高密度電阻率成像法在水文地質(zhì)中的運用

張立松

摘要：高密度電阻率成像法（ERT）作為一種準確且高效的物探方法，被廣泛應用于水文地質(zhì)領(lǐng)域。本文通過對某礦沖溝的隱患及裂隙探測進行分析，探討高密度電阻率層析成像法在探測方面所具有的效果，從而為工程施工或礦產(chǎn)開采提供安全保障和理論支撐。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率層析成像法；水文地質(zhì)；應用

上個世紀80年代，日本地質(zhì)計測株式會社首次就高密度電阻率探查法研制成功。其工作原理即基于常規(guī)直流電阻率法，將多個電極同時布置在探測剖面上，通過人工方式將電流發(fā)送至地下，促使地下形成較為穩(wěn)定的電流層，利用自動控制轉(zhuǎn)換裝置，自動觀測和記錄所布設(shè)的剖面的物探方法。該方法可實施二維地電斷面測量，此外，還具有測深法及剖面法功能，不僅點距小，且在采樣密度方面也較高。當將導線敷設(shè)一次后，可觀測數(shù)千個記錄點的實時數(shù)據(jù)，不僅在施工效率方面較高且信息量大，是一種對地質(zhì)滑坡體、巖溶空洞及隱伏斷層構(gòu)造等進行探測的有效方法。

1. 高密度電法原理分析

1.1 基本原理

所謂高密度電法實質(zhì)為電阻率法，是一種將電測深法和剖面法進行組合式運用的剖面裝置，其相比于傳統(tǒng)的電阻率法，所存在的不同點在于可一次對多個測試電極進行設(shè)置，通過一次勘探過程，便能對縱橫2維的相應測試給與完成，針對地電結(jié)構(gòu)來講，其同樣具有一定的成像能力。所以，介質(zhì)不同，則在探測成果圖方面都具有比較直觀的體現(xiàn)和反應。同一介質(zhì)或者不同介質(zhì)在具體成分及結(jié)構(gòu)方面存在較大差異，則其所具有的電阻率也不相同。如果將介質(zhì)假定為均質(zhì)各向同性，可通過以下公式對地下介質(zhì)視電阻率進行計算：

ρ=KΔV/I

在公式當中，ρ所代表的是巖土層視電阻率（Ω·m）；△V則表示為電位差（V）；I則表示為供電電流（A）；K表示為裝置系數(shù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集原理

首先將一系列電極在固定點距x沿測線進行布置，用x表示相鄰電極距，將裝置電極間距設(shè)置為a=nx （n=1， 2，3，……，n+1），將電極間距為a的1組連接到儀器上，并且還應經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)，利用轉(zhuǎn)換開關(guān)將裝置類型進行改變，就該測試點相應各種裝置的視電阻率觀測予以一次性完成（將記錄點設(shè)置在電極排列重點），當將一個測點觀測完畢之后，利用轉(zhuǎn)換開關(guān)便可實現(xiàn)向下一組電極進行自動轉(zhuǎn)換的目的（即將點距x自動向前推移）然后采用同樣的方法，對該點實施對應觀測，直至將整條剖面相應電極間距為a觀測完成即可。然后對其余不同間距裝置進行選擇，諸如a=2x，a=3x，……，a=（n+1）x，并對上述觀測進行重復操作。

1.3 資料處理與解釋

可利用高密度電阻率成像處理系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)處理和解釋數(shù)據(jù)進行相應處理。該方法通過實施佐迪反演，以此實現(xiàn)橫向分辨率及縱向分辨率提高的目的，促使電性剖面對于地下介質(zhì)能夠真實的進行反應。

