CN112255703B - 一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，具体涉及地球化学地球物理勘探领域。该方法通过调查研究区目标湖周围地面物性，结合微地貌技术得到研究区的地形相对高差分布图，采用低频探地雷达探测研究区得到雷达波瞬时频率谱，分析冻土层断层、断裂成因，再利用音频大地电磁测深仪测量研究区得到冻土底板厚度图，分析研究区内的冻土分布情况，确定目标湖底深部的断裂构造，最后基于地球化学探测技术绘制研究区的土壤甲烷气含量分布图，根据土壤甲烷气含量值的分布情况确定目标湖为基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖。本发明均采用地面测量识别技术，简单易行，实现了有效识别基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖。

Description

一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法
技术领域
本发明涉及地球化学地球物理勘探领域，具体涉及一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法。
背景技术
青藏高原湖塘种类包括热喀斯特湖、构造湖、风成湖和冰川作用形成的湖等，全区湖塘面积占我国湖塘面积总数的37.2％，各类湖塘的形成和演变均受到高原特殊地质地理因素的控制。高原热喀斯特湖的产生发展与寒区生态环境、水资源及寒区工程密切相关，目前，在全球气候变化和人类工程活动的影响下，青藏高原多年冻土长期处于退化过程，导致区域性冻土环境的改变，引起以高原热喀斯特湖为代表的热融现象广泛发育，最终导致土地退化、冻融侵蚀不断加剧、水源涵养功能降低、草场退化、地下有机气体释放等一系列生态环境问题和地质灾害问题，所以如何识别高原湖塘种类，特别是高原热喀斯特湖类型的识别，是一项亟待解决的科学技术。
根据湖底下方冻土层熔融状态，我国高原热喀斯特湖主要分为贯穿型和非贯穿型，识别方法一般为现场勘查、卫星遥感和地温监测等，具体识别特征及使用仪器如表1所示。
表1常见热喀斯特湖识别方法
Figure GDA0002762401320000011
高原热喀斯特湖勘探技术手段主要包括湖缘地质情况收集、地球物理仪器对湖面下方形态的探测、湖心气体采集等，其中，主要识别特征包括：通过地面现场勘查发现湖周缘出现的坍塌现象，湖周边岩性为亚粘土、亚砂土及粉细砂，沼泽化湿地以腐殖质及淤泥为主；利用地球物理仪器探测推断湖底形态，判断湖与冻土间的熔融结构，通过卫星遥感圈定“线条状”热喀斯特湖群，定期监测热喀斯特湖群的面积及形状变化；通过地温监测探查湖底冻土温度变化，确定湖与冻土之间是否存在贯穿关系。
采用上述综合识别方法的原理是根据热喀斯特湖的地面地质情况与探测仪器相结合，识别湖面下方2-5m深度处地质结构，探测湖底地层与冻土上限界面层的熔融状态，并配合地温监测进行验证。
综上所述，现阶段对于高原热喀斯特湖的识别主要采用综合空中-地面-湖底探测的识别方法，该方法成本较高，识别周期耗时长，需要携带多种仪器设备，并且该方法仅能针对贯穿型和非贯穿型热喀斯特湖进行有效识别，因此，亟需提出一种新的高原热喀斯特湖识别方法。
发明内容
本发明针对现有高原热喀斯特湖识别技术周期长、操作复杂、识别困难的问题，提供了一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取研究区，分析研究区内目标湖周围的地面物性，结合微地貌技术，以研究区内目标湖心为圆心，设置实时动态测量系统的测量半径及测量点距，利用实时动态测量系统测量地形，绘制研究区的地形相对高差分布图；
步骤2，基于低频探地雷达探测技术，利用低频探地雷达探测研究区，获得研究区地层的雷达波瞬时频率谱，结合目标湖湖面下方冻土层的雷达波瞬时频率谱，分析冻土层中断层和断裂的成因；
步骤3，基于音频大地电磁测深技术，利用音频大地电磁测深仪探测研究区，得到研究区的冻土底板厚度图，根据冻土底板厚度图分析研究区内冻土层的发育情况及分布特征，确定目标湖底处的深部断裂构造；
步骤4，基于地球化学探测技术，在研究区内设置多个采样点，利用土壤分析采样仪采集各采样点处的顶空间气体样品，获取各采样点处的甲烷气含量，绘制研究区的土壤甲烷气含量分布图，通过分析研究区内土壤甲烷气含量值的分布情况，确定目标湖为基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖；
步骤5，根据研究区的土壤甲烷气含量分布图，确定高原热喀斯特湖发育阶段与气体逸散程度间的关系。
