高密度電法在西嶺雪山蓄水池穩定性探測中的應用

譚大龍，庹先國，趙思維

(成都理工大學 先達工作室，四川成都610059)

高密度電法在西嶺雪山蓄水池穩定性探測中的應用

譚大龍，庹先國，趙思維

(成都理工大學 先達工作室，四川成都610059)

通過對待建西嶺雪山蓄水池工區進行的淺層勘測，對工區覆蓋層與基巖電性差異和裂隙異常特征研究，并與鉆孔資料進行比對、校正。結果表明，工區范圍內的覆蓋層與基巖，以及裂隙與圍巖存在明顯電性差異。經過軟件反演后的測線視電阻率異常特征和斷面，清晰地反映出地下基巖起伏和裂隙地下延展分布、地下埋深情況，進而可圈定不良地質體規模，為待建蓄水池提供了地質依據。

高密度電法;覆蓋層厚度;裂隙

0 前言

高密度電阻率法是工程地球物理勘探的主要方法，作為輕便、快捷、經濟有效的工程地質勘探與地下工程質量檢測手段，高密度電阻率法已被國內、外工程界所共識。由于它是一種以研究地下介質體的電阻率差異為地球物理基礎，集電剖面和電測深為一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面測量的一種電阻率勘查技術。同時加上計算機數據處理與成像技術，又把大量煩瑣的數據計算，成像處理變得快速準確，大大提高了探測效率和成功率，因此該方法與其它物探方法相比，具有更強的優越性。目前在金屬與非金屬礦產、地質、構造、水文地質、工程地質災害、考古、巖溶洞穴景觀資源調查等各領域中，該方法都得到了廣泛地推廣應用，解決了諸多實際問題，產生了很大的社會效益及經濟效益。

1 高密度電法的工作原理及方法

1．1 工作原理

高密度電阻率法是常規電阻率法的一個變種，就其原理而言，與常規電阻率法完全相同，仍然以巖石、礦石的電性差異為基礎，通過觀測和研究人工建立的地下穩定電場的分布規律，來解決礦產資源、環境和工程地質問題。當人工向地下加載直流電流時，在地表利用相應儀器觀測其電場分布，通過研究這種人工施加電場的分布規律，來達到要解決地質問題的目的，研究在施加電場的作用下，地層中傳導電流的分布規律。在求解其電場分布時，理論上一般采用解析法，其電場分布滿足式(1)的偏微分方程:

其中x0、y0、z0為電場點坐標;x1、y1、z1為源點坐標。當x0≠x1、y0≠y1、z0≠z1時，即只考慮無源空間時，式(1)變為拉普拉斯方程:▽2U。但是在復雜條件下，無法求得拉氏方程的解析解，因此主要是采用各種數值模擬方法。例如:二維地電模型使用點源二維有限元法，三維地電模型則使用有限差分法等來解決上述問題。

高密度電阻率法在工作時，與常規電阻率方法在原理上是一樣的。電阻率的求取通過給AB極供電I，利用MN測量電位差▽V而獲得。在實際中，通*過式(2)可以求得測點x處的視電阻率值。

目前的高密度電阻率法，實際上是多種排列的常規電阻率法與資料自動處理相結合的一種綜合方法。

1．2 工作方法

高密度觀測系統包括數據的采集和資料處理二部份，在現場測量時，只需要將全部電極設置在一定間隔的測點上，觀測密度遠比常規的電阻率法大，一般從1 m～10 m。采用多芯電纜連接到程控式多路電極開關上，電極開關是一種由單片機控制的電極自動轉換裝置，可以根據需要自動進行電極裝置形式、極距及測點的轉換。其野外采集示意圖如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法勘探系統示意圖Fig．1 High-density resistivity prospecting system diagram

溫納α裝置:根據電極排列特點是A、M、N、B(其中A、B為供電電極，M、N為測量電極)，AM=MN=NB為一個電極間距，A、M、N、B逐點同時向右移動，得到第一條剖面;接著AM、MN、NB增大一個電極距，A、M、N、B逐點同時向右移動，得到另一條剖面。這樣不斷掃描測量下去，可以得到倒梯形斷面，數據圖形的排列方式為倒梯形(見圖2)。

