不同地質(zhì)條件下地下洞室的高密度電阻率法異常特征研究

潘劍偉, 周 江, 楊 洲, 王海紅

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

1 引 言

由于前人的一些基礎(chǔ)建設(shè)及安全的需要，在我國廣袤的地下空間有大量的防空洞、墓室、廢棄采空區(qū)等隱蔽人工洞室存在，人工洞室的探測工作現(xiàn)在已是各種路橋建設(shè)、城市規(guī)劃的重要工作環(huán)節(jié)之一。這些隱伏人工洞室的存在可能會引起地面塌陷、建筑基礎(chǔ)受損等較為嚴重的后果[1]。而這些人工洞室又有其自身的特點，其埋藏深度一般不會很大，大部分都集中在各類工程物探方法所能達到的探測深度范圍內(nèi)。如何使用高效、便捷的物探方法對這些隱蔽人工洞室進行準確的定位，對于各種工程建設(shè)項目具有重要意義。

高密度電阻率法(Electrical Resistivity Tomography，縮寫為ERT,以下簡稱高密度電法)是一種利用不同巖石、礦石的導(dǎo)電性差異來研究地下電性結(jié)構(gòu)的地球物理方法[2]。與傳統(tǒng)直流電法相比較，高密度電法結(jié)合了電剖面法和電測深法的探測功能[3, 4]，可以同時檢測地下電阻率的橫向和縱向變化，通過一次布極，便可實現(xiàn)多裝置、多極距的快速自動測量。因此，該方法非常適合在地勢相對平坦的區(qū)域進行長剖面、大面積的電法勘探[5]。由于該方法具有觀測快、成本低的特點，在構(gòu)造探測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、工程選址等許多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在地質(zhì)構(gòu)造探測領(lǐng)域，Simon等[6]將高密度電法與地質(zhì)雷達配合使用，對巖溶區(qū)地表以下35m內(nèi)非飽和帶的地質(zhì)構(gòu)造進行探測，取得了較好的探測結(jié)果；Gao等[7]利用高密度電阻率法對青藏高原黃河源地區(qū)的凍土帶和熱融帶分布進行探測，有效地描繪出低溫環(huán)境中凍土帶和熱融帶的空間分布；劉心路等[8]利用高密度電阻率法對山西某公路段隱伏斷層進行了探測，通過判斷隱伏斷層的產(chǎn)狀，定量地解釋了隱伏斷層的影響區(qū)域等。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面，Huntley等[9]利用高密度電法對加拿大亞阿什克羅夫特附近的滑坡進行監(jiān)測，所得的數(shù)據(jù)對于研究孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性之間的聯(lián)系提供了重要參考；Neyamadpour等[10]利用高密度電阻率法對伊朗西南部某堤壩的壩體沉降進行監(jiān)測，其結(jié)果中高電阻率異常與壩體上下游的沉降帶明顯相對應(yīng)，為判斷壩體沉降引起的結(jié)構(gòu)破壞提供了一種地球物理手段。

而在人工洞室探測領(lǐng)域，高密度電法同樣是較為常用的方法之一，已經(jīng)有許多的工程案例進行了相關(guān)報道[11, 12]。但不可否認的是，該方法依然只是一種間接的探測方法，其觀測的參數(shù)僅為地下目標體所引起的電阻率的變化，而不是目標體本身。因此，需要在數(shù)據(jù)采集之后對所測數(shù)據(jù)進行反演，根據(jù)所得的電阻率分布再進一步判斷電阻率異常是否由目標體所引起，以及該目標體的性質(zhì)和規(guī)模等[13]。但是，當目標體所處的地質(zhì)環(huán)境不同時，由于地下水等因素的影響，原目標體在高密度電法的結(jié)果中也可能表現(xiàn)出不同的電阻率異常特征。這往往也對異常體的圈定和解釋造成了一定的困難。而人工洞室由于其埋藏深度一般不會很大，其在高密度電法中所呈現(xiàn)異常的特征往往容易受地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換過程、洞室所在地層的巖性、地層的透水性等因素的影響。且不論人工洞室是否處于充水、充泥等較為復(fù)雜的情況，僅在人工洞室完全未被充填(洞室內(nèi)僅有空氣)的條件下，其在高密度電法的探測結(jié)果中也可能會以高阻或低阻異常等不同的狀態(tài)出現(xiàn)。

