高密度電阻率法在物探工作中的應(yīng)用

摘" 要：為探索高密度電阻率法在巖溶探測中應(yīng)用的技術(shù)要點，以某飾面用石灰石礦為例，在概述工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對高密度電阻率法物探過程、數(shù)據(jù)處理等展開分析，通過對視電阻率二維成像形態(tài)及高低阻等的反演分析，進(jìn)行礦區(qū)巖溶分布范圍、埋深、大小等解釋，并對異常結(jié)果進(jìn)行述評。結(jié)果表明，資料解釋與鉆探結(jié)果基本吻合，物探結(jié)果可用于礦區(qū)巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的防治。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；物探；巖溶；勘察；石灰石礦

中圖分類號：P631.322" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0128-04

Abstract： In order to explore the technical key points of the application of high-density resistivity method in karst exploration， taking a limestone mine for decoration as an example， the geophysical process and data processing of high-density resistivity method are analyzed on the basis of summarizing the engineering geological conditions. Through the inversion analysis of the two-dimensional imaging shape of apparent resistivity and high and low resistivity， the karst distribution range， burial depth and size of the mining area are explained， and the abnormal results are reviewed. The results show that the data interpretation is basically consistent with the drilling results， and the geophysical results can be used for the prevention and control of geological disasters such as karst collapse in the mining area.

Keywords： high-density resistivity method; geophysical exploration; karst; exploration; limestone deposit

巖溶是工程建設(shè)中典型的不良地質(zhì)體，也是引發(fā)工程建設(shè)災(zāi)害的主要地質(zhì)原因之一。巖溶必將增大基巖面起伏，造成較多的溶洞、溶蝕帶和土洞，為建筑物結(jié)構(gòu)安全埋下較大隱患。所以，必須在工程建設(shè)前，展開地下巖溶發(fā)育情況的全面勘察，為設(shè)計及施工方案提供可靠依據(jù)。就勘察方法而言，高密度電阻率法在探測地下巖溶方面工效高，施測過程簡單，探測結(jié)果準(zhǔn)確。高密度電阻率法主要依據(jù)巖土電性差，通過對人工電地下分布規(guī)律的人工觀測，進(jìn)行巖礦體分布情況推斷。該方法數(shù)據(jù)采集密度大，施測成本低，圖像可直觀顯示，在巖土工程勘察中應(yīng)用廣泛，也取得了較為詳實的實踐經(jīng)驗。

為更加真實地體現(xiàn)地下巖溶分布情況，本文依托工程實例，應(yīng)用WGMD-3型高密度電阻率儀和反演程序RES2DINV展開飾面用石灰石礦的詳查，為溶洞特征的解釋及施工質(zhì)量控制提供了可靠依據(jù)。

1" 工程概況

本次施工任務(wù)為飾面用石灰石礦的詳查。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和礦區(qū)地質(zhì)填圖資料，測區(qū)出露地層簡單，呈單斜層狀產(chǎn)出，構(gòu)造不發(fā)育，巖漿活動強烈，變質(zhì)作用微弱。測區(qū)內(nèi)及周邊出露地層主要有二疊系中統(tǒng)陽新組（P2y）、二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組（Pe），以及第四系（Qdel）殘坡積層。測區(qū)內(nèi)構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)斷層和褶皺，對礦體的形態(tài)不構(gòu)成影響。測區(qū)地層為單斜層狀產(chǎn)出，總體產(chǎn)狀270～315°，∠20～31°。測區(qū)西測有一條近南北向的斷層通過，對含礦層的影響較小。構(gòu)造節(jié)理主要有2組，產(chǎn)狀分別為：①120～160°，∠45～83°；②30～80°，∠60～85°。節(jié)理間距一般為0.5～2.0 m，地表最寬可達(dá)3.0 m，深部最寬達(dá)4.2 m。局部構(gòu)造節(jié)理密集發(fā)育，形成規(guī)模不等的巖石破碎帶。

本次勘探主要查明測區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層厚度，地層界線，巖溶發(fā)育位置、范圍及其分布特征，破碎帶分布位置、形態(tài)及其規(guī)模，對測區(qū)巖溶發(fā)育程度和巖體完整性進(jìn)行定性-半定量評價，為測區(qū)礦體質(zhì)量評價提供必要的依據(jù)。

