高密度電法在巖溶區地質災害調查中的應用分析

黃正發

摘要：針對高密度電法在巖溶區地質災害調查中的應用現狀，進行科學量化分析，并簡要介紹了高密度電法原理、高密度電法的特點，如運用多種電極排列方法進行準確測量、電極布設更加便捷、野外數據采集自動化程度比較高、測量更多的地電參數等，提出巖溶區地質災害調查中高密度電法的具體應用，希望能夠為調查人員提供良好借鑒。

關鍵詞：高密度電法；巖溶區地質災害

在巖溶區地質災害調查中，通過科學應用高密度電法，可以提高地質災害勘察數據的準確性，降低地質災害的發生概率。高密度電法主要由常規電法發展而來，由電測儀器與電極轉換開關構成，在初始階段，電極轉換需要人工來操作，伴隨微型計算機的快速發展，電極轉換開關實現自動化控制。在高密度電法測量體系當中，包含了數據采集與數據處理兩部分，能夠顯著提升各項勘察數據的處理效率。基于此，本文深入研究巖溶區地質災害調查中高密度電法的應用要點。

1.高密度電法原理

高密度電法和直流電法原理相似，利用勘察地質體和圍巖之間的電性差異，分析該地區的電場分布特點，結合區域地質情況，達到探測地下目標體性狀的目的。

電法勘探時，測線越長（極距越大），探測深度越深，點距越小，精度越高。

在開展常規電法野外工作時，根據探測深度及目標體尺度布設測線、電極，采用“控制變量法”達到“掃面”與“測深”的目的，即保持極距不變，然后通過人為移動測點MN，達到“掃面”的目的；不斷增加極距，移動MN，達到測深的目的。因工作時需要頻繁通過人工移動MN及改變測線長度達到“掃描”與測深，因此其工作效率較低。隨著微電路及集成電路的發展，產生了高密度電法。

一般來說，高密度電法數據采集系統主要由三部分構成，分別是主機、電極系與多路電極轉換器等。在實際工作中根據探測目標體所需最大深度，一次完成布極；主機及多電路轉換器代替常規電法中的人，對各個電極進行“開關”達到移動MN和增加極距的目的，完成掃面與測深的工作。

2.高密度電法的特點

2.1點距、剖面長度與測深之間的關系

假設測線長度為L ，目標段長度為L0，探測深度H ，對稱四極裝置三者之間的關系滿足公式（1），三極裝置滿足公式（2）。

式中，各長度單位均相同；（2）式中，AO為A與MN中點的距離。

通過上式可簡單計算出測線長度，結合現場設計點距即可計算出本次測量所需要的大線數量，達到節約成本的目的。通過各種裝置的野外工作，對稱四級裝置具有抗分辨力較高、抗干擾力較強特點，因而相對其他裝置其應用范圍較廣。

2.2測量更加便捷高效

因一次性完成布極工作，通過主機及多電路轉換器協同工作，完成掃描與測深工作；避免了人工反復移動電極的繁復工作，極大地提高了工作效率、減輕勘察人員工作強度，同時避免因電極設置不當而引起的干擾問題，減少地質勘查誤差的出現。

2.3現場資料處理更加及時

配套的采集系統軟件可以對高密度電法采集到的數據實時繪制其等值線并根據視電阻率繪制原則（一般為綠低紅高）實時填充，根據現場情況對采集數據進行簡單的分析、校核，使采集數據真實、可靠。

2.4野外數據采集自動化程度比較高

此項方法的運用，能夠提升野外數據采集效率，自動化水平較高。對于地質勘察人員來說，高密度電法的良好運用，不但能夠顯著提升數據采集速度，而且減少人工操作失誤。通常來講，野外各個測點的采集速度在2S到5S之間[1]。

2.5測量更多的地電參數

將高密度電法應用到巖溶區地質災害調查當中，能夠幫助調查人員獲得多項參數，比如電阻率、極化率與自然電位等參數，地電參數的準確測量，幫助調查人員更好的了解地質體特點，從多個電性角度進行性分析，提升地質勘察數據的精確性。

3.高密度電法在巖溶區地質災害調查中的具體運用

巖溶是較為常見的地質現象，其形成原因特別復雜，水對可溶性巖石進行化學溶蝕，包括物質的轉移與攜出等作用的總稱[2]。本文主要以某區域為例，該地區的石灰巖發育速度快，已經勘察到的溶洞規模大小不一，數量較多，而且分布不夠均勻，所以，在項目施工環節，此種不良地質作用，對項目的安全威脅較大，容易出現巖溶水害與隧道涌水等現象。

