貴州特殊地質地貌條件下高密度電法的應用研究

匡其江

張義平①②

（①貴州大學礦業學院，貴陽550003；②貴州大學貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點實驗室，貴陽550003）

0 引言

作為一個資源大省，貴州的煤炭、鐵、黃金、鉛鋅儲量很大，水資源豐富，但是貴州處在云貴高原，地勢比較高，地質地貌極其復雜，給資源的開采帶來了許多不利。在礦產資源的開采過程中，對礦產資源的勘探、水文地質的探明，避免礦山災害的發生，利用地球物理勘探技術成為必然。電法勘探作為地球物理勘查的一個重要分支已廣泛應用于礦產地質、水利水電工程、冶金工業、石油勘查等領域，并取得了較好的應用效果[1]。近些年，高密度的電阻率法得到迅速發展，在儀器研制及實際應用方面取得了不少成果[2-3]，與傳統的電法勘探相比較，高密度電阻率法的顯著特點使得效率增高，獲得的數據點也更多，可以為高分辨率的電阻率層析成像反演奠定基礎。因此，該方法在淺層的水文、工程以及環境、考古等與國民經濟建設、人類社會活動密切相關的領域得到更好的應用[4-7]。但是，貴州省特殊的地質地貌條件，給物探工作者在進行高密度電法勘探時帶來了許多困難，不論是前期的布線、儀器安設、數據采集，還是后期的數據處理、結果分析。所以，在整個物探勘探過程中，每個環節都要采取與實際相適應的方法和措施，才能得出比較準確的結果。

1 地質地貌特征

貴州省地處我國西南腹地云貴高原的東部，介于東經103°36′至 109°35′，北緯 24°37′至 29°13′之間，總面積176128。貴州是唯一沒有平原支撐的省份，貴州的地貌特征是山地多，山地和丘陵約占全省總面積的92.5%，境內分布著大婁山、武陵山、烏蒙山和苗嶺四大山脈，這四大山脈構成了貴州高原的地形骨架。河谷切割強烈，屬構造侵蝕成因的中山地形；構造剝蝕地貌，山巒疊嶂，溝谷縱橫；山峰多呈單面山，沿順向坡多辟為耕地，坡底發育河流及較多沖溝；反向坡常形成懸崖峭壁，難以攀越，常見滑坡及崩塌堆積場。由于地勢落差較大，碳酸鹽地貌的分布較廣，巖溶地的發育，水文地質條件復雜。加上自第三紀以來又處于熱帶和亞熱帶氣候環境，因而形成頗具特色的山原地貌景觀，這是控制地下水形成及其水動力場的重要因素。灰巖溶蝕劇烈、溶解度較高，常形成較大的溶洞、管道等溶蝕空間，因而溶洞—管道水富集，并具集中排泄、水點流量大等特點。構造運動造成的褶皺斷裂和節理裂隙等為地下水補給運移、富集提供了良好的場所。在一些斷層與褶皺交匯處，向斜盆地和構造轉折端以及多期活動斷裂帶附近，由于巖石破碎、節理裂隙發育，常形成巖溶水富集區。

2 高密度電法野外工作技術

高密度電阻率法是工程地球物理勘探的主要方法之一，與常規電阻率法相比，它在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，在電性不均勻的探測中取得了良好的地質效果。高密度電法是電剖面法和電測深法的綜合利用，其原理與普通電阻率法是一樣的，它們的不同之處就在于在觀測中設置的高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。高密度電法在野外進行探測實踐的時候，應該將全部的電極布置在測線的剖面上，然后利用電極轉換開關與微機工程電測儀，以此實現剖面中對不同極距、不同電極排列方式等數據進行采集，高密度電法與常規電阻率法相比較，具有以下幾點優勢：①高密度電法能夠選用多種電極排列方式進行野外測量，如溫納裝置、施貝裝置等，可以獲得豐富的剖面數據信息；②一次性完成電極的布置，既可以減少因電極設置而引起的故障和干擾，又可以在一定程度上提高效率；③野外探測數據采集實現了自動化或半自動化的操作，大大提高了數據采集的速度，很大程度上避免了手工操作的誤差。除此之外，高密度電法作為一種比較成熟的地球物理勘探方法，具有快速、便捷、經濟、應用范圍廣等優點[8]。裝置選擇上可采用二極裝置（AM）、三極裝置（AMN）、聯合剖面裝置（AMN&MNB）、對稱四極裝置、偶極裝置（ABMN），電極按照不同的方式組合后構成測量系統。該測量系統與普通電阻率法不同，它是在觀測剖面上布置較多的觀測點，在實際測量中，電極轉換開關將每四個電極進行組合，從而在每一個測點上獲得不同深度的測量數據。高密度電法布極方式如圖1所示，圖中A、B極為供電電極，M、N為測量電極。則各測點視電阻率，其中為M和N之間的電位差，I為供電電極（A、B）的供電電流，K為裝置系數。通過不同測點以及不同極距的觀測，可獲得剖面上地層電阻率的分布情況[9]。

