高密度电法在水文地质中的应用

张建锋，王雯璐

(河南工程学院 资源与环境学院，河南 郑州 451191)

含导水构造与围岩之间通常存在明显的导电性差异，该差异为探测含导水构造时采用电探方法提供了物理上的可能性.就地球物理的原理而言，高密度电阻率法与传统的电阻率法(电剖面法和电测深法)完全相同，它们都是研究在人工稳定电场作用下地中传导电流的分布规律[1].由于高密度电法同时具备剖面和测深的功能，并且可以实现一次布极多种装置测量，所以该方法具有工作效率高、成本低的特性，在水文地质领域得到了广泛应用[2-5].正如前面所述，高密度电法有多种电极装置可供选择，如温纳(对称四极)、偶极、微分和联剖排列等，这就造成在实际工作中存在电极装置选择的问题.以往的相关应用往往缺少装置选择问题的讨论，甚至回避该问题[6-7].由于不同电极装置的电场分布存在差异，对异常体的空间分辨率也不同，所以为了得到清晰的异常结果，根据野外实际情况选择合适的装置是十分必要的.此外，在结果的显示方式即数据的处理方法上，高密度电法有电阻率直接显示[8]和比值参数显示[9]两种，这些显示方法对异常的反映也存在较大差异.因此，有必要选择合适的数据处理方法以突出结果的精度[10].通过实测剖面对常用的温纳(α)、偶极(β)和微分(γ)3种电极装置进行了对比分析，采用不同的数据处理方法，来研究它们对异常地质体的刻画效果.

1 方法及研究区

高密度电阻率法是20世纪八十年代从美国和日本开始发展起来的一种电阻率方法[11].高密度电阻率法是在测线上同时布置多道电极(通常是几十个)，由人工电源向地下水发射电流建立稳定的电流场，然后通过自动控制电极转换开关对所布设的剖面自动进行观测和记录，最后通过主机自动处理后显示出来,如图1所示.每个剖面都是以一定的电极间隔系数将每4个相邻电极进行组合，间隔系数越大则探测的深度越大.当固定间隔系数时，高密度电法得到的是电剖面的数据，而当间隔系数依次增大时，则得到了电测深的电阻率值.因此，高密度电法同时具备电剖面和电测深的功能.在进行电阻率法勘探时，需要通过两个供电电极(如C1,C2)向地下发送电流I，在测量电极(如P1,P2)间测量它们之间的电位差(V)，从而得到视电阻率

ρs=KV/I,

(1)

式中，K是与4个工作电极排列方式有关的装置系数，计算公式为

(2)

图1 高密度电法工作示意图Fig.1 High density resistivity working procedure

根据实测的视电阻率剖面进行计算和分析，可获得地层的电阻率分布特征，进而达到地层划分和岩土体含水性分析的目的.

相对于常规电阻率法(例如电测深法和联合剖面法)来说，高密度电法具有很多优点[12-13]：①由于电极的布设是一次完成的，测量过程中无需跑极，故可防止因电极移动而引起的故障和干扰；②在一条观测剖面上，通过电极变换或数据转换可以获得多种装置的视电阻率断面等值线图；③可进行资料的现场实时处理与成图解释；④成本低、效率高.

(3)

比值参数T并不直接表示视电阻率的大小，但是它能够以更清晰的方式再现原有异常体的特点及分布，同时它还具有抑制干扰和分解复合异常的能力，从而大大提高了电阻率法反映地质赋存状况的能力.

本研究中的高密度电阻率法工作站位于河南工程学院校园内，表层岩性为粉砂和粉土,剖面测线呈近东西方向布设.其中，测线的西侧地表相对干燥，东侧地表存在积水.测线剖面所处的区域地形平坦，无需对电阻率进行地形改正.根据附近的水井情况，潜水面埋深大约为20 m.

仪器采用重庆奔腾地质仪器厂生产的分布式高密度电法系统WGMD-9，分别采用温纳(α)、偶极(β)和微分(γ)3种电极装置对同一条测线进行高密度电法工作，测线参数为电极间距3 m、供电电压12 V、总电极数30、剖面层数8、整条测线长87 m.在对所采集的数据进行后期处理时，采用了Surfer软件成图.

2 测量结果

根据以上测量的结果，分别绘制了温纳、偶极和微分3种电极装置的电阻率剖面等值线,见图2至图4.

由温纳装置高密度电阻率图(见图2)可知，①随着深度的增加，电阻率逐渐降低，反映了岩土介质的含水性随着深度的加深而升高的特点；②总体上，地电断面呈水平层状展布；③在高阻表层(深度小于20 m)，剖面东部50～80 m的范围内存在相对低阻的异常体；④在深度大于20 m的区域，视电阻率均小于30 Ω·m，初步判断该埋深水平为地下潜水面；⑤在水平40～50 m，存在一个延伸深度达十几米的高阻区.

在浅部高阻区域，偶极高密度电阻率图(见图3)与温纳相似，总体上表现了地电断面呈层状分布及东部区域(50～80 m)相对低阻的特征，在40～50 m也存在一个延伸深度约15 m的高阻体.在深度大于20 m的区域，视电阻率均小于30 Ω·m，也反映了地下潜水面的位置.不同的是，在测线的东侧深部位置上，高阻区域有向下延伸的趋势，说明该位置空间内存在相对高阻的异常岩土体,该高阻异常体的埋深及形状不是十分清晰，有待进一步分析.

对于表层岩土体，微分装置高密度电阻率断面(见图4)与上面两种装置类型几乎是一致的，反映的潜水面也位于约20 m深度上.与温纳和偶极装置相比，微分装置高密度电阻率断面则更清晰地表现了地下导电不均匀体的分布形态.与偶极类似，微分的地电断面在水平60～80 m及深度15～25 m，也表现出了相对高阻的异常体.

在电阻率的比值参数T断面图(见图5)中，异常高和异常低阻地质体都非常明显.首先，在浅层的50～80 m出现了3个较大的低阻岩土体.其中，70 m附近的两个低阻体产状陡立并向深部延伸至约20 m处.该低阻异常表明地面积水已经深入岩土内，深度接近潜水面.其次，在水平60～80 m及深度15～25 m出现的相对高阻的异常体呈脉状，产状陡立.水平40～50 m的高阻异常体截面呈近似等轴体，埋藏范围为10～16 m.

图2 温纳装置高密度电阻率断面图Fig.2 Resistivity section of wenner

图3 偶极装置高密度电阻率断面图Fig.3 Resistivity section of dipole

图4 微分装置高密度电阻率断面图Fig.4 Resistivity section of difference

图5 高密度电阻率T比值断面图Fig.5 Resistivity section of T

3 结论

综合以上实例分析可得到如下结论：

(1)比值参数T具有较好的分解复合异常体的能力，能更精细地反映高阻和低阻异常体的赋存形态.

(2)温纳装置更加适合探测电性界面起伏较小的异常体.

(3)偶极和微分装置对异常体的反映近似.

(4)在含水层勘探中，3种装置形式均具有良好的刻画效果.

(5)在探测导水破碎带和岩溶区溶洞等时，比值参数处理方法的效果会更好.

参考文献：

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[2] 王士鹏.高密度电法在水文地质和工程地质中的应用[J].水文地质工程地质，2000(1):52-56.

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