高密度電阻率法在巖溶探測中的應(yīng)用

何國全

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

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高密度電阻率法在巖溶探測中的應(yīng)用

何國全

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

為了查明云南某水庫地下的巖溶分布情況，利用高密度電阻率法進(jìn)行探測，充分利用高密度電阻率法點距小、數(shù)據(jù)采集密度大，可直觀、形象地反映斷面的巖溶形態(tài)的特點，查明了該測區(qū)巖溶的位置及分布情況。經(jīng)鉆探驗證，物探推測結(jié)果正確。高密度電阻率法在水庫巖溶勘察中取得了良好的應(yīng)用效果，可為以后同類工程探測所借鑒應(yīng)用。

高密度電阻率法；探測；巖溶

1 引 言

地下巖溶的存在會給水庫、大壩、橋梁的安全帶來極大的隱患和危險，因此在選址時，查明地下巖溶的發(fā)育情況顯得尤為重要。高密度電阻率法是集電測深法與電剖面法于一體的多裝置、多極距直流電阻率測量方法[1,2]，因其點距小、數(shù)據(jù)采集密度大、效率高、顯示直觀等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于巖溶[3,4]、采空區(qū)[5,6]、滲漏檢測[7-9]、滑坡勘察[10,11]等領(lǐng)域，且取得了良好的探測效果。

測區(qū)基巖較淺，覆蓋層厚度一般在幾米左右，覆蓋層下面為灰?guī)r，在水的長期溶蝕作用下，灰?guī)r可能形成巖溶發(fā)育帶、喀斯特溶洞或開口型溶洞，特別是在巖溶發(fā)育區(qū)，灰?guī)r完整性變差或變破碎，上部沉積地層的成層結(jié)構(gòu)遭受破壞，第四系覆蓋層下滑，形成山間沖溝或溶蝕溝。巖溶發(fā)育的巖石及溶洞與完整巖石相比，電阻率存在較大差異，這為高密度電阻率法查明地下巖溶提供了條件，而實踐也證明，運用高密度電阻率法對云南某水庫進(jìn)行巖溶勘察取得了良好的效果，查明了庫區(qū)巖溶的位置及分布情況，為下一步工程建設(shè)提供了可靠依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

測區(qū)位于滇東高原，具高原山地與斷拗(陷)盆地相間的地貌特征。地形多為山地、丘陵及壩子組成，喀斯特地貌發(fā)育。測區(qū)地勢大致西北高東南低，由西北向東南傾斜。區(qū)域西北部海拔1 930～2 060 m，切割深度50～100 m，最大可達(dá)150 m左右，屬中山區(qū)。區(qū)域之冠在清水溝上游北側(cè)，海拔2 077 m。東南部海拔高程一般在1 882～1 925 m之間，切割深度50 m左右，屬中山區(qū)。最低處在南盤江邊，海拔1 883～1 888 m，為區(qū)域最低侵蝕基準(zhǔn)面。區(qū)域內(nèi)發(fā)育的地層為地臺型海相和陸相沉積巖。從老到新有：泥盆系、石炭系、二疊系及第四系。

3 地球物理特征

一般情況下，充滿水的溶洞或其他物質(zhì)充填的溶洞呈現(xiàn)相對低阻的物性特征；巖溶洞穴為空或干以及半充填水或其他物質(zhì)時，由于空氣導(dǎo)電性能差，則呈現(xiàn)高阻特征。完整灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r的電阻率最高，完整性差或節(jié)理裂隙發(fā)育、風(fēng)化破碎的灰?guī)r電阻率降低。探測區(qū)主要巖土介質(zhì)電阻率特征值見表1。

表1 測區(qū)巖土介質(zhì)電阻率特征值表

由表1可見，本次勘探的目標(biāo)體與圍巖存在著明顯的電性差異，完全具備開展高密度電阻率法工作的地球物理前提條件。因此，利用高密度電阻率法查明工程區(qū)巖溶及其分布是完全有效和可行的。

4 野外工作方法與技術(shù)

