高密度電法在溶洞探測中的應用

黃禮杰

（華東勘測設計院（福建）有限公司，福建 福州 350000）

高密度電阻率法，也稱為自動視電阻率系統，是一種陣列勘測方法，是在直流電法的基礎上發展而來的探測技術，其功能類似與電剖面法與四極測深法的結合[1]。通過向地下電極供電，形成人工電場，地下巖土介質的電阻率決定了電場的分布，通過測量不同部位人工電場，對地下介質電阻率分布情況進行了解，能夠推斷出地下地質結構的分布情況[2]。該方法在溶洞探測中具有明顯的優勢，能夠明確圍巖含水情況，如果圍巖含水量較高，巖石破碎，則電阻率就較低，通常堅硬、完整的巖土電阻率高于含水量高、破碎帶或斷層帶的電阻率。該方法在應用中圖像直觀、原理清晰，是一種分辨率較高的物探方法[3]。

1 高密度電法概述

1.1 測量方法

在對溶洞進行探測時，采用高密度電法：首先，測線布設時沿探測目標走向垂直方向，根據勘探精度設定電極距，電極布置好以后，使用不同裝置利用高密度電法數據采集系統進行觀測。高密度電法數據系統包括主機、電極系、電極轉換器3個主要部分。主機的作用是利用電纜發出指令，對多路電極轉換器進行控制；多路電極轉換器各電極間供電狀態、測量狀態通過多級電纜進行探測；探測到的數據通過主機自動存儲，然后計算機對數據進行處理，將數據轉換為操作軟件能夠操作的格式，再通過反演軟件處理，生成二維反演電阻率斷面圖，在該基礎上對地質構造進行解釋。

1.2 資料處理

在對探測到的數據進行處理時，按照以下環節進行。對最佳模型參數改正值矢量Δm進行確定，然后計算目標函數φ。

式中：Δd（Δdi=Inρai-Inρci,i=1,2,…,N）為數據矢量，其值計算方法為用實測視電阻率對數值減去模擬視電阻率對數值；m（mj=Inρj,j=1,2,…,N）為預測模型參數矢量；mb（mbj=Inρbj,j=1,2,…,M）為基本模型參數矢量；為偏導數（Jacobian）矩陣；wd=didg（1/σ1,1/σ2,…,1/σN）為數據擬方差矩陣；σi是第i個數據的均方誤差；wm為模型加權矩陣，設計的目的是讓模型有先驗信息，可令，λ為Laglang乘數；c為光滑度矩陣，然后加入先驗信息，保證了模擬既接近基本模型，又是光滑的模型。

2 目標任務

在上饒市上廣公路涉鐵段進行高密度電法剖面測量，著重對以往地質工作探明的地下溶洞周邊地段進行調查，摸清工作區及其周邊溶洞分布規律，為進一步工程驗證和災害治理提供物探參考依據。

3 工程概況

3.1 氣象水文

工區位于江西省上饒市信州區東南方向，屬亞熱帶濕潤氣候，雨量充沛，氣候溫和，日照充足，四季分明。無霜期約288d，年平均氣溫18.3℃ ，年降雨量1954.8mm，年日照時數1621.7h。

3.2 地形地貌

工區周圍屬地山丘陵地貌類型，主要山脊走向呈東北走向，工區位于公路邊上，工區內地勢平坦，海拔標高70m~80m。工區內合福高鐵南西-北東向穿過，上廣公路自北西-南東向穿過。工區場地基本為水泥路面，周邊有植被覆蓋的山體及居民區。

3.3 地層巖性

據地質勘查報告，工區主要地層有以下幾種。1）第四系殘坡積：分布地表，風化作用形成，主要成分為粉質黏土、礫土、砂質土。2）上更新統（Qh）：主要成分為砂礫巖和粉質黏土。3）石炭系藕塘底組（C2o）：主要成分為石英砂巖、砂巖、灰巖。

3.4 水文地質條件

工區地表溪流發育豐富，地下水主要賦存石炭系藕塘底組溶洞中，主要由大氣降水和南部山坡地表徑流下滲補給。地下水流向由南向北。

3.5 地質構造

工區整體位于廣豐坳陷內。工區內存在一條地層分界線，地層分界線貫穿1號線、2號線、3號線，傾角為73°，上盤地層為第四系，下盤地層為石炭系藕塘底組。

4 工作技術方法及質量評述

4.1 測網布設

高密度電阻率法試驗現場沿著公路方向布設5條剖面，剖面方向與橋墩斜交，總計放樣300個物理點。具體為沿各剖面每5m放樣一個測點。每5m布設一個電極，其中：1線剖面長295 m，極距5 m，布置60個物理點；2線剖面長295m，極距5 m，布置60個物理點；3線剖面長295 m，極距5 m，布置60個物理點；4線剖面長295 m，極距5m，布置60個物理點；5線剖面長295 m，極距5 m，布置60個物理點。如圖1所示，圖中4#、5#、6#、7#表示橋墩。

圖1 工程物探實測剖面及點位示意圖

4.2 儀器設備

本次工作采用重慶精凡儀器廠生產的N2型高密度電法測量系統，N2高密度電法測量系統能有效提高和監控數據質量、提高數據采集和數據處理效率。該系統集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，具有數據快速采集，多參數測量，能獲取關于地電斷面結構特征的大量信息的優點。系統穩定可靠，儀器具有體積小、重量輕、低功耗、大功率、抗干擾能力強等特點。

