冻结地面是青藏高原寒冷环境下普遍存在的现象。在气候变暖的条件下, 人们日益关注由温度升高引起的多年冻土退化及其导致的地质灾害。国内冻土学科的发展始于1960年, 作为多年冻土调查的重要手段— 地球物理勘探方法, 从冻土学科发展的初期便开始了应用研究。20世纪60年代初, 黄以职等首次进行以直流电法为主的冻土物探应用研究工作。90年代初, 开展了以探地雷达为主的大量工程物探研究, 为多年冻土地区铁路、公路工程设计与施工提供了科学依据。近期, 随着青藏铁路的修建, 浅层地震开始得到大量应用与研究^{[1, 2]}。在俄罗斯, 研究多年冻土的物探方法以直流电测深和复四极剖面最为普遍; 地震方面开展了用地震声学方法研究冻土的物理力学性质; 还开展了频率测深、偶极电磁剖面、激发极化等方法的实验研究。在北美, 对北极沿海海底多年冻土和油管沿线宽广的多年冻土地区, 进行了大量的地震折射法、直流电阻率法、各种测井方法和交流电磁法等勘查, 促使冻土物探有了较大的进展。探地雷达、激发极化法、磁大地电磁法和视频电阻率法等也已广泛应用 ^[3-5]。

研究发现不同的物探方法在多年冻土中的应用具有不同的优缺点和应用范围, 需要开展青藏高原地区冻土地球物理勘查技术方法研究, 优化冻土地球物理勘查组合模式, 实现全方位探测地层结构, 了解冻土地球物理特征、空间分布信息等^[6-10]。因此, 在青藏高原冻土区, 开展地球物理勘查技术方法应用与研究, 优化冻土地球物理勘查组合模式是必要的。

冻土的地球物理探测效果取决于冻结和非冻结介质地球物理场特征的差异变化程度。这些差异的变化程度取决于被探测介质的含水量、含冰量、孔隙尺寸、孔隙水化学性质、冰结构、地面温度和表土压力等因素。用于区别冻结和非冻结物质的三种有效的地球物理参数为电阻率、介电常数和地震波速^{[2, 3]}。

1)电阻率:在冻结点, 从导电水向非导电冰的相变使电阻率显著增大^[11]。

2)介电常数:多年冻土区在冻结过程中, 土壤绝大部分高介电常数的水, 转换为冰, 这就使得冻土的介电常数明显低于融土^[12-14]。

3)地震波速:大多数地面物质的压缩波和剪切波速度在冻结后急剧增加。孔隙含水量的增加能够降低在冻结点附近的这种影响^[15]。

在青藏高原冻土典型区索南达杰保护站附近, 开展地震纵波反射、地震转化波反射、地震折射CT、地质雷达、音频大地电磁(EH-4)、高密度电阻率法等6种地球物理勘查方法实验, 结合地质及ZK3、ZK4录井资料, 各种地球物理勘查效果如下:

2.1 地震反射

利用ZK3录井资料, 标定纵波反射剖面中的各反射界面地质属性。结果见表1、图1。

表1

表1

表1 纵波反射层位标定 反射波组 双程旅行时ms 叠加速度m/s ZK3(120 m) 界面埋深/m ZK4(80 m) 界面埋深/m 地质层位 3.0 3.0 冻土上限 7.0 3.5 第四系砂卵砾石 T0 30 2343 31.0 34.5 冻土下限 T1 54 2343 57.0 50.0 新近系泥灰岩/古近系泥岩界面 T2 91 2097 94.0 泥岩内部界面 T3 174 1770 149 泥岩内部界面 T4 239 1646 190 泥岩内部界面 T5 269 1579 203 泥岩/砂岩界面

表1 纵波反射层位标定

图1

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	图1 冻土实验区地震纵波反射剖面

由图1可得, 纵波反射波组T₀为冻土下限, 冻土下限由ZK4至ZK3方向逐渐增加, 深度30~35 m。距离100~125 m以及155~170 m之间, 地震波同相轴出现反射强度变弱的现象, 说明冻结层可能存在由于冻涨和融化作用诱导形成的裂缝。因地震浅层存在盲区, 故地震纵波反射探测不到冻土上限。反射波组T₁为新近系与古近系反射界面, 地层产状近水平。深度57 m以上地层岩性以新近系泥灰岩为主, 夹薄层砂岩, 砂岩横向上分布不连续; 深度57 m以下地层岩性以古近系泥岩为主, 200~250 m深度范围内出现厚层砂岩, 厚度5~15 m, 砂岩横向上分布连续。

