高密度電阻率法在巖溶體探測中的應用

黃 海

（上海元易勘測設計有限公司， 上海 201203）

0 引言

在我國西南地區，引發地面塌陷的原因有可能是巖溶發育，這種地質還會對城市基礎設施運營和建設安全造成嚴重影響，甚至危及人們的生命和財產。因此在勘測巖溶發育地區工作中，查清巖溶等地質體的埋藏深度、分布范圍以及發育等情況尤為重要，避免造成塌陷的地質隱患。由于具有形態多樣，分布無規律的巖溶發育特點，巖溶形成的空洞與周邊地層之間存在電阻率差異的巖溶物理性質差異特點，僅靠鉆探等直觀的勘探方式難以準確和全面的確定其形態和分布，所以采用必要的物探方法具有必要性和可能性。

本文以重慶市巫山縣桃花山管護站及摩天嶺森林小鎮配套設施工程為實踐基礎，在復雜巖溶區及溶洞發育地區運用高密度電阻率法的探測效果進行了分析與研究。實踐表明，高密度比電阻法是物理探測法，數據處理后比電阻的分布特性可以反映地質巖相的分布特性，能夠定性描述巖溶體的埋藏深度、分布范圍以及發育等情況。在研究巖溶地質災害時，它能實現快速準確的評估，有針對性地指出主要隱患，為巖溶體的地球物理學勘探提供一些基本數據[1]。

1 高密度電阻率法勘探原理

與常規電法一樣，高密度電阻率法同樣利用了地下介質間的電導率差異，經由2 個電源電極A、B(電流為I)向地線供電，測定2 個測量電極M、N的電勢差△U，求出該記錄點的視電阻率值ρs = K*△U/I。計算、處理和分析所測量的相對電阻曲線數據。通過這個，可以直觀地理解勘探地區的地層的電阻分布，再根據其他相關地質資料，針對性的解決工程地質問題。

實際上，高密度電阻率法是結合電剖面法與電測深法兩種地球物理勘探方法而形成的新的物探方法，它的優點是，一次性布設幾十、幾百甚至上千根電極，通過程序控制的方式自動完成供電和測量過程，從而快速完成采集野外數據[2]。由于采集的數據信息量巨大，相比傳統地球物理勘探的電阻率法而言，具有采集時間短、數據精度高等優點，具有良好的工程經濟價值。

根據不同的地質條件和檢測目的，所選擇的高密度電阻率法的形式略有不同。一般使用的設備有溫納設備、微分設備、偶極設備、施倫貝爾設備、三極、二極、圓形設備等。

2 高密度電阻率法施工方法技術

探測儀器采用中裝集團重慶地質儀器廠生產的DUK-2 型高密度電阻率儀，該儀器采用程控開關，采集和切換均由主機程控，無需要人為干預，可組成四極、單邊三極等裝置形式；內置程控恒流供電，最大供電電壓450V，最大測量電流2A，滿足野外作業需要。

2.1 外業工作方法及原理

?按一定的等間距將全部電極沿已經確定的待測剖面全部布設完畢；

?通過多芯專用電纜將電極連接到多電極轉換器；

?由電極開關傳送到多功能直流電測量器，用于測量。

2.2 高密度電阻率法測量

為確保按期保質完成野外數據采集工作，測線線路勘察工作由一名技術員先于高密度電法數據采集工作進行。測點的布設是先確定測線的起點，上一個排列的終點就是下一個排列的測點位置，然后依次往測線方向移動測量。

定點工作的方法是：根據工區布置圖及野外實際地貌情況，利用GPS、羅盤、皮尺確定測點位置，并在每個點位采用定樁，用寫上對應測點號的紅色絲帶捆綁做標記。

按設計要求一次性布設電極完成之后，需要檢查電極接地情況，對于接地電阻大于1000 歐姆的電極可以采取澆水的辦法來降低，如果沒有效果，可采用就近移位的方法。必須使兩電極之間接地電阻小于1000 歐姆時才開始測量。為了消除干擾和確保數據的真實可靠，針對測量過程中發現的異常值點，必須進行多次重復測量。

在工作中選派有豐富經驗的工程師操作儀器，詳細記錄野外工作過程及異常信息，在必要時調整工作方案，以有利于對不良地質體的識別和追蹤。

2.3 高密度電阻率法數據處理結果

通過對現場采集的原始數據實施二維反演，由實測的視電阻率值得到視電阻率的分布圖像。再進行內業計算機處理，可以直觀清晰地將結果用圖件表示出來。因為電子成像使用了豐富的信息和非剖面性反演，所以得到的結果的分辨率比傳統的電子探測要高得多。在確定勘探目標地區地下障礙物、不良地質體、分界面等方面非常有效。

