高密度電法在水壩巖溶空洞探測(cè)中的應(yīng)用

鄭燕青，彭　亞，邱姜欣，尹　敏，李冠男

(東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013)

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高密度電法在水壩巖溶空洞探測(cè)中的應(yīng)用

鄭燕青，彭亞，邱姜欣，尹敏，李冠男

(東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌 330013)

為了查明庫(kù)區(qū)壩體巖溶空洞大致走向，利用高密度電阻率法對(duì)其進(jìn)行了探測(cè)，野外數(shù)據(jù)采集運(yùn)用合理的觀測(cè)方式，結(jié)合已知地質(zhì)資料及現(xiàn)場(chǎng)踏勘記錄，推斷了壩區(qū)地下巖溶空洞大致走向，為后續(xù)打鉆提供了有效依據(jù)及建議。結(jié)果表明，高密度電阻法具有快速、有效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，是地下巖溶空洞探測(cè)的有效方法之一。

高密度電法；水庫(kù)；巖溶空洞

1　引　言

近年來(lái)，高密度電阻率法在水文工程勘探特別是水庫(kù)滲漏探測(cè)中應(yīng)用較為頗廣，因?yàn)樵摲椒ň哂须姕y(cè)深法與電剖面法相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，完成一次勘探可以對(duì)縱、橫方向進(jìn)行勘探，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，觀測(cè)精度與常規(guī)直流電測(cè)深、電剖面相比較高。此外，在測(cè)量過程中可獲得較多地電參數(shù)信息，且勘探成本低，特別在尋找地下水、破碎帶、石材礦、巖溶空洞等方面有較好的應(yīng)用效果[1-7]。目前，國(guó)內(nèi)使用較多的高密度電法儀器有重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A電法系統(tǒng)、重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-6、美國(guó)Zonge公司生產(chǎn)的GDP32多功能電法儀以及北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DCX-1多功能高密度電法儀；相應(yīng)的處理軟件有瑞典高密度處理軟件res2dinv和res3dinv以及驕佳技術(shù)公司研制的GeogigaRImager5.0軟件等[8,9]。

據(jù)此，本文以貴州某水庫(kù)巖溶空洞勘探為例，在研究區(qū)布置了5條高密度電法測(cè)線，旨在查明庫(kù)區(qū)巖溶空洞走向，為后期鉆探提供有效依據(jù)。

2　方法原理

2.1高密度電法工作原理

高密度電法工作原理與常規(guī)電阻率法基本一樣，以地下巖、礦石電阻率差異為研究基礎(chǔ)的一種直流電法勘探，依據(jù)施加電場(chǎng)作用下地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律來(lái)推斷地下不同電阻率的地質(zhì)體賦存關(guān)系。高密度電法與常規(guī)電法一樣，以A、B作為供電電極，向地下供電流I，然后在測(cè)量電極M、N之間測(cè)量電位差ΔV，從而求得M、N之間的視電阻率值ρ=KΔV/I(圖1)，進(jìn)而分析所測(cè)得的視電阻率大小及分布情況來(lái)劃分地下電層及確定異常等。

在野外測(cè)量過程中，高密度電法排列方式有十幾種，常用排列有四極排列的α排列、β排列及γ排列，不同的排列觀測(cè)方式對(duì)應(yīng)不同的觀測(cè)結(jié)果，主要體現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)數(shù)分布、縱橫向分辨率及觀測(cè)時(shí)間不同，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，組合排列具有被組合各種排列所具有的優(yōu)點(diǎn)，且兼顧探測(cè)深度與分辨能力[8,10]。α排列裝置(或稱溫納裝置)采用的是對(duì)稱四極排列裝置，即AM=MN=NB=Δx時(shí)，其視電阻率ρ表達(dá)式為：

ρ=KΔV/I

(1)

式中：ρ為地下介質(zhì)的視電阻率，單位為Ω·m；K為裝置系數(shù)，且為無(wú)量綱物理量，裝置系數(shù)僅與電極布置形式有關(guān)；I為供電電流，單位為A；ΔV為測(cè)量M、N極電位差，單位為V。

