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高密度电阻率法和探地雷达在北京市延庆区泥石流灾害勘查中的应用

发布日期:2020-09-11  来源:矿产勘查  作者:李英宾  浏览次数:176
      1 研究区泥石流发育特征及地球物理特征

1.1 泥石流发育特征

( 1) 泥石流形态与规模

延庆区 65 处泥石流均为沟谷型泥石流,发育形成区、流通区和堆积区。形成区地势较高,坡度较缓,一般 30° ~ 50°,发育多条小冲沟,呈树枝状分布,沟床纵坡较大,约 10° ~ 30°; 流通区一般为“V”型谷,两侧坡度较大,一般> 40°,沟床坡度一般 5° ~10°; 堆积区主要位于沟口附近,其形态多呈扇形,沟口泥石流堆积物多为堆积扇。泥石流规模相对较小,以中小型为主。

( 2) 泥石流堆积物特征

延庆区泥石流堆积物主要为混杂堆积,中小型泥石流沟物质分选性较差,砾石一般呈次棱状,磨圆度较差,但局部物源中混杂有河床相物质,具有较好的磨圆度。砾石成分主要为花岗岩、砂砾岩及砂岩等,堆积物中最大砾径可达 3. 5 ~ 4. 5 m。泥石流物源补给区多分布在沟谷中游、上游,多为沟槽两侧崩滑岩土体、沟底砌筑梯田的松散堆积物、人类工程切坡、自然松堆积物和其他人工弃渣等。堆积物大都呈扇形,自沟口向扇前堆积厚度逐渐变薄。由于泥石流堆积区多位于河谷及沟谷附近,其堆积扇多被河水或季节性洪水冲蚀破坏。

1.2 地球物理特征

( 1) 地层( 岩石) 电阻率特征

基岩和松散堆积物的电阻率除了与其组分有关外,还与其结构、构造、孔隙度、含水性、温度和压力等许多因素有关。根据实地测量,松散堆积物的电阻率一般在 10 ~ 100 Ω·m,表现为相对低阻的电性特征。基岩多为花岗岩或火山熔岩,电阻率一般为800 ~ 2000 Ω·m,表现为相对高阻电性特征。

( 2) 岩石反射波阻特征

研究区自地表向下依次分布着松散堆积物、基岩。松散堆积物密度小于基岩,基岩和松散堆积物波速和密度差异明显,能够形成较强的反射界面,为探地雷达勘探提供了物性基础。探地雷达图像由于呈时—距关系形式,类似于地震记录剖面,画面的直观性较强,波形图面上同一反射脉冲起跳点所构成的“同相轴”可用来勾画反射界面的形态。基岩的雷达波形振幅相对较弱,但较稳定,同相轴也较为明显。松散堆积物的波形振幅相对较强,但波形较为杂乱,同相轴明显但连续性不好,且没有明显的规律性。

2 方法原理和仪器参数

2.1 方法原理

( 1) 探地雷达

探地雷达是利用高频电磁脉冲波的反射原理来探测地质体特征,通过发射天线向地下发射高频宽带短脉冲电磁波,经过地层或目的体反射后返回地面,接收天线接收来自地下空间不同深度介质界面的反射波,根据接收到波的行程时间、幅度与波形等资料,可探测地下不同地质体的结构、构造及埋藏深度等要素( 肖兵等,1996; 袁明德,2003; 曾昭发等,2006) 。

( 2) 高密度电阻率法

高密度电阻率法测量的原理与传统电阻率法相同,将全部电极按一定间距沿测线一次性布设完毕,然后通过多芯专用电缆将电极连接到多路电极转换器,由电极转换开关将数据送入多功能直流电测仪( 赵光辉,2006) 。测量完成后将采集的数据传输到微机中,通过对原始数据的预处理和反演处理,将结果用图件直观清晰地表示出来。

2.2 仪器参数

( 1) 探地雷达

本次测量使用美国地球物理测量公司生产的TerraSIRch SIR - 3000 探 地 雷 达 系 统 ( 简 称 SIR -3000) ,包括主机和发射天线,采用连续测量方式进行测量,局部地段将采用沿剖面逐点测量、向前追踪的点测方法。本次地质雷达测量,点距设为 0. 5 m,发射天线中心频率为 100M Hz,采样点数为 1024个,时间窗口为 500 ns,介电常数为 9,采用 5 点手动增益,垂向高通频率选为天线中心频率( 100MHz) 的1 /4,即 HP = 25MHz; 垂向低通频率选为天线中心频率的 3 倍,即 LP = 300MHz。

