高密度電阻率法在巖溶體探測(cè)中的應(yīng)用

黃 海

（上海元易勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司， 上海 201203）

0 引言

在我國(guó)西南地區(qū)，引發(fā)地面塌陷的原因有可能是巖溶發(fā)育，這種地質(zhì)還會(huì)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)和建設(shè)安全造成嚴(yán)重影響，甚至危及人們的生命和財(cái)產(chǎn)。因此在勘測(cè)巖溶發(fā)育地區(qū)工作中，查清巖溶等地質(zhì)體的埋藏深度、分布范圍以及發(fā)育等情況尤為重要，避免造成塌陷的地質(zhì)隱患。由于具有形態(tài)多樣，分布無(wú)規(guī)律的巖溶發(fā)育特點(diǎn)，巖溶形成的空洞與周邊地層之間存在電阻率差異的巖溶物理性質(zhì)差異特點(diǎn)，僅靠鉆探等直觀的勘探方式難以準(zhǔn)確和全面的確定其形態(tài)和分布，所以采用必要的物探方法具有必要性和可能性。

本文以重慶市巫山縣桃花山管護(hù)站及摩天嶺森林小鎮(zhèn)配套設(shè)施工程為實(shí)踐基礎(chǔ)，在復(fù)雜巖溶區(qū)及溶洞發(fā)育地區(qū)運(yùn)用高密度電阻率法的探測(cè)效果進(jìn)行了分析與研究。實(shí)踐表明，高密度比電阻法是物理探測(cè)法，數(shù)據(jù)處理后比電阻的分布特性可以反映地質(zhì)巖相的分布特性，能夠定性描述巖溶體的埋藏深度、分布范圍以及發(fā)育等情況。在研究巖溶地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，它能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的評(píng)估，有針對(duì)性地指出主要隱患，為巖溶體的地球物理學(xué)勘探提供一些基本數(shù)據(jù)[1]。

1 高密度電阻率法勘探原理

與常規(guī)電法一樣，高密度電阻率法同樣利用了地下介質(zhì)間的電導(dǎo)率差異，經(jīng)由2 個(gè)電源電極A、B(電流為I)向地線供電，測(cè)定2 個(gè)測(cè)量電極M、N的電勢(shì)差△U，求出該記錄點(diǎn)的視電阻率值ρs = K*△U/I。計(jì)算、處理和分析所測(cè)量的相對(duì)電阻曲線數(shù)據(jù)。通過(guò)這個(gè)，可以直觀地理解勘探地區(qū)的地層的電阻分布，再根據(jù)其他相關(guān)地質(zhì)資料，針對(duì)性的解決工程地質(zhì)問(wèn)題。

實(shí)際上，高密度電阻率法是結(jié)合電剖面法與電測(cè)深法兩種地球物理勘探方法而形成的新的物探方法，它的優(yōu)點(diǎn)是，一次性布設(shè)幾十、幾百甚至上千根電極，通過(guò)程序控制的方式自動(dòng)完成供電和測(cè)量過(guò)程，從而快速完成采集野外數(shù)據(jù)[2]。由于采集的數(shù)據(jù)信息量巨大，相比傳統(tǒng)地球物理勘探的電阻率法而言，具有采集時(shí)間短、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和檢測(cè)目的，所選擇的高密度電阻率法的形式略有不同。一般使用的設(shè)備有溫納設(shè)備、微分設(shè)備、偶極設(shè)備、施倫貝爾設(shè)備、三極、二極、圓形設(shè)備等。

2 高密度電阻率法施工方法技術(shù)

探測(cè)儀器采用中裝集團(tuán)重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2 型高密度電阻率儀，該儀器采用程控開(kāi)關(guān)，采集和切換均由主機(jī)程控，無(wú)需要人為干預(yù)，可組成四極、單邊三極等裝置形式；內(nèi)置程控恒流供電，最大供電電壓450V，最大測(cè)量電流2A，滿足野外作業(yè)需要。

