兩種高密度電法裝置在小場地工程物探中的結(jié)合

張衛(wèi)華

（山東中基地理信息科技有限公司，山東 濟南 250102）

在眾多的直流電阻率測深方法中，高密度電法由于具有的一次即可進行多種裝置測量并獲得豐富的地電信息，能比較直觀準確地反映地下電性異常體的形態(tài)和產(chǎn)狀的特點，在煤礦采空區(qū)調(diào)查、建筑選址的地基勘探等方面，發(fā)揮著越來越重要的作用，然而在城市建筑等工程物探中，由于場地小而限制了高密度電法的應(yīng)用。因此，這種條件下如何選擇測量裝置以適應(yīng)工作場地小的條件和加大探測深度就是一個亟待解決的問題。在高密度電法多種測量裝置中，溫納裝置對垂向視電阻率異常的分辨率較高，抗干擾能力強，常用于解決復(fù)雜地質(zhì)問題和探測水平地質(zhì)體，如劃分層位、確定覆蓋層厚度和基巖面；單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置的探測深度是最大的，而且特別適應(yīng)在單邊難以跑極的工區(qū)工作。

1 高密度電法勘探基本工作方法

高密度電阻率法是以巖土導(dǎo)電性差異為物性基礎(chǔ)，通過人工向大地供電，并在地表同時布置電極（一般不少于60根），測量地下二維地電斷面的電阻率分布，經(jīng)二維反演并結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料進行綜合推斷解釋，來研究地下介質(zhì)的地質(zhì)情況。

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系三部分組成詳情見圖1，主機利用程控多路電極轉(zhuǎn)換器和微機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集，獲得的數(shù)據(jù)后通過畸變點剔除、平滑數(shù)據(jù)等預(yù)處理，再經(jīng)過反演、最后繪制成視電阻率等值曲線圖。

圖1 高密度電法工作原理圖

高密度電阻率法常用的裝置包括溫納裝置、偶極裝置、微分裝置、單邊三極裝置、聯(lián)合剖面法裝置等。電極排列布置在工作中最優(yōu)先選用的是四極裝置，它是公認的最穩(wěn)妥的裝置，但它需要的場地開闊，才能獲得最大的測量電位，而且四極裝置受地形的影響較小，電測剖面形態(tài)比較好判別。

2 溫納裝置高密度電法

溫納裝置高密度電法即對稱四極測量裝置，排列上A、B極為供電極，M、N是測量極，它的電極排列規(guī)律是按A、M、N、B的順序，等間距排列。工作時，AMNB四個電極由電極轉(zhuǎn)換器控制，自動逐漸向右完成一個電極距的勘察，接著四個電極之間的間距也同樣增大一倍，再測量完成兩倍電極距的測量，以此類推，直到完成整條測線的測量工作。該裝置適用于固定斷面的掃描測量，測量斷面為倒梯形，可以明顯分辨電阻率異常的頂部和底部的深度變化，電極排列見圖2。

圖2 溫納裝置工作圖

對應(yīng)每一層位的測量數(shù)據(jù)個數(shù)為60-n*3，16個層位全部測量完得到一個完整的剖面，其數(shù)據(jù)總數(shù)應(yīng)該為552個（對于60道采集）。由上述的測量方式可知，該測量所得到的視電阻率為倒梯形，因此，要想獲得全場地的巖層電阻率分布情況，必須使電極排列的長度要大于場地的范圍。

3 單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置

單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置適宜在單邊難以跑極的工區(qū)勘察，工作時供電極B在盡量遠處， A極逐點向右移動，測量極M、N極不動，變斷面連續(xù)測量，得到一組數(shù)據(jù)；接著M、N、A同時向右移動一個電極距，仍按測量極M、N極不動，A極逐點向右移動方式得到第二組數(shù)據(jù)；這樣連續(xù)不斷探測下去；得到一個矩形斷面，其電極排列見圖3。

