高密度電法在溶洞探測中的應用

潘紀順　王曉雷

摘 要：地下溶洞易引發建筑物沉降、地面塌陷等災害，為保障安全，在施工前進行溶洞勘察很有必要。高密度電法因其操作方便、探測準確，在溶洞探測中得到廣泛應用。通過高密度電法在南方某機場溶洞探測中的應用，結合地質資料，明確了工區電性異常的分布情況，圈定了多個異常靶區，查明了隱伏巖溶分布范圍，指導鉆探驗證工程，為工區地質環境保護與治理提供了可利用的直接依據。根據鉆探結果，印證了高密度電法在溶洞探測中的有效性。

關鍵詞：高密度電法;溶洞探測;溫納

中圖分類號：U442.2 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.007

Application of Electrical Resistivity Tomography Method in Karst Cave Detection

PAN Jishun? ? WANG Xiaolei

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Underground karst cave is easy to cause disasters such as building settlement and ground collapse. In order to ensure safety， it is necessary to carry out karst cave survey before construction. Electrical resistivity tomography method is widely used in karst cave detection because of its convenient operation and accurate detection. By expounding the application of electrical resistivity tomography method in karst cave detection of an airport in South China， combined with geological data， the author defines the distribution of electrical anomalies in the work area， delineates multiple abnormal target areas， finds out the distribution range of concealed karst， guides drilling verification engineering， and provides an available direct basis for geological environment protection and treatment in the work area. According to the drilling results， the effectiveness of electrical resistivity tomography method in karst cave exploration is confirmed.

Keywords： electrical resistivity tomography; cave detection; wenner

0 引言

我國巖溶地貌分布廣，溶洞是巖溶發育地區的主要不良地質現象[1]。為保障安全，在施工前進行溶洞勘察很有必要。高密度電法集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點，進行二維地電斷面測量，提供的數據量大、信息多，并且觀測精度高、速度快，是灰巖地區尋找土洞、溶洞及構造破碎帶最有效的物探方法之一[2]。

1 工區概況

1.1 地形地貌

工區原始地貌屬于剝蝕殘丘地貌，場地基巖巖性大部分為泥晶灰巖、生物屑灰巖、白云質灰巖，局部為泥質頁巖、粉砂巖、鈣質泥巖和泥巖夾薄層灰巖。覆蓋層厚為4.60～23.20 m，主要由素填土、耕植土、粉質黏性土構成。工區地形較平坦，地貌類型單一，地形地貌條件簡單，對工程建設影響小。

1.2 氣象水文

工區所在地區屬暖濕中亞熱帶季風氣候區，具有復雜多變的山區氣候特征，氣候溫暖、濕潤、多雨。

工區年均降雨量為1 783.8 mm，年均蒸發量為1 277 mm，平均相對濕度為76%，年均氣溫為20.0 ℃，全年無霜期300多天。

1.3 地層巖性

工區的地層由老到新有3種。①泥盆系上統天子嶺組（D3t），隱伏于第四系坡殘積層之下，鉆孔揭露到的巖性主要為灰色灰巖，隱晶質結構，巖芯呈短柱狀，主要成分為方解石，為少量為泥炭質物。②泥盆系上統帽子峰組（DCm），被第四系殘坡積層覆蓋，未見出露。該地層位于帽子峰組地層中下部，巖性變化大，中部為灰白色厚層狀石英砂巖，下部為黃色泥質頁巖、紫色薄層狀細砂巖夾薄層灰巖。鉆孔揭露的粉質黏土中均含有砂頁巖風化碎屑顆粒。③第四系全新統大灣鎮組（Qdw），巖性主要為礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、粉砂巖、泥巖，總厚度約為10 m。

1.4 地質構造

工區中部有一條推斷的北東向32°斷裂構造通過，區內其他斷裂構造不發育，距離區域性深大斷裂較遠，斷裂對工區地質構造影響較小。但受區域構造影響，工區內巖石節理裂隙較發育。

1.5 地球物理特征

第四系殘坡覆蓋層一般含水性較強，電阻率較低，通常在1～100 W·m;而完整的微風化灰巖電阻率極高，一般在100 n～1 000 nW·m;如果灰巖遭受強烈溶蝕作用，即發育溶洞，溶洞內充填物電阻率將明顯低于周圍巖體，與覆蓋層電阻率相當;若溶洞內無填充，則電阻率和完整灰巖相當。

2 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，它以巖、土體的導電性差異為基礎，研究在人工施加穩定電流場的作用下地中傳導電流的分布規律。野外測量時只需要把全部電極（幾十至上百根）置于觀測剖面的各個測點上，然后利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀就能夠實現數據的快速、自動采集。將測量結果送入微機后，還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[3]。

地球物理勘探是目前巖溶地質勘查最常用的方法，其中高密度電法又因分辨率高、效率高、獲取信息豐富、解釋方便、成本低，成為有效探測地下溶洞的重要地球物理方法之一，在工程物探、古墓探測等領域均有較好的應用效果[4]。

