较好的破碎带,结合其他断面发现,该破碎带具有一定的连续性。

2.3.3 填埋层弱异常信息提取

填埋层的低阻背景在一定程度上弱化了内部不同电性层(体)的对比度,基于某一电阻率值提取的异常体易呈碎片化且可能与邻线数据值差异较大,在根据反演电阻率进行三维建模时会造成较大的数据偏差[14-17]。高斯滤波是一种线性平滑滤波器,剖面上每一个点值,都由其本身和邻域内的其它点经过加权平均后得到。采用高斯滤波方法对电阻率反演剖面进行多次平滑处理,以此获得填埋层“电阻率背景断面”,该断面仍具电阻率高低变化,非单一电阻率值。继而求取原始电阻率断面与“电阻率背景断面”之差值,分离出填埋层“电阻率残差断面”,多次求取,结合钻井资料分析填埋层电阻率变化特征,选定电阻率变化与参数井钻遇各层具有较高匹配度的“电阻率残差断面”为最优结果。“电阻率残差断面”弱化了背景信息,突出某点与其邻域电阻率的差异,能够强化地层内部薄层的弱电阻率异常、微构造信息,解释、提取其空间要素可直接为三维建模提供基础数据。L4线浅部填埋层(图4a)整体呈低电阻率特征,但低阻层中仍有次级高阻层且界限模糊;分离电阻率背景值范围为5～29 Ω·m的电阻率背景断面,与ZK04和ZK05钻探结果一致,选定L4线填埋层的最优残差断面(图4d),次级电性层异常显示明显的“高—低—高—低”特征,素填土、杂填土、建筑垃圾、生活垃圾等填埋物反映清晰,与参数井匹配程度高,因而能够直接提取各类填埋物的空间信息(图4e)。

2.4 渗滤液模糊边界提取

填埋物因受渗滤液影响导致其电阻率降低。郭秀军等[18]利用 Miller Soil Box 法测试土样电阻率的结果显示,土样含水饱和度从10%增大到75%,电阻率降低至原来的十分之一,赵艳茹等[19]垃圾土电阻率、孔隙度与含水率变化的研究结果亦显示相似规律,刘栋等[20]在黄土滑坡高密度勘探中分析了电阻率与含水率的关系。本次在建立地质—地球物理模型和解释断面的过程中,也发现渗滤液(或地下水)对电法数据存在影响。然而,在复杂填埋环境中获取的电法断面上,渗滤液的影响是连续的,很难清晰划分其边界。本次基于Zadeh的模糊理论,通过单元电阻率的隶属度函数,试图分析渗滤液影响的模糊边界。

给定论域U及其模糊子集A,按U中的元素u是否属于模糊集A的程度,定义一个隶属函数:

μA:U→[0,1]u→μA(u),

隶属函数μA(u)的值范围为[0,1];μA(u)越接近1,u越属于A;μA(u)越接近0,u越不属于A。

将单元ei的电阻率ρi=ρ(ei)视为受渗滤液影响的模糊子集A中的一个元素,建立ρi的隶属函数μF(ρi)可表示为:

F={(ρi,μF(ρi))|ρi∈U},

本研究对柯西隶属度函数使用以下公式:

式中:ρ0为戒上型隶属度函数的介质电阻率,说明当电阻率ρi小于ρ0时,单元ei属于被渗滤液影响的区域;a和b是戒上型隶属度函数的参数,a和b的值越大,ei属于被渗滤液影响区域的单位就越小[13]。将高密度电法反演电阻率转换为基于上式的隶属度函数,以分析渗滤液对电阻率的影响程度及相应范围。当式中的ρ0、a、b值不同时,受渗滤液影响的隶属度函数也不同。

根据隶属度函数μ值将垃圾填埋场渗滤液影响划分为4个区域:高影响区(1≥μ≥0.75)、中影响区(0.75≥μ≥0.50)、低影响区(0.50≥μ≥0.25)和无影响区(0.25≥μ≥0)。对钻遇渗滤液的钻孔用水位计测定其稳定水位,并对取得的土工样开展土工试验测定含水率,获得饱水带的空间信息。采用python软件,代入不同ρ0、a、b值求取各自隶属函数结果,以参数井的饱水带信息以及土工试验数据验证计算结果,发现隶属函数代入ρ0=20、a=0.3、b=2所求取的隶属度基本反映了渗滤液的分布特征。

图5是L4线断面的隶属度函数计算结果,ZK07孔钻遇的饱水带与隶属度0.5～1即中高影响区中部对应较好,ZK05孔钻遇的饱水带与隶属度0.5～0.75的中影响区的东部边缘相符。从全区计算结果来看,渗滤液高影响区反映了具自由液面的渗滤液饱水带中部,渗滤液中影响区基本反映了渗滤液饱水带的边部,二者的范围基本代表了渗滤液的模糊边界。

