高密度电阻率成像法在水文地质中的运用

张立松

摘要：高密度电阻率成像法（ERT）作为一种准确且高效的物探方法，被广泛应用于水文地质领域。本文通过对某矿冲沟的隐患及裂隙探测进行分析，探讨高密度电阻率层析成像法在探测方面所具有的效果，从而为工程施工或矿产开采提供安全保障和理论支撑。

关键词：高密度电阻率层析成像法；水文地质；应用

上个世纪80年代，日本地质计测株式会社首次就高密度电阻率探查法研制成功。其工作原理即基于常规直流电阻率法，将多个电极同时布置在探测剖面上，通过人工方式将电流发送至地下，促使地下形成较为稳定的电流层，利用自动控制转换装置，自动观测和记录所布设的剖面的物探方法。该方法可实施二维地电断面测量，此外，还具有测深法及剖面法功能，不仅点距小，且在采样密度方面也较高。当将导线敷设一次后，可观测数千个记录点的实时数据，不仅在施工效率方面较高且信息量大，是一种对地质滑坡体、岩溶空洞及隐伏断层构造等进行探测的有效方法。

1. 高密度电法原理分析

1.1 基本原理

所谓高密度电法实质为电阻率法，是一种将电测深法和剖面法进行组合式运用的剖面装置，其相比于传统的电阻率法，所存在的不同点在于可一次对多个测试电极进行设置，通过一次勘探过程，便能对纵横2维的相应测试给与完成，针对地电结构来讲，其同样具有一定的成像能力。所以，介质不同，则在探测成果图方面都具有比较直观的体现和反应。同一介质或者不同介质在具体成分及结构方面存在较大差异，则其所具有的电阻率也不相同。如果将介质假定为均质各向同性，可通过以下公式对地下介质视电阻率进行计算：

ρ=KΔV/I

在公式当中，ρ所代表的是岩土层视电阻率（Ω·m）；△V则表示为电位差（V）；I则表示为供电电流（A）；K表示为装置系数。

1.2 数據采集原理

首先将一系列电极在固定点距x沿测线进行布置，用x表示相邻电极距，将装置电极间距设置为a=nx （n=1， 2，3，……，n+1），将电极间距为a的1组连接到仪器上，并且还应经过转换开关，利用转换开关将装置类型进行改变，就该测试点相应各种装置的视电阻率观测予以一次性完成（将记录点设置在电极排列重点），当将一个测点观测完毕之后，利用转换开关便可实现向下一组电极进行自动转换的目的（即将点距x自动向前推移）然后采用同样的方法，对该点实施对应观测，直至将整条剖面相应电极间距为a观测完成即可。然后对其余不同间距装置进行选择，诸如a=2x，a=3x，……，a=（n+1）x，并对上述观测进行重复操作。

1.3 资料处理与解释

可利用高密度电阻率成像处理系统，对数据处理和解释数据进行相应处理。该方法通过实施佐迪反演，以此实现横向分辨率及纵向分辨率提高的目的，促使电性剖面对于地下介质能够真实的进行反应。

可依据高密度电法电阻率成像断面图当中所存在的电阻率分布状况，可将地质异常状况进行相应划分。通常情况下，第四系土层在电阻率方面普遍较低，一般情况下其区间为10～208Ω·m；如果第四系砂层内不存在水分状况即处于干燥使，则其电阻率相对较高，可达到100Ω·m，如果其存在含水状况，其电阻率与土层中相应含水量和含沙量之间存在密切关系，即第四系砂层在含水量方面越强，则其电阻率就会越低，此外，其含砂量越大，则同样电阻率越高，通常情况下数值为10～50Ω·m。一般情况下煤系地层当中的砂页岩及砂岩所具有的电阻率为30～80Ω·m，其煤层电阻率通常为200～500Ω·m。比如当煤炭经过开采之后，其相应冒裂带及采空区上部的覆岩层则会出现程度不一的坍塌和裂隙，致使电阻率值出现增大状况。针对地下所具有的空洞来讲，其所存在的电性会随着空洞充填物的性质而发生相应变化，如果空洞处于充满水的状况，则其在电阻率方面就会极低，通常情况下<20Ω·m；如果空洞处于干燥状态，则其电阻率就会非常高通常>200Ω·m。因此，针对地下采空区、异常地质体的位置及空洞解释，便可运用上述规律落实此内容。

2. 工程应用

张庄冲沟作为该地区重要的冲沟形式，其位置处于张庄井田的西部。该冲沟字南部开始经过水流汇集向北流动，并穿过煤系露头流入到小汶河当中。在七十年代中期在张庄冲击沟的西部位置，以及在磁莱铁路桥北部大约30～50m处，十一层采空区保留岩柱距离冲沟底部为5.6m，当雨季时，沟底就会出现突然塌陷并发生相应透水事故，以此对其进行及时抢修，并在塌陷坑当中将大量的农作物填充其中。通过对其进行大致推算可知，经过近三十几年的填充操作，其原始填充物则可能出现活化状况，因此，其就预示着该地区还将可能发生塌陷现象，进而发生透水事故，所以，所以，必须地质探测该区域的裂隙通道及隐患，在治理方面还要有针对性，从而以保证矿井安全为最终目标。

通过高密度探测冲沟，并就运用高密度电阻率成像处理系统所获取的具体数据，利用计算机进行相应处理，最终便可得到高密度电阻率成像图。如图1所示。

通过图1可知，在电阻率剖面当中，电性异常区出现3个，分别为1个高阻区和2个低阻区。针对异常区1来讲，其实质为低阻区，其相应平面位置则在桩号25～50m位置处，则可将其断定为为十一层浅部塌陷区或者采空区，并且在其内部还含有水；针对异常2来讲，其实质为为高阻区，其位置具体在桩号55～120m处，因此，则可将其判定为十一层浅部采空区，还有可能是十三层开采影响区，其中不存在水；针对异常3来讲，其为低阻区，其位置在于于桩号135～155m位置处，其存在较大异常范围，且深度大致为10～30m，则可将其判定为十一层浅部采空区，或者是煤覆岩裂隙发育带，该异常区具有较强的含水性，并且在顶部位置上还具有高阻异常，并与地面直接连通，因此，可断定为裂隙通道的反映。上述三个异常区域之间可能会存在局部煤柱间隔。

3. 结语

高密度电法具有与其它探测方法相同点，均需要对一定地球物理予以满足，尤其是围岩和探测目的体之间所存在的电性差异，对其造成困扰的因素较小时，其地质效果则会令人满意，可在许多地质工程及水文地质当中进行运用。

参考文献：

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