高密度電阻率法在水電工程巖溶探測中的研究與應用

楊嘉明，楊 雪，朱冠宇

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 概述

目前，巖溶探測主要地球物理方法有三大類，分別是地震波法類，包括地震折射波法、地震反射波法；電磁法類，包括探地雷達法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、可控源音頻大地電磁法；孔間CT類，包括電磁波CT，地震波CT。以上地球物理方法均在不同工程領域取得了較好的巖溶探測效果，并得以驗證和認可。然而，由于巖溶發(fā)育的隱蔽性，其形態(tài)、大小、埋深、填充物等均存在不確定性，因此根據(jù)實際情況“因地制宜”地選擇地球物理方法去“對癥下藥”非常重要。此次探測的工區(qū)經(jīng)過初步的開挖后，覆蓋層相對較薄，地勢平坦且障礙物少，探測深度要求50m內(nèi)，綜合分析地形地貌和地質(zhì)條件，此次巖溶探測選用高密度電阻率法，給工程建設提供了較準確的地球物理成果和解釋。

2 檢測方法

高密度電阻率法以傳統(tǒng)的直流電法為理論基礎，同時具備電測深法及聯(lián)合電剖面法的優(yōu)點，屬于陣列式勘探方法。在一次布設和采集過程中，既能探測出覆蓋層厚度（含全風化基巖）及較新基巖面起伏形態(tài)，又能探測出基巖內(nèi)低阻異常（斷層破碎帶、巖溶、深風化等）。該方法可根據(jù)實際情況一次性沿測線布設幾十到上千米，也可根據(jù)探測目標體大小和埋深來選擇電極間距。大量的數(shù)據(jù)點為處理、分析、解釋提供有力支撐，確保了探測效果的準確高效。同時多條剖面的組合反演還能通過軟件實現(xiàn)更加直觀的三維成像。

3 項目概況

DTX水利樞紐工程位于珠江流域西江干流黔江河段的大藤峽出口弩灘附近，是紅水河梯級規(guī)劃中最末一個梯級工程，規(guī)模為Ⅰ等大（1）型工程。根據(jù)前期地質(zhì)勘探成果及現(xiàn)場踏勘情況，該工程左岸臨時建筑物區(qū)域內(nèi)植被較發(fā)育，通視條件較好。覆蓋層多為第四系粉土、粉質(zhì)粘土，基巖主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖。從地球物理角度來看，一般覆蓋層與基巖風化層、基巖風化層與新鮮基巖、巖溶與圍巖、斷層（破碎帶）與圍巖等之間均存在較大的物性差異，在這些分界面和物性突變點將產(chǎn)生電性分界，為勘探提供了地球物理條件。

4 工作布置

根據(jù)地質(zhì)要求布設測線，現(xiàn)場實際情況總共完成高密度電祖率法探測測線18條，單條測線排列長295～1345m，排列總長12520m?，F(xiàn)場準備20根10道電纜，道間距5m，可根據(jù)測線長度靈活調(diào)整電纜根數(shù)，短剖面一次性鋪設完成后進行采集，長剖面通過滾動電纜進行拼接式采集。數(shù)據(jù)采集前先進行電極自檢，合格后進行接地電阻檢測，通過培土澆鹽水等手段確保接地電阻良好且均一。為同時探測覆蓋層厚度（含全風化基巖）及基巖內(nèi)部低阻異常，此次探測選用溫納（α）排列裝置（見圖1）。其中A，B為供電電極，M，N為測量電極，且始終保持AM=MN=NB。為確保原始數(shù)據(jù)的可靠性，設置供電時間2s，重復采集3次。為達到50m的勘探深度要求，設置采集層數(shù)為22層。

圖1 溫納排列裝置測量跑極示意圖

5 數(shù)據(jù)處理

高密度電祖率法的數(shù)據(jù)處理流程如下：

1）壞點編輯。由于野外數(shù)據(jù)采集過程中會受多種外界因素的干擾，使個別原始數(shù)據(jù)發(fā)生畸變，同時帶入計算反演會影響整體成果質(zhì)量，因此首先通過儀器自帶的E60M軟件進行壞點剔除，再通過RES2DINV軟件進行交互式剔除非值點，以確保數(shù)據(jù)真實可靠性，避免產(chǎn)生假異常。

2）數(shù)據(jù)拼接。由于20根電纜最大采集長度為995m，因此個別長剖面在進行滾動式采集后，需進行數(shù)據(jù)的拼接，然后再進行下一步處理工作。

