高密度電阻率法在行唐某溶洞勘查中的應(yīng)用

許紅濤　張迪　茅遠(yuǎn)哲

【摘 要】本文對(duì)高密度電阻率的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，運(yùn)用高密度電阻率法對(duì)行唐縣某溶洞進(jìn)行了勘查，通過(guò)二維高密度電阻率反演模型反映了地下溶洞的空間位置以及空間分布特征，對(duì)溶洞的分布范圍、埋深、規(guī)模有了初步的認(rèn)識(shí)；并對(duì)以后工作進(jìn)行了提出了合理建議，為更好的開(kāi)發(fā)溶洞提供了依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高密度電阻率；二維反演；溶洞

0 引言

高密度電阻率法是20世紀(jì)80年代初由日本引進(jìn)，后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)吉林大學(xué)（原長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院）等單位對(duì)方法、儀器的研制開(kāi)發(fā)并發(fā)展起來(lái)的一種電阻率方法[1]。相對(duì)于常規(guī)電阻率法來(lái)說(shuō)，它具有成本低、效率高等的有點(diǎn)，因此很快在工程質(zhì)量檢測(cè)、水利水電工程、工程地質(zhì)勘查、環(huán)境工程地質(zhì)、工程質(zhì)量檢測(cè)和城市工程勘查等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用并取得良好的效果。

溶洞的是地下水長(zhǎng)期溶蝕石灰?guī)r的結(jié)果，我國(guó)南方因?yàn)榈叵滤S富，石灰?guī)r地區(qū)多發(fā)育溶洞，在我國(guó)北方較少。對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，溶洞的存在直接威脅工程的安全質(zhì)量問(wèn)題，但對(duì)于旅游開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)溶洞又是一種比較珍貴的資源，因此對(duì)于溶洞的勘查就尤為重要。溶洞由于存在隨機(jī)性和不確定以及隱蔽性，用其他的物探，鉆探難以達(dá)到理想效果，而且成本較高，效率比較低，所以高密度電阻率法是探測(cè)地下溶洞的一種較為理想的地球物理方法[2-4] 。

1 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法是把巖石，土體的導(dǎo)電性差異作為基礎(chǔ)，人工施加的穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下，研究地下地質(zhì)對(duì)象的存在所產(chǎn)生的電流分布規(guī)律的一種電法勘探方法，它是通過(guò)布設(shè)一次陣列電極來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跑極和自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)一次敷設(shè)電極便可得到不同的裝置類(lèi)型和不同極距的斷面或立體視電阻率測(cè)量方法。

高密度電阻率法的勘探原理，與一般電法勘探原理完全相同，是一種在方法技術(shù)上有較大進(jìn)步的電阻率法。設(shè)地表水平、介質(zhì)均勻并且電阻率的大小不隨電流的方向而改變的條件下，對(duì)地面上的任意兩點(diǎn)用供電電極A、B進(jìn)行供電，另外用電極M、N進(jìn)行測(cè)量得到電位差ΔUMN。A、B電極在M、N兩點(diǎn)處的電阻率的計(jì)算表達(dá)式如下：

式中：ΔUMN是測(cè)量電極M、N的電位；I為M、N之間的電流；K是電極裝置系數(shù)，是與供電電極和測(cè)量電極的空間位置的距離有關(guān)的物理量。在測(cè)量工作時(shí)，只要知道了極距和裝置形式，K值就可以通過(guò)計(jì)算得出。

在實(shí)際工作中，這種理想的情況是不存在的。一般被電場(chǎng)控制的范圍內(nèi)存在兩種或者幾種不同的巖性且地形不是水平的，那么測(cè)得的電阻率就不是在理想狀態(tài)下的一種巖性的電阻率，而是電場(chǎng)控制范圍內(nèi)各種巖性電阻率的綜合影響的表達(dá)。這時(shí)我們以同樣的方式供電，得到的“電阻率”我們稱之為視電阻率符號(hào)表示為ρs。即

實(shí)際上視電阻率是在電場(chǎng)的有效作用范圍內(nèi)各種地質(zhì)體與地形電阻率的綜合影響值[5-6]。從公式中我們可以看到影響視電阻率的因素有兩方面：其一，是電場(chǎng)控制范圍內(nèi)的測(cè)線各地層或者地質(zhì)體的電阻率、形狀、規(guī)模、厚度、埋深等；其二，K值的影響，即電極的排布方式、電極距的距離、電極排列與地質(zhì)體之間的相對(duì)位置等。