2.2 地震转换波反射

利用ZK3录井资料, 标定转换波反射剖面中的各反射界面地质属性。结果见表2、图2。

由图2可得, 转换波反射波组R₀为冻土下限, 冻土下限由ZK4至ZK3方向逐渐增加。变化趋势与纵波反射探测结果一致。距离100~125 m、155~170 m以及190~200 m之间地震波同相轴出现反射强度变弱的现象, 说明冻结层可能存在由于冻涨和融化作用诱导形成的裂缝。反射波组R₁~R₃为泥灰岩内部反射界面反映。R₁~R₃对应同相轴横向振幅能量的变化, 推测是由于岩性横向变化或冻结层裂缝与内部裂缝连通所致。

图2

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	图2 冻土实验区地震转换波反射剖面

表2

表2

表2 转换波反射层位标定 反射波组 双程旅行时ms 叠加速度m/s ZK3(120 m) 界面埋深/m ZK4(80 m) 界面埋深/m 地质层位 3.0 3.0 冻土上限 7.0 3.5 第四系砂卵砾石 R0 50 1230 31.0 34.5 冻土下限 R1 65 1170 37.0 37.0 新近系泥灰岩内部界面 R2 94 1015 46.0 46.0 新近系泥岩内部界面 R3 115 929 48.0 48.0 新近系泥岩内部界面

表2 转换波反射层位标定

2.3 地震折射CT

由图3可得, 冻土以上地震纵波速度< 800 m/s, 冻土上限深度在横向上变化范围是3~4 m。季节冻土地震纵波速度在800~2 400 m/s之间, 季节冻土下限变化范围7~10 m, 地层岩性为青灰色砂、卵砾石, 土黄色砂砾石层在横向上分布不连续。永久冻土地震纵波> 2 400 m/s。因冻土下限地震纵波速度小于冻土层间速度。故地震折射CT探测不到冻土下限。

图3

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	图3 冻土实验区地震折射CT剖面

2.4 探地雷达

依据电磁波理论, 当电磁波遇见含水层时, 电磁波会被强烈吸收, 几乎不能穿过。而冻土下限正是冻结层与含水层分界线, 因此, 依据以上情况可以准确判断冻土下限。由图4可得, 该区域冻土下限深度变化范围30~37 m。

图4

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	图4 冻土实验区探地雷达剖面

依据电磁波反射强度, 本区30 m以上地层可划分为3层, 近地表0~2 m砂土层为强反射层; 2 m以下卵砾石及黏土层为强反射层, 底界面深度7~10 m; 泥灰岩电磁波反射强度较弱。

2.5 音频大地电磁测深(EH-4)

由图5可得, 浅部电阻率0~15 Ω · m为第四系粉砂黏土、碎石类土、卵石等, 厚度5~10 m, 与探地雷达结果一致; 电阻率大于25 Ω · m为新近系灰岩、泥灰岩, 厚度50~60 m; 电阻率小于25 Ω · m为古近系泥岩, 厚度大于100 m。冻土区电阻率变化范围20~90 Ω · m, 冻土下限深度变化范围30~40 m, 与探地雷达探测结果一致。

剖面50~100 m、350~500 m、550~700 m、750~1 000 m, 深度25~60 m, 存在薄厚不均的砂层, 为本区域冻土层间的主要含水层, 砂层横向上分布不连续。深度60 m以下地层岩性仍以第三系泥岩为主, 200~250 m深度范围内出现厚层砂岩, 厚度5~15 m, 与地震纵波勘查结果一致。

图5

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	图5 冻土实验区音频大地电磁测深反演电阻率剖面(EH-4)

2.6 高密度电阻率法

由图6可得, 冻土区电阻率较高, 电阻率变化由几百欧姆至上千欧姆。多年冻土层呈岛状分布。多年冻土上限埋深约3~4 m, 下限埋深30~35 m, 与探地雷达、音频大地电磁探测结果一致。下覆泥灰岩层电阻率较高, 大于1 000 Ω · m。

图6

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	图6 冻土实验区高密度电阻率法反演电阻率断面

综合分析以上6种地球物理勘查方法对比实验, 结合钻孔ZK3-ZK4录井资料。各种方法探测效果分析如下。

1)地震纵波反射:优点在于地层结构、冻胀裂隙、地质构造、地层岩性等精细探测; 缺点在于工作强度较大, 浅部存在一定的盲区, 对含水层探测比较薄弱。

2)地震转换波反射:可精细查明冻土层层间结构、冻胀裂隙、地质构造, 分辨率比纵波反射更高; 缺点在于工作效率较高, 强度较大, 对含水层探测比较薄弱。

3)地震折射CT:优点在于浅层分层效果好, 可精细刻画冻土上限; 缺点在于不能探测冻土下限, 工作效率较高, 强度较大。

4)探地雷达:优点在于针对0~50 m深度范围探测, 分层效果好, 可精细刻画冻土上、下限及层间结构, 工作效率高, 强度低; 缺点在于探测深度范围有限。

5)音频大地电磁测深:优点在于可探测划分地质构造、地层岩性, 并划分含/隔水层; 缺点在于强度较大, 分层效果一般。

6)高密度电阻率法:优点在于0~50 m深度范围探测, 可精细刻画冻土上、下限, 对岛状冻土探测效果较好; 缺点在于层间结构分层能力有限, 探测深度有限, 工作效率低。

