利用高密度电阻率法进行多年冻土探测的研究与应用

杜海双, 王书明, 宋庆元, 周传芳, 殷启春, 张天恩, 孙桐. 利用高密度电阻率法进行多年冻土探测的研究与应用[J]. 地质与资源, 2024, 33(3): 339-348. doi: 10.13686/j.cnki.dzyzy.2024.03.009
引用本文: 杜海双, 王书明, 宋庆元, 周传芳, 殷启春, 张天恩, 孙桐. 利用高密度电阻率法进行多年冻土探测的研究与应用[J]. 地质与资源, 2024, 33(3): 339-348. doi: 10.13686/j.cnki.dzyzy.2024.03.009
DU Hai-shuang, WANG Shu-ming, SONG Qing-yuan, ZHOU Chuan-fang, YIN Qi-chun, ZHANG Tian-en, SUN Tong. RESEARCH AND APPLICATION OF PERMAFROST DETECTION BASED ON ELECTRICAL RESISTIVITY TOMOGRAPHY[J]. Geology and Resources, 2024, 33(3): 339-348. doi: 10.13686/j.cnki.dzyzy.2024.03.009
Citation: DU Hai-shuang, WANG Shu-ming, SONG Qing-yuan, ZHOU Chuan-fang, YIN Qi-chun, ZHANG Tian-en, SUN Tong. RESEARCH AND APPLICATION OF PERMAFROST DETECTION BASED ON ELECTRICAL RESISTIVITY TOMOGRAPHY[J]. Geology and Resources, 2024, 33(3): 339-348. doi: 10.13686/j.cnki.dzyzy.2024.03.009

利用高密度电阻率法进行多年冻土探测的研究与应用

  • 基金项目:
    中国地质调查局项目“大兴安岭山区生态地质调查”(DD20191014);“小兴安岭黑河地区自然资源综合调查”(DD20230504)
详细信息
    作者简介: 杜海双(1990—),男,工程师,主要从事地球物理勘探工作,通信地址 黑龙江省哈尔滨市南岗区保健副路1号,E-mail//cug_dhs@126.com
    通讯作者: 王书明(1966—),男,教授,主要从事电(磁)法理论和应用研究,通信地址 湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号,E-mail//whwsm@hotmail.com
  • 中图分类号: P642.14;P631.3

RESEARCH AND APPLICATION OF PERMAFROST DETECTION BASED ON ELECTRICAL RESISTIVITY TOMOGRAPHY

More Information
  • 多年冻土退化后,融区周期性冻结和融化作用会严重损害输油管道的稳定性. 为查明原油管道埋设区多年冻土分布、发育现状,计划分别采用二维、三维高密度电法进行探测. 为了进一步研究高密度电法不同探测方式的有效性和冻土的电阻率响应特征,首先在管道下部空间建立未融化、半融化、贯穿融化3种模型,采用EarthImager 2D和EarthImager 3D软件进行有限单元法正演和圆滑约束的最小二乘法反演; 随后根据数值模拟结果,对比研究3种模型电阻率响应特征及反演结果的差异性,总结二维、三维高密度电法勘探效果; 最后利用勘探实例进一步验证. 结果表明,高密度电法在多年冻土探测领域是一种行之有效的方法: 二维高密度电法对未融化、贯穿融化探测效果优于半融化状态; 三维高密度电法采集数据更加丰富,目标体形态展示更加直观精细,反演结果更加接近理论模型,适用各种冻土融化状态. 野外实例进一步验证了数值模拟结果,三维高密度电法的应用也对多年冻土精细探测领域提供了新思路.

  • 加载中
  • 图 1  温纳装置电极排列方式

    Figure 1. 

    图 2  三维高密度电法电极排列方式

    Figure 2. 

    图 3  三维高密度电法数据采集方式

    Figure 3. 

    图 4  高密度电阻率法二维模型及反演结果

    Figure 4. 

    图 5  不同融化状态冻土三维模型

    Figure 5. 

    图 6  高密度电法不同融化状态三维模型反演结果

    Figure 6. 

    图 7  高密度电法施工布置图

    Figure 7. 

    图 8  二维高密度电法测量电阻率反演断面图

    Figure 8. 

    图 9  三维高密度电法测量电阻率反演图

    Figure 9. 

    图 10  三维高密度电法测量电阻率反演切片图

    Figure 10. 

    图 11  三维高密度电法测量电阻率反演等值面图

    Figure 11. 

    表 1  冻土区第四系冻土电阻率统计表

    Table 1.  Resistivity statistics of the Quaternary permafrost in permafrost region

    岩性 含冰量 电阻率/Ωm
    冻结 非冻结
    黏性土 少冰冻土 200~400 20~100
    多冰冻土 400~900
    富冰冻土 900~2000
    饱冰冻土 2000~5000
    含土冰层 >5000
    据文献[11].
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    表 2  不同温度下岩心电阻率统计表

    Table 2.  Statistics of core resistivity at different temperatures

    样品编号 采样深度/m 岩性 电阻率/Ωm
    常温 -3~ -5 ℃ -15~ -18 ℃
    4-1 10.10 泥岩 857.9 3133.5 15733.1
    4-2 14.35 粉细砂岩 1829.7 6677 33261
    1-1 23.3 中细粒长石岩屑砂岩 3182.8 11351.6 72129.9
    1-2 28.15 粉砂质泥岩 2578.2 17999.2 34647.2
    1-3 42.05 粉砂岩 2426.7 9209.7 30603.4
    1-4 65.05 粉细砂岩 3197.5 14440.5 29379.3
    1-5 78.7 细粒岩屑砂岩 3926.2 17713.2 32321
    1-6 83.85 中粒岩屑砂岩 2885.1 13353.6 42678.3
    据文献[13, 20].
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    表 3  二维反演过程收敛误差统计表

    Table 3.  Statistics of convergence error in 2D inversion process

    模型 迭代次数 1 2 3 4 5 6
    未融化 拟合误差/% 21.43 13.41 3.03 2.44 2.13 1.94
    二阶范数L2 114.77 44.93 2.30 1.48 1.13 0.94
    半融化 拟合误差/% 20.77 13.29 2.63 2.31 2.08 1.92
    二阶范数L2 107.89 44.17 1.78 1.33 1.08 0.92
    贯穿融化 拟合误差/% 20.27 12.83 2.81 2.38 2.11 1.86
    二阶范数L2 102.72 41.18 1.97 1.42 1.11 0.87
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    表 4  三维反演过程收敛误差统计表

    Table 4.  Statistics of convergence error in 3D inversion process

    模型 次数 1 2 3
    未融化 拟合误差/% 13.8 5.4 4
    二阶范数L2 5.3 1.1 0.6
    半融化 拟合误差/% 14.7 5.7 3.8
    二阶范数L2 7.7 1.2 0.6
    贯穿融化 拟合误差/% 5.1 3.5
    二阶范数L2 1.3 0.5
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出版历程
收稿日期:  2023-05-31
修回日期:  2023-06-08
刊出日期:  2024-06-25

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