3.1勘察區域地球物理特征

在該勘察區域，露出的地層由老到新順序如下：泥盆系石英砂巖、侏羅系灰白色砂礫巖，該區域礦物質形成原因復雜，和石炭系與灰巖聯系緊密。結合該地區的實地勘察數據得知，該地區地表分布大量的腐蝕質土，相當于比較低的電阻率電性層，下部為灰巖，因為干燥性比較大，降低其導電性，提高電阻率。如果礦體中的巖溶發育速度過快，再加上勘察區域的地下水位比較淺，溶洞處于地下水位以下，經常被軟塑粉質粘土和水等一系列低阻體全部填充，降低了電阻率，和周圍的巖石電阻率差異較大，為高密度電法勘探提供良好的勘探條件。

高密度電法作為巖溶勘探的主要方法，利用巖體、充泥溶洞和充水，包括空洞之間的導電性差異，進行科學的勘測，幫助調查人員了解地下穩定電流場的具體分布規律，進而保證該地區的地質問題得到良好解決。高密度電法將電測探測和剖面法有效結合，能夠顯著提升數據信息的采集密度，將測量得到的各項數據，運用先進反演技術，直觀的反演為視電阻率剖面圖，幫助調查人員更好的確定巖體異常具體位置，包括巖土的大小與埋深等。

3.2巖溶區探測要點

3.2.1科學布設各項測量儀器

在地質災害調查與物探勘察工作當中，調查人員找到三處巖溶發育區域，1號溶洞包含地下暗河，走向為300°，通過進行走訪得知，1號溶洞和2號溶洞保持暢通狀態，1號溶洞在2號溶洞方位的330°。物探人員結合溶洞具體分布位置，包括溶洞內部地下水具體流向，在實際的勘察范圍之內，總共布設8條探測剖面，測線長度為5230m。為了保證各項測量數據更為準確，調查人員針對測線進行多次測量[3]。

3.2.2妥善處理各項數據信息

在處理各項測量數據的過程之中，調查人員要遵守圓滑性處理原則，根據多種電極排列情況，對最終的測量結果進行分析。因為偶極排列出現異常現象，與地電體間的關系更加復雜，所以，調查人員通常僅處理溫納四極排列的測量數據進行分析，并遵守圓滑處理原則，圓滑處理主要指的是采取壞點切除與滑動平均方法進行數據處理。

在實際的勘察工作之中，調查人員可以一次性布設60根電極，每根電極之間的距離保持在10m左右，采取溫納裝置，有序的開展數據采集工作，在該測線的南北側，裝置的布置方位為230°。

由于沿著測線基巖位置的出露比較差，地表全部被礫石粘土層完全覆蓋，結合視電阻率反演斷面圖得知，此條剖面電阻率呈現層狀分布方式分布，層位較為清晰，和地表相距較近位置，呈現低電阻，深部呈現中電阻。根據該地區的地質條件得知，地表低阻體是覆蓋層，中電阻與高電阻表示深度的灰巖[4]。此條測線長度在280m～330m之間，埋深為13m～22m之間，調查人員推測，該區域很可能屬于巖溶發育區域。測線長度在480m～510m之間，埋深在9m～21m之間，屬于低阻區域，視電阻率在130Ω·m～450Ω·m之間，調查人員推測該地區主要是巖溶逐漸侵蝕引起的[5]。

根據該地區的視電阻率反演斷面圖得知，測線的中-高電阻率呈現層狀分布狀態，與地表距離較近的位置，呈現低電阻，由于埋深的逐漸加大，電阻率不斷提高，測線150m～ 190m之間，近地表位置存在低電阻異常區域，其周圍存在巖溶出水口，調查人員推測，出現低電阻異常現象，可能是巖溶水流通道不暢引起的[6]。在測線280m～300m、埋深小于4m的位置，呈現低電阻異常，電阻率數值在11Ω·m～55Ω·m之間，推斷該區域屬于小型的充水熔融。在測線400m～ 450m之間，埋深30m～40m之間，呈現高電阻異常現象，推斷該區域可能是完整灰巖。

在此測線當中，電阻率主要呈現層狀分布狀態，和地表接近的區域，體現為低電阻，伴隨埋深的不斷增大，電阻率快速增大，在測區范圍內，因為存在覆蓋層，而且覆蓋層的厚度比較大，在160m～460m范圍之內，低電阻區域逐漸向下部延伸，低電阻區域與高電阻區域之間的界線比較明顯，而且下部高電阻區域呈現塊狀分布，故推斷該區域屬于灰巖區域。

和工程勘察相比較來說，高密度電法的妥善應用，能夠有效降低勘探成本，而且可獲得比較高的勘探精度，幫助調查人員進一步確定溶洞形狀與大小，掌握巖溶的具體分布情況，包括巖溶通道的走向，確定巖溶發育區中可能會出現的地質災害隱患，為地質災害治理工作提供精確數據[7]。

