高密度電阻率法在地下水探測(cè)及采空區(qū)勘查中的應(yīng)用實(shí)踐

張吉濤

(山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院)

高密度電阻率法是一種以地下巖土介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，通過觀測(cè)人工構(gòu)建的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律以解決地下地質(zhì)問題的地球物理勘探方法[1-4]。與常規(guī)電阻率法相比，該方法具有點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大、成本低、效率高、信息豐富、解譯方便等優(yōu)點(diǎn)[5-8]，近年來，該方法在工程勘查領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[9-14]。本研究通過詳細(xì)梳理該方法的技術(shù)原理、特點(diǎn)、裝置形式及數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)一步探討該方法在地下水探測(cè)、采空區(qū)勘查中的應(yīng)用。

1 高密度電阻率法概述

1.1 技術(shù)原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，實(shí)際上是一種集電阻率剖面法和電阻率測(cè)深法于一體的多裝置、多極距組合方法，其原理與普通電阻率法一致，區(qū)別在于觀測(cè)中設(shè)置了高密度的觀測(cè)點(diǎn)。該方法是一類以巖土體導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的電法勘查方法，當(dāng)人工向地下施加直流電流時(shí)，在地表利用儀器觀測(cè)其電場(chǎng)分布，將所測(cè)電流和電壓值換算為電阻率值。但由于受到地形起伏和地下介質(zhì)不均勻性等因素的影響，測(cè)量所得的電阻率值并非巖石的電阻率真值，而為視電阻率值。通過進(jìn)一步研究視電阻率值的差異和變化規(guī)律，有助于發(fā)現(xiàn)和勘查地下目標(biāo)體，從而達(dá)到解決工程地質(zhì)問題的目的。

1.2 特 點(diǎn)

采用高密度電阻率法進(jìn)行野外測(cè)量時(shí)可將全部電極置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)不同極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動(dòng)采集。與常規(guī)電阻率法相比，該方法的特點(diǎn)為：①電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，大大提高了工作效率；②可進(jìn)行多種電極排列方式測(cè)量，獲取的數(shù)據(jù)量大、信息豐富，能夠獲得較豐富的有關(guān)地電斷面的地質(zhì)信息；③野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，不僅采集速度快，而且減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度；④觀測(cè)精度和分辨率顯著提高，探測(cè)深度更加靈活；⑤可以對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理并顯示剖面曲線形態(tài)，數(shù)據(jù)解譯更為方便。

1.3 裝置形式

高密度電阻率法的裝置形式由最初的α、β、γ3種方式發(fā)展至目前的十余種[6,15]，主要包括二極裝置(Pole-Pole)、單邊三極裝置(Pole-Dpole，Dpole-pole)、溫納裝置(Wenner)、偶極裝置(Dpole-Dpole)和斯隆貝格裝置(Schlumberger)等。該類裝置具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及相應(yīng)的應(yīng)用條件，因此在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，四極裝置為公認(rèn)的最穩(wěn)妥的裝置，比較常用的有溫納裝置和斯隆貝格裝置。

溫納裝置方式(Wenner)又稱為對(duì)稱四極裝置方式，電極排列方式為A、M、N、B等間距排列(A、B為供電電極，M、N為測(cè)量電極)，裝置系數(shù)K=2πna(a為電極間距，n為隔離系數(shù))，AM=MN=NB=na，隨著隔離系數(shù)按照由小到大的順序等間隔增大，4個(gè)電極之間的間距也被均勻拉開。該測(cè)量方式屬剖面測(cè)量方式，所得斷面呈倒梯形[16](圖1)。

圖1 溫納裝置跑極示意

斯隆貝格裝置方式(Schlumberger)屬測(cè)深測(cè)量方式，裝置系數(shù)K=πn(n+1)a(a為電極間距，n為隔離系數(shù))，MN=a，AM=NB=na。測(cè)量時(shí)，測(cè)量電極M、N保持不動(dòng)，供電電極A、B同時(shí)逐點(diǎn)分別向左、向右移動(dòng)，得到1條滾動(dòng)掃描測(cè)量線，而后A、M、N、B同時(shí)向右移動(dòng)1個(gè)電極，再按照同樣方式跑極，得到另1條滾動(dòng)掃描測(cè)量線。按照該測(cè)量方式，可得到如圖2所示的矩形斷面。