圖1　高密度電阻率法工作原理Fig.1　The working principles of high-density resistivity method

2.2高密度電法設(shè)備組成

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多路電極轉(zhuǎn)換器、主機(jī)及電極系三部分組成。野外工作可一次性布置許多根電極，每一根電極即可作為供電電極，也可作為測(cè)量電極，主要通過多路電極轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制。通過程控多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和電測(cè)儀自動(dòng)、快速采集數(shù)據(jù)，高密度電法測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　高密度電法系統(tǒng)示意圖Fig.2　The system diagram of high-density resistivity method

3　工區(qū)概況及測(cè)線布置

某水庫(kù)位于貴州喀斯特地區(qū)，地表主要被第四系地層覆蓋，巖性以泥質(zhì)、沙土為主，地表植被較為茂盛，相應(yīng)的電阻率值較低(小于100Ω·m)，下伏基巖巖性為灰?guī)r，電阻率斷面表現(xiàn)為高阻(大于1 000Ω·m)，庫(kù)區(qū)地層主要以單斜地層為主，在壩尾處存在一條斷裂帶，但不影響庫(kù)區(qū)存水，地形起伏較大?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，庫(kù)區(qū)由于地下水及重力作用，石灰?guī)r長(zhǎng)期在地下水溶蝕會(huì)形成溶洞，壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上發(fā)生了變化；此外，庫(kù)區(qū)地表出露兩個(gè)已知溶洞,本次勘探任務(wù)是查明地下巖溶空洞大致走向。

本次測(cè)線布置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況實(shí)施，一共布置了5條高密度測(cè)線，每條測(cè)線點(diǎn)距為4m，采用90根電極進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量長(zhǎng)度斜距分別為360m，利用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A進(jìn)行觀測(cè)，排列觀測(cè)方式采用溫納裝置，每個(gè)排列測(cè)量時(shí)間在90min左右，野外測(cè)線布置如圖3所示。

圖3　庫(kù)區(qū)高密度測(cè)線布置Fig.3　The line layout of high-density resistivity method in the reservoir area

4　資料解釋

在進(jìn)行反演之前，在室內(nèi)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)剔除，主要剔除那些受接地不良電極采集的數(shù)據(jù)以及采集過程中儀器自帶的一些隨機(jī)干擾數(shù)據(jù)，使用瑞典RES2DINV反演軟件自帶圓滑約束最小二乘法進(jìn)行二維反演，對(duì)所獲得的反演斷面進(jìn)行綜合分析解釋。

GMD1測(cè)線布置在庫(kù)區(qū)壩體右岸，反演迭代次數(shù)為5次，對(duì)應(yīng)擬合差為6.07%，反演電阻率斷面圖(圖4(a))反映出覆蓋層厚度均勻，主要為泥質(zhì)砂巖覆蓋，相應(yīng)電阻率值較低(小于50Ω·m)。基巖面略有起伏，在樁號(hào)70m、埋深900m以下存在一高阻異常(大于3 000Ω·m)，電阻率等值線縱向梯度變化明顯，根據(jù)庫(kù)區(qū)地表溶洞出露位置，推斷此高阻異常為地下不含水巖溶空洞所引起；GMD2測(cè)線布置與庫(kù)區(qū)壩體斜交，反演迭代次數(shù)為5次，對(duì)應(yīng)擬合差為2.95%，反演電阻率斷面圖(圖4(b))同樣反映覆蓋層厚度較均勻，覆蓋層主要為泥質(zhì)砂巖，電阻率相對(duì)較低(小于50Ω·m)。在樁號(hào)220m、埋深890m以下存在一高阻異常響應(yīng)，縱向等值線變化明顯，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)GMD2線右側(cè)附近存在一已知溶洞，推斷該剖面高阻異常響應(yīng)為地下巖溶空洞所引起；GMD3測(cè)線與GMD2線測(cè)斜交，反演迭代次數(shù)為5次，對(duì)應(yīng)擬合差為15.54%，由于該剖面地表地形起伏較大，反演電阻率斷面圖(圖4(c))在樁號(hào)200m、埋深920m處存在地形起伏引起的高阻異常干擾；在樁號(hào)175m、標(biāo)高900m以下存在一低阻異常區(qū)塊，根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)圖推斷認(rèn)為是由F斷層引起；GMD4線剖面布置接近垂直壩尾，覆蓋層主要以泥質(zhì)為主，該剖面地形起伏相對(duì)較小，反演迭代次數(shù)為5次，對(duì)應(yīng)擬合差為2.64%，從反演電阻率斷面圖(圖4(d))可知，淺部低電阻率(小于50Ω·m)異常響應(yīng)由覆蓋層泥質(zhì)引起，在樁號(hào)130m、埋深約880m處存在一高阻異常，且縱向上電阻率等值線變化明顯，推斷認(rèn)為是由地下巖溶空洞引起；GMD5線剖面布置與壩尾斜交，反演迭代5次，對(duì)應(yīng)擬合差為3.76%，該測(cè)線反演電阻率斷面圖(圖4(e))異常響應(yīng)與GMD4線基本一樣，反演斷面在樁號(hào)150m、埋深880m處，高阻異常響應(yīng)同樣認(rèn)為是由地下巖溶空洞引起。