在本文中，筆者通過對不同地質(zhì)條件下的人工洞室模型在高密度電法中的觀測結(jié)果進行模擬，對相同人工洞室可能表現(xiàn)出的不同異常特征進行論述。然后通過中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)隧道和貴州大學(xué)圖書館車庫入口兩個試驗來說明人工洞室在高密度電法的觀測結(jié)果中可能會以高阻或低阻異常等完全不同的電阻率特征呈現(xiàn)。通過本文的討論，以期為行業(yè)人員在對人工洞室的高密度電阻率法結(jié)果進行解釋時提供一定的參考。

2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法的工作原理與常規(guī)直流電法相同，它是一種以地下介質(zhì)導(dǎo)電性的差異為物性基礎(chǔ)的地球物理探測方法?？碧饺藛T首先按實際需求可以選擇合適的電極排列裝置進行工作。例如，較為典型的排列方式有：α裝置(溫納裝置AMNB)、β裝置(偶極裝置ABMN)、γ裝置(微分裝置AMBN)[14]。然后根據(jù)不同位置AB供電電極向地下供入的電流大小I和接收電極MN之間測量的電位差ΔU來計算M和N之間的視電阻率值。在反演解釋過程中再通過分析得到的視電阻率值及相應(yīng)的AB和MN之間的排列關(guān)系及距離大小，進而可以得到地下電阻率的分布情況[15]。假設(shè)地表水平，地下介質(zhì)均勻且各向同性，則地下電阻率ρ的計算公式可表示為[16]：

(1)

式中,K為裝置系數(shù)(m)，與AB和MN之間的距離有關(guān)，具體計算公式為[17-22]:

(2)

當?shù)叵陆橘|(zhì)的導(dǎo)電特性分布不均勻或者是地表有起伏時，如果仍然按式(1)進行計算，所得結(jié)果顯然并不是地下的真實電阻率，而是地下電阻率值的綜合反應(yīng)，此時得到的電阻率稱為視電阻率，并以符號ρs表示。這樣，式(1)可以改寫為：

(3)

圖1 高密度電阻率法溫納和偶極-偶極裝置的電極排列及ρs記錄點位示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrode array and recording points for wenner and dipole-dipole device of ERT

3 人工洞室的探測結(jié)果數(shù)值模擬

地下人工洞室在正常的非充水條件下，內(nèi)部常被空氣介質(zhì)充填，洞室內(nèi)的理論電阻率值應(yīng)近似于空氣的電阻率值。由于空氣的電阻率值非常高，洞室周邊圍巖電阻率值在一般情況下均低于洞室內(nèi)電阻率值。所以，在大多數(shù)圍巖透水性較差、周邊環(huán)境相對干燥的條件下，人工洞室理應(yīng)是以高視電阻率(高阻異常)的情況出現(xiàn)。但是，當人工洞室周邊透水性較好、有較為豐富的地下水補給時，由于水對電流的吸引作用，會使人工洞室在高密度電阻率法的探測結(jié)果中所表現(xiàn)的異常特征變得更加復(fù)雜。

基于上述兩種情況，同時簡化條件，暫不考慮可能存在于部分人工洞室內(nèi)的錨桿、鋼拱架等形態(tài)各異的金屬支護結(jié)構(gòu)的影響，筆者設(shè)計了兩種地球物理模型進行數(shù)值模擬，并研究其相應(yīng)的高密度電阻率法的異常特征。

第一種情況，如果人工洞室處在透水性較差的地層之中，可以用圖2(a)所示模型進行近似的模擬，設(shè)周邊圍巖是電阻率為50 Ω·m的均勻地層。而人工洞室位于測線48～52 m范圍，深度在3.1～5.2 m，內(nèi)部充滿空氣，所以將其設(shè)為105Ω·m的高阻體。如果使用2 m極距的溫納裝置和偶極-偶極裝置分別進行觀測，并在模擬的視電阻率中加入2 %的隨機噪音。溫納裝置觀測的視電阻率及其反演所得結(jié)果如圖2(b)和圖2(c)所示；而偶極-偶極裝置得到的結(jié)果如圖2(d)和圖2(e)所示。從反演結(jié)果中可以看到，由于洞室與其周邊圍巖電阻率的明顯差異，人工洞室在反演結(jié)果中表現(xiàn)為明顯的高阻異常。