圖2 斯隆貝格裝置跑極示意

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

高密度電法儀器可以實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并存入主機(jī)，主機(jī)可通過通訊軟件將原始數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。野外數(shù)據(jù)采集過程中難免存在各類干擾，為獲取真實(shí)的探測(cè)信息，一般需對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，常用方法為剔除突變點(diǎn)、數(shù)據(jù)平滑、地形校正和數(shù)據(jù)拼接等[17-19]。剔除突變點(diǎn)是將與相鄰測(cè)點(diǎn)的電阻率值有數(shù)十倍差異的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，而后進(jìn)行插值，以壓制虛假異常。數(shù)據(jù)平滑是為了消除測(cè)量過程中的隨機(jī)干擾，可采用滑動(dòng)平均等方法進(jìn)行處理。地形校正是為了消除因地形起伏而形成的假異常。數(shù)據(jù)拼接主要是對(duì)長(zhǎng)剖面的分段測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行合并處理，形成1條完整剖面，便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體解譯。經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)可利用Sufer軟件繪制出視電阻率等值線擬斷面圖。當(dāng)生成的斷面圖分辨率不高、解譯較困難時(shí)，還可利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行反演計(jì)算成圖，便于對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行定性或半定量解譯。

2 實(shí)例分析

2.1 地下水探測(cè)

2.1.1 工程概況

山東省濰坊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)水的需求量越來越大。自2013年8月開始，濰坊市經(jīng)歷了一段有水文記載以來最嚴(yán)重的持續(xù)干旱時(shí)期。為應(yīng)對(duì)突發(fā)飲用水供水危機(jī)，濰坊市政府決定開展應(yīng)急供水水源地勘查評(píng)價(jià)工作。由水文地質(zhì)調(diào)查資料知，勘查區(qū)內(nèi)主要富水地段的地下水類型為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水位于第四系覆蓋區(qū)，主要含水層位為古河道沉積形成的砂層，與周圍黏性土壤相比，砂層孔隙度大，導(dǎo)電性差，視電阻率值明顯高于周圍黏土的視電阻率值。基巖裂隙水主要賦存于玄武巖和砂巖的風(fēng)化裂隙中，裂隙巖層通常由部分裂隙在巖層中局部范圍內(nèi)連通構(gòu)成帶狀或脈狀裂隙含水系統(tǒng)，其視電阻率值較圍巖明顯下降。因此，利用高密度電阻率法尋找地下水具備地球物理前提。

2.1.2 野外數(shù)據(jù)采集與處理

本研究地下水探測(cè)工作采用吉林大學(xué)工程技術(shù)研究所生產(chǎn)的E60M型高密度電法儀，鑒于野外工作場(chǎng)地開闊且地形較平坦，故優(yōu)先考慮四極裝置形式，以便獲得最大的測(cè)量電位，從而有效壓制干擾，增強(qiáng)有效信號(hào)。但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，溫納裝置信噪比最高，具有較好的垂向分辨率，對(duì)于解決垂向變化(例如水平層狀結(jié)構(gòu))問題比較有利，因此本研究最終采用溫納裝置方式進(jìn)行測(cè)量。本研究所用的高密度電法儀中，電纜上的電極間距呈10 m均勻分布，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?zāi)軌驖M足野外工作需要。輸入電壓取12 V，供電脈沖寬度設(shè)置為2 s。為保證野外數(shù)據(jù)采集精度，每天工作前需對(duì)儀器、電瓶進(jìn)行充分充電。在正式測(cè)量前，應(yīng)對(duì)每個(gè)電極開關(guān)和電極接地電阻進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)接地電阻過大時(shí)，應(yīng)采取措施(如加水或有機(jī)活性物質(zhì)等)改善電極的接地條件，確保探測(cè)資料準(zhǔn)確可靠。

將野外采集的數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)后，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和反演處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括剔除異常點(diǎn)、濾波去噪等，為反演處理提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)體。采用瑞典RES2DINV電法反演軟件進(jìn)行反演處理，網(wǎng)格采用“有限元”方法，最優(yōu)化阻尼系數(shù)，利用線性搜索的最小二乘反演方法，確保反演結(jié)果的穩(wěn)定性，迭代次數(shù)為2～5次，設(shè)置均方根誤差門限值為2.5%。處理后的數(shù)據(jù)可采用Surfer軟件繪制出視電阻率斷面圖。

2.1.3 數(shù)據(jù)解譯與驗(yàn)證

圖線剖面高密度電法綜合斷面

分析圖3可知：視電阻率斷面總體呈水平層狀展布，橫向連續(xù)性較好，縱向上視電阻率變化較大，表現(xiàn)為高低阻相間特征。淺部(標(biāo)高小于10 m)視電阻率值整體較小，一般為10～20 Ω·m，推斷為表層粉土的電性反映；淺部視電阻率值沿縱向延深不均勻，剖面兩端向下延深較深，中部向下延深較淺，反映了粉土厚度的不均勻性。中部(標(biāo)高為10～35 m)視電阻率值為20～40 Ω·m，整體呈高阻特征，推斷由砂層引起，因砂層孔隙度較大，致使其導(dǎo)電性較差，視電阻率值相對(duì)較大，該層為主要的富水層位。深部(標(biāo)高大于35 m)視電阻率值隨著深度增加逐漸變小，其值小于20 Ω·m，呈低阻特征，推斷為粉質(zhì)黏土的電性反映。

