地質(zhì)勘察中高密度電法的應(yīng)用研究

田秋生

（黑龍江省煤田地質(zhì)物測(cè)隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150008）

高密度電法具有小點(diǎn)距、數(shù)據(jù)采集密度大、施工效率高和分辨率高的特點(diǎn)，在工程地質(zhì)、管線探測(cè)、物探找水、巖溶及地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等工程地質(zhì)勘察中已逐漸成為常用的方法。

1 高密度電法概述

1.1 基本原理

高密度電法是20世紀(jì)80年代在常規(guī)電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型陣列勘探方法，它是基于靜電場(chǎng)理論，以探測(cè)巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為前提進(jìn)行的，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律從而來(lái)解釋地下地質(zhì)問(wèn)題。高密度電法進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量，兼具剖面法與測(cè)深法的功能。能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，因而可以獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息。高密度設(shè)置了較高的測(cè)點(diǎn)密度，儀器利用多路電極轉(zhuǎn)換裝置，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種電極排列和多參數(shù)測(cè)量，一次可完成縱、橫二維的勘探過(guò)程，既能反映所探地質(zhì)體在某一深度上沿水平方向巖性變化，又能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規(guī)律，獲取的地質(zhì)信息豐富，探測(cè)精度高。因此在工程地質(zhì)勘探中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。

1.2 工作流程

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系三部分組成。多路電極轉(zhuǎn)換器通過(guò)電纜控制電極系各電極的供電與測(cè)量狀態(tài);主機(jī)通過(guò)通訊電纜、供電電纜向多路電極轉(zhuǎn)換器發(fā)出工作指令，向電極供電并接收、存貯測(cè)量數(shù)據(jù)。其具體工作流程見(jiàn)圖1所示。

圖1 高密度電法工作流程圖

高密度電阻率法工作時(shí)，其供電電極與測(cè)量電極是一次性布設(shè)完成的。通常情況下，經(jīng)由儀器的電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制，排列中的某兩根電極既作為供電電極AB，在下一組組合測(cè)量時(shí)又要作為測(cè)量電極MN。我們?cè)诠ぷ鲿r(shí)，總希望探測(cè)深度要深(即AB要大)，又不會(huì)漏掉小的異常體(即MN要小)。要提高橫向分辨率，就要犧牲它的探測(cè)深度，反之亦然。所以在設(shè)計(jì)極距時(shí)，既要充分考慮探測(cè)深度，又要兼顧橫向分辨率。

1.3 資料處理

高密度電法的數(shù)據(jù)處理主要包括兩大部分，即數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)反演處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要包括:編輯視電阻率值，對(duì)突變點(diǎn)和噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除;對(duì)由多個(gè)測(cè)量斷面組成的剖面進(jìn)行拼接，把各電極所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中。對(duì)于地形起伏較大的剖面，把高程坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中，以備反演處理時(shí)進(jìn)行地形校正處理;反演處理主要包括：根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料建立初始的二維地電模型，選擇反演參數(shù)等，然后采用最小二乘法進(jìn)行反演計(jì)算，查看反演結(jié)果，最后進(jìn)行地形校正，獲得最終的地下地電斷面，用于地質(zhì)解釋。

2 高密度電法在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

2.1 高密度電法在地下空洞探測(cè)的應(yīng)用

目前越來(lái)越多的工程建設(shè)項(xiàng)目遇到地下采空區(qū)的探查問(wèn)題。地下采空區(qū)引起的地面沉陷，是工程建設(shè)的隱患，已成為一種較典型的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，查明地下采空區(qū)的埋深及分布范圍，對(duì)地下采空區(qū)的處理就顯得十分重要。本勘查區(qū)內(nèi)主要巖層的電性特征為:上層第四系主要為黃土層，電阻率值較高，下層煤系地層呈相對(duì)低阻層。煤層被開(kāi)采后，隨著時(shí)間的推移，采空區(qū)上方巖層在重力作用下發(fā)生塌陷，造成煤層上覆巖體失去原有的平衡狀態(tài)，首先破壞了巖石的完整性和連續(xù)性，致使巖層破碎和出現(xiàn)大量的空隙和裂隙，故該處電阻率會(huì)偏高于完整巖石處的電阻率。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了灌漿處理后，則采空區(qū)部分的電阻率會(huì)明顯低于周圍完整巖石的電阻率，表現(xiàn)出一定的低電阻率特征，如圖2所示。由以上分析可知，測(cè)區(qū)內(nèi)各地層及巖層之間均有明顯的電性差異，標(biāo)示了注漿體的綠色及淡綠色部位即為勘察目的層位。

圖2 采空區(qū)灌漿檢測(cè)電阻率斷面圖

2.2 高密度電法在地下管線探測(cè)的應(yīng)用

由于早期城市地下管錢網(wǎng)未進(jìn)行合理規(guī)劃，加之大多地下管線規(guī)劃圖紙遺失，等后期進(jìn)行城市地下管線網(wǎng)改造時(shí)就很難準(zhǔn)確知道地下管線的具體位置，施工時(shí)就會(huì)不可避免地發(fā)生事故，影響施工進(jìn)度。所以，在市內(nèi)進(jìn)行開(kāi)挖工程前，能夠明確城市地下管線的情況是非常重要的。高密度電法對(duì)地下管線的探測(cè)具有較好的應(yīng)用效果。普查區(qū)內(nèi)埋有地下輸水管道，由于輸水管道為金屬，加之管道內(nèi)流體均為低阻良導(dǎo)體，故在電性上與周圍土層有明顯的電性差異，具備地球物理勘探的前提條件。垂直管線剖面進(jìn)行了三次高密度電法測(cè)量，對(duì)資料數(shù)據(jù)反演處理后得管線探測(cè)電阻率斷面圖，如圖3所示。通過(guò)對(duì)連續(xù)測(cè)量的三個(gè)電阻率剖面的分析，能明顯確定需要勘查的管線位置，在斷面圖上表現(xiàn)了圓形剖面并呈現(xiàn)出連續(xù)性。通過(guò)開(kāi)挖，其測(cè)試結(jié)果得到證實(shí)，開(kāi)挖結(jié)果和解譯結(jié)果一致。

圖3 管線探測(cè)電阻率斷面圖

2.3 高密度電法在堤防隱患探測(cè)的應(yīng)用

高密度電法在堤防隱患探測(cè)的應(yīng)用具有較好的效果。當(dāng)?shù)谭来嬖陔[患時(shí)，如不能明確其存在位置，會(huì)給防洪防汛帶來(lái)巨大的壓力，甚至?xí){周圍人民群眾的生命安全。所以，能有效的探測(cè)并排除提防隱患是非常重要的。本次勘查黃河某處堤防隱患，電祖率斷面圖如圖4所示。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)電阻率數(shù)據(jù)反演處理后，顯示出堤內(nèi)裂隙的位置及深度，對(duì)堤防隱患的治理指明了方向。

圖4 提防隱患探測(cè)電阻率斷面圖

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了高密度電法的原理及勘探特點(diǎn)，該勘探方法具有測(cè)量信息豐富、對(duì)地下地質(zhì)體分辨能力高的優(yōu)點(diǎn)。在對(duì)地下空洞、地下管線及堤防隱患工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用是可行的，并能取得較好的應(yīng)用效果。同時(shí)，由于某些勘查工程受地質(zhì)地形影響較大，在一定程度上影響勘探測(cè)量的精度，所以，結(jié)合勘察區(qū)域的地質(zhì)及其他資料，勘探的準(zhǔn)確度會(huì)更高。

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