3.2.3圖示方法

一般來講，高密度電阻率剖面采取擬斷面等值線圖與彩色圖來表示，因為其能夠表達地電斷面當中各個測點的視電阻率變化情況，所以，高密度電阻率剖面可以幫助調查人員更好的了解地點結構特征，觀察更加直觀。

3.3高密度電法發展趨勢

在高密度電阻測量系統當中，主要由兩部分構成，分別是數據收集與資料處理。結合高密度電法儀器結構特點得知，要想進一步提高各項勘察數據的精確性，保證測量主機和多個電極的穩定連接特別重要[8]。可以采取以下兩種方法：常規的高魔都電法儀器與新型分布式智能高密度電法儀器。先進的分布式智能高密度儀器內部結構簡單，由計算機、主機、主電纜與電極連接盒構成，主機通過準確發送出具體的控制命令，其核心功能是信號的傳輸，電極連接盒按照主機命令，將電極進行有效轉換，而且具備良好的數據采集與傳輸功能。因為系統會共同發出一個命令，電纜能夠覆蓋測量到的各個剖面，故調查人員可采用微機進行科學的管控，保證電極分布更為科學。

三維高密度電法的廣泛運用，可以減輕地質勘察人員的工作強度，雖然三維高密度電法具有眾多優點，但是，其測量時間過長，而且反演運算時間也比較長，會影響到最終的應用效果[9]。伴隨儀器水平的不斷提升，各項先進軟件不斷涌現，三維高密度電法的應用范圍越來越廣。

高密度電法視電阻率擬斷面圖當中，針對裂縫與空洞等地質隱患，表現為相對高阻，針對軟弱層，或者軟弱體等，表現相對低阻。高密度電法也存在一定的局限性，在一些異常區域，容易出現局部地質體突變，故為了獲取更加精確的勘探數據，有關人員要根據鉆孔資料數據進行分析，必要時開展鉆探驗證。

根據上述的實踐數據得知，在巖溶區地質災害調查中，針對淺層構造，包括不良地質勘察，可以獲得較為精確的勘察數據，為項目建設提供準確數據，可以降低勘察成本，取得較好的經濟效益。在應用高密度電法的過程當中，由于沿線各項電力設施，包括地下管線，使得視電阻率曲線容易出現畸變，對探測數據的準確性影響較大，無法幫助勘察人員進一步了解該地區巖土性質，勘察人員要配合采用先進的鉆探方法進行勘察，在提高各項勘察數據精確性的同時，為工程設計提供良好數據參考。因此，高密度電法在巖溶區地質災害調查中具備良好的推廣價值。

4.結論

綜上所述，通過對高密度電法在巖溶區地質災害調查當中的具體運用進行全方面的分析，例如了解勘察區域地球物理特征、勘察區域地球物理特征、妥善處理各項數據信息、圖示方法，介紹高密度電法發展趨勢，能夠保證高密度電法在地質災害巖溶區域勘察工作當中得到高效利用，減少錯誤勘察數據的出現，降低地質災害的發生概率。

參考文獻：

[1]王寶琛，李玉昆，宋磊.三維高密度電法和瞬變電磁法在探測采空區的應用[J].西部探礦工程， 2019， 31（09）： 177-180.

[2]焉明哲，王素芳.高密度電法探測在復雜地質條件下樁基工程中的應用[J].建筑技藝， 2019（S1）： 186-187.

[3]韓建勇.復雜艱險山區鐵路地質勘察的安全生產管理——以川藏鐵路為例[J].價值工程， 2019， 38（25）： 40-42.

[4]周桃生.超級高密度電法在新疆某礦區富水性評價應用研究[J].中國錳業， 2019， 37（04）： 100-103.

[5]田傳仁.水文地質調查在滑坡勘察工程項目中的重要性[J].世界有色金屬， 2019， （13）： 199-200.

[6]何禹，黎雨.高密度電法和等值反磁通瞬變電磁法在臨武縣礦區采空區勘查中的應用[J].世界有色金屬， 2019， （12）： 45-46.

[7]楊蘭，李彪.淺談地下水資源勘察技術在預防地質災害中的應用[J].中國金屬通報， 2019， （07）： 151+153.

[8]程濤，黃曉應，趙恒，陳輝.瞬變電磁法與高密度電法綜合對比分析——以近地表工程勘探為例[J].水利科學與寒區工程， 2019， 2（04）： 12-17.

[9]周蘭.高密度電法結合鉆孔比對的應用效果分析——以廣東省某高速公路為例[J].工程地球物理學報， 2019， 16（04）： 538-545.

[10]楊強，丁曉.高密度電法在地質災害巖溶區的應用[J].甘肅冶金， 2015， 37（06）： 104-107.

[11]張偉剛，接道波.高密度電法在巖溶區隧道地質災害勘察中的應用[J].西南公路， 2013（02）：253-255+259.