高密度電阻率法在西北地區黃土層條件下的試驗應用*

趙 博 ，張嘉力

（1.蘭州資源環境職業技術大學，甘肅 蘭州 730021；2.華能甘谷電廠有限公司，甘肅 天水 741200）

1 方法概述

高密度電阻率法因其對施工現場較小的地形破壞影響、較高的工作效率、較小的現場工作規模及人工開支等特點，受到了各類礦產資源勘查工作單位以及城市地下工程空間探測工作單位的青睞，得到了大規模的應用與深入發展研究[1-3]。該方法常被應用于解決礦產資源勘查、大地構造調查、城市地下空間結構無損探測等領域的工程實踐問題。

本次勘探試驗采用較為先進的高密度電阻率法儀器系統，該儀器系統可進行多種裝置類別的高密度電阻率裝置形式測試，可以自定義設置設備進行數據采集觀測。儀器出廠配置有高性能計算機，與擴展外設配件及相應的數據處理軟件相配合，可在工作布置現場對所采集的數據資料進行分析處理成圖。該儀器系統被廣泛地應用于自然資源、能源開發、交通建設、工程建設、工業與民用建筑、地質環境調查、環境災害評價、堤防隱患探測等領域[4-5]。此外，該儀器系統還可滿足常規電法勘探中所有裝置類型的數據采集，諸如電測深、聯合剖面等。

2 勘探試驗區基礎地質條件

勘探試驗區位于甘肅省蘭州市東崗遠郊地區，該地區位于西北黃土高原丘陵溝壑區，為北溫帶半干旱大陸性氣候，干燥少雨，土壤為黃土母質上發育起來的灰鈣土，土壤顆粒較粗，受水分條件制約，自然植被生長稀疏，主要植被群落以旱生植物為主。按板塊構造學說，蘭州地區位于華北板塊與華南板塊碰撞而形成的祁連-秦嶺地縫合線上，挽近地質時期由于印支板塊向歐亞板塊的碰撞，受到來自南西-北東方向的壓力而處于活動狀態。黃土高原區是一個特殊的地理區域，深厚的黃土層記錄了豐富的第四紀環境信息，而該地區脆弱的生態環境容易受到水土流失的影響，受所含水分比例變化的影響，黃土層在力學上呈現出明顯的不穩定性，從而造成了該地區易發多發地面塌陷、山體滑坡等地質災害[6]。易得以下結論：黃土層含水量越高的局部區域，其力學穩定性越差，該局部區域越易發生地質災害。

3 方法適用性

水分對于黃土層的另一項物理性質改變則在于導電性。根據基礎物理學常識，土壤含水量越高，其導電性能則越好，量化物理參數則為土壤觀測電阻率（ρ）越低，表現為低阻區域；與之相對的，土壤越干燥，其導電性能變差，觀測電阻率則升高，表現為高阻區域。土壤含水量與地面觀測視電阻率呈負相關關系[7-9]。而高密度電阻率法正好關注的是觀測區地下某處視電阻率（ρs）數值變化分布情況。

結合以上論述，可以通過在黃土層地區地表面布置觀測陣列，利用高密度電阻率法儀器系統觀測地下各深度視電阻率值變化分布，從而了解地下土壤水分含量的變化分布情況，為該地區地面沉降等地質災害的預測與防治提供依據和參考。

4 現場工作布置

為簡化計算成像程序，減少地形校正等數據前處理步驟，勘探試驗選取了一處平坦度較好的地點進行了排列布置，如圖1所示。采取AB段（90 m）作為觀測區主測線排列，沿南北向延伸分布；CD（90 m）、EF（90 m）、GH（90 m）段作為觀測區旁測線排列，垂直于主測線沿東西向延伸分布。在工作區域內按照地面布置設計確定各點位的位置，并用標志物在地面上進行標記。

圖1 勘探現場工作布置示意圖

依次沿各條測線利用皮尺確定好電極間距，以Δl=1 m的間距依次將儀器配套的電極棒釘入地面，儀器主機及外部直流電源通過數據總線依次與排列上的電極棒串聯，完成該條測線的排列布置。電極排列布置如圖2所示。外部直流電源經過數據總線向排列上的裝置組（排列上連接的多個電極棒的其中四個）進行供電同時反饋該組測定的視電阻率，裝置組的極距參數及裝置類型通過儀器設定選擇而自動改變[10]。以排列為單位獲得觀測數據文件，數據文件包含X（地面位置）、Y（觀測深度）、Ro（視電阻率）等信息。

圖2 電極排列布置示意圖

5 觀測數據成像分析及可能的地質解釋

編制MATLAB程序，錄入觀測記錄所得的主、旁測線排列數據，得到勘探試驗區四個地電斷面圖像如圖3～圖6所示。視電阻率分布等值線剖面圖通過contourf函數繪制。設定色標參數為“cool”，淺色區域對應視電阻率值較低，對應土壤含水量較高區域；深色區域對應視電阻率值較高，對應土壤含水量較低區域。

圖3 觀測排列AB數據成像

圖5 觀測排列EF數據成像

圖6 觀測排列GH數據成像

觀察圖像顏色分布及色表數值范圍，可知勘探試驗區地下視電阻率值分布介于40 Ω·m～110Ω·m；由圖3可知南北向延伸分布的主測線AB段普遍土壤含水量較高，主要集中分布于地表向下的5 m范圍內，這與地面現場布置時區域中部地形的輕微下凹吻合；同時該高含水土壤層中也存在多個分布范圍較窄的干燥土壤夾層，推測可能是黃土層內有成分組成與圍土有較大差異的局部區域存在，其受到來自地表的外力壓實作用而發生土壤固結，致使黃土層局部區域出現了含水較低的夾層；AB觀測排列南端（約10 m處）及最北端（約90 m處）出現數值陡然增大的高阻區域，推測可能是因水土流失而造成的黃土層地下空洞，此兩處地點有較高的發生地面塌陷地質災害風險，應于地面做標記并及時向周邊住戶居民發出預警。

由圖4～圖6可知，黃土層水分主要集中存在于沿AB測線左右地面10 m地下2 m～6 m的范圍內，水分以此區域為中心向四周徑向擴散減少。東西向的三條觀測排列CD、EF、GH，盡管該三條測線間有較大的間距（約12 m）存在，但根據三個排列繪制的視電阻率分布剖面圖，就導電性差異反映而言，此三線并沒有太大差異，推斷試驗勘探區黃土層沿主測線方向（南北）自地面向下5 m范圍內屬于電性均勻分布介質；排列CD、EF、GH的最東端也均出現了數值陡然增大的高視電阻率異常特征，同樣推測可能是因水土流失而造成的黃土層地下空洞，此處有發生地面塌陷地質災害風險，需提前預警準備。

圖4 觀測排列CD數據成像

6 總結與展望

通過本次高密度電阻率法勘探試驗，驗證了該方法針對黃土層地區土壤含水量預測的適用性，為地區地質災害防治、地面塌陷監測預警、水土保持等專業領域的進一步研究提供了參考。下一步可就黃土層含水量與土壤視電阻率間的負相關關系進行定量數值模擬，從而探究黃土層地下土壤水分含量的變化分布規律，進而為該地區地面沉降等地質災害的預測與防治提供依據和參考。