高密度電法在湖北省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

董晴DONG Qing；左嘯ZUO Xiao；劉帥LIU Shuai；余偉林YU Wei-lin；孟陳MENG Chen；陳琨CHEN Kun；彭慧PENG Hui

（①湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，武漢 430022；②資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430034；③武漢市測(cè)繪研究院，武漢 430022）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)條件的發(fā)展，人類與自然環(huán)境的接觸也日益密切，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的頻率也越來越高。地質(zhì)災(zāi)害有著突發(fā)性強(qiáng)和破壞性大的特點(diǎn)，對(duì)人類造成的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和生命安全損失巨大[1]。在災(zāi)害隱患區(qū)和易發(fā)區(qū)進(jìn)行調(diào)勘查任務(wù)，或?qū)⒈苊獾刭|(zhì)災(zāi)害對(duì)人類經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)和生命安全造成的損失，在災(zāi)害的防護(hù)與治理，人民生命財(cái)產(chǎn)安全的保護(hù)有著重要的意義[2]。

地球物理勘探方法是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)（勘）查工作中的一種現(xiàn)代化勘查技術(shù)[3]。它有著檢測(cè)速度快，勘察范圍廣，反演結(jié)果準(zhǔn)確，經(jīng)濟(jì)省時(shí)等特點(diǎn)，在一些較敏感的區(qū)域，可以做到無損檢測(cè)[4]。充分發(fā)揮物探工作在地質(zhì)災(zāi)害勘查與治理過程中的作用，是當(dāng)今災(zāi)害防治工作中的一項(xiàng)重要課題，近年來湖北省地質(zhì)環(huán)境總站關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害的項(xiàng)目基本上涵蓋了巖溶、地面塌陷、滑坡等，成果頗豐。為相關(guān)單位的防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)工作提供了有重要的參考資料。根據(jù)不同的原理，應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的物探方法有很多，本文主要分析總結(jié)了高密度電法在湖北省地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用。

1 高密度電法原理介紹

高密度電法實(shí)際上是集中揉合了電剖面法和電測(cè)深法，原理與普通電阻率法相同，都是利用電極（A，B）作為供電電極向地下傳送電流，使用另外兩個(gè)電極M，N 測(cè)量他們之間電位差△V 能夠求出M，N 點(diǎn)之間的視電阻率的值，用測(cè)得的視電阻率進(jìn)行計(jì)算，從而可以得到地層電阻率的變化情況，進(jìn)而反應(yīng)出相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害存在與否[5]。不同的是，高密度電法是一種陣列排列方式[4]。

高密度電法的工作前提是被探目標(biāo)與周圍巖體間存在電性差異，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生處由于巖體的變形，其巖體的電阻率將產(chǎn)生明顯變化，介于其電性與圍巖電性的差異，高密度電法的應(yīng)用完全可以辨識(shí)地質(zhì)災(zāi)害的存在與否[2]。高度電法實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集，測(cè)量電極切換由多路電極轉(zhuǎn)換器通過電纜控制，采集的大量數(shù)據(jù)自動(dòng)存入主機(jī)，然后由專門軟件進(jìn)行處理解釋，整個(gè)過程快速高效[6]。

2 高密度電法數(shù)據(jù)采集

二級(jí)裝置，（溫納裝置）α 排列、（偶極裝置）β 排列、（微分裝置）γ 排列是高密度電法常用的排列方式[7]。每種排列都有其優(yōu)缺點(diǎn)：在有效最大探測(cè)深度上來講，二級(jí)裝置更有優(yōu)勢(shì)，但是二級(jí)裝置分辨率很低；從分辨率角度上分析，α 排列縱向分辨率高，β 排列橫向分辨率高[5]。不同裝置對(duì)不同類型的地質(zhì)問題探測(cè)適應(yīng)性是不同的[5]。針對(duì)不同的地質(zhì)災(zāi)害勘察環(huán)境，最優(yōu)化選擇電極排列方式，從而最大化的達(dá)到勘查目的[6]。

本文分析的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)勘查的事例中，均采用高密電法的溫納（α）裝置進(jìn)行測(cè)量。高密度電法儀器為重慶奔騰數(shù)控儀器廠生產(chǎn)的WGMD-9 超級(jí)電阻率測(cè)量系統(tǒng)，通過選配WDZJ-120 多路電極轉(zhuǎn)換器、集中式高密度電纜、電極，實(shí)現(xiàn)集中式二維高密度電阻率測(cè)量。數(shù)據(jù)的處理采用瑞典的Res2Dinv 高密度電法處理軟件進(jìn)行處理。

