貴州特殊地質(zhì)地貌條件下高密度電法的應(yīng)用研究

匡其江

張義平①②

（①貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴陽(yáng)550003；②貴州大學(xué)貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng)550003）

0 引言

作為一個(gè)資源大省，貴州的煤炭、鐵、黃金、鉛鋅儲(chǔ)量很大，水資源豐富，但是貴州處在云貴高原，地勢(shì)比較高，地質(zhì)地貌極其復(fù)雜，給資源的開采帶來了許多不利。在礦產(chǎn)資源的開采過程中，對(duì)礦產(chǎn)資源的勘探、水文地質(zhì)的探明，避免礦山災(zāi)害的發(fā)生，利用地球物理勘探技術(shù)成為必然。電法勘探作為地球物理勘查的一個(gè)重要分支已廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)地質(zhì)、水利水電工程、冶金工業(yè)、石油勘查等領(lǐng)域，并取得了較好的應(yīng)用效果[1]。近些年，高密度的電阻率法得到迅速發(fā)展，在儀器研制及實(shí)際應(yīng)用方面取得了不少成果[2-3]，與傳統(tǒng)的電法勘探相比較，高密度電阻率法的顯著特點(diǎn)使得效率增高，獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)也更多，可以為高分辨率的電阻率層析成像反演奠定基礎(chǔ)。因此，該方法在淺層的水文、工程以及環(huán)境、考古等與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、人類社會(huì)活動(dòng)密切相關(guān)的領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用[4-7]。但是，貴州省特殊的地質(zhì)地貌條件，給物探工作者在進(jìn)行高密度電法勘探時(shí)帶來了許多困難，不論是前期的布線、儀器安設(shè)、數(shù)據(jù)采集，還是后期的數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析。所以，在整個(gè)物探勘探過程中，每個(gè)環(huán)節(jié)都要采取與實(shí)際相適應(yīng)的方法和措施，才能得出比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 地質(zhì)地貌特征

貴州省地處我國(guó)西南腹地云貴高原的東部，介于東經(jīng)103°36′至 109°35′，北緯 24°37′至 29°13′之間，總面積176128。貴州是唯一沒有平原支撐的省份，貴州的地貌特征是山地多，山地和丘陵約占全省總面積的92.5%，境內(nèi)分布著大婁山、武陵山、烏蒙山和苗嶺四大山脈，這四大山脈構(gòu)成了貴州高原的地形骨架。河谷切割強(qiáng)烈，屬構(gòu)造侵蝕成因的中山地形；構(gòu)造剝蝕地貌，山巒疊嶂，溝谷縱橫；山峰多呈單面山，沿順向坡多辟為耕地，坡底發(fā)育河流及較多沖溝；反向坡常形成懸崖峭壁，難以攀越，常見滑坡及崩塌堆積場(chǎng)。由于地勢(shì)落差較大，碳酸鹽地貌的分布較廣，巖溶地的發(fā)育，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。加上自第三紀(jì)以來又處于熱帶和亞熱帶氣候環(huán)境，因而形成頗具特色的山原地貌景觀，這是控制地下水形成及其水動(dòng)力場(chǎng)的重要因素?；?guī)r溶蝕劇烈、溶解度較高，常形成較大的溶洞、管道等溶蝕空間，因而溶洞—管道水富集，并具集中排泄、水點(diǎn)流量大等特點(diǎn)。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的褶皺斷裂和節(jié)理裂隙等為地下水補(bǔ)給運(yùn)移、富集提供了良好的場(chǎng)所。在一些斷層與褶皺交匯處，向斜盆地和構(gòu)造轉(zhuǎn)折端以及多期活動(dòng)斷裂帶附近，由于巖石破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，常形成巖溶水富集區(qū)。

2 高密度電法野外工作技術(shù)

高密度電阻率法是工程地球物理勘探的主要方法之一，與常規(guī)電阻率法相比，它在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置形式，在電性不均勻的探測(cè)中取得了良好的地質(zhì)效果。高密度電法是電剖面法和電測(cè)深法的綜合利用，其原理與普通電阻率法是一樣的，它們的不同之處就在于在觀測(cè)中設(shè)置的高密度的觀測(cè)點(diǎn)，是一種陣列勘探方法。高密度電法在野外進(jìn)行探測(cè)實(shí)踐的時(shí)候，應(yīng)該將全部的電極布置在測(cè)線的剖面上，然后利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)與微機(jī)工程電測(cè)儀，以此實(shí)現(xiàn)剖面中對(duì)不同極距、不同電極排列方式等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，高密度電法與常規(guī)電阻率法相比較，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①高密度電法能夠選用多種電極排列方式進(jìn)行野外測(cè)量，如溫納裝置、施貝裝置等，可以獲得豐富的剖面數(shù)據(jù)信息；②一次性完成電極的布置，既可以減少因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，又可以在一定程度上提高效率；③野外探測(cè)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化的操作，大大提高了數(shù)據(jù)采集的速度，很大程度上避免了手工操作的誤差。除此之外，高密度電法作為一種比較成熟的地球物理勘探方法，具有快速、便捷、經(jīng)濟(jì)、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[8]。裝置選擇上可采用二極裝置（AM）、三極裝置（AMN）、聯(lián)合剖面裝置（AMN&MNB）、對(duì)稱四極裝置、偶極裝置（ABMN），電極按照不同的方式組合后構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)與普通電阻率法不同，它是在觀測(cè)剖面上布置較多的觀測(cè)點(diǎn)，在實(shí)際測(cè)量中，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)將每四個(gè)電極進(jìn)行組合，從而在每一個(gè)測(cè)點(diǎn)上獲得不同深度的測(cè)量數(shù)據(jù)。高密度電法布極方式如圖1所示，圖中A、B極為供電電極，M、N為測(cè)量電極。則各測(cè)點(diǎn)視電阻率，其中為M和N之間的電位差，I為供電電極（A、B）的供電電流，K為裝置系數(shù)。通過不同測(cè)點(diǎn)以及不同極距的觀測(cè)，可獲得剖面上地層電阻率的分布情況[9]。