优选地，所述步骤1中，实时动态测量系统的测量半径为1km，测量点距为1.5m。
优选地，所述步骤2中，目标湖雷达波瞬时频率谱显示湖岸下方地层测量的雷达波瞬时频率谱呈明显的烟囱状反射形态。
优选地，所述步骤2中，低频探地雷达基于HHT方法的弱信号提取技术进行数据处理，中心工作频率为5～15MHz，采样率为100Mbps，收发方式为光纤同步，收发距为2～10m，测量方式为点测或连续测量，采样点数为256～4096，采样频率为0.5GHz。
优选地，所述步骤3中，音频大地电磁测深仪采用五分量张量观测，采样点距为50～100m，采样频段为10000～1Hz，电极距为50～100m，记录时长大于40分钟，测量施工应选择夏季阴天或多云天气，测量施工应在中午12点后进行。
优选地，所述步骤4中，顶空间气体样品采集过程中，向预装有200ml饱和盐水的试剂瓶中装入土壤样品，继续向试剂瓶中注入饱和盐水，直至试剂瓶内液面升至400ml刻度线处，将试剂瓶瓶口密封，倒置试剂瓶，保存土壤样品中的顶空间气体。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，实现了基于气体逸散识别高原热喀斯特湖，综合现场地层物性调查与微地貌测量、地球物理探测技术、地球化学探测技术，确定地下气体逸散现象发生与高原热喀斯特湖形成间的关系；本发明所有测量过程均采用地面测量识别技术，测量成本低，测量操作简单易行；本发明方法为识别高原热喀斯特湖提供了新思路，有利于高原热喀斯特湖周围区域甲烷浓度和冻土层厚度的监测，为高原喀斯特湖区域的生态管护提供了技术支撑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
以中国青藏高原祁连山冻土区为例，采用本发明提出的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法识别高原热喀斯特湖，具体包括以下步骤：
步骤1，选取中国青藏高原祁连山冻土区作为研究区，该区域内分布有多个不同常见贯穿型和非贯穿型的热喀斯特湖，选取热喀斯特湖AJ作为目标湖，通过对目标湖周围进行勘探观察，发现目标湖的湖岸边缘处存在坍塌迹象，夏季热喀斯特湖AJ水下发育有气泡，湖AJ所在周边200～300m区域处存在多出冷泉，冬季湖面结冰后可见多数呈聚集分布的“脊柱状”气泡，目标湖AJ周边覆盖有大面积的高原草甸，湖周边附近20m处伴生有丘状隆起，隆起高度高达10m，平面延伸近1km；目标湖AJ周围30m范围内地表散落有一定数量的大块砾石和岩石碎块，通过对地表砾石和岩石碎块进行岩性分析，发现地表处的大块砾石和岩石碎块与地下十多米深度处的地层岩性相似，结合研究区盛产煤的特点，得到由于地层底部气体在受压超临界状态后逸散到地表将地下岩石带到地表，使得目标湖AJ周围地表处存在大块砾石和岩石碎块；
基于微地貌技术，在研究区内以目标湖AJ的湖心为圆心，采用国产华测GPS X93/X900实时动态测量系统测量研究区的地形，设置实时动态测量系统的测量半径为1km，测量点距为1.5m，根据实时动态测量系统测量的地形情况，绘制研究区的地形相对高差分布图。
步骤2，基于低频探地雷达探测技术，设置低频探地雷达的中心工作频率为12.5MHZ，发射峰值功率为1KW，系统动态范围为215db，接收机灵敏度为130dbm，采样点数为256～4096，采样率为100Mbps，收发方式为光纤同步，收发距为2～10m，测量方式为点测或连续测量，采样频率为0.5GHz，低频探地雷达基于HHT方法的弱信号提取技术进行数据处理，最大探测深度为250m；
利用低频探地雷达探测研究区，获得研究区地层的雷达波瞬时频率谱，结合目标湖湖面下方冻土层的雷达波瞬时频率谱，发现AJ湖两侧剖面呈现U型，U型最深处为距离地表6.2m处，湖岸下方8～50m深度处雷达波同向轴出现波形反转现象，呈现明显的烟囱状反射形态，根据研究区地层的雷达波瞬时频率谱，发现地层局部发育有高角度的断层或断裂，这些断层或断裂的形成由于地层间断处气体逸散导致的，烟囱状结构的两侧边缘出现有瞬时频率，证明烟囱结构为地层中气体向上运移的边界，地层中存在的铅直断裂并不是岩体入侵造成的，二是气体运移造成的。
步骤3，基于音频大地电磁测深技术，采用音频大地电磁测深仪进行测量，音频大地电磁测深仪采用五分量张量观测，采样点距为50～100m，采样频段为10000～1Hz，电极距为50～100m，记录时长大于40分钟，测量施工应选择夏季阴天或多云天气，测量施工应在中午12点后进行；