实验表明各种技术方法均存在一定局限性, 因此, 针对不同目标体, 提出3种青藏高原冻土地球物理勘查组方法合模式。各种组合模式及技术参数见表3。

1)针对冻土区0~300 m范围内地层岩性、地质构造、含水层结构等探测, 建议采用地震反射波法和音频大地电磁测深法控制0~300 m地层结构、冻胀裂隙、地质构造、地层岩性、含水层结构; 结合探地雷达控制0~50 m冻结层和冻结层附近地层结构、冻胀裂隙、地层岩性等。

表3

表3

表3 冻土地球物理勘查方法组合模式 探测目标 探测深度 方法组合 技术参数 技术特点 应用方法 地层岩性、地质构造、含水层结构 0~300 m 地震反射波法 检波点距≤ 10 m, 覆盖次数≥ 12 可实现地层结构、冻胀裂隙、地质构造、地层岩性等精细探测, 工作效率较高, 强度较大 建议3种方法组合应用, 利用地震反射波法和音频大地电磁测深法控制0~300 m地层结构、冻胀裂隙、地质构造、地层岩性、含水层结构; 结合探地雷达法控制0~50 m冻结层和冻结层附近地层结构、冻胀裂隙、地层岩性 音频大地电磁测 深法(EH-4) 高频测量, 极距≤ 50 m 可实现地层结构、地质构造、地层岩性精细探测, 并划分含/隔水层, 工作效率较高, 强度较大 探地雷达 天线中心频率 ≤ 100 MHz 针对0~50 m深度范围探测, 分层效果好, 可精细刻画冻土上、下限及层间结构, 工作效率高, 强度低 冻土上下限、冻土层间结构 0~50 m 探地雷达 天线中心频率 ≤ 100 MHz 针对0~50 m深度范围探测, 分层效果好, 可精细刻画冻土上、下限及层间结构, 工作效率高, 强度低 建议根据施工条件, 选择两种以上方法组合应用, 控制0~50 m冻结层和冻结层附近地层结构、冻胀裂隙、地层岩性。探测深度大于50 m的冻土结构探测建议采用地震反射波法、音频大地电磁测深等方法 地震折射层析法 检波点距≤ 5 m, 炮间距≤ 10 m 浅层分层效果好, 可精细刻画冻土上限, 不能用于探测冻土下限, 工作效率较高, 强度较大 高密度电阻率法 道距≤ 5 m, 排列≥ 400 m 针对0~50 m深度范围探测, 可精细刻画冻土上、下限, 对岛状冻土探测效果较好, 工作效率较高, 强度较大 冻融诱导裂缝、地层结构 0~50 m 地震转换波反射法 检波点距≤ 5 m, 炮间距≤ 20 m 可精细查明冻土层层间结构、冻胀裂隙、地质构造等, 工作效率较高, 强度较大 建议根据施工条件, 选择两种以上方法组合应用, 控制0~50 m冻结层和冻结层附近地层结构、冻胀裂隙、地层岩性。冻胀裂隙与深部构造关系探测建议采用地震转换波/横波反射方法 地震折射层析法 检波点距≤ 5 m, 炮间距≤ 10 m 可精细刻画冻土上限附近冻胀裂隙, 工作效率较高, 强度较大 探地雷达 天线中心频率 ≤ 100 MHz 可精细刻画0~50 m冻土上、下限及层间结构, 工作效率高, 强度低

表3 冻土地球物理勘查方法组合模式

2)针对冻土区0~50 m范围冻土上下限、冻土层间结构等探测, 建议采用探地雷达、地震折射层析法、高密度电阻率法, 控制0~50 m冻结层和冻结层附近地层结构、冻胀裂隙、地层岩性。探测深度大于50 m的冻土结构探测建议采用地震反射波法。

3)针对冻土区0~50 m范围冻融诱导裂缝、地层结构等探测, 建议采用地震转换波反射法、地震折射层析法、探地雷达法。

通过开展青藏高原冻土典型区索南达杰保护站6种地球物理勘查方法试验效果分析, 针对冻土区地层岩性、冻土结构、构造、含水层结构、冻土上下限及冻胀裂缝等, 提出了3种冻土地球物理勘查方法组合模式, 此结论可为今后青藏高原冻土地球物理勘查提供技术支持。