雖然影響視電阻率的因素較多，但對(duì)于同一地質(zhì)體在同一測(cè)點(diǎn)上，逐次加大供電極距，這樣測(cè)得的視電阻率在一定程度上反映了該點(diǎn)電阻率隨深度的變化。再通過(guò)保持供電極距不變，在不同測(cè)點(diǎn)上所測(cè)視電阻率，在一定程度上反映了沿側(cè)線同一深度一定范圍內(nèi)的電阻率變化。我們通過(guò)視電阻率進(jìn)行定性分析，說(shuō)明電場(chǎng)變化原因和電阻率的物理意義，從而推斷其表達(dá)的地質(zhì)現(xiàn)象。

2 工作概況

勘查區(qū)位于行唐縣北河鄉(xiāng)，勘查區(qū)主要巖性為灰?guī)r，植被較為發(fā)育，存在不同程度的斷層，完全具備發(fā)育溶洞的條件。本次勘查共布置高密度剖面5條，方向近東西向，且平行的P1、P2、P3、P4及P5剖面，P1-P4剖面均長(zhǎng)600米，P5剖面長(zhǎng)300米，共計(jì)2700米。

本次勘查采用高密度電阻率法里的溫納裝置的工作模式。溫納裝置也就是對(duì)稱四極電阻率裝置，A、B是供電電極，M、N為測(cè)量電極，AM=MN=NB視作一個(gè)電極間距，通過(guò)一個(gè)等電極間距對(duì)稱排列裝置，利用直流電場(chǎng)理論和均勻地下半空間電場(chǎng)分布規(guī)律，來(lái)研究某一深度的電阻率變化規(guī)律。兩個(gè)電極之間的距離為10m，最小隔離系數(shù)是1，最大隔離系數(shù)為16。

3 數(shù)據(jù)處理與解釋

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理反演，，為穩(wěn)定反演過(guò)程，壓制系數(shù)隨層深的增加也以1.2倍增強(qiáng)，迭代次數(shù)程序通常使用5次，收斂誤差值一般不大于5%。通過(guò)對(duì)視電阻率的反演和三維插值高電阻率異常圖件反映的剖面結(jié)構(gòu)電性特征和高電阻率異常進(jìn)行分析解釋。

通過(guò)反演得到電阻率二維反演剖面，通過(guò)對(duì)幾條剖面圖分析，除第五條剖面外，其他四條都不同程度的存在著異常，并且異常較為清晰。異常處反演電阻率異常為5000-20000Ω*m，與周?chē)娮杪什町愝^大，推測(cè)該異常為無(wú)填充溶洞。據(jù)高電阻率異常形態(tài)推測(cè)幾個(gè)溶洞寬約15-30米不等，埋深不深，約為10-20米。

通過(guò)對(duì)該區(qū)域的電阻率進(jìn)行插值分析，得到三維插值高電阻率異常圖（圖1），從圖中可以看到該區(qū)域內(nèi)存在連續(xù)的三條成條帶狀的高電阻率異常，推測(cè)該區(qū)域內(nèi)在兩條近南北走向的溶洞，且具有一定規(guī)模，可能存在一定聯(lián)通性。

4 結(jié)論

本次利用高密度電阻率法的溫納剖面裝置，對(duì)行唐縣某溶洞進(jìn)行了勘查，得到以下結(jié)論：

（1）通過(guò)二維反演電阻率剖面和三維插值高電阻率異常推斷，該地區(qū)存在著一定規(guī)模的溶洞，切具有一定規(guī)模；

（2）反演得到了異常的埋深大約在10-20米，溶洞的寬度為15-30米，可能具有一定聯(lián)通性，無(wú)填充。

由于本次勘查缺乏地質(zhì)，工程資料，只憑高密度電阻率法反演推斷可能存在一定的誤差，建議再規(guī)劃設(shè)計(jì)淺層地震以及一些鉆探工程，兩種物探方法結(jié)合地質(zhì)，采集的鉆孔資料進(jìn)行綜合分析，可極大的提高勘查精度。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005：208.

[2]楊春天，許德根，張啟，等.高密度電法在隱伏溶洞勘探中的應(yīng)用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防止學(xué)報(bào)，2016，27（2）145-148.

[3]尹極，王曉東，程邈，等.高密度電阻率法在果香峪溶洞勘查中的應(yīng)用效果分析[J].CT理論與應(yīng)用研究，2011，20（3）：301-310.

[4]邊建國(guó)，薄文俊.高密度電阻率法在溶洞探測(cè)中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2013，24（298）97-100.

[5]傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1987：50-126.

[6]劉國(guó)興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質(zhì)大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：王偉平]