高密度電阻率成像法在地質(zhì)災(zāi)害勘察中的應(yīng)用

姚 敏，呂小紅，楊宏智

（1. 山東省物化探勘查院，濟(jì)南 250013；2. 山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250013；3. 山東第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查勘查院，濟(jì)南 250014）

0 引言

高密度電阻率成像已廣泛應(yīng)用于城市地空間探測、工程勘察及城市地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域，尤其在巖溶塌陷、活動斷層及采空區(qū)探測等方面效果顯著[1-7]。高密度電阻率成像數(shù)據(jù)采集裝置一般有溫納、施貝和三極裝置，溫納裝置垂向分層效果較好，施貝裝置橫向分辨率較高，在施工場地范圍較小時宜采用三極裝置[8-14]。鄧凱[15]等、彭青陽[16]指出在塌陷探測中宜采用高密度電阻率成像結(jié)合應(yīng)用較多的地震映像、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法等其他物探方法[17,18]綜合推斷異常。高密度電阻率成像因裝置形式不同，各裝置成像的成果反映同一異常體的幾何位置也不同，給推斷解釋帶來一定困難。雖然可以進(jìn)行2維數(shù)據(jù)反演，但由于數(shù)據(jù)量有限，反演的精確性受到限制[17]。因此，近幾年來基于泛裝置多通道儀器并行采集技術(shù)及2.5維反演的高密度電阻率成像法在水利工程、軌道交通勘察等領(lǐng)域顯示出了較大優(yōu)勢。泛裝置采集打破了傳統(tǒng)高密度電法固定裝置形式的數(shù)據(jù)量限制，泛裝置采集數(shù)據(jù)量一般為傳統(tǒng)裝置形式的幾十倍[19-22]；多通道并行采集技術(shù)在一次供電的情況下，同時采集剩余通道的所有數(shù)據(jù)，提高了采集效率。兩種技術(shù)結(jié)合采集的大體量的數(shù)據(jù)通過2.5維反演，獲得成果的可靠性大大提高。

濟(jì)南市東部地區(qū)巖溶較為發(fā)育，同時歷史原因形成的矽卡巖型鐵礦采空區(qū)也有一定范圍的分布。巖溶發(fā)育及采空區(qū)極易引發(fā)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，塌陷發(fā)展過程具有隱蔽性和突發(fā)性等特點(diǎn)。巖溶發(fā)育及采空區(qū)的存在，威脅人民生命財產(chǎn)安全，同時制約著城市規(guī)劃及發(fā)展。采用并行高密度電阻率法地面裝置及井中裝置探測，結(jié)合地區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料，在反演電阻率成像成果中圈定了相應(yīng)低阻異常，在2次地質(zhì)災(zāi)害勘察中推斷了某擬建場地基坑的巖溶分布，及另一擬建場區(qū)的采空區(qū)分布，為設(shè)計鉆探工作提供了技術(shù)支持，避免了盲目性和片面性。

1 方法技術(shù)及儀器

本次電阻率成像工作采用并行高密度電法系統(tǒng)實(shí)施，該系統(tǒng)由PC機(jī)、測量主機(jī)、電極陣列和電纜系統(tǒng)組成。工作中一次性布設(shè)電極，對應(yīng)一組A、B極一次供電，可通過多智能通道技術(shù)并行采集所有可能的M、N電極組合電位差數(shù)據(jù)，其中包括傳統(tǒng)高密度電阻率法裝置的M、N組合。采集數(shù)據(jù)量是傳統(tǒng)高密度電阻率法的幾十倍，通過專門軟件ZZ RESINV對采集數(shù)據(jù)處理及反演計算，獲得真電阻率斷面數(shù)據(jù)，工作效率及數(shù)據(jù)質(zhì)量大大提高。

使用儀器為西安澳翔勘探技術(shù)開發(fā)有限公司的FlashRES-UNIVERSAL64-2直流電法勘探系統(tǒng)。該系統(tǒng)可進(jìn)行地面（圖1）或井間（圖2）等探測，具有數(shù)據(jù)全波形監(jiān)控功能，系統(tǒng)配套反演軟件具有2.5維反演技術(shù)。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶需要對電極進(jìn)行開啟和關(guān)閉，可以采集泛裝置數(shù)據(jù)，也可以根據(jù)用戶自定義裝置采集數(shù)據(jù)[1-10]。

圖1 地面裝置工作示意圖

圖2 井間裝置工作示意圖

2 工作區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

2處擬建場地均位于濟(jì)南市東部的歷城區(qū)，場地附近無區(qū)域性斷裂構(gòu)造通過，場地內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)明顯斷裂構(gòu)造。場地地層較為簡單，上部為第四系雜填土，下部位奧陶系灰?guī)r，巖溶較發(fā)育。