為驗(yàn)證高密度電法探測(cè)成果的可靠性，本研究在該剖面附近布置了2個(gè)水文地質(zhì)鉆孔。鉆探揭露結(jié)果為：標(biāo)高0～10.4 m區(qū)段為粉土；標(biāo)高10.4～32 m區(qū)段為砂層與粉質(zhì)黏土互層，其中，10.4～14.4 m 區(qū)段為粉砂層，25.6～27.2 m區(qū)段為礫砂層，30.4～32 m區(qū)段為粗砂層，該3層砂層為主要的含水層，粉質(zhì)黏土中含少量砂質(zhì)，為弱含水層；標(biāo)高32～82 m區(qū)段為粉質(zhì)黏土，僅在標(biāo)高53，69 m附近存在的薄層粗砂中含水。由此可見，鉆孔資料與高密度電法解譯成果基本吻合，后經(jīng)抽水試驗(yàn)，單井涌水量均在24.5 m3/h左右。

2.2 采空區(qū)勘查

2.2.1 工程概況

山東省乳山市金碃?zhēng)X金礦開采歷史悠久，目前礦區(qū)已由早先的城郊農(nóng)村擴(kuò)充至城市規(guī)劃核心區(qū)，礦山閉坑后遺留的采空區(qū)已成為較大的災(zāi)害源，影響了城市發(fā)展。該區(qū)采礦形成的采空區(qū)可大致分為2個(gè)不同時(shí)期：一是早期民采形成的采空區(qū)；二是20世紀(jì)70年代開采硫鐵礦時(shí)形成的采空區(qū)；三是20世紀(jì)90年代開采金礦時(shí)形成的采空區(qū)。民采和硫鐵礦開采期間的開采深度較淺，一般不超過30 m，但開采隨意性大，采空區(qū)分布無規(guī)律，地表采坑和塌陷的采空區(qū)已被回填，僅局部遺留有采空區(qū)。金礦開采期間采用地下巷道方式，有正規(guī)的巷道開拓圖，巷道深度為地表以下30～70 m，該時(shí)期的巷道及采空區(qū)勘查以巷道及采空區(qū)水平投影圖為基礎(chǔ)，輔以物探勘查和鉆探驗(yàn)證。

勘查區(qū)內(nèi)的地層主要為新生界第四系臨沂組，巖性為灰黃色黏土質(zhì)粉砂、含礫中細(xì)砂。巖漿巖大面積分布，巖性主要為中生代燕山早期垛崮山序列大孤山單元斑狀中細(xì)粒含黑云花崗閃長(zhǎng)巖，此外，還發(fā)育有燕山晚期花崗斑巖脈和煌斑巖脈。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，有4條大致平行分布的斷裂構(gòu)造蝕變帶，走向2°～10°，傾向NW，傾角80°～85°，斷裂帶沿走向呈舒緩波狀延伸，局部膨大、分枝復(fù)合現(xiàn)象明顯。理論上講，當(dāng)?shù)V體被采空后形成一定的充氣空間，破壞了巖體的完整性和連續(xù)性，造成采空區(qū)與圍巖有顯著的電性差異，表現(xiàn)出明顯的高阻特征。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間后，采空區(qū)上覆巖石在重力作用下會(huì)發(fā)生坍塌變形，致使巖石破碎并出現(xiàn)裂縫，地下水會(huì)沿著破碎巖石和裂縫向采空區(qū)匯集，采空區(qū)充水后，其電阻率會(huì)呈低阻反映。該類特性成為應(yīng)用高密度電阻率法探測(cè)地下采空區(qū)良好的地球物理前提。

2.2.2 野外數(shù)據(jù)采集與處理

仍采用E60M型高密度電法儀進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以斯隆貝格裝置方式進(jìn)行測(cè)量，點(diǎn)距5 m，個(gè)別剖面又選擇2，3 m點(diǎn)距進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)量，輸入供電電壓為12 V，供電脈沖寬度為2 s，控制深度40～80 m不等。將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，采用瑞典高密度電法處理軟件RES2DINV進(jìn)行反演計(jì)算并成圖。

2.2.3 數(shù)據(jù)解譯與驗(yàn)證

圖線視電阻率等值線斷面

3 結(jié) 語(yǔ)

高密度電阻率法以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，具有自動(dòng)化程度高、工作效率高、信息豐富、解譯方便等特點(diǎn)。結(jié)合工程實(shí)例，通過數(shù)據(jù)解譯并輔以鉆探驗(yàn)證的方式，詳細(xì)討論了該方法在地下水探測(cè)、采空區(qū)勘查等方面的適用性，對(duì)于類似工程有一定的借鑒價(jià)值。

圖5 ZK27鉆孔巖芯

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