高密度電阻率法在水庫壩址區勘查中的應用

湯 磊, 張 琦

(湖南省地球物理地球化學勘查院，湖南 長沙 410116)

1 引言

大壩選址是興建水利水電工程的重頭戲，一項重要工程的壩址選擇，受到自然地理和地質條件等諸多因素的制約。壩址選擇得當，有利于工程布局，施工，節省工程投資；選擇不當，引發一系列伴生問題，如誘發斷層活動，導致地震、滑坡和滲漏等不良后果，帶來嚴重的安全隱患[1-2]，因此，有必要對壩址區進行科學合理的地質勘查。而高密度電阻率法是同時具有電剖面和電測深相結合的方法，與傳統的電阻率法相比，具有成本低、效率高、信息豐富、解釋更加方便、橫向和縱向分辨率高等特點。近年來，此方法在大壩選址勘查中取得了明顯的效果[3-5]。

2 地質概況及地球物理特征

根據收集工程區區域地質資料，場地地表第四系為殘坡積層粉質黏土(Q4el)，第四系沖積卵石層(Q4al)，下伏基巖為泥盆系跳馬澗組(D2t)灰巖和白云質灰巖。

2.1 地層巖性

測區內沿線出露地層為：

第四系(Q)：殘坡積層(Q4el)，主要分布在探測區域山體斜坡，褐黃色-褐灰色粉質黏土，厚度約2～7 m。沖積卵石層(Q4al)，主要分布在探測區域溝谷緩坡及河流兩側，褐黃色-褐灰色黏土，卵石粒徑一般為2～10 cm，厚度約5～18 m。

灰巖(D2t)：勘查區內廣泛分布，灰色、深灰色厚至巨厚層灰層，生物碎屑灰巖，夾白云巖，白云質灰巖，局部含燧石結核。巖溶裂隙較為發育，區內地勢高處(斜坡、山頂)大面積出露。

2.2 地球物理特征

場地覆蓋層主要為第四系黏土，電阻率較低，一般<100 Ω·m，灰巖電阻率較高，一般102～104Ω·m，含水裂隙、構造帶的電阻率相對較低，物性差異明顯，具有較好的地球物理條件。

3 高密度電法基本原理及工作方法

3.1 基本原理

高密度電阻率法是以巖、土導電性的差異為基礎，研究在人工施加穩定電流場的作用下，地中傳導電流分布規律的一種物探方法，因此，它的理論基礎與常規電阻率法相同，所不同的是觀測技術，由人工向地下供電，在地下形成穩定的電流場(如圖1)。高密度電阻率法野外測量時只需將全部電極置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集，將測量結果輸入微機后，可對數據進行處理并給出關于地電斷面分布的各種圖示結果。

圖1 高密度電法測量電場分布示意圖

3.2 工作方法技術

本次勘查投入的設備為重慶地質儀器廠生產的DUK-2B型高密度電法觀測系統，采用溫納-施倫貝爾四極裝置觀測系統，區域A布置3條測線，測線線距為20 m，測點距離為5 m，3條測線平行布置。儀器最大觀測層數18層，探測深度達50 m，供電電流大于800 mA，供電電壓大于450 V。觀測前進行接地電阻檢查，對大于2 kΩ的電極進行澆灌鹽水處理，保證一次場電流在100 mA以上，一次場電位差在50 mV以上。若發現觀測異常及時進行重復測量，保證觀測數據的準確性。

4 資料處理與成果解釋

4.1 解釋方法

在視電阻率等值線圖上，巖溶發育區的異常特征是整體高電阻率區域里存在局部低阻區或低阻畸變，縱橫向梯度大，局部低阻區與近地表低阻體相連，往往發育溶洞、溶槽。強風化帶巖體視電阻率等值下凹，視電阻率等值線下部稀疏并伴有閉合圈等現象的低阻異常多為巖體風化程度高，巖體破碎引起；而中、微風化帶巖體視電阻率等值下凹、稀疏，異常范圍較窄，則多為裂隙發育；視電阻率高低阻明顯分界線則多為斷層破碎等地質構造引起。

最后根據視電阻率等值線圖圈定劃分巖層界面及異常劃分。資料解釋時要排除地形陡坎、基巖裸露使電極接觸不良等引起的假異常，并結合各剖面相應地段的地質特點(如微地貌、地層、巖性、構造、含水條件等)進行綜合解釋推斷。

4.2 資料處理

高密度電法數據應用驕佳(Geogiga RImager)專業軟件將野外采集的數據導入計算機，與野外記錄仔細核對后，對個別畸變點進行剔除或圓滑處理，數據重疊部分采用平均值替代，對起伏地形進行校正，以消除地形起伏造成的影響，最后生成視電阻率反演斷面圖，為資料解釋提供基礎資料。

