高密度電阻率法在水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

湯 博

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

電法中的高密度電阻率法是根據(jù)水文工程及環(huán)境地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需要而研制的一種電探系統(tǒng)。該方法完全改變了電法勘探的傳統(tǒng)工作模式，能夠快速采集數(shù)據(jù)和處理資料，提高野外數(shù)據(jù)采集效率，同時還能大大減輕勞動強(qiáng)度。本文對高密度電阻率法的工作原理和技術(shù)方法做出簡介，及其在馬山變電所新建工程場地水文勘察中的應(yīng)用，并取得較好的地質(zhì)效果，證明了電阻率法在水文物探勘測方面的高效性。

1 高密度電阻率法的基本原理

高密度電阻率法是直流電法的一種，因此其基本原理與直流電法相同，但電極的裝置排列有所不同，高密度電阻率法是以多電位測量為主的組合式的電極排列，具有一次布設(shè)電極即可進(jìn)行多種裝置數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，也可在資料處理中可進(jìn)行二維斷面成像。高密度電阻率法的采集裝置包括：溫納二極裝置，溫納三極裝置（w-A），溫納三極裝置（w-B），溫納四極裝置（w-α）；溫納偶極裝置（w-β）；溫納微分裝置（w-γ），如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法電極裝置

各裝置視電阻公式為：

引入裝置系數(shù)，則各裝置的視電阻率公式為：

其中k1～k2=1～2，默認(rèn)為1；對于相同極距，k4=ks，a=n·△x

各視電阻（率）間有如下關(guān)系：

四極裝置能夠?qū)Φ刭|(zhì)體進(jìn)行電阻率成像，可對目標(biāo)體進(jìn)行有效判定。不等距偶極裝置的靈敏度高但信號衰減也快，容易在數(shù)據(jù)處理中造成假象干擾，信噪比會隨探測深度的加大而降低。二極裝置采集的數(shù)據(jù)量較大，水平分辨高，比較適合在礦井巷道和采空區(qū)中應(yīng)用，而三極裝置適用于重點(diǎn)區(qū)域的詳細(xì)勘查。

2 高密度電阻率法的數(shù)據(jù)處理

2.1 濾波處理方法

正演計(jì)算結(jié)果表明，偶極和微分裝置的視電阻率參數(shù)，隨著隔離系數(shù)的增大，剖面曲線由單峰逐漸變成雙峰。因此在斷面等值線圖上，除了和地質(zhì)對象相對應(yīng)的主異常外，還將出現(xiàn)相應(yīng)的伴隨異常，為了消除或抑制這種由于極距變化引起的振蕩干擾，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，對觀測數(shù)據(jù)濾波處理。

2.2 統(tǒng)計(jì)處理方法

將視電阻率參數(shù)通過一定的數(shù)據(jù)換算，突出異常的相對變化，然后將其參數(shù)值按等級的高低采用不同符號或灰階來表示。

2.3 比值計(jì)算方法

利用不同裝置的視電阻率參數(shù)做比值組合不僅具有更為醒目的方式再現(xiàn)原有異常的特征，而且在一定程度上具有抑制干擾和分解復(fù)合異常的能力，從而大大改善了原始參數(shù)反映地質(zhì)對象賦存狀況的效果。

3 工程實(shí)例

3.1 交通位置及自然地理

馬山變電所新建工程場地?cái)M建在朝陽市郊區(qū)的朱杖子村。區(qū)內(nèi)地形為低山丘陵，海拔較低，平均在100～200m。

工作區(qū)氣候?qū)俅箨懠撅L(fēng)氣候，一年四季分明，7～8月份為汛期，雨水集中。年平均溫度為14 ℃，1～2月份平均氣溫為-20 ℃左右，7～8月份溫度最高，最高溫度達(dá)36 ℃以上。冰凍期約130d，年平均日照時間較長，蒸發(fā)量大于800mm。

3.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

區(qū)內(nèi)地層簡單，主要第四系和沉積變質(zhì)巖。地層組合為洪積土、碎石土，基巖為砂巖或砂頁巖等。第四系（Q）在區(qū)內(nèi)分布面積較大，沿山坡、溝谷分布，成份為洪積物、碎石土，厚度一般小于5m。基底地層主要為砂巖、頁巖等，其風(fēng)化程度較高，該地層富水性較差。巖脈不發(fā)育，主要為閃長巖及煌斑巖。構(gòu)造不發(fā)育，構(gòu)造性質(zhì)以壓扭性為主，富水性較差。

依據(jù)區(qū)內(nèi)地層特點(diǎn)分析，該區(qū)含水層為第四系、強(qiáng)風(fēng)化基巖孔隙水和構(gòu)造裂隙水為主。本次工作區(qū)分布在山半坡，靜水位較低，應(yīng)施工深井，取水層位為孔隙水和構(gòu)造隙水。根據(jù)區(qū)內(nèi)水文及物探資料分析，該區(qū)水量在3t/h左右，局部水量偏大。

