高密度電阻率法在某地區(qū)含水構(gòu)造勘查中的應(yīng)用

季洪偉， 龔育齡， 王 粵

(東華理工大學(xué)勘察設(shè)計研究院，江西撫州 344000)

高密度電阻率法是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地層中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種電探方法。因此，它的理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，所不同的是方法技術(shù)。高密度電阻率法野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機工程電測儀便可實現(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(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。顯然，高密度電阻率勘探技術(shù)的運用與發(fā)展，使電法勘探的智能化程度大大向前邁進(jìn)了一步(王粵等，2012)。

1980年代后期，我國地礦部系統(tǒng)率先開展了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究，從理論與實際結(jié)合的角度，進(jìn)一步探討并完善了理論及技術(shù)方法。近年來該方法先后在重大場地的工程地質(zhì)調(diào)查、壩址及橋墩選址、采空區(qū)、巖溶區(qū)及地裂縫探測等眾多工程勘察領(lǐng)域取得了明顯的效果(屈燕微，2008;楊志鵬，2007;楊發(fā)杰，2004;董浩斌，2003;劉曉東，2001;吳信民等，2013)。

利用高密度電法并結(jié)合已知地質(zhì)資料，推斷出斷裂構(gòu)造帶的寬度、深度、傾向等情況，分析斷裂構(gòu)造帶的含水性，為下一步地溫測量及鉆孔勘探的施工設(shè)計提供依據(jù)及建議。

1 原理及工作方法

1.1 高密度電法基本原理

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法，根據(jù)在施加電場作用下地層傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況(楊發(fā)杰等，2004;戴盈磊等，2012)。通過A、B電極向地下供電流，然后在M，N極間測量電位差 Δν，從而求得該記錄點的視電阻率值 ρ=KΔν/I，K為裝置系數(shù)。根據(jù)實測的視電阻率剖面，進(jìn)行計算、處理、分析，便可獲得地層中的視電阻率分布情況，從而可以劃分地層、確定地層電阻率異常的位置等(宋希利等，2010)。

1.2 高密度電法特點

高密度電法勘探是1980年代日本地球物理工作者為適應(yīng)山地物探的需要而提出的一種電法勘探新技術(shù)，其基本原理與常規(guī)的電阻率法完全相同，所不同的是高密度電法在觀測中設(shè)置了較高密度的測點?，F(xiàn)場測量時，只需將全部電極布置在一定間隔的測點上，然后進(jìn)行觀測(任妹娟等，2009)。在設(shè)計和技術(shù)實施上，高密度電測系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動控制理論和大規(guī)模集成電路，使用的電極數(shù)量多，而且電極之間可自由組合，這樣就可以提取更多的地電信息，使電法勘探能像地震勘探一樣使用覆蓋式的測量方式。與常規(guī)電法相比，高密度電法具有以下優(yōu)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;

(2)能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的測量，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;

(3)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，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤;

(4)可以實現(xiàn)資料的現(xiàn)場實時處理和脫機處理，根據(jù)需要自動繪制和打印各種成果圖件，大大提高了電阻率法的智能化程度(鄧超文，2007)。

2 應(yīng)用實例

2.1 工區(qū)概況

工作區(qū)處于河源盆地西緣，東江中游河谷右側(cè)低山丘陵與三級階地接壤地帶，區(qū)域地勢北高南低，局部地勢西高東低。測區(qū)近地表分布主要以粘性土為主的素填土、沖積的砂、礫石、粘性土和泥質(zhì)粉砂巖風(fēng)化殘積的礫質(zhì)粘土;下覆基巖巖性主要為礫巖、粉砂巖、炭質(zhì)泥巖等。工作區(qū)分布的斷裂構(gòu)造主要呈北東走向，其中河源斷裂規(guī)模最大，其他北東向斷裂呈斷續(xù)展延，規(guī)模較小。區(qū)內(nèi)賦存的地下水較為發(fā)育，主要受北東向斷裂控制，屬松散巖類孔隙水、玄武巖孔洞隙裂隙水和塊狀、層狀巖類裂隙水。

2.2 工作方法技術(shù)

2.2.1 測線布置

根據(jù)地形條件和設(shè)計要求，本次勘察的測線分布情況為:平行于河源大斷裂布線4條，極距5 m，垂向布線 1條，共完成剖面 5條，測線總長1 475 m，物理點2 760個，具體見表1。

2.2.2 裝置選擇

本次勘查采用的測量儀器與設(shè)備為中裝集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2高密度電法測量系統(tǒng)，由重慶市計量測試單位校準(zhǔn)合格，其主要性能指標(biāo)滿足《電阻率測深法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T0072—93)和本次勘探的要求。數(shù)據(jù)采集時使用電極總數(shù)為60，供電電壓180 V，裝置變換由軟件控制。出工前和收工前進(jìn)行的儀器檢查表明，儀器性能穩(wěn)定，工作正常。

