评估ERT（电阻率层析成像）与MASW（面波谱分析）地球物理方法在突尼斯东北部古代沟谷侵蚀测绘中的应用

《Journal of Applied Geophysics》：Assessing ERT and MASW geophysical methods for mapping ancient gully incisions in northeastern Tunisia

　　

•排水网络是控制坡面土地形态的关键因素。•研究了被填塞的古代冲沟切迹。•对比了多道面波分析（MASW）和经典电阻率层析成像（ERT）在界定古代冲沟切迹方面的效果。•MASW在定位古代冲沟切迹方面效果显著。

引言

排水网络是流域的重要组成部分，因为它能截留来自上游坡面的径流，分配水分，影响地貌过程的类型和强度，并组织沉积物和营养物质的输运（Nyberg等，2018；Jensen等，2019）。该网络可能源于自然形成，主要由水的反复集中侵蚀作用形成，极端情况下形成冲沟；也可能是人工开凿的沟渠。随着时间的推移，与排水网络相关的沉积物和周围土壤会因特定的成土过程而发生变化（Vaughan等，2008；Dollinger等，2018）。尽管排水网络的组成部分在流域中水分和物质的再分配中起着至关重要的作用，但这些要素很少被研究。

在地中海丘陵农业流域的上部，坡面上部的现行网络主要由功能性永久冲沟组成（Poesen等，2003），可能产生局部的恶地景观（Rengers等，2016）。排水网络是流域的动态特征（Jensen等，2019），这意味着现行网络是随时间推移而发生的众多土地形态过程演替的结果，其中包括可能曾经到达母质（PM）的线性切迹。由于坡面上的排水网络通常是由溯源侵蚀形成的，因此古代排水网络的部分切迹可能被上游的连续沉积物和侧向的坡积过程逐步填塞。连续沉积物的性质和厚度的特征描述是重建上游流域千年长期侵蚀的关键要素，并探索自然和人为驱动力的相互作用（Dotterweich等，2013；Pe?uela等，2023）。特别是，这些特定土壤与母质（即基岩或风化残积物）之间边界的形状和垂直位置对于以下方面至关重要：i）评估土壤中土壤深度的景观变化，从而评估碳储量或有效持水量等关键特性的变异性；ii）识别古代冲沟切迹，这是理解坡面土壤形成长期主要过程的关键要素。

对土壤与母质之间边界的精细详细表征有助于识别古代冲沟切迹。事实上，在古代冲沟切迹的情况下，边界的深度在坡面上可能会有剧烈变化，而在标准坡积情况下，则预期边界较为平滑。通过钻孔和土壤剖面进行的传统观测耗时且费力，在形状陡峭、土壤非常深（深度超过5米）和侧向变异性大的情况下可能不够充分。

地球物理方法在土壤科学和地貌学研究中被广泛使用，以确定土壤与母质之间边界的深度。例如，电阻率层析成像（ERT）在花岗岩或喀斯特环境中的使用已被成功验证，其中土壤（5–100 Ω·m）与基岩（500–10,000 Ω·m）之间极高的电阻率对比可以被利用（Beauvais等，1999；Zhou等，2000；Conway-White等，2023）。Chambers等（2012）也成功确定了两层之间具有对比电阻率的边界深度，但这次是高电阻率冲积阶地土壤位于低电阻率泥岩基岩之上。ERT的使用还使人们能够识别边界滑体边界，划分电阻率略有对比的岩层（Marciniak等，2021），而在农业地中海背景下，只有在时序ERT和多道面波分析（MASW）调查相结合的情况下，才能实现可接受的土壤深度预测（Coulouma等，2012）。

地震方法的应用为ERT在地下勘探中提供了有价值的替代方案。在各种地震技术中，多道面波分析（MASW）方法在过去二十年间由Park等人（1999a，1999b，2000）不断发展，因其在检测地下结构（如土壤层之间的边界和土壤向基岩的过渡）方面的能力而在土壤科学领域日益受到关注。例如，Samyn等（2012）利用MASW在农业环境中成功划分了土壤层和基岩边界，展示了该方法在土地利用管理和土壤分类方面的辅助能力。Coulouma等（2012）将MASW应用于评估农田中土壤深度的变化，为计算土壤有效持水量和关键区的总体认识提供了重要见解（Brantley等，2006）。最近，Al-heety等（2021）通过比较两种方法来研究增强地下特征描述，展示了MASW和ERT的互补性。他们的综合方法允许对地下进行更全面的评价，将MASW获得的力学信息与ERT提供的电学数据相结合，这在复杂的土壤环境中尤其有益。同样，Tourei等（2024）也使用MASW和ERT来表征冻土局部空间变异性和垂直非均质性。ERT对近地表边界（1–3米）有效，而MASW则探测到更深的含冰层（高速）和因人类活动（如道路和桩基础）造成的侧向扰动（低速）。