圖4　5條測(cè)線反演電阻率斷面Fig.4　Five prospecting lines inversion profiles of the resistivity

綜上所述，5條高密度測(cè)線探測(cè)對(duì)庫(kù)區(qū)巖溶空洞引起的高阻異常響應(yīng)明顯，從勘查現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的巖溶空洞位置，可推斷地下巖溶空洞走向大致朝北西向、北東向，庫(kù)區(qū)巖溶走向推斷成果如圖5所示。

圖5　溶洞走向推斷示意圖Fig.5　The map of interpretation of the run of karst cavity

5　結(jié)　論

通過對(duì)貴州某庫(kù)區(qū)進(jìn)行高密度電法探測(cè)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)高密度電法在灰?guī)r地區(qū)探測(cè)巖溶空洞具有較好的探測(cè)效果，5條測(cè)線反演斷面均顯示出高

阻異常，說(shuō)明地下巖溶空洞幾乎不含水，綜合庫(kù)區(qū)5條測(cè)線反演斷面解釋結(jié)果，推斷認(rèn)為地下巖溶空洞走向存在兩個(gè)方向。

2)由于巖溶空洞電阻率與近地表覆蓋層電阻率存在較大差異，會(huì)形成明顯的高低阻暈圈；此外，地表地形起伏過大在反演斷面圖上會(huì)形成假異常，在進(jìn)行反演之前必須做地形校正。

3)在實(shí)際測(cè)量過程中，由于高密度探測(cè)深度、供電電流大小以及排列長(zhǎng)度有限，且存在一定的勘探盲區(qū)，故進(jìn)行中深部工程勘探時(shí)不宜選用此方法。

[1]鄧居智，劉慶成，莫撼.高密度電阻率法在探測(cè)水壩隱患中的應(yīng)用[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,24(4)：282-285.

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The Application of High-Density Resistivity Method to Karst Cavity Exploration of Dam

Zheng Yanqing，Peng Ya，Qiu Jiangxin,Yin Min，Li Guannan

(School of Nuclear Engineering and Technology, East China Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330013, China)

Tofindoutthedirectionsofkarstcavityinthedamarea,high-densityresistivitymethodhasbeenusedinareasonablemodeatthefielddataacquisition.Combinedwiththeknowngeologicaldataandthereconnaissancerecord,thedirectionsofkarstcavitymightbededucedinthedamarea,whichcanalsoprovideeffectiveproofandsuggestioninthelaterdrillingwork.Theresultsshowthatthehigh-densityresistivitymethodisaneffective,fastandaccurategeophysicalmethod,andisoneoftheeffectivemethodsoftheundergroundkarstcavityexploration.

high-densityresistivitymethod;reservoir;karstcavity

1672—7940(2016)03—0285—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.005

國(guó)家自然科學(xué)基金(編號(hào)：41164003、41404057)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(編號(hào)：2011BAB04B03)

鄭燕青(1987-)，男，碩士研究生，主要從事電磁法應(yīng)用研究。E-mail:zhengyanqing20yyl@126.com

P631.3

A

2015-12-18