巖溶發(fā)育區(qū)擬建場地前期勘察資料的部分鉆孔發(fā)現(xiàn)了大小不等的溶洞，洞體內(nèi)充填有黏性土并局部夾雜石灰?guī)r碎塊，分布無規(guī)律。溶洞無繼續(xù)發(fā)育的水文條件，該巖溶地基屬穩(wěn)定場地，適宜工程建設(shè)。

如圖3所示，采空區(qū)擬建場地第四系厚約15～20 m，水位埋深10 m左右，隱伏奧陶系灰?guī)r和閃長巖，分布的閃長巖為濟(jì)南基性巖體的一部分，巖性為輝石閃長巖，經(jīng)熱液蝕變?yōu)槲g變閃長巖。采空區(qū)頂?shù)装逯饕獮殚W長巖，頂板為灰?guī)r（大理巖）。

根據(jù)該地區(qū)以往電測井及電測深資料（表1）可知，測區(qū)第四系覆蓋層與奧陶系灰?guī)r電性差異較大，第四系覆蓋層電阻率一般小于102Ω·m，完整奧陶系灰?guī)r及閃長巖電阻率一般大于102Ω·m，完整的巨厚灰?guī)r、泥灰?guī)r電阻率可達(dá)104Ω·m。巖溶較發(fā)育的充填灰?guī)r裂隙帶及溶洞電阻率則較低，一般小于102Ω·m。鐵礦體及蝕變帶電阻率也較低，數(shù)量級在102Ω·m。因此該區(qū)具備開展電法測量的地球物理基礎(chǔ)。

圖3 研究區(qū)地質(zhì)剖面圖

表1 地區(qū)巖石電阻率統(tǒng)計表

3 應(yīng)用成果概述

3.1 巖溶發(fā)育區(qū)擬建場地的應(yīng)用

該擬建場地基坑內(nèi)大部分基巖較破碎，基本為全充型溶洞及破碎帶，充填物為填黏土和碎石，巖溶發(fā)育分布不規(guī)律。為探測基底以下10 m深度范圍內(nèi)溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，考慮到基坑場地及周圍人為電磁干擾的限制，采用并行高密度電阻率成像法地面裝置進(jìn)行探測，反演成果較好地反映了巖溶的分布、延展及規(guī)模情況。

實(shí)際工作中地表標(biāo)高已開挖至91.6 m，部分電極布置在基巖裸露處，采取了電鉆成孔，電極入孔后灌鹽水的措施來減小接地電阻。本文以其中的14#樓工作成果舉例，現(xiàn)場沿樓座長邊布設(shè)64道接收地面裝置測線7條，點(diǎn)距1 m，線距3 m，編號1、3······19 線，15 線與 19 線間距離 4 m（圖 4），以 9 號測線為例解譯斷面成果。

9測線（圖4）位于 14#樓中部，測線長 46 m，9號測線圈定了淺部低阻異常帶1處，封閉或未封閉低阻異常4處。9測線電阻率等值線斷面圖（圖5）標(biāo)高86.5 m以淺電阻率整體較低，一般在20～200 Ω·m，推斷上部灰?guī)r溶蝕程度或風(fēng)化程度較強(qiáng)，下部電阻率大于200 Ω·m，推斷標(biāo)高86.5 m以深灰?guī)r整體相對完整。86.5 m以淺大體以120 Ω·m等值線圈定低阻異常帶1處。在7～23號點(diǎn)，以100 Ω·m等值線圈定封閉低阻異常2處。標(biāo)高86.5 m以深，在29～50號點(diǎn)，以100 Ω·m等值線圈定未封閉低阻異常2處。推斷5處異常為黏土充填型溶洞、較破碎溶蝕性灰?guī)r或強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r引起。

圖4 工作布置圖

圖5 9號測線超高密度電法反演電阻率等值線斷面圖

在超高密度電法圈定的低阻異常布置了鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證（圖4），70%以上低阻異常驗(yàn)證為充填型溶洞或溶蝕性灰?guī)r，其他多為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r引起，14#樓5處低阻異常驗(yàn)證情況見圖4中各鉆孔柱狀圖，其中14-53號驗(yàn)證鉆孔揭示0～0.5 m為較發(fā)育的溶蝕性灰?guī)r，巖芯破碎；0.5～1.8 m為黏土全充填型溶洞；1.8～3.6 m為溶蝕性灰?guī)r，溶蝕發(fā)育明顯，巖芯表層見溶槽及溶孔；3.6～11.0 m為強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r：灰黃、淺紅色，巖芯碎塊狀。根據(jù)鉆探成果并結(jié)合成像成果分析，深部中風(fēng)化泥灰?guī)r電阻率范圍一般在280～340 Ω·m，而強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r相對破碎，電阻率范圍一般在150～240 Ω·m，更為破碎的泥灰?guī)r電阻率小于150 Ω·m，相應(yīng)電阻率等值線密集梯級帶形態(tài)也反映了風(fēng)化程度的變化。根據(jù)由已知到未知的原則，對后續(xù)電阻率反演成像成果做出了更細(xì)致的推斷，較好地指導(dǎo)了后續(xù)工作的開展。