( 2) 高密度电阻率

高密度电法测量采用的仪器设备为 DUK-1 多功能数字直流激电仪,其为基于对称四极装置的连续测量,本次测量采用温纳装置,电极 60 个,电极间距 5 m。

3 资料解释

3.1 探地雷达资料解释

本次工作共完成 48 条地质雷达剖面,各剖面形态大致一致,在此以千家店镇 L01 线剖面为例说明 ,地质雷达图像对泥石流沟域地表松散堆积物与基岩之间的分界面反映较为清晰,总体呈上、下两层,上部松散堆积层波形较为杂乱,同相轴连续性不好,且没有明显的规律性,下部基岩层反射波同相轴较为连续,振幅较强且较为稳定。松散堆积物厚度约 5m,基岩面起伏不大。

3.2 高密度电阻率资料解释

( 1) 高密度电法正反演计算

高密度电法正反演计算是由已知地质( 层) 体的分布特征,利用计算的数值来反映地质( 层) 体的电性特征,为资料的解释提供依据。为验证高密度电法对松散堆积物的探测具有可行性,并总结归纳研究区的地电特征,建立了以下正演模型 。在模型中给松散堆积物电阻率赋值为 100 Ω·m,基岩电阻率赋值为 1000 Ω·m,松散堆积物中的块石土电阻率赋值为 600 Ω·m。由正演的数据进行维反演,得到反演电阻率断面图,由图 2 可见,高密度电法能清晰反映松散堆积物的厚度,且对松散堆积物中的块石土也有较好的探测效果。

( 2) 高密度资料解释

通过对高密度电阻率测量剖面图的综合分析,对地表松散堆积物厚度和基岩面埋深的探测取得了较好的效果。根据所有剖面反演电阻率断面图综合分析,泥石流沟域范围内松散堆积物的分布特征主要分为如下 2 类。第一类剖面位于泥石流沟支沟上游 ,松散堆积物厚度较小,一般为 4 ~ 10 m,基岩面较为平坦,埋深也较稳定,一般为 10 m 左右,基岩面较为光滑,起伏不大。第二类剖面位于果树园村,电极距为 10m,长度为 600 m。L01 线反演电阻率等值线形态面貌上可以看出,其控制深度为 70 m,剖面总体表现为上低、下高的二层地电结构特征。剖面浅部不连续低阻区,推断解释为第四系松散堆积物,控制厚度为 10 ~ 40 m,其中剖面两侧厚度较大,中部区域相对较薄,浅部平距 200 ~ 250 m 椭圆状中高阻区为块石土堆积; 深部高阻层,推断为基岩。L02 线位于果树园村东南侧,从其反演电阻率等值线形态面貌上可以看出,其控制深度为 70 m,剖面总体表现为上高、中低、下高的 3 层电性结构特征。剖面浅部不连续似层状中高阻电性层,推断解释为第四系块石土堆积,左侧厚度较厚,约为 15 ~ 20m,右侧较薄,约为 5 ~ 10 m; 剖面中部及顶部中低阻区域,推断解释为第四系松散堆积物,以碎石土和沙土为主,控制厚度为 10 ~ 40 m; 断面图下部为椭圆状高阻电性层,推断解释为基岩。

4 松散堆积物方量估算

研究区的松散堆积物可以分为斜坡面堆积物、河道堆积物和阶地堆积物。通过测绘工作对这 3 类堆积物的面积进行了统计,通过探槽对斜坡面堆积物的厚度进行了揭露,通过高密度电阻率法和探地雷达得到了河道堆积物和阶地堆积物的厚度。根据测量得到的松散堆积物的厚度及收集的 3类堆积物的面积,对研究区所有沟的松散堆积物的方量进行了粗略的估算。延庆区每个乡镇的统计方式一样根据统计的每条泥石流沟的松散堆积物的方量,可以采取相应的防护措施。

5 结论

通过本次泥石流的探测工作,得出了以下几点结论。

( 1) 北京延庆区松散堆积物的厚度,其中井庄乡果树园村泥石流沟域范围内松散堆积物厚度较大,一般 40 ~ 60 m,自下游向上逐渐变薄,在果树园村附近控制厚度超过 60 m,在沟域上游厚度为 40m,并且浅部存在一层厚度为 10 ~ 15 m 的块石土堆积层; 其余地段松散堆积物厚度一般为 8 ~ 10 m。

( 2) 由松散堆积物的厚度和覆盖面积可以粗略计算松散堆积物的方量,为泥石流灾害的防护工作提供了施工依据。

( 3) 联合运用高密度电阻率法和探地雷达对泥石流预测中松散堆积物的划分具有较好的效果。

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