表1 分析了高密度電法測(cè)量過程中，點(diǎn)距與最大勘查深度，最短測(cè)線長(zhǎng)度的關(guān)系。實(shí)際工作中應(yīng)該根據(jù)具體項(xiàng)目要求，合理選擇點(diǎn)距的大小，點(diǎn)距過大，會(huì)造成橫向分辨率降低，不適合較小目標(biāo)體的勘查，點(diǎn)距過小，會(huì)造成最大勘探深度降低，不適合較深目標(biāo)體的勘查。

表1 點(diǎn)距與勘探深度測(cè)線長(zhǎng)度的關(guān)系

3 高密度電法數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)合并

高密度電法在野外實(shí)際操作中，勘探區(qū)域范圍較大，測(cè)線不能一次布設(shè)完成較長(zhǎng)區(qū)域的測(cè)量時(shí)，可以采取分段測(cè)量的方法，同時(shí)要保證勘探的精度即可。后期處理過行匯總解釋，便可以得到地下巖體的電阻率分布特征。這樣就會(huì)避免數(shù)據(jù)多次處理出現(xiàn)的誤差，從而能夠使得反演圖色調(diào)一致，具有更好的可解釋性，把控整個(gè)數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量。

3.2 壞點(diǎn)剔除

數(shù)據(jù)處理第一步是將所測(cè)得的原始數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)刪除。地表不均勻或電極接觸不良等因素，會(huì)造成原始數(shù)據(jù)中出現(xiàn)奇異點(diǎn)。如果原始數(shù)據(jù)中的奇異點(diǎn)不被刪除直接反演，反演圖中會(huì)出現(xiàn)假象[8]。

3.3 地形改正

物探野外工作大多數(shù)是在山區(qū)等一些有地形起伏的地區(qū)中進(jìn)行，當(dāng)測(cè)線跨越這些地表起伏的地區(qū)時(shí)，需要通過GPS 定位獲得各測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)，把坐標(biāo)文件導(dǎo)入后期數(shù)據(jù)處理軟件，達(dá)到消除起伏地形對(duì)探測(cè)結(jié)果影響的目的。人工電流場(chǎng)在經(jīng)過凸地形時(shí)，電流由于相互排斥作用變得稀疏，測(cè)得電阻率偏大；同理，凹地形會(huì)使得測(cè)量電阻率值偏小。甚至?xí)斐刹杉瘮?shù)據(jù)信息異常，因此有必要對(duì)地形進(jìn)行校正[8]。

3.4 二維視電阻率反演

電阻率反演就是通過我們采集到的人工電場(chǎng)在地層中分布的數(shù)據(jù)，去推測(cè)地下巖體的結(jié)構(gòu)和分布特征。高密度電法的反演結(jié)果一般用色譜來表示，反演成果圖中以冷暖來表示低高阻，從而可以反應(yīng)巖體電阻率的分布特征。此外，反演過程中，可以通過迭代誤差來把控整個(gè)反演的質(zhì)量，通常迭代誤差與反演的質(zhì)量成反比。高密度電法反演最常用的反演方法有：最小二乘法、平滑約束小最小二乘反演法。

4 高密度在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)勘查中的實(shí)例分析

4.1 滑坡調(diào)查

滑坡是指在特殊地貌條件下，巖土體由于地下水、自然降水、人為切坡、河流沖刷等原因，在重力作用下沿著一定的軟弱面整體或分散地向下滑移的自然現(xiàn)象。

圖1 為某地質(zhì)災(zāi)害調(diào)勘查項(xiàng)目中高密度電法測(cè)量剖面圖。

圖1 HP4 線剖面解釋成果圖

剖面地表淺部0-5m 左右電阻率相對(duì)較低且有起伏，推測(cè)為第四系覆蓋層，成分主要為粉質(zhì)粘土和碎石土；覆蓋層與基巖接觸面明顯，覆蓋層下方基巖電阻率呈高阻反應(yīng)，推測(cè)為灰?guī)r。從剖面上看覆蓋層較薄且厚度均勻，沒有明顯滑落現(xiàn)象，整個(gè)斜坡目前較穩(wěn)定。

此外HP4 測(cè)線距離ZK1 號(hào)和ZK2 號(hào)鉆孔較近，ZK1鉆孔巖性為：0-0.8m，碎石土，主要為泥質(zhì)灰?guī)r碎塊；0.8-8m，灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化；8-15.26m，泥質(zhì)灰?guī)r，中風(fēng)化。

ZK2 鉆孔巖性為：0-2.1m，坡積土粉質(zhì)粘土夾碎石；2.1-28.4m，泥質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化；28.4-30m，炭質(zhì)頁巖，中風(fēng)化。物探成果與鉆探巖性分層整體相吻合，鉆探28.4-30m處的炭質(zhì)頁巖在物探剖面上無法劃分。