此次野外工作投入使用儀器為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A(120道)高密度電阻率法測量儀，采用溫納裝置，電極間距選為5 m，一般每條測線為120個電極同時測量。最大隔離系數(shù)根據(jù)施工現(xiàn)場實施測線的長度選為8～25不等，當(dāng)勘察場地短，不能鋪設(shè)多根電極時，需要減少電極根數(shù)和隔離系數(shù)。

沿庫區(qū)淹沒線(高程1 930 m)附近布置測線，左岸布設(shè)20條，右岸布設(shè)14條。當(dāng)剖面比較長時，盡量利用儀器可以滾動測量的功能，選用較大的隔離系數(shù)勘測，最后將分段剖面進(jìn)行拼接，變成長剖面以便進(jìn)行分析解釋。

勘測時間為夏末秋初，植被和農(nóng)作物生長茂密，加上山勢較陡，電極布設(shè)測量困難；部分地段水泥路面或公路處接地電阻率太大，對電流的深部流動產(chǎn)生屏蔽作用；部分工區(qū)有巖石出露，電極難以布設(shè)等，會給高密度電阻率法探測帶來一定影響。針對上述問題，筆者采用南方測繪RTK儀器實地放點，每條測線10 m埋設(shè)一個小木樁，每10 m用標(biāo)有測線號及測點號的紅布條標(biāo)記，保證每個電極的高程準(zhǔn)確；遇水泥路面、公路或巖石出露時，采取用鹽袋代替電極或在電極處加鹽水等措施，以改變接地條件，獲取高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)處理與成果分析

5.1 數(shù)據(jù)處理

將存儲數(shù)據(jù)調(diào)入圖象處理軟件，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，應(yīng)用G3RTomo5.0高密度軟件解釋系統(tǒng)，進(jìn)行正、反演計算。為保證處理質(zhì)量，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，剔除不合理點或畸變點，對長剖面滾動方式測量的分段數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的拼接，并經(jīng)過電法正、反演迭代計算過程，獲得反演后的視電阻率值，利用調(diào)色板設(shè)置色階文件，最后繪制成視電阻率等值線斷面色階圖。根據(jù)探測剖面的電性特征，選擇合理的等值線間隔和色彩，最終形成視電阻率斷面解釋推斷成果圖。剖面縱軸為探測深度(單位m)，橫軸為測點位置(或剖面樁號，單位m)，色標(biāo)為反演模型視電阻率值(單位Ω·m)。

結(jié)合項目探測技術(shù)要求的特殊性，為提高異常解釋的可靠性，對資料處理與解釋采取了將剖面地形起伏數(shù)據(jù)納入資料處理與解釋之中，建立具有地形條件的視電阻率剖面異常圖示系統(tǒng)，使用帶有地形數(shù)據(jù)參與的數(shù)值反演方法，從而最大限度地消除或壓制了地形對有用異常的干擾和對解釋結(jié)果的影響，確保反演解釋的可靠性。

5.2 成果分析

結(jié)合勘察區(qū)地質(zhì)及地球物理特征，對該區(qū)進(jìn)行解釋時遵循以下原則：

1)對淺層近地表的低阻區(qū)解釋為壤土層，一般根據(jù)經(jīng)驗電阻率數(shù)值只有數(shù)十歐姆米；根據(jù)鉆探資料，本區(qū)覆蓋層厚度較淺，其厚度一般為幾米，對下部電阻率數(shù)值為100～400 Ω·m的地層解釋為碎石土層。

2)對覆蓋層下部的高阻區(qū)，電阻率值超過500 Ω·m的巖層解釋為基巖，本區(qū)基巖為灰?guī)r，其電阻率值一般可達(dá)到數(shù)百歐姆米或更高；

3)在高阻值區(qū)內(nèi)的局部低阻封閉區(qū)段解釋為灰?guī)r內(nèi)的封閉型溶洞；由于溶洞內(nèi)會有土層、淤泥等物質(zhì)的填充，導(dǎo)致溶洞的電阻率降低，只有數(shù)十歐姆米；