图5 L4线隶属度计算等值线Fig.5 Contour map of L4 line membership calculation

3 三维地质模型构建

目前三维可视化在环境调查领域应用较少,且多是基于地理信息系统的空间数据的集成显示,难以很好地综合分析研究区的详细地质信息[21]。采用Schlumberger Petrel三维可视化地质建模软件构建填埋场50 m以浅的三维地质模型。该软件能够综合航测DEM、钻孔数据、地球物理勘探数据、地质解释等多源数据,对填埋场三维地质结构精细建模,本次建模数据包括754个物理点的高密度电阻率数据、12口参数井分层数据、22条钻—电联合解释断面地质分层数据和以全区扩边的约85 000 m2航测DEM高程数据。

3.1 建模方法

填埋场地质结构常为多层结构,采用自动建模方法获取精细三维地质模型需要详细的地形高程数据和地质解释分层数据。基于多源数据融合的方法综合利用地质、钻探、基础地理、DEM数据等多源数据建立三维地质模型,多源数据的融合能够较好地弥补单一数据源的不足,使得建立的模型更加符合实际地质情况[22-23]。本次模型构建过程可归纳为三步:首先,将DEM高程数据、高密度电法解释数据、钻孔编录数据整理为软件要求的标准化数据并导入,通过插值和拟合算法由上至下生成地质层曲面,以参数井分层数据为约束;其次,以地表地形、高程-25 m(填埋区平均高程以下深60 m)、研究区红线外扩规则矩形作为模型边界,选择不同的插值方法进行三维剖分,同时采用Structural Modeling进行系统构造建模;最后,通过多次拟合调整,选用多重网格逼近法进行插值计算,剖分网格1 961 385个,逐层构建地质实体。

3.2 三维地质结构模型

研究区-25 m三维可视化地质模型如图6所示,自上至下为素填土、杂填土、建筑垃圾、生活垃圾、砂岩。航测DEM数据采用大疆精灵4RTK实测,经后差分和空三处理,投影方式为UTM投影,投影的中央子午线为120°E。模型显示,填埋场高程范围为5～55 m,除东部出露的基岩外,填埋区平均海拔高度约35 m,高点主要位于填埋层东部外缘基岩出露的陡坎位置,填埋场内总体呈中部高、四周低趋势,具有堆填特征。

图6 研究区海拔-25 m以浅三维可视化地质模型Fig.6 The 3D visual geological model of the study area at an altitude of -25 m

研究区三维地质模型切片清晰的显示了填埋范围和填埋底面的起伏,如图7所示。主填埋区以多个填埋中心自北向南连接呈带状蜿蜒分布,填埋物分布复杂,填埋深度变化大,基岩呈断崖状围绕主填埋区分布。填埋中心最低高程约-20～-10 m之间,周边基岩高程约30～50 m。填埋场西部发育破碎带F1,走向NW,倾向SW,倾角约45°～60°,区内分布长度约260余米,宽度约3～20 m之间。

图7 研究区海拔-25 m以浅三维可视化地质模型切片Fig.7 Slice of a 3D visual geological model at an altitude of -25 m in the study area

4 适用性分析

利用后期实施的10口环境综合调查初筛采样钻孔数据,对本次钻—电联合勘探三维模型进行单点抽检验证,80%的验证点位模型误差在8.6%以下,20%的验证点位模型误差达12.3%～14.5%,误差较大的点位多位于基岩陡坡之上。根据本次三维模型验证结果,结合工作条件、场地填埋特征分析本次工作的实际勘探效果,总结与结合前人同类方法的实践经验[24-27],对本次采用的垃圾填埋场探测方法提出工作建议,建立同类填埋场探测方法技术体系(表2)。

表2 探测方法适用性分析Table 2 Applicability analysis of detection methods

5 结论

1)通过抽取过井断面的实测电测深曲线,基于钻井分层数据正演建立地质—地球物理模型,对正演电阻率数据进行数理统计,为高密度电法数据处理解释提供了可靠的物性基础。

2)针对垃圾填埋场人工填埋物与自然沉积物混杂、岩土层与渗滤液同存的地质特征,通过梯度计算获取填埋界面分离填埋层和填埋基底,采用小波分析、残差法分别对基底和填埋层做二元分析获取破碎带和弱异常薄层的空间信息,基于模糊数学计算反演电阻率的隶属度函数提取渗滤液的模糊界面。实践证明,这些针对性的处理解释手段,可以获取垃圾填埋场的关键环境地质要素的空间信息。

3)以井—电联合勘探成果为基础,结合航测数据,建立填埋场-25 m以浅三维地质模型,能够更加真实地反映各层填埋物和填埋基底的三维空间结构特征,详细刻画断裂破碎带的空间展布。

4)通过钻孔验证,结合实际探测效果,对井—电联合勘探的适用性进行了研究,分析了该方法体系能够解决的环境地质问题,可以指导同类填埋场调查的地质勘探工作。