高密度電法在水文地質中的應用

張建鋒，王雯璐

(河南工程學院 資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 451191)

含導水構造與圍巖之間通常存在明顯的導電性差異，該差異為探測含導水構造時采用電探方法提供了物理上的可能性.就地球物理的原理而言，高密度電阻率法與傳統(tǒng)的電阻率法(電剖面法和電測深法)完全相同，它們都是研究在人工穩(wěn)定電場作用下地中傳導電流的分布規(guī)律[1].由于高密度電法同時具備剖面和測深的功能，并且可以實現一次布極多種裝置測量，所以該方法具有工作效率高、成本低的特性，在水文地質領域得到了廣泛應用[2-5].正如前面所述，高密度電法有多種電極裝置可供選擇，如溫納(對稱四極)、偶極、微分和聯(lián)剖排列等，這就造成在實際工作中存在電極裝置選擇的問題.以往的相關應用往往缺少裝置選擇問題的討論，甚至回避該問題[6-7].由于不同電極裝置的電場分布存在差異，對異常體的空間分辨率也不同，所以為了得到清晰的異常結果，根據野外實際情況選擇合適的裝置是十分必要的.此外，在結果的顯示方式即數據的處理方法上，高密度電法有電阻率直接顯示[8]和比值參數顯示[9]兩種，這些顯示方法對異常的反映也存在較大差異.因此，有必要選擇合適的數據處理方法以突出結果的精度[10].通過實測剖面對常用的溫納(α)、偶極(β)和微分(γ)3種電極裝置進行了對比分析，采用不同的數據處理方法，來研究它們對異常地質體的刻畫效果.

1 方法及研究區(qū)

高密度電阻率法是20世紀八十年代從美國和日本開始發(fā)展起來的一種電阻率方法[11].高密度電阻率法是在測線上同時布置多道電極(通常是幾十個)，由人工電源向地下水發(fā)射電流建立穩(wěn)定的電流場，然后通過自動控制電極轉換開關對所布設的剖面自動進行觀測和記錄，最后通過主機自動處理后顯示出來,如圖1所示.每個剖面都是以一定的電極間隔系數將每4個相鄰電極進行組合，間隔系數越大則探測的深度越大.當固定間隔系數時，高密度電法得到的是電剖面的數據，而當間隔系數依次增大時，則得到了電測深的電阻率值.因此，高密度電法同時具備電剖面和電測深的功能.在進行電阻率法勘探時，需要通過兩個供電電極(如C1,C2)向地下發(fā)送電流I，在測量電極(如P1,P2)間測量它們之間的電位差(V)，從而得到視電阻率

ρs=KV/I,

(1)

式中，K是與4個工作電極排列方式有關的裝置系數，計算公式為

(2)

圖1 高密度電法工作示意圖Fig.1 High density resistivity working procedure

根據實測的視電阻率剖面進行計算和分析，可獲得地層的電阻率分布特征，進而達到地層劃分和巖土體含水性分析的目的.

相對于常規(guī)電阻率法(例如電測深法和聯(lián)合剖面法)來說，高密度電法具有很多優(yōu)點[12-13]：①由于電極的布設是一次完成的，測量過程中無需跑極，故可防止因電極移動而引起的故障和干擾；②在一條觀測剖面上，通過電極變換或數據轉換可以獲得多種裝置的視電阻率斷面等值線圖；③可進行資料的現場實時處理與成圖解釋；④成本低、效率高.

(3)

比值參數T并不直接表示視電阻率的大小，但是它能夠以更清晰的方式再現原有異常體的特點及分布，同時它還具有抑制干擾和分解復合異常的能力，從而大大提高了電阻率法反映地質賦存狀況的能力.

本研究中的高密度電阻率法工作站位于河南工程學院校園內，表層巖性為粉砂和粉土,剖面測線呈近東西方向布設.其中，測線的西側地表相對干燥，東側地表存在積水.測線剖面所處的區(qū)域地形平坦，無需對電阻率進行地形改正.根據附近的水井情況，潛水面埋深大約為20 m.

儀器采用重慶奔騰地質儀器廠生產的分布式高密度電法系統(tǒng)WGMD-9，分別采用溫納(α)、偶極(β)和微分(γ)3種電極裝置對同一條測線進行高密度電法工作，測線參數為電極間距3 m、供電電壓12 V、總電極數30、剖面層數8、整條測線長87 m.在對所采集的數據進行后期處理時，采用了Surfer軟件成圖.

2 測量結果

根據以上測量的結果，分別繪制了溫納、偶極和微分3種電極裝置的電阻率剖面等值線,見圖2至圖4.

由溫納裝置高密度電阻率圖(見圖2)可知，①隨著深度的增加，電阻率逐漸降低，反映了巖土介質的含水性隨著深度的加深而升高的特點；②總體上，地電斷面呈水平層狀展布；③在高阻表層(深度小于20 m)，剖面東部50～80 m的范圍內存在相對低阻的異常體；④在深度大于20 m的區(qū)域，視電阻率均小于30 Ω·m，初步判斷該埋深水平為地下潛水面；⑤在水平40～50 m，存在一個延伸深度達十幾米的高阻區(qū).

在淺部高阻區(qū)域，偶極高密度電阻率圖(見圖3)與溫納相似，總體上表現了地電斷面呈層狀分布及東部區(qū)域(50～80 m)相對低阻的特征，在40～50 m也存在一個延伸深度約15 m的高阻體.在深度大于20 m的區(qū)域，視電阻率均小于30 Ω·m，也反映了地下潛水面的位置.不同的是，在測線的東側深部位置上，高阻區(qū)域有向下延伸的趨勢，說明該位置空間內存在相對高阻的異常巖土體,該高阻異常體的埋深及形狀不是十分清晰，有待進一步分析.

對于表層巖土體，微分裝置高密度電阻率斷面(見圖4)與上面兩種裝置類型幾乎是一致的，反映的潛水面也位于約20 m深度上.與溫納和偶極裝置相比，微分裝置高密度電阻率斷面則更清晰地表現了地下導電不均勻體的分布形態(tài).與偶極類似，微分的地電斷面在水平60～80 m及深度15～25 m，也表現出了相對高阻的異常體.

在電阻率的比值參數T斷面圖(見圖5)中，異常高和異常低阻地質體都非常明顯.首先，在淺層的50～80 m出現了3個較大的低阻巖土體.其中，70 m附近的兩個低阻體產狀陡立并向深部延伸至約20 m處.該低阻異常表明地面積水已經深入巖土內，深度接近潛水面.其次，在水平60～80 m及深度15～25 m出現的相對高阻的異常體呈脈狀，產狀陡立.水平40～50 m的高阻異常體截面呈近似等軸體，埋藏范圍為10～16 m.

圖2 溫納裝置高密度電阻率斷面圖Fig.2 Resistivity section of wenner

圖3 偶極裝置高密度電阻率斷面圖Fig.3 Resistivity section of dipole

圖4 微分裝置高密度電阻率斷面圖Fig.4 Resistivity section of difference

圖5 高密度電阻率T比值斷面圖Fig.5 Resistivity section of T

3 結論

綜合以上實例分析可得到如下結論：

(1)比值參數T具有較好的分解復合異常體的能力，能更精細地反映高阻和低阻異常體的賦存形態(tài).

(2)溫納裝置更加適合探測電性界面起伏較小的異常體.

(3)偶極和微分裝置對異常體的反映近似.

(4)在含水層勘探中，3種裝置形式均具有良好的刻畫效果.

(5)在探測導水破碎帶和巖溶區(qū)溶洞等時，比值參數處理方法的效果會更好.

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