圖3 單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置工作圖

測量時B極在無窮遠處，參與測線上電極轉(zhuǎn)換的是N、M、A。電極轉(zhuǎn)換的規(guī)律如下所述：

例如測量從1#電極開始，最小間隔系數(shù)n(min)=1，最大間隔系數(shù)n(max)=20；

首先，N=1#，M=2#，A=3#→22#，測量得到第一組ρs數(shù)據(jù)20個，然后N、M、A電極依次向前移動一個電極距；

N=2#,M=3#,A=4#→23#，測量得到第二組ρs數(shù)據(jù)20個，然后N、M、A電極依次向前移動一個電極距；

這樣每測得一組ρs數(shù)據(jù)后，測量系統(tǒng)依次往前移動一個電極距，當移出30個電極之后（因為電纜承載的電極數(shù)是30），第一根電纜就已空出，可以把它移接到60#——90#電極，實現(xiàn)長測線的滾動測量。

4 兩種裝置高密度電法在工程物探中的應(yīng)用實例

實際工作時遇到了如圖4的探測場地，圖中陰影部分為已有建筑物，A、B、C地塊為探測工區(qū)，四周為城市道路。整個工區(qū)呈帶狀，且被現(xiàn)有建筑物分割。前期工程勘察資料表明，第四紀覆蓋層厚度為15～20 m，第四紀覆蓋層有雜填土，淤泥質(zhì)土，各種礫徑的沙土（礫沙、中沙、細沙、粉沙）及粉質(zhì)黏土。第四紀下伏基巖為石炭紀灰?guī)r。第四紀覆蓋層中發(fā)現(xiàn)有空洞（或稱土洞），土洞中的充填物多為松散粉沙，且多數(shù)為充填。洞高從幾十厘米到十多米不等，在灰?guī)r面及灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)有不同規(guī)模（以洞高衡量其規(guī)模）的溶洞及溶蝕槽。溶洞及溶蝕槽中無沖填物。受甲方委托，采用地球物理方法查明建筑物分布范圍內(nèi)第四紀覆蓋層中存在的土洞，基巖面上的溶洞或溶蝕槽，需要查明目標物的幾何尺寸為1 m3以上的土洞及溶洞，為建筑設(shè)計提供依據(jù)。

圖4 勘測場地示意圖

探測目標物為第四紀覆蓋層中的土洞及基巖界面上的溶洞及溶蝕槽。土洞多為半充填，土洞中充空氣的部分相對于周圍的介質(zhì)為高阻，當其具有足夠的規(guī)模時電阻率法可以發(fā)現(xiàn)土洞。當有充填物存在時（充填物為松散粉細砂），相對于周圍介質(zhì)或呈高阻或呈低阻，以上的分析表明，探測的目標物（土洞、溶洞）同周圍介質(zhì)存在明顯的電阻率值差異，具備采用高密度電法勘察的基本條件。該場地也存在不利于地球物理探測的因素，如工程勘察鉆孔已發(fā)現(xiàn)的基巖面上的溶洞及溶蝕槽多為無充填物的溶洞?？斩粗械目諝馔?guī)r雖有電阻率差異但不明顯，無疑給探查資料解釋帶來困難，另一個不利因素是近地表的覆蓋層的電阻率較低（僅20 Ω·m左右），產(chǎn)生低阻屏蔽作用，為了降低屏蔽作用達到所要求的勘探深度，采用了提高供電電壓或增大供電電極距的方法。而且該場地的潛水面（或稱穩(wěn)定水位）距地表較淺（距地表僅0.5～3.5 m），使近地表覆蓋層的電阻率降低，同時使不同層間的電阻率差異降低，以上這些都是降低探測效果的不利因素。綜合以上情況，最終決定采用溫納裝置和單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置得到探測目標物的空間分布情況。