3 項目實例

為了勘察測區異常地質體的埋深和規模等問題，為建設方案的比選及工程設計提供基礎資料。在項目設計階段，進行了前期野外踏勘，通過現場了解地形地貌特征及地層產狀，在充分考慮了測區的地球物理差異等諸多因素的情況下，本次工作采用高密度電阻率法微分裝置斷面掃描方法，如圖3-1所示。

圖3-1 微分裝置斷面掃描示意圖

測量時，AM、MN 和BN 具有相等的電極間隔，檢測深度為AB / 2, A、B、M 和N 同時一個一個地向一個方向移動，以獲得原始配置文件數據層；其次，AM, MB, BN 增加電極間隔，探測探測深度為AB/2，A、B、M、N 逐個點位同時向一個方向移動，得到第二層剖面線數據；這樣電極間隔將繼續擴大，掃描測量將繼續，現場采集數據將變成倒梯形的地質剖面。

根據本次探測目的層的深度，高密度電法采用點距5m、微分裝置、最大隔離系數16、最大電極數60 等參數。

本測區場地地層情況為三疊系下統嘉陵江組(T1j)地層，為以灰巖為主的沉積巖，；第四系覆蓋層以黃色殘坡積粘土為主，一般1m 以內，局部可達1-2m，。

本測區場地地形情況位北部是東西走向山脊，基巖出露較明顯，中部為山溝覆蓋層相對較厚。

4 資料的處理方法

4.1 數據處理流程

高密度電阻率法數據處理的數學模型實質是，建立對應的理論計算值與實測視電阻率值在一定法則下重合最好一個地電模型。根據資料，現場所測視電阻率資料為二維數據斷面，在電法資料解釋中應用最小二乘法效果最好，故本次資料處理采用的二維反演方法為最優化算法中的阻尼最小二乘法。

其具體處理流程：給出實測視電阻率離散值-->根據已知物性資料，確定地電模型，給出地電模型初值-->正演計算得到地電斷面理論值-->計算擬合差，判定理論計算值和實測電阻率的擬合程度-->擬合差是否符合給定精度?(改模型重新計算)-> 最后一次迭代計算的地電模型參數即為最終解釋結果-->輸出解釋結果

4.2 干擾壓制與濾波處理

高密度比電阻法與傳統的比電阻法相同，用兩個電源電極A、B 供電I來計算電阻率，利用兩個電極M、N 測量電位差狄拉克ΔV 而獲得。通過下式求得測點x處的視電阻率值。

式中：K 為裝置系數

為了簡化異常形態和增加推斷解釋的準確性，還可以對數據進行濾波處理，濾波處理的作用不僅僅是針對隨機高頻干擾進行消除，更重要的是有效的減弱數據剖面中的震蕩部分。

4.3 數據處理與分析圖件繪制

高密度電阻率法資料采用驕佳公司Geogiga RImager 軟件進行處理，主要進行了畸變點剔除、濾波、地形數據輸入、地形改正和電阻率反演等。數據的解釋遵循從已知到未知的原則。結合高密度電阻率圖和收集的地質及挖掘數據，通過計算和分析推測地質特征和地質本體埋藏深度。

5 成果解釋推斷

5.1 WT1 剖面

該測線推斷土層及強風化層厚度在0.9m～8.1m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出3 個較明顯的低電阻率異常，依次編號為Y1-1、Y1-2和Y1-3。

位置：Y1-1 距測線起點29.6m-37.6m，埋深0m-10.8m。Y1-2 距測線起點47.2m-69.0m，埋深0m-12.9m。Y1-3 距測線起點78.2m-88.3m，埋深0m-13.0m。

特征：Y1-1、Y1-2、Y1-3 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發育。

該剖面下伏基巖主要為灰巖。

圖5-1 WT1 剖面

5.2 WT2 剖面

該測線推斷土層及強風化層厚度在0.9m～10.8m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個較明顯的低電阻率異常，灰巖地層用Y 標示。

位置：Y2-1 距測線起點111.6m-147.8m，埋深0m-13.1m。

特征：Y2-1 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發育。

該剖面下伏基巖主要為灰巖。

圖5-2 WT2 剖面

5.3 WT3 剖面

該測線推斷土層及強風化層厚度在0.6m～12.7m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個較明顯的低電阻率異常，灰巖地層用Y 標示。

位置：Y3-1 距測線起點191.6m-203.8m，埋深1.1m-21.3m。

特征：Y3-1 在剖面上均顯示為低阻異常，且呈帶狀，推斷為裂縫發育。

該剖面下伏基巖主要為灰巖。

圖5-3 WT3 剖面

6 結論

本次物探工作基本查明了測區內巖溶及裂縫的埋深和規模等異常工程地質問題。為后續的開發建設設計提供了基礎資料。因測區位于西南地區，具有基巖為灰巖且發育良好的資質特征，故采用高密度電阻率法探測異常地質體的效果良好。