4.3 工作原理

由于不同的巖層由不同的礦物組成，因此它們的電阻率也就不同。通過地表電極向地下供電，在地下建立起人工電場，通過測量電場在地下的分布狀態，便能計算出巖層的電阻率，分析這些巖層電阻率的變化，可以間接了解地質構造[4]。高密度電法采用的就是這一原理，它通過供電電極向地下供電流I，然后再測得測量電極間電位差ΔV，從而求得該測量點的視電阻率值ρs=KΔV/I。因溶洞含水，水的介電常數（80左右）相對其他介質明顯高出一個量級，高密度電法呈現團塊狀低電阻率異常（ρs＜100Ω·m），由于巖溶位置位于灰巖地層中，周邊往往為高阻異常[5]。

4.4 資料處理

高密度電法野外采集的數據傳入計算機后，在計算機中對原始數據進行必要地編輯，剔除個別畸變點。將原始數據導入RES2DINV中，然后使用有限差分法進行反演。根據反演結果所得的視電阻率斷面圖進行溶洞等地質體的解釋推斷。

5 物探成果推斷解釋

5.1 物性特征分析及地球物理推斷解釋標志

物性是聯系地球物理和地質的紐帶，物性數據是定性解釋和定量反演的首要約束條件，將工作區主要地質體巖性與物性資料相結合，建立主要地質體的地球物理推斷解釋標志，可為后續異常解釋、構建地質-地球物理模型提供依據。

根據本次高密度電法測量成果，結合地質資料，對巖性及巖溶相關主要地質體建立以下地球物理推斷解釋標志。1）第四系覆蓋物：覆蓋物以黏土及砂土為主，風化程度不一樣，均勻性較差，一般表現為中低阻異常特征（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。當覆蓋物介質較均勻時，高密度電法剖面上電阻率分布均勻；當覆蓋物介質不均勻時，高密度電法剖面上電阻率分布不均勻，等值線扭曲。2）灰巖：灰巖高阻沉積巖，表現為高阻異常特征（ρs>1000Ω·m），構成本區的高阻背景。3）砂巖：砂巖通常表現為中低阻，高密度電法剖面上呈現成片均勻分布的中低阻體（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。4）溶洞：為本次探測的主要目標。因溶洞含水，水的介電常數（80左右）相對其他介質明顯高出一個量級，高密度電法呈現團塊狀低電阻率異常（ρs＜100Ω·m），由于巖溶位置位于灰巖地層中，周邊往往為高阻異常。

5.2 地質解釋

綜合上述定性分析成果，對本次高密度電法勘查成果進行了詳細地研究，并按照異常類型、編號、平面位置、特征、解釋等幾個方面做了具體的描述、推斷解釋。根據物探工作反演成果，筆者得到如下地質解釋。

5.2.1 溶洞①

完整的石灰巖呈現高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于3號線、4號線、5號線標高70m以下，頂板標高為67.9m，底板標高為59.7m。

5.2.2 溶洞②

完整的石灰巖呈現高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于4號線、5號線標高60m以下，頂板標高為59.3m，底板標高為53.1m。

5.2.3 溶洞③

完整的石灰巖呈現高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于3號線50m以下，頂板標高為48.2m，底板標高為45.0m。

地層分界線L1：貫穿 1號線、2號線、3號線，傾角73°，與1號線的交點坐標為（X：3144707，Y：599481），與2號線的交點坐標為（X：3144739，Y：599472），與3號線的交點坐標為（X：3144741，Y：599502）。反演剖面圖見圖2、圖3。

圖2 上廣公路溶洞物探高密度電法3剖面圖

圖3 上廣公路溶洞物探高密度電法4剖面圖

6 溶洞探測中高密度電法應用的注意問題

高密度電法在大范圍空間區域探查中應用，然后對不明地下巖溶空間的特性有效探明，彌補了鉆探勘探范圍大小中的不足；在對溶洞利用高密度電法勘探時，對觀測裝置的合理選擇也直接影響探測效果，在具體探測中必須要在結合地質、鉆探資料資料的基礎上進行資料解釋，以確保探測結果的可靠性與準確性。通過在上饒市上廣公路涉鐵段開展物探工作，探測了工作區1號線至5號線附近巖溶、斷裂等分布情況，理清了巖溶及斷裂之間的空間關系，得出結論如下：1）3號線至5號線間巖溶較為發育，①號溶洞帶自東南向西北發育，貫穿3號線、4號線、5號線，埋深位于標高59.7m~67.9m處，長度約為50.9m，寬度約為13.0 m，高度約為8.2 m。

②號溶洞發育位于4號線與5號線，埋深位于標高53.1m~59.3m處，長度約為29.7m，寬度約為7.5m，高度約為6.2m。③號溶洞發育位于3號線，埋深位于標高45.0 m~48.2 m處，長度約為8.0 m，寬度約為2.3 m，高度約為3.2 m。2）地層分界線L1：貫穿 1號線、2號線、3號線，傾角73°。

通過該文研究，在對溶洞進行探測時，高密度電法的應用表現出較好的應用效果，但在實際探測中，很多因素也會對高密度電法探測結果準確性產生影響，所以除了熟練掌握高密度電法的應用原理、計算過程以外，還應注意以下問題。1）根據物探結果，建議在物探標定溶洞范圍進行鉆探驗證，確認是否存在溶洞。2）由于3號線至5號線巖溶較為發育，建議公路橋樁基位置遠離巖溶發育位置。3）L1巖層分界線位置應引起重視，該區域深部容易發育溶蝕，若橋樁基需穿過斷裂，須根據需求對樁基進行加固。

7 結語

在對地下溶洞位置進行探測的過程中，高密度電法是一種有效的探測方法，該方法具有數據采集密度大、點距小的特點，同時兼具測深與剖面法多功能，能夠直觀地反映斷面異常體的形態，尤其是在溶洞分布探測中取得了較好的應用效果，是一種應用價值較高的物探手段。