2" 高密度電阻率法工作原理

2.1" 工作原理

高密度電法勘探過程以地下巖礦石電性差異為基礎(chǔ)，通過對人工構(gòu)建的地下電場分布規(guī)律的識別和觀測，得出目標(biāo)地質(zhì)體基本參數(shù)。該探測方法通常采用溫納裝置，在A、B電級供電的同時，由M、N電級展開電位差測量，經(jīng)由供電電流、電位差和裝置系數(shù)等的運算后得出各測點視電阻率。掃描測量過程完成后，得到倒梯形斷面視電阻率等值線圖，進(jìn)而對二維反演圖展開解釋。

高密度電法通過正演模擬，既能較好掌握不同地電模型電性響應(yīng)的屬性，又能展開指導(dǎo)性反演，確保演繹結(jié)果與實際情況相吻合，提升物探結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體而言，依據(jù)野外實測數(shù)據(jù)得出二維反演視電阻率斷面圖，基于斷面圖構(gòu)建初始模型展開正演，得出正演處理后的視電阻率斷面圖；將2種圖像展開比較，如果兩者吻合，則認(rèn)為所構(gòu)建的模型符合實際，相反則應(yīng)展開模型的修正，并重新進(jìn)行正演計算。重復(fù)以上過程，直至二維視電阻率斷面圖正演結(jié)果與反演結(jié)果的誤差達(dá)到一定范圍。根據(jù)所得出的模型展開地質(zhì)解釋。

2.2" 正演模型

本次正演模型為水體填充后的低阻溶洞模型，采用有限單元法展開正演模擬，并通過溫納裝置開展排列。測線長195 m，電極按照5 m的間距排列，共使用60根電極。層狀模型最上部設(shè)置5 m厚、電阻率為90 Ω·m的覆蓋層；模型深度為5～25 m處電阻率為140 Ω·m，深度25～45 m處電阻率為220 Ω·m；最下層電阻率為300 Ω·m。在該水平層狀模型中設(shè)置電阻率為30 Ω·m的低阻異常體，距離地表約70～90 m。采用有限單元正演計算該模型合成視電阻率。通過分析溫納裝置水平模型響應(yīng)視電阻率斷面圖看出，淺處視電阻率值較小，隨著深度的增大，視電阻率值呈增大趨勢；低阻異常體在斷面圖中得到了較好反映，其響應(yīng)特征趨勢也與模型設(shè)定值基本一致，表明高密度電阻率法正演數(shù)值模擬過程可行而有效。

3" 高密度電阻率法物探過程

本次工作采用高密度電法，分別采用溫納裝置和偶極裝置進(jìn)行觀測，測線間距100 m，測線方向與勘探線方向一致，方位角為110°，測點間距10 m（斜距），120根電極，測線長度1 190 m（斜距），觀測39層，最大勘探深度約190 m，最佳勘探深度范圍15～150 m，共布設(shè)7條測線。

3.1" 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

本次工作使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-3型高密度電阻率儀進(jìn)行觀測，該儀器設(shè)置RS-232串行接口，可直接將存儲數(shù)據(jù)傳輸至相應(yīng)軟件，展開物探結(jié)果的數(shù)字化解釋。現(xiàn)場工作前對儀器、電纜線、電極和供電電池等展開全面檢查，確保儀器性能穩(wěn)定，電纜線連接正常，不斷路、不短路，電極性能良好，供電電池性能穩(wěn)定。待鋪設(shè)完現(xiàn)場電纜線，接通電極后，逐點檢查電極接地電阻，將至少80%的電極接地電阻控制在2" kΩ以內(nèi)，全部電極接地電阻不超出10" kΩ，且電阻值保持穩(wěn)定[1]。現(xiàn)場觀測時，應(yīng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢，加強各種反常現(xiàn)象排查，確保所采集野外數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本次物探工作于2016年9月15日進(jìn)場，9月19日—10月3日開展野外觀測工作，10月9日后轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)整理，共完成高密度電法7條測線、12個排列的觀測工作，其中溫納裝置觀測7個排列，偶極裝置觀測5個排列，測線總長8 330 m（斜距）。經(jīng)過點位平差校正處理后各條測線實際長度（平距）見表1。

3.2" 數(shù)據(jù)處理

通過提高儀器供電電壓，以壓制工業(yè)及人工離散電流對物探過程及結(jié)果的干擾。在整理資料的過程中，剔除個別突變數(shù)據(jù)；對于個別突變數(shù)據(jù)超出規(guī)范的情況，必須改進(jìn)探測參數(shù)后復(fù)測，如果仍達(dá)不到要求，則應(yīng)將相應(yīng)剖面數(shù)據(jù)作廢處理。此次物探期間，前后共重復(fù)排列30個電極，將所取得的300組觀測數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計分析，并按照以下公式計算均方相對誤差[2]