2.1 外業(yè)工作方法及原理

?按一定的等間距將全部電極沿已經(jīng)確定的待測(cè)剖面全部布設(shè)完畢；

?通過(guò)多芯專用電纜將電極連接到多電極轉(zhuǎn)換器；

?由電極開(kāi)關(guān)傳送到多功能直流電測(cè)量器，用于測(cè)量。

2.2 高密度電阻率法測(cè)量

為確保按期保質(zhì)完成野外數(shù)據(jù)采集工作，測(cè)線線路勘察工作由一名技術(shù)員先于高密度電法數(shù)據(jù)采集工作進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)的布設(shè)是先確定測(cè)線的起點(diǎn)，上一個(gè)排列的終點(diǎn)就是下一個(gè)排列的測(cè)點(diǎn)位置，然后依次往測(cè)線方向移動(dòng)測(cè)量。

定點(diǎn)工作的方法是：根據(jù)工區(qū)布置圖及野外實(shí)際地貌情況，利用GPS、羅盤、皮尺確定測(cè)點(diǎn)位置，并在每個(gè)點(diǎn)位采用定樁，用寫上對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)號(hào)的紅色絲帶捆綁做標(biāo)記。

按設(shè)計(jì)要求一次性布設(shè)電極完成之后，需要檢查電極接地情況，對(duì)于接地電阻大于1000 歐姆的電極可以采取澆水的辦法來(lái)降低，如果沒(méi)有效果，可采用就近移位的方法。必須使兩電極之間接地電阻小于1000 歐姆時(shí)才開(kāi)始測(cè)量。為了消除干擾和確保數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，針對(duì)測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的異常值點(diǎn)，必須進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量。

在工作中選派有豐富經(jīng)驗(yàn)的工程師操作儀器，詳細(xì)記錄野外工作過(guò)程及異常信息，在必要時(shí)調(diào)整工作方案，以有利于對(duì)不良地質(zhì)體的識(shí)別和追蹤。

2.3 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的原始數(shù)據(jù)實(shí)施二維反演，由實(shí)測(cè)的視電阻率值得到視電阻率的分布圖像。再進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算機(jī)處理，可以直觀清晰地將結(jié)果用圖件表示出來(lái)。因?yàn)殡娮映上袷褂昧素S富的信息和非剖面性反演，所以得到的結(jié)果的分辨率比傳統(tǒng)的電子探測(cè)要高得多。在確定勘探目標(biāo)地區(qū)地下障礙物、不良地質(zhì)體、分界面等方面非常有效。

3 項(xiàng)目實(shí)例

為了勘察測(cè)區(qū)異常地質(zhì)體的埋深和規(guī)模等問(wèn)題，為建設(shè)方案的比選及工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了前期野外踏勘，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)了解地形地貌特征及地層產(chǎn)狀，在充分考慮了測(cè)區(qū)的地球物理差異等諸多因素的情況下，本次工作采用高密度電阻率法微分裝置斷面掃描方法，如圖3-1所示。

圖3-1 微分裝置斷面掃描示意圖

測(cè)量時(shí)，AM、MN 和BN 具有相等的電極間隔，檢測(cè)深度為AB / 2, A、B、M 和N 同時(shí)一個(gè)一個(gè)地向一個(gè)方向移動(dòng)，以獲得原始配置文件數(shù)據(jù)層；其次，AM, MB, BN 增加電極間隔，探測(cè)探測(cè)深度為AB/2，A、B、M、N 逐個(gè)點(diǎn)位同時(shí)向一個(gè)方向移動(dòng)，得到第二層剖面線數(shù)據(jù)；這樣電極間隔將繼續(xù)擴(kuò)大，掃描測(cè)量將繼續(xù)，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)將變成倒梯形的地質(zhì)剖面。

根據(jù)本次探測(cè)目的層的深度，高密度電法采用點(diǎn)距5m、微分裝置、最大隔離系數(shù)16、最大電極數(shù)60 等參數(shù)。

本測(cè)區(qū)場(chǎng)地地層情況為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)地層，為以灰?guī)r為主的沉積巖，；第四系覆蓋層以黃色殘坡積粘土為主，一般1m 以內(nèi)，局部可達(dá)1-2m，。

