高密度電阻率法特點及在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用實例

張 靜, 胡尊平, 陶鵬飛, 牛 輝, 陳 實

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院, 新疆烏魯木齊 830000）

近幾年, 在保護生態(tài)環(huán)境、人民生命安全和社會生產(chǎn)實踐中, 經(jīng)常會遇到各類不良地質(zhì)現(xiàn)象, 在地下水動力條件的改變或工程施工震動等外因誘發(fā)下易引起崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害, 給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳⒇敭a(chǎn)造成重大損失[1]。在災(zāi)害多發(fā)區(qū)進行災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查, 為后續(xù)的災(zāi)害治理提供必要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料是減災(zāi)防災(zāi)工作的前提[2]。高密度電阻率法現(xiàn)已成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的重要手段, 該方法屬于電阻率法的一種, 近年來, 該方法已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查、水害防治以及常見地災(zāi)探查等眾多行業(yè)領(lǐng)域[3-4]。與常規(guī)電法相比, 高密度電阻率法工作效率高, 勞動強度低, 探測精度高, 探測效果好, 高密度電法在電極布設(shè)和觀測形式上做了改進, 使電法勘探的自動化、智能化程度大大提高[4, 6-7]。

1 基本原理

高密度電法在理論上, 與傳統(tǒng)常規(guī)電法沒有本質(zhì)區(qū)別, 都是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ), 通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律, 從而查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體（風(fēng)化層、巖溶、滑坡體、斷層、基巖面等）的一類地球物理勘察方法[5]。其工作布設(shè)方法如圖1所示。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(zhuǎn)換器（圖2）或者微機工程電測儀器便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集, 當(dāng)將測量結(jié)果送入微機后, 還可對數(shù)據(jù)進行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[6]。一次觀測即可完成整條剖面的二維勘探, 既能完成所探測的異常體在某一深度上沿水平方向巖性的變化, 也能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規(guī)律, 獲取較為豐富的地電信息[6-9]。

圖1 高密度電法野外施工布置圖

圖2 重慶奔騰高密度電法儀

2 高密度電法特點

與常規(guī)電法相比, 高密度電法具有以下特點：

（1）電極布設(shè)一次性完成：減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差, 為野外數(shù)據(jù)的快速和自動測量奠定了基礎(chǔ), 極大地提升了工作效率[10]；

（2）高密度：采用較密的點距和極距變化, 提升了測量效果及精度；

（3）效率高：能有效地進行多種電極排列方式的掃描測量, 從而可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息；

（4）自動化：數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實現(xiàn)了自動化或半自動化, 不僅采集速度快（大約每一測點需2～5s）, 而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤；

（5）智能化：可以實現(xiàn)資料的現(xiàn)場實時處理以及脫機處理, 大大提高了該方法的智能化程度[11-13]；

（6）兼具剖面法和測深法雙重性質(zhì)：并具點距小、數(shù)據(jù)采集密度大等優(yōu)點, 能形象且準(zhǔn)確地反映基巖起伏等斷面電性變化情況；

（7）多參數(shù)測量：同時觀測電阻率、極化率和自然電位, 能獲取地下豐富的地電參數(shù), 從不同電性角度對地下結(jié)構(gòu)進行刻畫[14]。

主要不足：勘察深度有限, 僅為剖面長度的十分之一至六分之一。

3 不同裝置的探測效果分析

高密度電法常應(yīng)用于斷層、滑坡面的勘察追索中。為分析各裝置的探測效果, 運用數(shù)值模擬的實驗方法, 建立直立斷層地質(zhì)模型（圖3）, 頂點埋深1m, 電極間距1m, 電極道數(shù)51道, 采用溫納裝置、偶極裝置與斯倫貝謝裝置進行有限元正演計算。

圖3 模型示意圖

由上述正演結(jié)果（圖4）可以看出, 不同裝置對斷層的分界面都有較明顯的異常響應(yīng)。其中, 溫納裝置探測深度大, 能很好地反映深部地層視電阻率的變化規(guī)律[15]；偶極裝置的異常幅值最大, 說明偶極裝置對異常的敏感程度較高；斯倫貝謝裝置探測深度和探測效果介于兩者之間。

圖4 三種不同裝置正演結(jié)果

對上述正演結(jié)果進行最小二乘反演, 結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種不同裝置反演結(jié)果

由上述反演結(jié)果可以看出, 經(jīng)過三次迭代計算以后, 偶極裝置對斷層的探測效果最好, 能有效判斷斷層的性質(zhì), 但探測深度只有溫納裝置的一半；溫納裝置能較好地顯示斷層在深部范圍上的延伸狀態(tài)；斯倫貝謝裝置在高阻巖體內(nèi)部出現(xiàn)畸變, 不利于地層劃分, 但可作為劃分?jǐn)鄬拥膮⒖假Y料。