然而，当这些方法应用于研究古代冲沟切迹等侵蚀特征时，会面临若干挑战。一个主要困难是由古代冲沟造成的土壤与下方母质之间不规则的地下边界，这破坏了岩层的侧向规则性。现行排水网络中通常发生在短距离内的地表地形剧烈变化，进一步增加了数据采集和解释的复杂性。侵蚀特征的复杂几何形状可能在反演过程中引入显著误差，而反演过程依赖于地下条件相对连续的假设。

本研究的主要目标是评估ERT和MASW方法在确定母质深度（PMD）方面的有效性，特别是在现行排水网络所在的区域，那里最有可能发现古代冲沟切迹。最终目标是绘制土壤与母质之间的边界，以识别古代冲沟切迹。位于突尼斯东北部的卡梅赫流域被选为研究区域，以评估地球物理方法在界定土壤与母质之间高度可变的边界方面的有效性，特别是在坡面上跨越排水网络的情况下。这种需要识别的边界的小尺度变异性，以及崎岖的地表地形，对MASW反演和电阻率反演提出了重大挑战，从而对其预测母质深度的适用性提出了质疑。此外，坡积土壤与其下方的风化残积物或基岩之间的极低电阻率对比进一步增加了结果解释的复杂性。这些因素使卡梅赫流域成为评估地球物理方法在此类挑战性环境中的理想地点。

分节摘要

研究区描述

卡梅赫试验流域（X = 586,500，Y = 397,200，EPSG:22391）位于突尼斯东北部的卡普邦半岛。它是土壤和水资源基础设施长期监测（https://www.obs-omere.org/，Molénat等，2018）和名为OZCAR的关键区观测站（https://www.ozcar-ri.org/，Gaillardet等，2018）的一部分。气候为半干旱气候，25年间年平均降雨量为645毫米，但分布不均。ERT数据处理

ERT测量可能受到测量误差带来的不确定性影响，例如电极接触不良导致高电阻，或土壤异质且电学噪声大。下载测量的电阻率数据后，我们使用X2ipi工具箱（https://x2ipi.ru/program/how-to）编辑数据，以评估现场数据并识别需要删除的异常测量值。我们使用该软件检查一维数据的均匀性。我们通过删除来执行过滤。

观测到的母质深度和石膏特征

观测到的母质深度在50米剖面沿线变化在1米到5米以上之间（图4）。这些结果证实了母质深度短程变异性的高水平。较低的母质深度主要对应于A剖面中现行谷底的东北侧以及C剖面的西南和东北部分。较大的母质深度大致对应于B和C剖面中现行谷底的中心。母质深度的变异性在A剖面中似乎不同，在现行谷底的西南侧母质深度较大。

排水网络下方土壤和母质的特殊情况

本研究的关键焦点是土壤与母质之间边界的深度和侧向形态。母质是根据FAO土壤描述WRB指南（FAO，2006）和本地特定标准定义的，参考了当地地质基底的主要特性（即中新世泥岩）。这些标准与Juilleret等（2016）所用标准相似，以更好地界定具有特定物理特性关注点的母质。虽然未将其归为硬基岩。

结论

在本工作中，我们测试了两种广为人知的地球物理技术——ERT和MASW，试图识别和界定被沉积物填充的古代冲沟。该方法是通过界定土壤与母质之间的阈值，并分析母质中的局部加深来识别古代切迹。调查在现行排水网络的紧邻区域进行。必须克服两个主要挑战。首先，C地点地表地形的高变异性。

CRediT作者贡献声明

Guillaume Coulouma：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式化分析、数据整理、概念构思。Hajer Azaiez：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、验证、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、形式化分析、数据整理。Hakim Gabtni：软件、资源。利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告的工作。致谢

本研究由LMI（法突国际联合实验室）NAILA和INRAE-IRD资金共同支持。本研究受益于OMERE和OZCAR基础设施，作者感谢Kilani Ben Hazzez在卡梅赫试验站点的帮助。作者特别感谢接受重度土壤调查的农民们。

Guillaume Coulouma | Hajer Azaiez | Hakim Gabtni | Radhouane Hamdi | Oussama Kortas | Damien Raclot