4.2 巖溶塌陷

巖溶塌陷是巖溶洞穴、上覆沉積物及地下水，構(gòu)成固體、液體及氣體三相力學(xué)平衡體系，地下水位變動(dòng)達(dá)到一定幅度，平衡破壞，上覆松散沉積物突然塌落，形成上大下小的圓錐形塌陷坑。

圖2 為某地質(zhì)災(zāi)害調(diào)（勘）查項(xiàng)目高密度測(cè)量剖面圖。

圖2 HF5 線剖面解釋成果圖

HF5 線呈南東向布置，方位角158°，測(cè)線點(diǎn)距為5m，線長(zhǎng)為595m，有效勘探深度為50m，地形起伏不大，從剖面中可以看出，剖面上第四系覆蓋層厚度發(fā)生了變化，測(cè)線里程0-265m 處覆蓋層厚度較薄，推測(cè)平均厚度在8m左右，測(cè)線里程265m-595m，覆蓋層厚度在16m 左右。推測(cè)該覆蓋層厚度的變化是因?yàn)镠F5 線首端靠近山體，導(dǎo)致其覆蓋層厚度變薄。

結(jié)合地面調(diào)查，測(cè)線處曾發(fā)生過塌陷，該塌陷坑位于HF5 線測(cè)線里程255-265m、從剖面上來看，塌陷坑正處于HF5 線覆蓋層厚度突變處，塌陷坑所處位置淺部基巖電阻率也相對(duì)較低，推測(cè)該處巖溶發(fā)育，其發(fā)育范圍為HF5 線里程245-356m，深度在22m 左右。在HF5 線里程155-160m 處同樣發(fā)生塌陷，從剖面來看，此處有異常反應(yīng)現(xiàn)象，但異常規(guī)模較小，推測(cè)該處巖溶較發(fā)育。

根據(jù)剖面資料，在HF5 線測(cè)線里程255m 處布設(shè)了ZK6 孔，其巖性情況如下：0-1.43m 為粉質(zhì)粘土；1.43-5.8m為碎石土；5.8-16.9m 為白云巖，中風(fēng)化；16.9-21.54m 為溶洞；21.54-36.22m 為白云巖，中風(fēng)化。物探剖面資料與鉆探資料基本吻合。

圖3 為某地質(zhì)災(zāi)害調(diào)（勘）查項(xiàng)目高密度測(cè)量成果圖。

圖3 JH12 線剖面解釋成果圖

剖面上部電阻率整體相對(duì)較低，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推測(cè)為第四系覆蓋層，巖性成分主要為粉質(zhì)粘土、碎石，在測(cè)線里程80-210m、270-330m 左右2 處地表附近電阻率呈高阻，推測(cè)覆蓋層較薄或有基巖出露；覆蓋層下方電阻率整體呈高阻，結(jié)合地質(zhì)及鉆探資料推測(cè)為灰?guī)r，基巖中局部的低阻異常區(qū)，推測(cè)為溶洞中填充粘土、地下水所引起。在測(cè)線里程120-230m、250-350m、410-620m、980-1040m 左右4 處基巖電阻率有降低，結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)為巖溶發(fā)育區(qū)。

JH10 測(cè)線距離ZK2、ZK3、ZK4 號(hào)三個(gè)鉆孔較近，ZK2鉆孔巖性為：0-9.8m 為粉質(zhì)粘土，夾少量礫石；9.8-40.1m為灰?guī)r，中風(fēng)化，巖溶發(fā)育，孔內(nèi)有溶洞；ZK3 鉆孔巖性為：0-14.75m 為粉質(zhì)粘土，夾少量碎石；14.75-40.4m 為灰?guī)r，中風(fēng)化，巖溶發(fā)育，孔內(nèi)溶洞較多；ZK4 鉆孔巖性為：0-15.5m 為粘土，夾少量碎石；15.5-46m 為灰?guī)r，中風(fēng)化，巖溶發(fā)育，孔內(nèi)溶洞較多。物探成果與鉆探巖性分層基本吻合。

5 結(jié)束語

本文分析了環(huán)境總站近年來使用高密度電法在湖北省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)勘查中的實(shí)際案例，通過對(duì)比實(shí)際鉆孔資料，明確了高密度電法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中對(duì)巖性的劃分、巖溶探測(cè)，滑坡監(jiān)測(cè)等方面的有效性。在地質(zhì)災(zāi)害防止與治理過程中，我們通過對(duì)高密度電法探測(cè)到的異常點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效地預(yù)防地災(zāi)災(zāi)害的發(fā)生，減少地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成的損失。