利用音频大地电磁测深仪探测研究区，得到研究区的冻土底板厚度图，音频大地电磁测深仪测量的电阻率与冻土厚度成正比例，通过分析冻土底板厚度可知，AJ湖所在的研究区整体永冻土厚度以60～120m居多，平均厚度约为94m，研究区内永冻土厚度相对较厚，冻土层发育相对均匀，整体呈现出北厚南薄的分布特征，目标湖AJ湖位于研究区中部偏南的位置，湖下方电阻率显示为低阻，湖边缘周围冻土厚度约为70m，相对于整个试验区属于薄层，音频大地电磁测深显示湖体下方深处存在有一条东南走向的深部断裂，因此AJ湖湖底的塌陷结构、管状烟囱状结构都对冻土的稳定性起到了破坏作用，导致研究区冻土变薄的主要因素为地层的气体逸散和深部断裂构造。
步骤4，基于空气地球化学探测技术，在研究区内设置多个采样点，利用土壤分析采样仪采集各采样点处的顶空间气体样品，获取各采样点处的甲烷气含量，绘制研究区的土壤甲烷气含量分布图，通过分析研究区内土壤甲烷气含量值的分布情况，得到研究区内土壤甲烷含量高值区位于AJ湖附近，确定目标湖为基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖，并且AJ湖附近具有相同地质结构的DD湖和LR湖周围显示未土壤甲烷含量次高区，因此确定研究区土壤甲烷气含量的分布差异与热喀斯特湖的发育阶段有关。
步骤5，根据研究区的土壤甲烷气含量分布图，进一步分析高原热喀斯特湖发育阶段与气体逸散程度间的关系，发现AJ湖处于发育期，并且即将接近成熟阶段，冻土下方水合物分解，大量气体向上运移逸散，而DD湖和LR湖处于形成期或衰退期，气体逸散程度较弱，气体逸散程度直接反应了高原热喀斯特湖的发育阶段。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取研究区，分析研究区内目标湖周围的地面物性，结合微地貌技术，以研究区内目标湖心为圆心，设置实时动态测量系统的测量半径及测量点距，利用实时动态测量系统测量地形，绘制研究区的地形相对高差分布图；
步骤2，基于低频探地雷达探测技术，利用低频探地雷达探测研究区，获得研究区地层的雷达波瞬时频率谱，结合目标湖湖面下方冻土层的雷达波瞬时频率谱，分析冻土层中断层和断裂的成因；
步骤3，基于音频大地电磁测深技术，利用音频大地电磁测深仪探测研究区，得到研究区的冻土底板厚度图，根据冻土底板厚度图分析研究区内冻土层的发育情况及分布特征，确定目标湖底处的深部断裂构造；
步骤4，基于地球化学探测技术，在研究区内设置多个采样点，利用土壤分析采样仪采集各采样点处的顶空间气体样品，获取各采样点处的甲烷气含量，绘制研究区的土壤甲烷气含量分布图，通过分析研究区内土壤甲烷气含量值的分布情况，确定目标湖为基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖；
步骤5，根据研究区的土壤甲烷气含量分布图，确定高原热喀斯特湖发育阶段与气体逸散程度间的关系。
2.如权利要求1所述的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，所述步骤1中，实时动态测量系统的测量半径为1km，测量点距为1.5m。
3.如权利要求1所述的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，所述步骤2中，目标湖雷达波瞬时频率谱显示湖岸下方地层测量的雷达波瞬时频率谱呈明显的烟囱状反射形态。
4.如权利要求1所述的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，所述步骤2中，低频探地雷达基于HHT方法的弱信号提取技术进行数据处理，中心工作频率为5～15MHz，采样率为100Mbps，收发方式为光纤同步，收发距为2～10m，测量方式为点测或连续测量，采样点数为256～4096，采样频率为0.5GHz。
5.如权利要求1所述的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，所述步骤3中，音频大地电磁测深仪采用五分量张量观测，采样点距为50～100m，采样频段为10000～1Hz，电极距为50～100m，记录时长大于40分钟，测量施工应选择夏季阴天或多云天气，测量施工应在中午12点后进行。
6.如权利要求1所述的一种基于气体逸散成因的高原热喀斯特湖识别方法，其特征在于，所述步骤4中，顶空间气体样品采集过程中，向预装有200ml饱和盐水的试剂瓶中装入土壤样品，继续向试剂瓶中注入饱和盐水，直至试剂瓶内液面升至400ml刻度线处，将试剂瓶瓶口密封，倒置试剂瓶，保存土壤样品中的顶空间气体。
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