4 應(yīng)用實例

4.1 調(diào)查區(qū)概況

新疆伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津布拉克村崩塌、滑坡災(zāi)害點主體在潘津布拉克牧道北側(cè), 主要災(zāi)害類型為滑坡和崩塌災(zāi)害, 其中滑坡、崩塌體沿河道北側(cè)分布, 以災(zāi)害體分布范圍及南側(cè)受災(zāi)害體威脅的承災(zāi)體（道路、河道、房屋等）范圍圈定為勘查區(qū)。滑坡均向牧道方向滑動, 滑坡后緣呈圈椅狀, 部分裂縫已被坍塌的碎石、土體填充。

4.2 數(shù)據(jù)采集

高密度電法采集儀器使用重慶奔騰數(shù)控儀器廠研制的WGMD-9型超級高密度電法系統(tǒng), 使用溫納裝置測量。在采集剖面數(shù)據(jù)前, 對所有電極澆注鹽水, 并測量各電極的接地電阻, 所有電極接地電阻小于1kΩ, 保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。結(jié)合任務(wù)要求, 共布設(shè)6條測線, 每條剖面布設(shè)長度為200～250m不等, 電極間距5m。現(xiàn)選擇其中3條作為實例分析。

4.3 應(yīng)用效果

（1）圖6是1線0～250樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。斷面解譯推斷成果顯示, 根據(jù)電阻率差異, 自南向北, 依次可以劃分出低阻的河道區(qū)（砂巖）、高阻的安山巖基巖面、向下延伸的低阻風(fēng)化卵礫石、泥巖等不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖6 1線高密度電法斷面及解譯推斷圖

剖面0～40m主要為河道區(qū), 視電阻率呈低阻特征。40～140m處為安山巖的反映, 寬約100m, 厚度約25m,140m下部為一延伸至表面的低阻異常帶, 向基巖面下方延伸, 為風(fēng)化卵礫石富水性引起, 與河道在下部接觸, 剖面140～160m處為覆蓋層的反映, 160～250m處為視電阻率雜糅的特征, 地質(zhì)情況較為復(fù)雜, 表面為層狀高阻特征, 下部層狀低阻特征, 為含水覆蓋層引起。

（2）圖7是物探2線0～200樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。從電阻率反演斷面上可以看出, 電阻率橫向連續(xù)性較好。根據(jù)剖面電性特征可大致劃分為三層：表層覆蓋層視電阻率相對較高, 主要為巖塊碎石帶、第四系黃土和表層疏松干土, 厚度在10～25m左右, 從滑坡體后部向前部堆積體變化較為均勻；中部為第四系粘砂土, 土層含水量變大, 滑坡后緣和前緣坡腳位置含水量較大；最下部低阻帶為富水的砂巖層。

圖7 2線高密度電法斷面及解譯推斷圖

（3）圖8是物探6線0～250樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。從解譯圖可以看出, 10～55m處, 電阻率變化范圍較大, 不均勻, 主要為河溝沖洪積區(qū), 碎石、巖塊堆積致使空隙變大, 填充物主要為粘土與巖石碎塊；90～205m處為坡積物覆蓋層, 夾雜有黃土巖塊、碎屑, 因含水而電阻率偏低；130～150m處為基巖出露區(qū), 主要為安山巖；210～220m處為安山巖基巖區(qū), 向下側(cè)伏；225～235m表層處為安山巖基巖出露區(qū)。

圖8 6線高密度電法斷面及解譯推斷圖

5 結(jié)論

（1）高密度電阻率法可以較準(zhǔn)確地反映基巖埋深并能直觀地反映地下電性異常體的形態(tài), 實現(xiàn)覆蓋面與基巖界面的探測與劃分。

（2）本次應(yīng)用實例中, 高密度電阻率法中的溫納裝置較好地反映出了調(diào)查區(qū)地層淺部（30m以淺）的電性特征, 并對各層的巖性及構(gòu)造情況進行解譯。

（3）高密度電法相比于常規(guī)電法, 具有電極布設(shè)方便、數(shù)據(jù)采集密度大、自動化程度高、工作效率高等特點, 所以能在多個地質(zhì)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

（4）高密度電阻率法不同裝置對異常地質(zhì)體探測都有一定的異常響應(yīng), 但在勘探深度、分辨率、探測效果等方面存在差異。在不同的地質(zhì)條件下, 需根據(jù)勘探目的、精度及深度等要求選擇合適的裝置類型。同時, 如能選用兩種或兩種以上的裝置類型進行勘探, 則能更好地提高異常解釋的精度和可靠度。