式中：M為質(zhì)量檢測站點均方相對誤差；n為質(zhì)量檢測站點物探數(shù)據(jù)個數(shù)；mi為參與評定的第i個極距相對誤差；ρ為數(shù)據(jù)設(shè)計值；ρ′i為參與評定的第i個數(shù)據(jù)檢查值；ρi為參與評定的第i個數(shù)據(jù)觀測值。

本次工作的數(shù)據(jù)采用瑞典開發(fā)的二維高密度電法反演程序RES2DINV展開數(shù)據(jù)反演[3]，生成高密度電阻率斷面圖片文件，最后將圖片文件導(dǎo)入CAD，結(jié)合地質(zhì)情況，作出解釋說明。基本流程：將數(shù)據(jù)從儀器導(dǎo)入電腦→數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換→根據(jù)平差結(jié)果重新計算并替換數(shù)據(jù)文件中的點距和點位→在數(shù)據(jù)文件中加入地形數(shù)據(jù)→設(shè)置反演參數(shù)→反演→生成電阻率剖面圖片文件→將圖片文件導(dǎo)入CAD文件→在CAD文件中作出解釋說明。

鑒于本次所測數(shù)據(jù)變化范圍大，在設(shè)置反演參數(shù)時將阻尼系數(shù)初值設(shè)為0.3，最小阻尼系數(shù)設(shè)為0.1，阻尼系數(shù)深度變化系數(shù)設(shè)為1.2。此外，考慮到測區(qū)地層產(chǎn)狀較緩，故將垂直濾波與水平濾波比設(shè)為0.5；其余反演參數(shù)均采取默認(rèn)值[4]。

3.3" 資料解釋

對于基巖頂部巖溶發(fā)育且延深不大的情況，視電阻率等值線斷面圖上等值線呈漏斗狀或階梯狀，并存在小范圍封閉的低值異常區(qū)。而對于巖溶發(fā)育強烈且向下延深較大的情況，視電阻率等值線斷面圖上等值線密集，呈漏斗狀或階梯狀，低值異常區(qū)分布明顯。對于等值線平面而言，若存在明顯的帶狀窄條異常，且幅度較大時，說明巖溶發(fā)育連續(xù)但不寬闊，且主要為管狀巖溶通道；而存在明顯的寬帶異常，則說明巖溶發(fā)育強烈，范圍寬闊，且主要為淤泥或黏土充填后的漏斗或溶洞。

測區(qū)內(nèi)明顯的高阻區(qū)可推測為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，巖體完整，塊度大。但這并不能完全排除空溶洞存在的可能。在灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖中發(fā)現(xiàn)的低阻異常區(qū)（帶），可推測為巖體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖溶發(fā)育或基性侵入巖，表明礦石塊度和荒料率低，可利用率不高。但低阻異常具體的引發(fā)原因必須結(jié)合實際地質(zhì)情況加以區(qū)別。同時，由于含礦層與底板的電阻率無明顯差異，故無法確定含礦層與底板的分界線。

3.4" 干擾因素分析

地形影響和深部低阻地層影響，是此次物探工作的主要干擾因素。

測區(qū)地形整體緩和，局部較陡，中間高、兩端低，高密度電法視電阻率觀測值存在一定程度的扭曲。測區(qū)地形對溫納裝置觀測結(jié)果也存在較大影響，即勘探深度較淺時，視電阻率值偏高；隨著勘探深度的增大，視電阻率值呈降低趨勢；反演后的電阻率斷面上部電阻率值偏高、下部電阻率值偏低。地形對不同觀測裝置影響程度不盡相同，通過不同方法的應(yīng)用和比較，可以排除地形影響所致的“假異常”。為此，同一斷面應(yīng)采用不同裝置重復(fù)施測，以排除或降低部分地形的影響[5]。此外，還應(yīng)在資料解釋時，結(jié)合地質(zhì)實際展開綜合分析，確保解釋結(jié)果盡可能與地質(zhì)情況相吻合。

炭質(zhì)白云巖電阻率相對較低，基性侵入巖為低阻巖。礦區(qū)東部所出露的鋁土質(zhì)頁巖也屬于典型的低阻巖，分布于測線控制范圍以外，但因其向西緩和傾斜，故存在與炭質(zhì)白云巖基性侵入的可能性，進(jìn)而對高密度電法深部視電阻率觀測值產(chǎn)生影響，造成深部反演電阻率下降。影響程度受測線、位置的影響較大，部分區(qū)域影響明顯，部分區(qū)域影響較弱。正是由于這種影響程度的不確定性，資料解釋難度大大增加，在資料解釋時，必須充分結(jié)合實際地質(zhì)展開綜合分析，增強解釋結(jié)果的可靠性。

