高密度電法工程地質勘察應用實例探析

徐興松，高文龍

(華北電力設計院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

高密度電法勘探在重大場地的工程地質調查、壩址及橋墩選址、采空區、巖溶區及地裂縫探測等眾多工程勘察中取得了良好的效果。高密度電法可實現資料的現場實時處理和脫機處理，又可以根據需要自動繪制和打印各種成果圖件，大大提高了電阻率的智能化程度。

1.1 基本原理

高密度電法與常規直流電法原理類似，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。因此要研究在施加電場的作用下，地層中傳導電流的分布規律。求解其電場分布時，在理論上一般采用解析法。其電場分布滿足以下偏微分方程：

式中：U為電位；I為供電電流；σ為電導率； δ為沖激函數；ξ2為拉普拉斯算子；(x0,y0,z0)為電場點坐標，(x1,y1,z1)為原點坐標。

當x0≠x1、y0≠y1、z0≠z1時，即只考慮無源空間，上式變為拉普拉斯方程：

但是在復雜條件下，無法求得方程的解析解，因此主要是采用各種數值模擬方法來解決上述問題。高密度電法工作時，通過給AB極供電I，利用MN測量電位差ξV。

視電阻率為地下介質電性的綜合反應，通過反演計算即可得到深度—電阻率剖面[4]。

高密度電法集中了電剖面法和電測深法等普通直流電阻率方法的特點，不僅可以提供地下一定深度范圍內電性的橫向變化情況，還可以提供垂向電性的變化特征。

1.2 設備構成

高密度電法數據采集系統由主機、多路電極轉換器、電極系3部分組成。多路電極轉換器通過電纜控制電極系各電極的供電與測量狀態。主機通過通訊電纜、供電電纜向多路電極轉換器發出工作指令、向電極供電并接收、存儲測量數據。數據采集成果自動存入主機，主機通過通訊軟件把原始數據傳輸給計算機。計算機將數據轉換成處理軟件要求的數據格式，經相應處理模塊進行畸變點剔除、地形校正等于處理后，做視電阻率等值線圖。在等值線圖上根據視電阻率的變化特征結合鉆探、地質調查資料作地質解釋，并繪制出物探成果解釋圖。高密度電法測量工作框圖見圖1。

2 高密度電法在某核電廠址地質勘察中的應用實例

該擬建廠址附近范圍內的地形起伏較小，地貌成因類型主要為微弱切割丘陵，局部發育沖溝，地貌類型為低丘。據該區域地質資料分析，廠址區上覆坡殘積粘性土、粉土，下伏基巖為新元古代震旦期巖漿巖(LDηγ42)，巖性主要為二長花崗巖。

圖1 高密度電法測量工作框圖

2.1 擬建廠址區域地球物理特征

該擬建場地內的地質概況可知，場地上部地層主要為第四系土層，下部基巖主要為大理巖、花崗巖、閃長巖等。第四系土層的電阻率低，大理巖、花崗巖、閃長巖電阻率高，第四系土層與下伏基巖的電阻率有較大的差異，當存在斷層等地質構造帶時，構造帶內充填物電阻率遠低于基巖電阻率上述地層介質地球物理性質的差別是選擇物探方法的前提。

2.2 工作方法及工作布置

高密度電法一次測量過程可布置若干電極進行測量，克服了常規電法單點測量、人工跑極方式效率低的弊端，儀器采用程控方式進行數據采集和電極控制，采集的數據以圖像或者曲線的形式實時顯示在屏幕上，以隨時可以監控資料的質量，使測量精度和工作效率有較大提高。高密度電法同時具有多種裝置形式，具有可根據場地實際情況實時變化等優點。

依據工程實際需要，此次該區域高密度電法測量工作共布設5條測線。

3 資料的處理、解釋與推斷

3.1 資料的處理

對野外采集高密度電法的三極和溫納數據，進行格式解編、轉換、剔除非值等工作，然后采用Surfer8.0軟件分別繪制測線的視電阻率ρS等值線擬斷面圖，得到相應的探測剖面(詳見圖2、圖3)。

圖2 擬建廠址區域某測線高密度電法探測成果圖像

圖3 擬建廠址區域某測線高密度電法探測推斷剖面圖

3.2 資料的解釋與推斷

第四系土層的電阻率相對較低，大理巖、花崗巖、閃長巖的電阻率較高。同時若地下巖石存在斷裂帶、破碎帶、空洞等時，當其中不充水，在高密度電法視電阻率ρS等值線擬斷面圖上呈高阻反映；當其中充水，在高密度電法視電阻率ρS等值線擬斷面圖上呈低阻反映。若巖性風化程度變化大以及巖性發生變化，其視電阻率高低也有較大變化。現以某測線的資料解釋、推斷如下：該測線在約87m～198m點位，約0～10.0m深度，根據視電阻率變化，推測為碎石層；在0～290m點位，約0～57.0m深度，根據視電阻率變化，推測為強風化基巖；在約0～290m點位，約10m～80m深度推測為中風化基巖；在245m～265m點位，約0～80.0m深度，形成較低的視電阻率與周圍較高的視電阻率存在較大差異，根據視電阻率異常推斷為構造破碎帶。

4 結論與建議

(1)此次物探工作在山區施工，由于山區地形復雜，施工難度較大。各種地形及高差的影響，給本次物探數據采集帶來一定的誤差。根據物探探測資料結合鉆孔資料分析，地下巖石破碎～完整，局部極破碎或存在構造破碎帶，局部巖石變化。綜合5條高密度電法資料分析，在所探測區域范圍內，存在構造破碎帶，寬度從15m～25m不等，深度從0～80不等。

(2)高密度電阻率法具有其獨特的優越性，也存在一定的局限性和不足之處。雖然其具有高密度采集地層數據信息、實現速度快以及經濟節省等優點，但是作為一種間接的勘探手段，其結果的解釋具有多解性，有時會與實際地質狀況有較大出入，因此需要利用直接勘探手段，諸如鉆探、井探等加以驗證，才能提出更加符合實際的解釋成果。

(3)此外，由于工程地質中存在的隱患種類繁多，實際測量工作中，隨著測量深度的加大，檢測的靈敏度相應減小，因此，在應用高密度電法進行工程地質隱患排查時，需要適時地輔助以其他勘探手段進行比對，從而盡可能的減小不利影響因素。

(4)最后，在應用高密度電法進行工程地質勘察時，由于探測目的體與圍巖存在一定的電性差異，造成顯著的干擾因素，因此需要深入研究地層的導電性差異與其影響因素之間的關系，從而為得到更切合地質實際的資料成果夯實基礎。

[1]鄧超文.高密度電法的原理及工程應用[J].韶關學院學報，2007，(6).

[2]傅良魁.應用地球物理教程—電法勘探[M].北京：地質出版社，1991.

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