圖1 電極布置圖

蘇永鋒[10]等闡述了高密度的電阻率法就是適應特殊環境的陣列勘測的方法。為了更好解決工程地質環境的問題，他們對提升高密度電阻法探測技術作了以下幾點研究：

2.1 探測參數的選擇 一般來講，地球物理勘探工作測區根據測區地質的情況決定，就需要遵循一定的原則，在工程探測區域的有限范圍中選擇布置測網和測區。在對于測網進行布置的時候，除了建立測區坐標系統外，還需要選擇網度和工作模式。工程技術人員的技術和經驗往往能給測區的布置提供最大的便捷度。就高密度電阻率法來講，在野外數據采集的兩種主要方式即：地表剖面的數據采集和井下電阻率成像數據采集等。

2.2 裝置的選擇 在特定的工程項目中，排列裝置的選擇對整個勘探過程產生重大的影響，對不同的探測目標所使用的裝置不同。通常我們所使用的幾種裝置中，地質異常的幅度值最小的是微分的裝置，它的信號震蕩出現的時刻也是最早的。

2.3 電極與測點的布置 貴州絕大多數工程地質地形都非常復雜，在電極布置時往往會遭遇到很多困難，地表大面積出露巖石的情況非常普遍，而這種情況會對電極的布置產生一定的影響。這時候，如果測線經過巖石的時候，我們可以采用較潮濕泥土堆砌成土包，并將電極插入其中，以使測量結果得以保障。在進行測點布置的時候，高密度的電阻率法的電極總數是固定的，所以測點數會隨著隔離系數的增大而減少。因此，要根據實際情況，選擇合理的測點數，保證采集到符合實際的數據，得出正確結果。

3 應用實例

圖2

圖3

3.1 巖溶探測 巖溶個體的發育是無規律的，巖溶空洞一般以空腔或充水或充填泥的形式存在，充填水或泥等相對于巖石來說是明顯的相對低阻，因此常表現為明顯的低阻異常，該類異常容易識別；但如果巖溶空洞為空腔時，空洞反映的是很高的電阻率，而完整巖體（尤其是致密巖體）的電阻率也很高，由于巖石中裂隙往往較發育，而局部形成完整的巖體，也會形成局部的相對高阻，因此難以推斷，會形成一些假像。對于該類異常的推斷，應該要結合工程的地質條件，特別是地下水水位情況，如果高阻異常位于水位的上方，可根據高阻異常閉合圈的規模以及形態結合工程地質的一般發育規律，判定異常的性質。

高密度電法剖面為視電阻率斷面圖，高阻區代表致密巖體，完整性好，含水量小；低阻區代表巖體含水、松散破碎或裂隙含水帶。巖溶空洞表現高阻區，填充泥、砂和水的溶洞呈低阻區。多數巖溶空洞和巖溶裂隙帶為部分填充，上部為空洞，下部為松散填充，上部表現為高阻，下部為低阻，構成斷續的串珠狀組合異常區。綜上所述，視電阻率圖的巖溶解釋與推斷遵循如下三個原則：①巖溶帶的上部為空洞，下部為填充，表現為高阻與低阻斷續組合的串珠狀異常；②巖溶發育在灰巖中，背景的電阻率值一般具有高阻特征；③巖溶沿構造破碎帶發育，串珠狀異常的走向和產狀與區域構造一致。通常符合上述三個原則的電阻率異常圖像被推斷為巖溶。也有部分巖溶是完全填充的，特別是隱伏在地下水位以下的巖溶，完全為泥、砂和水等填充，低阻表現明顯。如果高阻異常明顯位于水位下方，則不會是巖溶引起的異常，這時巖溶應表現為低阻異常[11]。圖2為某一剖面視電阻率圖，經對異常進行查證，發現R1和R2異常均為溶洞引起的異常，其中R1為含水溶洞（表現為低阻異常），R2為空腔溶洞（表現為高阻異常）。