可依據(jù)高密度電法電阻率成像斷面圖當中所存在的電阻率分布狀況，可將地質(zhì)異常狀況進行相應劃分。通常情況下，第四系土層在電阻率方面普遍較低，一般情況下其區(qū)間為10～208Ω·m；如果第四系砂層內(nèi)不存在水分狀況即處于干燥使，則其電阻率相對較高，可達到100Ω·m，如果其存在含水狀況，其電阻率與土層中相應含水量和含沙量之間存在密切關(guān)系，即第四系砂層在含水量方面越強，則其電阻率就會越低，此外，其含砂量越大，則同樣電阻率越高，通常情況下數(shù)值為10～50Ω·m。一般情況下煤系地層當中的砂頁巖及砂巖所具有的電阻率為30～80Ω·m，其煤層電阻率通常為200～500Ω·m。比如當煤炭經(jīng)過開采之后，其相應冒裂帶及采空區(qū)上部的覆巖層則會出現(xiàn)程度不一的坍塌和裂隙，致使電阻率值出現(xiàn)增大狀況。針對地下所具有的空洞來講，其所存在的電性會隨著空洞充填物的性質(zhì)而發(fā)生相應變化，如果空洞處于充滿水的狀況，則其在電阻率方面就會極低，通常情況下<20Ω·m；如果空洞處于干燥狀態(tài)，則其電阻率就會非常高通常>200Ω·m。因此，針對地下采空區(qū)、異常地質(zhì)體的位置及空洞解釋，便可運用上述規(guī)律落實此內(nèi)容。

2. 工程應用

張莊沖溝作為該地區(qū)重要的沖溝形式，其位置處于張莊井田的西部。該沖溝字南部開始經(jīng)過水流匯集向北流動，并穿過煤系露頭流入到小汶河當中。在七十年代中期在張莊沖擊溝的西部位置，以及在磁萊鐵路橋北部大約30～50m處，十一層采空區(qū)保留巖柱距離沖溝底部為5.6m，當雨季時，溝底就會出現(xiàn)突然塌陷并發(fā)生相應透水事故，以此對其進行及時搶修，并在塌陷坑當中將大量的農(nóng)作物填充其中。通過對其進行大致推算可知，經(jīng)過近三十幾年的填充操作，其原始填充物則可能出現(xiàn)活化狀況，因此，其就預示著該地區(qū)還將可能發(fā)生塌陷現(xiàn)象，進而發(fā)生透水事故，所以，所以，必須地質(zhì)探測該區(qū)域的裂隙通道及隱患，在治理方面還要有針對性，從而以保證礦井安全為最終目標。

通過高密度探測沖溝，并就運用高密度電阻率成像處理系統(tǒng)所獲取的具體數(shù)據(jù)，利用計算機進行相應處理，最終便可得到高密度電阻率成像圖。如圖1所示。

通過圖1可知，在電阻率剖面當中，電性異常區(qū)出現(xiàn)3個，分別為1個高阻區(qū)和2個低阻區(qū)。針對異常區(qū)1來講，其實質(zhì)為低阻區(qū)，其相應平面位置則在樁號25～50m位置處，則可將其斷定為為十一層淺部塌陷區(qū)或者采空區(qū)，并且在其內(nèi)部還含有水；針對異常2來講，其實質(zhì)為為高阻區(qū)，其位置具體在樁號55～120m處，因此，則可將其判定為十一層淺部采空區(qū)，還有可能是十三層開采影響區(qū)，其中不存在水；針對異常3來講，其為低阻區(qū)，其位置在于于樁號135～155m位置處，其存在較大異常范圍，且深度大致為10～30m，則可將其判定為十一層淺部采空區(qū)，或者是煤覆巖裂隙發(fā)育帶，該異常區(qū)具有較強的含水性，并且在頂部位置上還具有高阻異常，并與地面直接連通，因此，可斷定為裂隙通道的反映。上述三個異常區(qū)域之間可能會存在局部煤柱間隔。

3. 結(jié)語

高密度電法具有與其它探測方法相同點，均需要對一定地球物理予以滿足，尤其是圍巖和探測目的體之間所存在的電性差異，對其造成困擾的因素較小時，其地質(zhì)效果則會令人滿意，可在許多地質(zhì)工程及水文地質(zhì)當中進行運用。

參考文獻：

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