高密度原始數據格式經轉換后，首先對數據進行預處理，包括剔除壞數據，并對發生嚴重畸變的數據采用內插值方法處理;然后建立地形模型進行地形校正。正演計算時采用三種不同的方法進行正演，對比三種效果，選擇最優正演結果，采用圓滑約束最小二乘法反演迭代生成反演圖像。

2 工區勘探

2．1 勘察背景

西嶺雪山蓄水池位于大邑縣西嶺鎮境內，距西嶺鎮22 km，距大邑縣城約45 km，屬于龍門山南端。在地貌上屬中山區～高中山區，地勢南西高，北東低，起伏較大，地貌形態主要為高山及陡坡，山脊和溝谷相間發育，在地表徑流侵蝕作用下，沖溝快速、強烈下切，多為“V”字型，海拔高程1 350 m～1 700 m，高差約350.00 m。為了查清工區范圍內在5·12震后圍巖構造發育情況，查明基巖埋深以及斷層或裂隙的情況，作者對該工區開展了高密度電法勘探，取得了較好的效果，為工區修建蓄水池提供了指導依據。根據實際勘測，測得工區范圍內各介質電阻率參數范圍，為高密度電法勘測奠定了基礎，具體數據如表1所示。

表1 工區內各介質的電阻率參數表Tab．1 The resistivity of the variousmedia in working area

2．2 測線布置

圖2 溫吶α數據采集圖Fig．2 WNαdata collection chart

為了查明工區地下地質體的狀況，結合實際情況，作者采用了溫納α裝置，按由南向北的方向平行地布置了四條測線，其中間距為20m，點距為2m。對每個裝置數據采集多次，并取效果比較好的一次作為最終的結果，保證了數據采集的可靠性。具體測線布置情況如圖3所示。

2．3 勘察效果及解譯

從圖4中可以清晰地反映出所測斷面電性的變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

圖3 測線布置示意圖Fig．3 Schematic layout of suvey line

(1)測線以高視電阻率為背景值，范圍在40Ω·m～2 000Ω·m之間;在測線0 m～50 m，埋深在3 m～5 m，在測線70 m～170 m，埋深在6 m～8 m，視電阻率約為60Ω·m～200Ω·m，推測可能為素填土、粘土、碎石土等含水的低阻覆蓋層。

(2)因基巖的含水率較低，反應出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從圖5中可以清晰地反映出所測斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

(1)測線以高視電阻率為背景值，范圍在30Ω·m～2 000Ω·m之間。從圖5可以看出，覆蓋層厚度增加了，且含水量增大，埋深約為9 m～11 m，視電阻率約為30Ω·m～150Ω·m。

(2)在測線100 m處，開始出現向下延伸的低阻異常條帶，推測其可能因斷層或裂隙含水所致，視電阻率在50Ω·m～150Ω·m。

(3)埋深在10 m～20 m左右，出現視電阻率在200Ω·m～400Ω·m之間的不連續區域，推測可能為表層的高含水率侵蝕、風化基巖，而形成低視電阻率的表層破碎的基巖。

(4)因基巖的含水率較低，反應出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從下頁圖6中可以清晰地反映出所測斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

(1)成果圖背景視電阻率值偏低，范圍在30Ω·m～1 000Ω·m左右。從圖6可以看出，覆蓋層厚度進一步增加，埋深約為8 m～12 m，視電阻率約為0Ω·m～150Ω·m。

圖4 測線視電阻率成果圖Fig．4 The results of apparent resistivity survey line

圖5 測線視電阻率成果圖Fig．5 The results of apparent resistivity survey line

(2)在測線100 m處開始出現向下延伸的低阻異常條帶，推測其可能為斷層或裂隙含水所致，視電阻率在50Ω·m～150Ω·m。

(3)埋深在10 m～20 m左右，出現視電阻率在200Ω·m～350Ω·m間的不連續區域，推測可能為表層的高含水率侵蝕、風化基巖，而形成低視電阻率的表層基巖破碎。