本次勘探的參數(shù)經(jīng)試驗為:電極距a=5 m，最小隔離系數(shù)為n=1，最大隔離系數(shù)n=16，供電時間 0.5 s。

儀器自檢指標(biāo)合格，接地電阻＜100 kΩ，測量電位差＞10 mV，對突變點進(jìn)行重復(fù)觀測。本次質(zhì)量檢查工作量為5%，均方相對誤差為3.65%。滿足相應(yīng)規(guī)程的要求，曲線形態(tài)基本一致，外業(yè)觀測質(zhì)量合格。

表1 完成工作量統(tǒng)計表Table 1 The statistical table of the work completed

2.2.3 數(shù)據(jù)采集

經(jīng)過試驗分析，本次工作采用高密度電法勘探中的溫納(α)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用瑞典版高密度數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合美國AGI公司的二維反演軟件進(jìn)行反演。為達(dá)到勘查目的，本次勘查采用的主要方式為電極距5 m，每條測線長295 m，由于溫納裝置對于電性的垂向變化比水平向變化反映靈敏，所獲得的電阻率圖像是地下地質(zhì)體對發(fā)射電場的綜合反映，它能有效地劃分巖層的層狀構(gòu)造分布，達(dá)到工作目的，所以測量裝置采用溫納裝置(圖1)，裝置為固定斷面掃描測量，測量斷面為倒梯形。

圖1 ɑ排列(溫納裝置AMNB)裝置Fig.1 Equipment of ɑ array(equipment of Wenner AMNB)

2.3 數(shù)據(jù)處理

高密度電法中測點密度高，另外在資料處理方面，它采取的獨特方法起到了抑制隨機干擾和消除人為誤差的作用，對旁側(cè)影響也給予了一定的抑制，所以更能突出異常，準(zhǔn)確性和有效性有了很大的提高。

野外采集的數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行處理，然后再進(jìn)行反演，這些工作都可以在二維電阻率反演軟件下實現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理工作主要是剔除一些由接地不好電極影響的壞數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)自帶的隨機高斯干擾數(shù)據(jù)即剔除那些電阻率值明顯錯誤的數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點通常是比相鄰點奇高或奇低的視電阻率值，使之不影響反演獲得的模型，然后把分段數(shù)據(jù)拼接起來，帶上高程文件，形成反演數(shù)據(jù)。

2.4 資料解釋

本次工作運用高密度電阻率法，查明了某農(nóng)場巖層分布情況，為下一步的地溫測量及鉆孔勘探的施工設(shè)計提供依據(jù)及建議。

(1)剖面Ⅰ。圖2為剖面Ⅰ的反演結(jié)果，探測深度44 m左右，整體剖面電性變化特征為淺部0～5 m的第四系覆蓋層為高阻，深度5～20 m為超低阻，分析與該區(qū)地下水發(fā)育有關(guān)，且橫向電性變化不大，縱向電性變化較大，無其它地質(zhì)構(gòu)造。

(2)剖面Ⅱ。圖3為剖面II的反演成果，在剖面上180～200 m地下7～40 m處存在一條相對低阻帶，分析認(rèn)為是構(gòu)造破碎含水帶，傾向北西。

(3)剖面Ⅲ。圖4為剖面III的反演結(jié)果，在剖面上30～130 m地下10～38 m處存在傾向為北東，分析認(rèn)為其屬于斷裂的一部分;在剖面80～140 m段由于在地表含水豐富的沼澤田中，故此處的低阻現(xiàn)象無法判斷，可能為構(gòu)造裂隙水也可能為地表低阻照成的假異常，需進(jìn)一步研究驗證;在剖面185～205 m地下20～35 m段存在相對低阻區(qū)，分析可能為S1構(gòu)造北東向的延深而形成的含水低阻區(qū)。

3 結(jié)論與展望

通過對工區(qū)進(jìn)行高密度電阻率法地面物探工作，初步查明了工區(qū)50 m內(nèi)地下水發(fā)育及斷裂構(gòu)造情況:

圖2 I號剖面視電阻率成果Fig.2 Results of apparent resistivity of profile I

圖3 II號剖面視電阻率成果Fig.3 Results of apparent resistivity of profile II

圖4 III號剖面視電阻率成果Fig.4 Results of apparent resistivity of profile III

(1)全區(qū)總體地下水較為發(fā)育，主要受北西向的河源大斷裂控制;

(2)通過四條基本平行河源斷裂的剖面測量，初步圈定在3號線180～200 m地下7～40 m處存在一條相對低阻帶，認(rèn)為是傾向北西的構(gòu)造破碎含水帶，并巖北東向有一定的延深，建議進(jìn)一步分析研究;

(3)通過一條垂直河源斷裂的剖面測量，初步圈定在5號線100～120 m段、185～200 m段位構(gòu)造含水帶，建議開展進(jìn)一步分析研究;

(4)由于受工區(qū)地形及人文建筑方面的限制，本次物探測線布置工作有一定的誤差;另外工區(qū)內(nèi)的地表水較為發(fā)育，以上分析有可能為地表水而引起的假異常，建議在上述異常區(qū)域進(jìn)一步開展工作如鉆孔勘探等加以研究。

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