本測(cè)區(qū)場(chǎng)地地形情況位北部是東西走向山脊，基巖出露較明顯，中部為山溝覆蓋層相對(duì)較厚。

4 資料的處理方法

4.1 數(shù)據(jù)處理流程

高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型實(shí)質(zhì)是，建立對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)視電阻率值在一定法則下重合最好一個(gè)地電模型。根據(jù)資料，現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)視電阻率資料為二維數(shù)據(jù)斷面，在電法資料解釋中應(yīng)用最小二乘法效果最好，故本次資料處理采用的二維反演方法為最優(yōu)化算法中的阻尼最小二乘法。

其具體處理流程：給出實(shí)測(cè)視電阻率離散值-->根據(jù)已知物性資料，確定地電模型，給出地電模型初值-->正演計(jì)算得到地電斷面理論值-->計(jì)算擬合差，判定理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)電阻率的擬合程度-->擬合差是否符合給定精度?(改模型重新計(jì)算)-> 最后一次迭代計(jì)算的地電模型參數(shù)即為最終解釋結(jié)果-->輸出解釋結(jié)果

4.2 干擾壓制與濾波處理

高密度比電阻法與傳統(tǒng)的比電阻法相同，用兩個(gè)電源電極A、B 供電I來(lái)計(jì)算電阻率，利用兩個(gè)電極M、N 測(cè)量電位差狄拉克ΔV 而獲得。通過(guò)下式求得測(cè)點(diǎn)x處的視電阻率值。

式中：K 為裝置系數(shù)

為了簡(jiǎn)化異常形態(tài)和增加推斷解釋的準(zhǔn)確性，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾波處理的作用不僅僅是針對(duì)隨機(jī)高頻干擾進(jìn)行消除，更重要的是有效的減弱數(shù)據(jù)剖面中的震蕩部分。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析圖件繪制

高密度電阻率法資料采用驕佳公司Geogiga RImager 軟件進(jìn)行處理，主要進(jìn)行了畸變點(diǎn)剔除、濾波、地形數(shù)據(jù)輸入、地形改正和電阻率反演等。數(shù)據(jù)的解釋遵循從已知到未知的原則。結(jié)合高密度電阻率圖和收集的地質(zhì)及挖掘數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算和分析推測(cè)地質(zhì)特征和地質(zhì)本體埋藏深度。

5 成果解釋推斷

5.1 WT1 剖面

該測(cè)線推斷土層及強(qiáng)風(fēng)化層厚度在0.9m～8.1m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出3 個(gè)較明顯的低電阻率異常，依次編號(hào)為Y1-1、Y1-2和Y1-3。

位置：Y1-1 距測(cè)線起點(diǎn)29.6m-37.6m，埋深0m-10.8m。Y1-2 距測(cè)線起點(diǎn)47.2m-69.0m，埋深0m-12.9m。Y1-3 距測(cè)線起點(diǎn)78.2m-88.3m，埋深0m-13.0m。

特征：Y1-1、Y1-2、Y1-3 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-1 WT1 剖面

5.2 WT2 剖面

該測(cè)線推斷土層及強(qiáng)風(fēng)化層厚度在0.9m～10.8m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個(gè)較明顯的低電阻率異常，灰?guī)r地層用Y 標(biāo)示。

位置：Y2-1 距測(cè)線起點(diǎn)111.6m-147.8m，埋深0m-13.1m。

特征：Y2-1 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-2 WT2 剖面

5.3 WT3 剖面

該測(cè)線推斷土層及強(qiáng)風(fēng)化層厚度在0.6m～12.7m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個(gè)較明顯的低電阻率異常，灰?guī)r地層用Y 標(biāo)示。

位置：Y3-1 距測(cè)線起點(diǎn)191.6m-203.8m，埋深1.1m-21.3m。

特征：Y3-1 在剖面上均顯示為低阻異常，且呈帶狀，推斷為裂縫發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-3 WT3 剖面

6 結(jié)論

本次物探工作基本查明了測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶及裂縫的埋深和規(guī)模等異常工程地質(zhì)問(wèn)題。為后續(xù)的開(kāi)發(fā)建設(shè)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)資料。因測(cè)區(qū)位于西南地區(qū)，具有基巖為灰?guī)r且發(fā)育良好的資質(zhì)特征，故采用高密度電阻率法探測(cè)異常地質(zhì)體的效果良好。