圖1 電極布置圖

蘇永鋒[10]等闡述了高密度的電阻率法就是適應(yīng)特殊環(huán)境的陣列勘測(cè)的方法。為了更好解決工程地質(zhì)環(huán)境的問題，他們對(duì)提升高密度電阻法探測(cè)技術(shù)作了以下幾點(diǎn)研究：

2.1 探測(cè)參數(shù)的選擇 一般來講，地球物理勘探工作測(cè)區(qū)根據(jù)測(cè)區(qū)地質(zhì)的情況決定，就需要遵循一定的原則，在工程探測(cè)區(qū)域的有限范圍中選擇布置測(cè)網(wǎng)和測(cè)區(qū)。在對(duì)于測(cè)網(wǎng)進(jìn)行布置的時(shí)候，除了建立測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)外，還需要選擇網(wǎng)度和工作模式。工程技術(shù)人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)往往能給測(cè)區(qū)的布置提供最大的便捷度。就高密度電阻率法來講，在野外數(shù)據(jù)采集的兩種主要方式即：地表剖面的數(shù)據(jù)采集和井下電阻率成像數(shù)據(jù)采集等。

2.2 裝置的選擇 在特定的工程項(xiàng)目中，排列裝置的選擇對(duì)整個(gè)勘探過程產(chǎn)生重大的影響，對(duì)不同的探測(cè)目標(biāo)所使用的裝置不同。通常我們所使用的幾種裝置中，地質(zhì)異常的幅度值最小的是微分的裝置，它的信號(hào)震蕩出現(xiàn)的時(shí)刻也是最早的。

2.3 電極與測(cè)點(diǎn)的布置 貴州絕大多數(shù)工程地質(zhì)地形都非常復(fù)雜，在電極布置時(shí)往往會(huì)遭遇到很多困難，地表大面積出露巖石的情況非常普遍，而這種情況會(huì)對(duì)電極的布置產(chǎn)生一定的影響。這時(shí)候，如果測(cè)線經(jīng)過巖石的時(shí)候，我們可以采用較潮濕泥土堆砌成土包，并將電極插入其中，以使測(cè)量結(jié)果得以保障。在進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置的時(shí)候，高密度的電阻率法的電極總數(shù)是固定的，所以測(cè)點(diǎn)數(shù)會(huì)隨著隔離系數(shù)的增大而減少。因此，要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合理的測(cè)點(diǎn)數(shù)，保證采集到符合實(shí)際的數(shù)據(jù)，得出正確結(jié)果。

3 應(yīng)用實(shí)例

圖2

圖3

3.1 巖溶探測(cè) 巖溶個(gè)體的發(fā)育是無規(guī)律的，巖溶空洞一般以空腔或充水或充填泥的形式存在，充填水或泥等相對(duì)于巖石來說是明顯的相對(duì)低阻，因此常表現(xiàn)為明顯的低阻異常，該類異常容易識(shí)別；但如果巖溶空洞為空腔時(shí)，空洞反映的是很高的電阻率，而完整巖體（尤其是致密巖體）的電阻率也很高，由于巖石中裂隙往往較發(fā)育，而局部形成完整的巖體，也會(huì)形成局部的相對(duì)高阻，因此難以推斷，會(huì)形成一些假像。對(duì)于該類異常的推斷，應(yīng)該要結(jié)合工程的地質(zhì)條件，特別是地下水水位情況，如果高阻異常位于水位的上方，可根據(jù)高阻異常閉合圈的規(guī)模以及形態(tài)結(jié)合工程地質(zhì)的一般發(fā)育規(guī)律，判定異常的性質(zhì)。