3.2 采空區的探測 采空區的探測主要應用于煤礦，煤礦水患的一個主要來源就是老窯水，對于老窯水的防治，老煤礦采空區的探測對于煤礦開采安全非常重要。對于廢棄多年的采空區，有的已經坍塌或者已經充滿地下水，這種類型的采空區往往表現為低阻特征。而有的采空區圍巖穩定性好，還要保持或基本保持原有的形態，因為沒有受到地下水的影響，所以其表現為相對高祖特征。根據這些特征可以確定煤礦的采空區范圍和坍塌的位置。圖3中圈定范圍為采空區域，穩定性較好，基本保持了原有形態，表現為相對高阻異常。圖4中圈定范圍則為相對低阻異常采空區域。

3.3 滑坡體探測 滑坡體是指山體斜坡上某一部分巖土在重力（包括巖土本身的重力和地下水的動靜壓力）作用下，沿著一定的軟弱結構面（帶）產生剪切位移而整體地向斜坡下方的作用和現象。滑坡的活動強度，主要與坡體的位置有關。坡度、高差越大，滑坡位能越大，所形成滑坡的滑速越高。斜坡前方地形的開闊程度，對滑移距離的大小有很大影響。地形越開闊，則滑移距離越大。貴州地勢陡峭，山體眾多，滑坡是最常見的地質災害之一。圖5為一滑坡體主滑向勘察剖面視電阻率圖，圖中圈定范圍為一低阻帶，經驗證得知，低阻帶為強風化巖層，裂隙發育，飽含水分，加之巖石破碎，可以判斷低阻帶為形成滑動面的軟弱結構面。這為滑坡治理方案提供了準確資料。

圖4

圖5

4 結論與建議

①高密度電法在復雜地質地貌條件下使用，具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力高的特點。②高密度電法不同裝置在不同地質情況下探測時的有效性和準確性不一樣，根據不同的適用條件，選擇不同的裝置，在有限地質條件下，才能獲得最佳的探測效果。③復雜環境下進行高密度電法勘探時，應盡量排除外界的干擾，布設測線時盡量避開高壓電線、陡峭巖壁、湖泊水塘、大面積裸露巖石等可見的外界干擾源，否則，所得結果極不準確，同時還降低了工作效率。④貴州喀斯特地貌發育，給高密度電法勘探帶來了許多困難，如果條件允許的情況下，建議盡量通過綜合物探方法解決巖溶問題。⑤在使用高密度電阻率法探測煤礦區域內地下水位附近的巖溶時，要特別注意巖溶在地下水位上下表現的不同特征。

[1]劉康和.電阻率法的數據處理及在斷層探測中的應用[J].地質勘測，1994，4（4）：28-31.

[2]底青云,王妙月,嚴壽民等.高密度電阻率法在珠海某防波壩工程中的應用[J].地球物理學進展,1997,12（2）:79-87.

[3]馮銳,閻維彰,馮國政等.層析技術用于考古-山西應縣木塔的基礎結構[J].地震學報,1998,20（2）：201-209.

[4]Yadav,G.S.,Abolfazli,H.Geoelectrical soudings and their relationship to hydraulic parameters in semiarid re-gions of Jalore,northwestern Indian[J].J.App.Geophysics,1998,39:35-51.

[5]Hagrey,S.A.,Michaelsen,J.Resistivity and percolationstudyof preferential flowin vadose zone at Bokhordt, Germany[J].Geophysics,1999,64（3）：746-753.

[6]Kampke,A.Focused imagingof electrical resistivity data inarchaeological prospecting[J].J.App.Geophys.,1999,41（2-3）：215-227.

[7]Kayabali K.,Yuksel F.A.,YekenT.Integrated use of hydrochemistry and resistivity methods in ground water contam-ination caused by arecently closed solidwastesite[J].Environmental Geology,1998,36（3-4）：227-234.

[8]湯浩,謝蒙,許進和.高密度電法在水文地質和工程地質中的應用[J].人民珠江，2011，6（13）：39-41.

[9]韋衛明.高密度電法在工程勘察應用中的體會[J].煤炭技術，2011，30（2）：134-136.

[10]蘇永鋒,譚紅霞.高密度電阻率探測法論析[J].動力與電氣工程，2011，10：149.

[11]黃紹逵,歐陽玉飛.高密度電法在巖溶勘察中的應用[J].工程地球物理學報，2009，6（6）：720-723.