3.5" 鉆孔驗證

為驗證本次物探資料解釋的可靠性，在物探解釋為巖溶的區(qū)域鉆孔。結(jié)合高密度視電阻率反演結(jié)果，淺部視電阻率偏低，可判定為第四系覆蓋層反應(yīng)，且不同位置第四系厚度不盡相同，東部覆蓋層薄，西部覆蓋層厚；局部區(qū)域因富水性差異，數(shù)值存在波動，且富水性強的部位視電阻率低。中深部視電阻率較大，判定為下伏灰?guī)r反應(yīng)，斷面150～420 m深度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出明顯的電性起伏和突變，局部區(qū)域視電阻率等值線波動大、基巖明顯破碎。

4" 異常結(jié)果評述

每條測線的高密度電法剖面圖上都發(fā)現(xiàn)一處明顯的陡傾斜低阻異常帶，電阻率值明顯低于周邊電阻率（第④層）。該異常帶在地表的分布位置分別為：2線625～680 m，3線635～700 m，4線745～780 m，5線775～810 m，6線785～815 m，7線755～825 m，8線830～900 m，傾向南東。根據(jù)測區(qū)地質(zhì)、地貌特征，推測該異常帶為基巖破碎帶，巖體破碎或較破碎，局部溶蝕強烈，主要表現(xiàn)為構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育或較發(fā)育。根據(jù)不均勻體的規(guī)模通常小于異常區(qū)規(guī)模的一般規(guī)律，推測破碎帶寬度約為10～30 m。

每條測線的高密度電法剖面圖上都發(fā)現(xiàn)一些低阻異常區(qū)（第⑤層）。這些異常區(qū)多數(shù)為孤立、零星分布，呈近水平或緩傾斜產(chǎn)出，近乎呈“順層”狀，深度一般不超過40 m，多數(shù)在10～30 m深度范圍之內(nèi)，位置及深度詳見表2。

根據(jù)測區(qū)地質(zhì)和地球物理特征分析，推測該類異常區(qū)（第⑤層）為巖溶發(fā)育區(qū)（帶），巖體破碎或較破碎，巖溶強烈發(fā)育，主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙、溶隙、溶洞大量密集發(fā)育，有溶洞發(fā)育的可能性較大。巖溶發(fā)育多數(shù)表現(xiàn)為水平、“順層”狀發(fā)育，少數(shù)呈直立帶狀發(fā)育；發(fā)育深度多數(shù)不超過40 m，少數(shù)發(fā)育深度超過100 m。其中，4線685～720 m、5線690～745 m、6線470～510 m和8線305～355 m附近，深部巖溶發(fā)育的可能性極大。

5" 結(jié)束語

綜上所述，物探法是巖溶勘察中行之有效的技術(shù)手段，高密度電阻率法因分辨率高、工效高，在淺部巖溶探測中較為常用，該方法能較為準(zhǔn)確地探明巖溶發(fā)育區(qū)位置、埋深，在與鉆探驗證方法配合使用后能得到更為可靠的物探結(jié)果。該技術(shù)所解釋的溶洞深度及鉆探揭露的深度雖存在差異，但誤差符合要求。本次物探過程未能明確區(qū)分石灰石礦層與底板的界線，深部低阻異常區(qū)推測為侵入巖體的結(jié)論也缺乏有力驗證，有待進(jìn)一步深入研究與探索。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王赟，陳學(xué)峰.水利水電工程地質(zhì)勘察中高密度電法的應(yīng)用研究[J].陜西水利，2023（4）：110-111，121.

[2] 田必林.高密度電阻率法數(shù)據(jù)平滑處理的分析研究[J].工程地球物理學(xué)報，2022，19（5）：708-715.

[3] 張靜，胡尊平，陶鵬飛，等.高密度電阻率法特點及在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用實例[J].西部探礦工程，2022，34（9）：138-143.

[4] 張成學(xué).高密度電阻率法在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2022（7）：145-147.

[5] 趙楊杉.高密度電法與等值反磁通瞬變電磁法在法泗巖溶塌陷精細(xì)探測中的聯(lián)合應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2022（3）：348-355.