3.3 野外工作方法

3.3.1 測線布設(shè)

測線的布設(shè)原則是測線要垂直于探測對象的走向，并且要避免或者最大程度減小地形和其他干擾因素的影響，測線的長短以能控制被探測地質(zhì)體的同時，又能使測線的兩端顯示曲線的正常場為宜。

共需要完成高密度電阻率法物理點(diǎn)120個，控制剖面長度590m。A-A′測線控制剖面長度295m，物理點(diǎn)60；B-B′測線控制剖面長度295m，物理點(diǎn)60。

3.3.2 儀器的選取

為確定方法的有效性，恰當(dāng)選取有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，合理有效利用工作量，結(jié)合測區(qū)電性特點(diǎn)，確定技術(shù)方法及選用適當(dāng)技術(shù)參數(shù)。工作中使用的主要儀器設(shè)備為WDJD－3型多功能數(shù)字直流激電儀及其配套的WDZJ－3型多路電極轉(zhuǎn)換器。

3.3.3 高密度電阻率測深法

溫納四極裝置與常規(guī)電法相比設(shè)置了較高的測點(diǎn)密度，能夠使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有較高的精度和抗干擾能力，并可獲得較豐富的地電信息。這種方法既能提供地質(zhì)體某一深度沿水平方向巖性的變化情況，又能反映在垂直方向巖性變化情況。本次探測一次性布設(shè)60根電極，點(diǎn)距5m，一次測量可完成一條固定的斷面下方的22條剖面，共770個數(shù)據(jù)點(diǎn)。

3.4 成果解釋

資料的解釋推斷是以地質(zhì)資料為基礎(chǔ)、物探異常特征為依據(jù)，逐步完善，遵照由已知到未知，先定性后定量，由點(diǎn)到面的原則，反復(fù)地進(jìn)行綜合分析解釋。

3.4.1 A-A′線成果解釋

A-A′剖面的7.5～87m段，淺部相對低阻分布，視電阻率值小于21.3Ω·m，第四系的粉質(zhì)黏土層相對較厚；87～130m段，點(diǎn)淺部相對高阻分布，視電阻率值大于36.0Ω·m，第四系的粉質(zhì)黏土或碎石混土層很薄。下部略有梯度變化，反演結(jié)果電阻小于30Ω·m，低阻異常傾向大號，與聯(lián)剖結(jié)果對應(yīng)，其為該剖面的主要含水層位。130～300m段相對高阻分布，視電阻率值變化范圍36.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂巖或砂質(zhì)頁巖，主要為砂巖及砂質(zhì)頁巖夾礫巖的反映，如圖2。

圖2 A-A′線高密度電阻率法斷面

3.4.2 B-B′線成果解釋

B-B′剖面的87～168m段，淺部相對低阻分布，視電阻率值小于22.1Ω·m，主要為第四系1～2m厚的粉質(zhì)黏土或碎石混土所反映，兩側(cè)淺部相對高阻分布，視電阻率值大于35.0Ω·m，第四系的粉質(zhì)黏土或碎石混土層很薄。下部略有梯度變化，7.5～108m，143～163m，183～213m點(diǎn)相對低阻分布，視電阻率值變化范圍25.8～35.0Ω·m，富水性較差，主要為砂巖或砂質(zhì)頁巖的反映。108～143m，163～183m及大于183m點(diǎn)部分相對高阻分布，視電阻率值變化范圍35.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂巖或砂質(zhì)頁巖，主要為砂巖及砂質(zhì)頁巖夾礫巖的反映，如圖3。

圖3 B-B′線高密度電阻率法斷面圖

馬山變電所新建工程場地，本次物探工作結(jié)果，只發(fā)現(xiàn)一條兩種巖性接觸帶異常 （F1）：F1走向北西310°左右，傾向北東，傾角70°左右，結(jié)合區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件，F(xiàn)1為本區(qū)的主要含水層，應(yīng)進(jìn)行鉆探施工。

4 結(jié)語

電阻率法在工程地質(zhì)勘探方面已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。為了更好地發(fā)揮電阻率法在探測中的優(yōu)勢，針對勘測要求和地質(zhì)條件采用合適的方法及裝置十分必要。本文就此介紹了高密度電阻率法的一些基本知識和基本原理，及其在水文勘察中的應(yīng)用。

高密度電阻率法與常規(guī)電法相比，具有成本低，效率高，反映地電、地質(zhì)信息更豐富、更直觀，資料解釋簡單方便等特點(diǎn)，因此也就使電法勘探能力有了顯著提高。但是隨著高密度電法應(yīng)用的越來越普遍，在該方法的理解和應(yīng)用方面，卻還存在不少問題：有效數(shù)據(jù)的分辨；觀測方式對數(shù)據(jù)成果的影響；反演成果問題；視電阻率負(fù)值異常現(xiàn)象等問題。

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