高密度電阻率法以巖、土體的電性差異為基礎，兼具電測深與電剖面的特點，因此可以更全面地反映地電信息。

雖然高密度電阻率法的原理與常規電阻率法相同，但與常規電阻率法相比，高密度電阻率法具有3點優勢。

①電極一次性布設完成，從而減少了人為干擾的可能，奠定了野外快速、自動測量的基礎。

②通過一次測量完成多種電極排列的數據采集，可以獲得更加豐富的地質信息。

③與常規電阻率法相比，高密度電阻率法效率高、成本低、解釋方便。

目前，高密度電阻率法的裝置類型有10多種，常用的主要包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、溫納-斯倫貝謝裝置等，需要根據工區的地質情況、探測目標體的類型做出相應的選擇[5]。

探測采用的溫納裝置如圖1所示，A、M、N、B等距排列，A、B為供電電極，M、N為測量電極。視電阻率表達式為式（1）。

ρ=k?U/I? （1）

式中：ρ為視電阻率;?U為測量電極M、N之間的電位差;I為供電電流強度;k為裝置系數，可由式（1）推出。

通過供電電極A、B向地下供入電流I，由于地下物體電阻率不均一，因而會引起地下電流密度分布不均，在地表測量接收電極M、N之間的電位差?U，利用式（1）計算視電阻率，根據不同深度視電阻率的變化情況，即可推測地下溶洞或溶蝕區分布狀況。此種方法的原理十分簡單，能夠得到直觀的圖像，分辨率也非常高[6]。

溫納裝置跑極方式為逆向斜測深，如圖2所示。

當給定實接電極數時，每一層剖面上的測點數可以由式（3）計算得到。

D=P?（P?1）?n （3）

式中：n為剖面層數;P為實接電極數，即測線上的電極總數;P為裝置電極數，溫納裝置取4;D為剖面n上的測點數。

3 野外工作方法與技術

高密度電法測量工作使用的儀器為瑞典ABEM公司生產的Terrameter LS型高密度電法儀。該儀器不僅重量輕、使用方便，還具有內置的Lund成像系統功能，可以實時顯示采集的多電極電阻率圖像，能加強對現場數據質量的把控。

本次測量選用4×21模式，即同時連接4根電纜，編號1～4，每根電纜21個電極，編號1～21，其中電纜相連處2個電極（21號電極與1號電極）置于同一位置，共61個電極點。主機放在排列中間，電極間距為5 m，一次排列最大測量長度為400 m，采用滾動測量的方式，每次向前滾動200 m，直至達到剖面總長度。

根據現場情況，測線均按照方位角148°布設，前期完成測線9條，線距20 m，后根據探測結果加測7條測線。探測共完成測線16條，剖面總長為9 900 m。

4 物探成果推斷解釋

數據處理階段，首先使用瑞典的res2d軟件將滾動測量的數據進行拼接，形成完整的斷面圖，并進行跳點、負值點的處理，然后使用加拿大Geogiga公司的RImager電阻率層析成像軟件對數據進行反演計算，并成圖輸出。

基于篇幅，選取測線1、測線12與測線14進行說明。縱坐標0表示設計標高（高程86 m），正值表示高于設計標高，負值表示低于設計標高，取縱坐標的一半作為探測深度。

測線1全長600 m（樁號0-600），由圖3測線1的反演結果可以看出，在240樁號下方存在明顯的低阻區域，后續的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質黏土充填的溶洞。

測線12全長500 m（樁號200-700），由圖4測線12的反演結果可以看出，在330樁號下方存在明顯的低阻區域，后續的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質黏土充填的溶洞。

測線14全長500 m（樁號200-700），由圖5測線14的反演結果可以看出，在390樁號下方存在明顯的低阻區域，后續的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質黏土填充的溶洞。

圖6為高密度電法低阻球形異常理論計算ρ斷面圖。球形異常實際半徑為3 m，但在溫納斷面圖中ρ異常直徑基本達到20 m，可見高密度電法存在明顯的體積效應。這一點在探測結果中也有明顯的表現，剖面異常范圍數倍于鉆探結果。因此，高密度電法探測的結果需要通過借助地質、鉆探和其他手段來確認溶洞的實際規模[7]。

5 結語

通過對高密度電法野外數據的正反演分析計算，明確了工區電性異常的分布情況，圈定了多個異常區，查明了隱伏巖溶的分布范圍，指導鉆探驗證工程，為工區地質環境保護與治理提供了可利用的直接依據。通過對高密度電法測量結果進行研究，輔助鉆探工程手段，證實了該方法技術勘查效果較好。

參考文獻：

[1] 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用效果分析[J].CT理論與應用研究，2011，20（3）：301-310.

[2] 張臘根，劉基.高密度電法在巖溶路基勘察中的應用[J].土工基礎，2006（5）：69-71.

[3] 劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 李強，張曉峰.高密度電法在工程巖溶勘探中的模擬與應用[J].能源研究與管理，2020（4）：111-115，120.

[5] 王志鵬，劉江平，李小彬.高密度電法對不同溶洞探測效果模擬[J].科學技術與工程，2019，19（27）：74-80.

[6] 韋俊丁.高密度電法在巖溶塌陷地質災害調查中的應用[J].地球，2016（3）：423-424.