(4)因基巖的含水率較低，反應出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從圖7中可以清晰地反映出所測斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況，可以分析得出巖性電阻率參數和覆蓋層厚度分別為:

(1)測線以高視電阻率為背景值，范圍在40Ω·m～2 000Ω·m左右。

(2)從圖7可以看出，包含素填土、粘土、碎石土等含水低阻覆蓋層厚度急劇減小，且含水率降低，埋深約為6 m～8 m，視電阻率約為50Ω·m～150Ω·m。

(3)在測線100 m處的斷層或裂隙已經消失。

3 勘測結果與鉆孔資料對比

本次高密度勘探是與鉆探同時進行的。因此，得出了該工區各巖性視電阻率的對應范圍，根據鉆孔內巖性的深度，對高密度電法剖面巖性分層情況進行了校正，提高了工區高密度電法勘探的精度。在測線XL－3上有鉆孔ZK9。根據鉆孔柱狀圖(見下頁圖8)可知:覆蓋層厚度在13 m左右，結果與電法成果圖12 m推斷結果基本吻合。

4 結論與認識

從測線XL－1～XL－4來看:

(1)通過視電阻率剖面圖和鉆孔資料的綜合比對，確定了覆蓋層(包含素填土、粘土、碎石土等含水低阻層)的視電阻率值范圍在0Ω·m～200Ω·m，確定了基巖范圍在200Ω·m～2 000Ω·m。覆蓋層和基巖在成果圖反應的視電阻率范圍的差異，是高密度電法能勘察它們的重要基礎。通過四條測線覆蓋層的劃分和綜合對比分析可以看出:待建蓄水池位置處的軟土覆蓋層厚度，是由西向東呈現先增大后減小的凹字形分布。雖然基巖面不平整，但凹字形的地質構造，對待建蓄水池項目來說不存在大的風險。

(2)通過視電阻率剖面圖，發現測線XL－2和XL－3的劃分為基巖層，存在明顯不同周圍視電阻率值的低視電阻率條帶，并有向下延伸的趨勢，其寬度范圍在10 m左右。對完整的基巖來說，由于孔隙率小和含水量低的特點，所以本應呈現高視電阻率范圍內出現了低視電阻率條帶，推測其可能為小斷層或基巖裂隙含水而形成低視電阻率條帶。這種不良地質體使待建的蓄水池存在較大風險，建議在該位置處加鉆孔以確認(見圖9)。

圖6 測線視電阻率成果圖Fig．6 The results of apparent resistivity survey line

圖7 測線視電阻率成果圖Fig．7 The results of apparent resistivity survey line

圖8 CDZK9鉆孔柱狀圖Fig．8 Drilling colum

圖9 勘測成果圖Fig．9 Surveying results

通過高密度電法在西嶺雪山工區的應用研究，可以得出如下幾點認識:

(1)通過本次勘察，基本查明了剖面段地表下20 m深度范圍內覆蓋層分布、構造起伏變化。

(2)通過高密度電法勘探結果，在剖面范圍內發現了一條可疑斷層或基巖裂隙，查明了其大概位置和走向，下延深度超過20 m，長度為20 m～60 m，方向為東西向。

(3)高密度電法與其它物探方法一樣，當探測目的體與圍巖存在一定的物性差異，將會取得滿意的勘探效果。如在本次勘探中，覆蓋層視電阻率值在30Ω·m～200Ω·m，基巖視電阻率在150Ω·m～2 000Ω·m，因其范圍差異較明顯，可以很好地劃分覆蓋層、基巖范圍。

(4)高密度電法探測所得到的視電阻率斷面等值圖，能夠直觀、形象地反映出巖(土)體的電性分布形態及結構特征，不僅反映其垂直深度的變化，而且還能反映其水平范圍的變化。所以高密度電法勘探既具有測深的功能，又具有剖面勘探的功能，應用范圍較為廣泛。

(5)高密度電法的定性與定量解釋，應該結合地質資料，特別是鉆探資料進行綜合對比分析，從而不斷提高資料解譯精度。

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A

1001—1749(2011)02—0159—06

2010－10－22改回日期:2010－12－21

譚大龍(1983－)，男，碩士，應用地球物理專業。