圖2 透水性較差人工洞室的正演模型及其高密度電阻率法的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 The forward modeling of artificial cavern models and their corresponding inversion results of ERT under the conditions of poor water permeability

第二種情況，當?shù)叵露词抑車貙拥耐杆暂^好，同時又有較豐富的地下水補給時，這些水在下滲的過程中會被洞室所阻斷，水會在洞室的頂板和側(cè)壁匯集，再沿側(cè)壁下滲。在這種情況下，由于地下水在洞室墻體位置富集，從而形成導(dǎo)電性較好的一層低阻層。基于這種情況，筆者對原洞室模型進行了部分修改，設(shè)計了如圖3(a)所示的模型，在洞壁周邊用一電阻率為5 Ω·m的低阻層來模擬頂板和側(cè)壁的地下水富集層。采用同樣的溫納裝置和偶極-偶極裝置進行數(shù)據(jù)采集，并在其結(jié)果中加入相同的隨機噪聲，其觀測的視電阻率及反演結(jié)果如圖3(b)～圖3(e)所示。從圖3中可以看到，不管是在溫納裝置還是偶極-偶極裝置的反演結(jié)果中，原高阻洞室位置都表現(xiàn)為反常的低阻區(qū)域。這主要是由于供電電極AB所供入的電流被洞室周邊的低阻層所吸引，電流向洞室周邊集中，該處的電流密度增大。盡管洞室本身是高阻，但由于洞壁周圍的富水層對電流的吸引和傳導(dǎo)作用，使得高電阻率的洞室在高密度電法結(jié)果中卻以低阻體的形式出現(xiàn)。

圖3 透水性較好人工洞室的正演模型及其高密度電阻率法的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 The forward modeling of artificial cavern models and their corresponding inversion results of ERT under the conditions of good water permeability

4 場地試驗結(jié)果分析

4.1 中國地質(zhì)大學(xué)地大隧道的高阻異常試驗

為了進一步的說明人工洞室在高密度電阻率法結(jié)果中可能出現(xiàn)不同的電阻率特征，筆者開展了兩組不同地質(zhì)條件下的場地試驗。第一個試驗場地位于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的地大隧道北端出口。地大隧道連通中國地質(zhì)大學(xué)的西校區(qū)和北校區(qū)，近南北走向，貫穿整個南望山山體。地層從南往北通過了志留系墳頭組(S2f)的砂巖，泥盆系五通組(D3w)的石英砂巖和二疊系孤峰組(P1g)的硅質(zhì)巖。隧道北端出口位于孤峰組的硅質(zhì)巖地層之中。在進行試驗時，測線的布設(shè)如圖4所示，測線位于隧道出口的正下方；測線近東西向展布，基本與隧道走向垂直。觀測時采用的電極距為2 m，測線長度為100 m，隧道約位于測線48～60 m位置。在測線上采集得到的溫納裝置和偶極-偶極裝置反演結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 地大隧道北端出口試驗現(xiàn)場及測線布置Fig.4 The test site and the layout of survey line at the north exit of the tunnel in China university of geoscience (Wuhan)

圖5 地大隧道北端出口上方的溫納裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.5 The apparent resistivity and inversion results of Wenner devices at the north exit of thetunnel in China university of geoscience (Wuhan)

圖6 地大隧道北端出口上方的偶極-偶極裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.6 The apparent resistivity and inversion results of dipole-dipole devices at the north exit of the tunnel in China university of geoscience (Wuhan)