高密度電法剖面為視電阻率斷面圖，高阻區(qū)代表致密巖體，完整性好，含水量??；低阻區(qū)代表巖體含水、松散破碎或裂隙含水帶。巖溶空洞表現(xiàn)高阻區(qū)，填充泥、砂和水的溶洞呈低阻區(qū)。多數(shù)巖溶空洞和巖溶裂隙帶為部分填充，上部為空洞，下部為松散填充，上部表現(xiàn)為高阻，下部為低阻，構(gòu)成斷續(xù)的串珠狀組合異常區(qū)。綜上所述，視電阻率圖的巖溶解釋與推斷遵循如下三個(gè)原則：①巖溶帶的上部為空洞，下部為填充，表現(xiàn)為高阻與低阻斷續(xù)組合的串珠狀異常；②巖溶發(fā)育在灰?guī)r中，背景的電阻率值一般具有高阻特征；③巖溶沿構(gòu)造破碎帶發(fā)育，串珠狀異常的走向和產(chǎn)狀與區(qū)域構(gòu)造一致。通常符合上述三個(gè)原則的電阻率異常圖像被推斷為巖溶。也有部分巖溶是完全填充的，特別是隱伏在地下水位以下的巖溶，完全為泥、砂和水等填充，低阻表現(xiàn)明顯。如果高阻異常明顯位于水位下方，則不會(huì)是巖溶引起的異常，這時(shí)巖溶應(yīng)表現(xiàn)為低阻異常[11]。圖2為某一剖面視電阻率圖，經(jīng)對(duì)異常進(jìn)行查證，發(fā)現(xiàn)R1和R2異常均為溶洞引起的異常，其中R1為含水溶洞（表現(xiàn)為低阻異常），R2為空腔溶洞（表現(xiàn)為高阻異常）。

3.2 采空區(qū)的探測(cè) 采空區(qū)的探測(cè)主要應(yīng)用于煤礦，煤礦水患的一個(gè)主要來源就是老窯水，對(duì)于老窯水的防治，老煤礦采空區(qū)的探測(cè)對(duì)于煤礦開采安全非常重要。對(duì)于廢棄多年的采空區(qū)，有的已經(jīng)坍塌或者已經(jīng)充滿地下水，這種類型的采空區(qū)往往表現(xiàn)為低阻特征。而有的采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性好，還要保持或基本保持原有的形態(tài)，因?yàn)闆]有受到地下水的影響，所以其表現(xiàn)為相對(duì)高祖特征。根據(jù)這些特征可以確定煤礦的采空區(qū)范圍和坍塌的位置。圖3中圈定范圍為采空區(qū)域，穩(wěn)定性較好，基本保持了原有形態(tài)，表現(xiàn)為相對(duì)高阻異常。圖4中圈定范圍則為相對(duì)低阻異常采空區(qū)域。

3.3 滑坡體探測(cè) 滑坡體是指山體斜坡上某一部分巖土在重力（包括巖土本身的重力和地下水的動(dòng)靜壓力）作用下，沿著一定的軟弱結(jié)構(gòu)面（帶）產(chǎn)生剪切位移而整體地向斜坡下方的作用和現(xiàn)象?；碌幕顒?dòng)強(qiáng)度，主要與坡體的位置有關(guān)。坡度、高差越大，滑坡位能越大，所形成滑坡的滑速越高。斜坡前方地形的開闊程度，對(duì)滑移距離的大小有很大影響。地形越開闊，則滑移距離越大。貴州地勢(shì)陡峭，山體眾多，滑坡是最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一。圖5為一滑坡體主滑向勘察剖面視電阻率圖，圖中圈定范圍為一低阻帶，經(jīng)驗(yàn)證得知，低阻帶為強(qiáng)風(fēng)化巖層，裂隙發(fā)育，飽含水分，加之巖石破碎，可以判斷低阻帶為形成滑動(dòng)面的軟弱結(jié)構(gòu)面。這為滑坡治理方案提供了準(zhǔn)確資料。

圖4

圖5

4 結(jié)論與建議

①高密度電法在復(fù)雜地質(zhì)地貌條件下使用，具有成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力高的特點(diǎn)。②高密度電法不同裝置在不同地質(zhì)情況下探測(cè)時(shí)的有效性和準(zhǔn)確性不一樣，根據(jù)不同的適用條件，選擇不同的裝置，在有限地質(zhì)條件下，才能獲得最佳的探測(cè)效果。③復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行高密度電法勘探時(shí)，應(yīng)盡量排除外界的干擾，布設(shè)測(cè)線時(shí)盡量避開高壓電線、陡峭巖壁、湖泊水塘、大面積裸露巖石等可見的外界干擾源，否則，所得結(jié)果極不準(zhǔn)確，同時(shí)還降低了工作效率。④貴州喀斯特地貌發(fā)育，給高密度電法勘探帶來了許多困難，如果條件允許的情況下，建議盡量通過綜合物探方法解決巖溶問題。⑤在使用高密度電阻率法探測(cè)煤礦區(qū)域內(nèi)地下水位附近的巖溶時(shí)，要特別注意巖溶在地下水位上下表現(xiàn)的不同特征。

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