4.3 1線綜合成果解釋

從圖2可看出覆蓋層厚度約為0～20 m，視電阻率50～5 000 Ω·m之間，下伏灰巖，該段共發現7處低阻異常。在17～20號測點之間，標高322～310 m，標高297～281 m之間，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，呈“V”字形展布，一直往深部有延伸，解釋為巖溶發育區A1；在19～26號測點之間，標高317～267 m，有兩側相對高阻中間夾低阻異常特征，一直往深部有延伸，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在34～43號測點之間，標高310～254 m，有高-低阻異常錯位特征，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約20 m；在51～56號測點之間，標高288～278 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，往深部略有延伸，在61～64號測點之間，標高290～276 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，往深部略有延伸，在66～68號測點之間，標高300～290 m，有相對低阻區域，解釋為巖溶發育區A2；在79～85號測點之間，標高355～316 m，有“V”字形相對低阻異常，解釋為巖溶發育區A3。

圖2 1線綜合解釋斷面圖

4.4 2線綜合成果解釋

從圖3可看出覆蓋層厚度約為0～20.6 m，視電阻率50～4 500 Ω·m之間，下伏灰巖，該段共發現7處低阻異常。在20～28號測點之間，標高316～263 m，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，視電阻率梯度變化較大，等值線密集且往深部略有延伸，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在35～45號測點之間，標高308～255 m，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，等值線一直往深部延伸，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約20 m；在51～56號測點之間，標高292～282.5 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在58～61號測點之間，標高297～283 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在65～68號測點之間，標高297～286 m，有寬緩的“V”字形低阻異常，解釋為巖溶發育區A2；在79～84號測點之間，標高339～308 m，有“U”字形低阻異常，在84～87號測點之間，標高362～348 m，有相對低阻異常，解釋為巖溶發育區A3。

圖3 2線綜合解釋剖面

4.5 3線綜合成果解釋

從圖4可看出覆蓋層厚度為0～21.2 m，視電阻率50～4 000 Ω·m之間，下伏灰巖，該段共發現8處低阻異常。在18～21號測點之間，標高285～268 m，有相對低阻異常，在20～23號測點之間，標高316～303 m，有相對低阻異常，解釋為巖溶發育區A1；在21～30號測點之間，標高316～265 m，有高-低阻異常錯位特征，視電阻率梯度變化較大，解釋為斷層破碎帶F1，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；在36～46號測點之間，標高308～255 m，有兩側相對高阻中間夾低阻異常，且高-低阻異常錯位特征明顯，等值線一直往深部延伸，解釋為斷層破碎帶F2，走向北西，傾向北東，傾角約70°；在53～56號測點之間，標高291～284 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在57～62號測點之間，標高296～281 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，在66～71號測點之間，標高297～283 m，有寬緩的“U”字形低阻異常，解釋為巖溶發育區A2；在77～82號測點之間，標高333～312 m，有“U”字形低阻異常，在85～88號測點之間，標高352～339 m，有相對低阻異常，解釋為巖溶發育區A3。

圖4 3線綜合解釋剖面

4.6 平面綜合成果

根據三條高密度電法測線數據，結合當地的地質背景資料，在成果平面圖5中圈定了三處巖溶發育帶(A1、A2、A3)，其中A1推測巖溶發育程度中等，巖溶形態以溶溝、溶槽發育為主，局部發育串珠狀小溶洞；A2推測巖溶發育程度中等～強發育，巖溶形態以溶溝、溶槽發育為主，局部發育溶洞；A3推測巖溶發育程度較為強烈，推測溶溝、溶槽、溶洞均較發育。推測該區域內存在2條隱伏斷層破碎帶(F1和F2)，F1位于探測區域東北側，性質不明，走向北西，傾向西南，傾角約70°，破碎帶寬度約15 m；受其影響，斷層破碎帶范圍內巖體相對破碎，溶蝕裂隙發育。F2位于探測區域中西部，性質不明，走向北西，傾向北東，傾角約70°，破碎帶寬度約25 m；受其影響，斷層破碎帶范圍內巖體相對破碎，溶蝕裂隙發育。對巖溶發育區進行了鉆孔驗證，YZ01號鉆孔位于1號測線62號電極A2巖溶發育帶內，在進尺28 m深度處均揭露有溶溝和溶槽發育，YZ02號鉆孔位于2號測線81號電極A3巖溶發育帶內，在進尺23 m深度處均揭露有溶溝和溶槽發育。

圖5 高密度電法綜合成果平面圖

5 結論

本次物探工作初步探明了勘查區內的巖溶發育規模、位置及空間分布，對物探異常區域進行了鉆孔驗證，均為巖溶發育區域，取得了良好的勘查效果，達到了地球物理勘查的具體任務要求。

高密度電法在大壩選址工程勘察中能較好地查明第四系覆蓋層厚度，通過視電阻率的高低阻異常特征變化趨勢，能有效圈定巖溶裂隙和斷裂破碎帶的位置和深度，為大壩選址、設計和施工提供重要的地球物理依據。