根據(jù)目標體規(guī)模、埋深和場地條件，C地塊（120 m×30 m）選擇了電極間距2 m，A（190 m×35 m）B（170 m×35 m）地塊選擇了電極間距1、2、3 m三種形式，均采用60個電極的線狀采集方式。以上介紹可知，溫納裝置的勘察成果圖為一個倒梯形的斷面圖，單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置勘察成果圖為一個矩形的斷面圖。單純用溫納裝置要在整個剖面上全部達到規(guī)定的探測范圍和深度是不可能的，因為ABC區(qū)域以外的地方為城市道路或現(xiàn)有建筑物，無法布置電極，進而也限制了溫納裝置的探測深度；且地球物理學(xué)探測理論認為：物探方法對地下異常的分辨率與被觀測的場參數(shù)有關(guān)，場參數(shù)導(dǎo)數(shù)的級數(shù)越高，分辨率越高；據(jù)此推理溫納裝置在地層的劃分上比單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置有更好的分辨率，因此把溫納裝置和單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置的成果資料融合分析，再利用RES2DIN軟件繪制出兩種裝置的測深曲線圖和視電阻率等值曲線圖來分析解釋異常，可充分發(fā)揮兩種裝置的優(yōu)點。

A、B、C地塊共設(shè)計了34條測線，A地塊13條，B地塊11條，C地塊10條(其中C地塊無法用3 m極距)，獲得了各測線的溫納裝置視電阻率ρs等值線圖和單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置視電阻率ρs等值線圖，再與已知的鉆孔資料對比后，結(jié)合本測區(qū)第四紀覆蓋層（土層、砂層）與下付巖層（石炭紀灰?guī)r）的地球物理（電性參數(shù)）特征，按照視電阻率等值線變化規(guī)律和測深曲線的變化規(guī)律，圈定了土洞、溶洞、殘留地基基礎(chǔ)等不良地質(zhì)體。高密度電阻率法的溫納裝置、單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置分別按h=0.25AB、h=0.8*AO的計算原則進行了定量反演解釋。本場地揭示的土洞多數(shù)為半充填或全充填，充填物呈流塑、軟塑狀，因此在電性上表現(xiàn)為低阻，且土洞的發(fā)育位置大部分在基巖面附近，在高密度ρs等值線圖上表現(xiàn)為呈低阻封閉或半封閉，該類異常為土洞發(fā)育地帶。半充填或無充填的溶洞的土洞、無充填的溶洞表現(xiàn)為高阻，ρs等值線圖上呈高阻半封閉，等值線梯度變化大，等值線上凸。本次在勘察范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了土洞10處，溶洞4處，下伏灰?guī)r突起5處，舊地基基礎(chǔ)5處（參見圖5），這些探測異常均采取了打鉆方式得到了驗證，為建筑設(shè)計提供了準確的依據(jù)。

圖5 2種裝置的視電阻率等值曲線圖

對照圖5的兩個視電阻率ρs等值曲線圖，不難發(fā)現(xiàn)把單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置的視電阻率值和溫納裝置視電阻率值重新融合編輯后，即保持溫納裝置視電阻率值格式不變，再補充單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置的視電阻率值，重新繪制電阻率ρs等值曲線圖；使得勘查的探測范圍和探測深度都發(fā)生了變化，降低了資料解釋的工作量，由對照多張圖，改變?yōu)橹豢匆粡垐D。

5 結(jié)語

（1）受場地條件的影響，要在整個剖面上全部達到規(guī)定的探測深度和精度，單純依靠溫納裝置法不能覆蓋到場地的兩側(cè)，此時，通過結(jié)合單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置法可達到上述目的，也使得視電阻率等值曲線圖一目了然；

（2）野外采集數(shù)據(jù)時，一定保證好電極和地面的良好耦合，絕不允許出現(xiàn)一個電極因供電接觸的原因而影響整個測量結(jié)果；

（3）資料整理過程中，必須對原始數(shù)據(jù)進行檢查，因為在工作過程中會出現(xiàn)繼電器接觸不良等不利現(xiàn)象，從而造成明顯的異常點，即剔除異常數(shù)據(jù)。

（4）采用多種極距方式提高探測精度，通過對比不同極距的ρs等值線圖上的異常，可以更加肯定不良地質(zhì)體的特征，同時也提高了探測精度。