3）地形改正。RES2DINV軟件中的原始模型均為水平層狀介質(zhì)，而實際工作中的地形地貌則是起伏不定的，為使反演數(shù)據(jù)與實際地形情況相統(tǒng)一，避免因地形變化而產(chǎn)生假異常，需進行地形改正工作。通過實測每個電極位置及高程，形成測線斷面測量數(shù)據(jù)，加入反演文件，編輯完成后再開展下一步處理工作。

4）數(shù)據(jù)反演。將準備好的數(shù)據(jù)再次導入RES2DINV軟件，通過運算矩陣（RUNJACOBWIN）建立反演模型，再通過最小二乘法（Least-squaresinversion）進行反演。反演計算后的數(shù)據(jù)通過專用的顯示模塊進行圖像顯示，包括電阻率等值圖、位圖和反演數(shù)據(jù)成果。

5）繪制剖面成果圖。將經(jīng)RES2DINV反演輸出的ρs斷面數(shù)據(jù)，導入Sufer軟件進行網(wǎng)格化處理，繪制成色譜填充的視電阻率ρs斷面等值線圖。最后將等值線圖轉換到AutoCAD中，經(jīng)修整、比例調(diào)整后生成最終的視電阻率ρs斷面成果圖，供分析解釋。

6 實測成果分析與解釋

6.1 分析與解釋原則

高密度電阻率法深成果，解釋建立在測區(qū)各項物性參數(shù)和地質(zhì)資料的基礎上，巖層電阻率不僅與地層結構、構造、成份、成因有關，還與其巖石孔隙度、密度、地下水含量等因素有關。利用測區(qū)相關物性特征，可以推斷地下地層的分布規(guī)律。

6.2 成果分析與解釋

現(xiàn)選取W1-8剖面探測成果為例，分析解釋如下：

1）電性分層。從剖面視電阻率等值線圖來看，W1-8線剖面電阻率橫向分布不均，縱向成層性較好，總體上可劃分為兩個電性層：第Ⅰ層，視電阻率范圍為10～80Ω·m，厚6～30m，為第四系覆蓋層，主要為粉質(zhì)粘土夾碎石；第Ⅱ層，視電阻率范圍為80～900Ω·m，推測為較完整基巖，主要為灰?guī)r。等值線圖中的黑色虛線為推斷基巖起伏面，覆蓋層厚度范圍為6～30m，覆蓋層整體呈現(xiàn)中間厚兩頭薄的分布趨勢，剖面中部基巖面下凹。

2）電性異常解釋。異常編號K03，地表樁號為164～174m，深度范圍為11～16m，該區(qū)域電阻率低值異常，推斷可能為溶蝕發(fā)育或巖體完整性較差。區(qū)域下部視電阻率等值線趨勢變化，逐漸向深部延伸，形成漏斗狀。電阻率較圍巖偏低，推斷該區(qū)域溶蝕發(fā)育形成溶槽，巖體完整性較差；異常編號K04，地表樁號為223～235m，深度范圍為11.2～15.5m，該區(qū)域電阻率低值異常，推斷可能為溶蝕發(fā)育或巖體完整性較差。

7 結論與認識

1）此次探測是從地層物性差異的角度來分析地下構造總體輪廓，對于物性差異不大的不同地質(zhì)體或規(guī)模較小的異常地質(zhì)體，分辨能力較弱。同時由于剖面成果只反映測線地表下方地層構造，對于非測線上的周邊區(qū)域的地層地質(zhì)情況尚不能予以揭露。

2）剖面成果解釋工作按照從已知到未知，先易后難，點面結合，反復認識和以定性指導定量的原則進行；解釋結論應與測區(qū)總的規(guī)律統(tǒng)一，定量解釋與定性解釋統(tǒng)一，物性解釋與客觀地質(zhì)規(guī)律統(tǒng)一。

3）在資料分析中，異常判別主要是根據(jù)電阻率值變化趨勢及相對值大小、ρs等值線的形態(tài)等綜合因素進行考慮。第四系電阻率與含水量相關性很大，即含水量大小決定了其電阻率的高低，造成第四系電阻率橫向不均勻性；另外，反演結果有平均效應，可能對分辨率產(chǎn)生影響。

4）建議地質(zhì)人員在使用本物探成果資料時，根據(jù)鉆孔資料、地質(zhì)測繪等其他地質(zhì)資料對物探所提供成果表和成果圖進行綜合分析判斷。