從圖5和圖6中可以看出，由于該隧道出口所在的地層主要為硅質(zhì)巖，其透水性相對較差，隧道周邊沒有足夠的地下水分對AB供電電極產(chǎn)生的電場分布構(gòu)成影響，所以，在高密度電阻率法的反演結(jié)果中，隧道所在的48～60 m范圍都有一明顯的紅紫色高阻圈閉，隧道在兩種裝置的電阻率剖面中均以高電阻率異常的形式體現(xiàn)(圖5和圖6)。而和隧道相比，其周邊的硅質(zhì)巖的電阻率偏低。這種情況對于分布在相對隔水的地層或是較為干燥地區(qū)的人工洞室較為常見。

4.2 貴州大學(xué)圖書館車庫入口的低阻異常試驗

另一個試驗場地則是位于貴州大學(xué)圖書館車庫入口。圖7(a)和圖7(b)分別是該車庫入口和開展試驗的現(xiàn)場照片。在該場地上仍然使用2 m極距的溫納裝置和偶極-偶極裝置，車庫位于測線的20～30 m范圍。與上一試驗所不同，該場地上覆地層是在車庫建好之后重新鋪設(shè)的回填土，其透水性明顯好于硅質(zhì)巖。同時，由于貴陽地處亞熱帶濕潤氣候，雨水充沛，所以該車庫墻體周邊常年呈現(xiàn)出較為潮濕的狀態(tài)。其地質(zhì)條件與圖3(a)所示模型相似。

圖7 貴州大學(xué)圖書館車庫入口試驗現(xiàn)場Fig.7 The test site of garage entrance of Guizhou university library

圖8(b)和圖9(b)所示結(jié)果是在該入口上方溫納裝置和偶極-偶極裝置所測數(shù)據(jù)的反演結(jié)果。從該結(jié)果來看，車庫的入口通道在溫納裝置的反演結(jié)果中以非常明顯的低阻形式呈現(xiàn)。從圖7(a)中可以看到，雖然該入口是一個較大的空腔體，但是，由于地下較為豐富的水分下滲，再由車庫壁的水泥層阻斷，部分地下水在壁的四周匯集并沿該壁繼續(xù)往下滲流。所以在該入口周邊形成了非常好的導(dǎo)電層，為電流的傳導(dǎo)提供了較好的路徑。因此，在地表觀測的結(jié)果中該入口就呈現(xiàn)出一個低阻異常的狀態(tài)。在偶極-偶極裝置的結(jié)果中，也有相類似的結(jié)果，雖然低阻異常范圍不如溫納裝置明顯，但依然可以從中看到通道入口所表征出的深藍色低阻異常。

圖8 車庫入口的溫納裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.8 The apparent resistivity and inversion results of Wenner devices of the garage entrance

圖9 車庫入口的偶極-偶極裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.9 The apparent resistivity and inversion results of dipole-dipole devices of the garage entrance

5 結(jié) 論

通過本文的數(shù)值模擬和兩個場地的試驗研究，論述了人工洞室在高密度電阻率法探測結(jié)果中可能出現(xiàn)不同的異常特征，也從側(cè)面反應(yīng)了物探方法的多解性問題。從數(shù)值模擬和場地試驗的一致性結(jié)果中，可以得到如下結(jié)論：

1)高密度電阻率法對地下洞室的探測有著較為明顯的地質(zhì)效果。但不同地質(zhì)條件下的人工洞室，其反演結(jié)果可能呈現(xiàn)不同的異常特征。

2)洞室賦存在透水性較差的地層或是較為干燥的地區(qū)時，洞室空腔通常以其本身的高阻狀態(tài)呈現(xiàn)。

3)洞室賦存在透水性較好的地層，同時地下又有豐富的水分補給時，地下水在洞室周邊形成了一個相對富水的低阻包裹層，并對電流產(chǎn)生吸引和傳導(dǎo)作用，使洞室在高密度電法反演結(jié)果中表現(xiàn)為低阻異常。

上述結(jié)論也表明，在對高密度電阻率法的人工洞室探測結(jié)果進行解釋分析時，必須充分考慮探測目標體所處的地層、水文等地質(zhì)條件，不能一味地用高阻和低阻來圈定人工洞室，以免造成解釋的偏差。

致謝

感謝中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的陳磊、丁力、張偉炫同學(xué)在地大隧道數(shù)據(jù)采集過程中給予的幫助。