3.2 采空區(qū)擬建場地的應(yīng)用

根據(jù)前期區(qū)域性采空區(qū)及廢棄礦井調(diào)查報告，該擬建場地鐵礦采空區(qū)深度約?30～?40 m，大體分為2層。該擬建場地外圍低矮房屋密集，同時人為干擾多，場地內(nèi)可施工面積較小，無法進(jìn)行高密度電法等地面物探工作。結(jié)合探測目標(biāo)體埋深及場地條件，采空區(qū)勘察采用鉆探工程控制結(jié)合井間高密度電阻率成像推斷異常，然后指導(dǎo)鉆探驗(yàn)證，進(jìn)而圈定采空區(qū)的方案。

本次工作采用64通道全組合電極排列方式采集，電極間距1 m，如圖2所示每孔布設(shè)32個電極，一次測量段覆蓋31 m，供電電壓90 V，電流＜3 A，供電電瓶電壓為12 V。數(shù)據(jù)采集按照泛裝置形式采集了3個測量段的電位差及供電電流，對3測量段數(shù)據(jù)按照空間幾何位置拼接成反演數(shù)據(jù)文件，在ZZ RESINV反演軟件中按照井間模式進(jìn)行反演計算。成果解釋以其中XH23號和XH22號鉆孔（孔距23 m）電阻率成像為例，反演得到的電阻率斷面如圖6所示。

圖6 XH23～XH22電阻率斷面圖和驗(yàn)證鉆孔柱狀圖

圖6 中XH23號鉆孔揭示采空區(qū)1段，XH22號鉆孔揭示采空區(qū)2段，結(jié)合XH23～XH22電阻率成像成果分析推斷了鉆孔間采空區(qū)的聯(lián)通性。XH23～XH22電阻率成像成果中，上部灰?guī)r電阻率在200～450 Ω·m，底部閃長巖電阻率大于 500 Ω·m，電阻率均較高，在蝕變帶形成的矽卡巖化帶附近電阻率在150～300 Ω·m，在深度?30～?38 m 及?40～?58 m 范圍內(nèi)推斷了電阻率小于150 Ω·m的低阻異常2處。

在XH23號和XH22號鉆孔間距XH23號鉆孔13 m處布置了驗(yàn)證鉆孔，驗(yàn)證鉆孔揭示了?30～?36 m及?44～?48 m的2段采空區(qū)，證明了井間高密度電阻率成像在采空區(qū)探測中的良好應(yīng)用效果和分辨率。其他井間高密度電阻率成像成果基本驗(yàn)證效果較好，結(jié)合鉆探工作較好地圈定了鐵礦采空區(qū)的空間分布，為采空區(qū)后續(xù)治理提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

根據(jù)并行高密度電阻率反演成像的低阻異常設(shè)計了鉆探驗(yàn)證孔，驗(yàn)證了推斷的充填巖溶及富水采空區(qū)，說明在本次巖溶塌陷勘察中推斷成果可靠。并行高密度電阻率法裝置靈活，采集數(shù)據(jù)量大，工作效率高，受場地限制少，成果分辨率高，可以用于巖溶、采空區(qū)勘察等及其他工程地質(zhì)工作領(lǐng)域。

實(shí)際工作中為采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)用于反演計算，得到較好的反演成果，地面裝置要盡可能地降低接地電阻，井間裝置要保證電極與鉆孔良好的耦合。地面裝置要根據(jù)探實(shí)際地質(zhì)情況選擇合理的電極距。井間裝置與鉆探工作配合進(jìn)行，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件合理布設(shè)鉆孔間距及電極距。

并行高密度電阻率反演成像成果，尤其是井間裝置成果，反映了鉆孔間的盲區(qū)，但物探方法都存在應(yīng)用的局限及推斷的多解性。鉆探工作準(zhǔn)確，但存在一孔之見的片面性。工作中應(yīng)盡量采用綜合物探方法結(jié)合鉆孔資料的方式，使探測成果更加準(zhǔn)確，更好地服務(wù)于勘察工作。