4)對深部基巖區(qū)段出現(xiàn)大面積的高阻區(qū)，可以解釋為灰?guī)r溶蝕區(qū)，有時也稱開口型溶洞。

根據(jù)以上解釋原則，現(xiàn)選取左岸、右岸測線GZ1、測線GY3斷面視電阻率斷面解釋推斷成果圖分別進(jìn)行如下分析：

GZ1測線位于水庫左岸下壩線處，其視電阻率斷面解釋推斷成果圖見圖1。圖中橫坐標(biāo)表示測點，縱坐標(biāo)表示深度。根據(jù)圖中電阻率分布特征，在剖面長度0 m至160 m段的近地表相對高阻反映為碎石(勘測時，根據(jù)實地考查，該剖面開始至155 m為碎石)；電阻率小于50 Ω·m的藍(lán)色區(qū)段反映表層土壤的分布，覆蓋層的厚度在2 m左右。顏色為綠色區(qū)域的地段為碎石土，深度在4～15 m左右，呈條帶狀分布。電阻率為500 Ω·m以上的地層區(qū)段反映基巖界面的起伏，圖中黃色區(qū)段反映灰?guī)r的分布，基巖界面起伏較大。測線60 m處，深度為17～23 m，電阻率大于2 300 Ω·m的橙紅色區(qū)域，推斷為溶蝕區(qū)，中心高程約為1 920 m。

GY3測線位于水庫右岸，視電阻率斷面解釋推斷成果圖見圖2。根據(jù)圖中電阻率分布特征，電阻率為140～480 Ω·m，顏色為綠色區(qū)域的地段為碎石土分布，厚度在6～15 m左右。測線490～540 m段電阻率小于80 Ω·m，顏色為藍(lán)色區(qū)域的地段為土壤分布。電阻率為520 Ω·m以上的地層區(qū)段反映基巖，圖中黃色區(qū)段反映灰?guī)r的分布，界面起伏較大。測線145m處，深度約27 m，電阻率值達(dá)3 900 Ω·m，存在高阻異常，推斷為溶蝕區(qū)域，中心高程約為1 920 m。測線255 m處，深度約39 m，電阻率值達(dá)3 200 Ω·m，存在高阻異常，推斷為溶蝕區(qū)域，中心高程約為1 910 m。

圖1 測線GZ1視電阻率斷面解釋推斷成果Fig.1 The product map of the apparent resistivity section interpretation of line GZ1

圖2 測線GY3視電阻率斷面解釋推斷成果Fig.2 The product map of the apparent resistivity section interpretation of line GY3

在測線GZ1(距該孔1 m)視電阻率斷面解釋推斷成果圖圈定的異常處進(jìn)行鉆探驗證，在深度14.7 m有溶蝕嚴(yán)重，并在深度16～22 m為溶洞，洞內(nèi)無填充物，鉆孔結(jié)果與物探推測的溶洞規(guī)模、位置與高密度基本一致。

6 結(jié) 論

1)本次高密度電阻率法探測共發(fā)現(xiàn)7處溶洞，其中心高程在1 910～1 942 m之間，規(guī)模為3～7 m?；静榍辶藥靺^(qū)1 930 m淹沒線以下的溶洞分布情況。

2)通過高密度電阻率法探測成果，結(jié)合地質(zhì)勘察、鉆探驗證對比，證明了高密度電阻率法在巖溶勘查中的可行性，基本能判斷出巖溶的空間位置及其展布方向，為整體方案的可行性提供了依據(jù)，也可為以后同類工程探測所借鑒應(yīng)用。

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The Application of High Density Resistivity Method to Karst Detection

He Guoquan

(HebeiResearchInstituteofInvestigation&DesignofWaterConservancy&Hydropower,Tianjin300250,China)

In order to identify the distribution of underground karst of a reservoir in Yunnan province, this paper adopts high density resistivity method to karst detection. Making full use of the features of small pitch and high data acquisition density, this method can directly and vividly reflect karst morphology of the section. This detection identifies the location and distribution of karst in this survey area. Through the drilling verification, the results inferred by geophysical prospecting are right. The high density resistivity method gets good effect in karst exploration, and can be used as a reference for similar engineering detection.

the high density resistivity method; detection; karst

1672—7940(2016)02—0175—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.007

何國全(1971-)，男，高級工程師，主要從事水利水電工程物探應(yīng)用及工程檢測工作。E-mail:13502125518@163.com

P631.3

A

2015-10-08