电阻率参数解译地层结构

王清玉 王志豪 王 睿

1 问题的提出

利用波速和电阻率等参数划分建筑物基础的地层结构，通常条件适宜、方法得当均可得到比较满意的解译效果。但有时也会遇到按照一般的认知难以解释清楚的情况。现举一例，共同分析。

2 工程实例

2.1 工程地质条件

某坝址枢纽区为低山丘陵、河流侵蚀地貌，地表多被水系和冲沟切割。坝址河谷较窄，呈U形谷，河谷宽度50～100 m。覆盖层主要是坡残积碎石土、腐殖质和大块石，基岩主要为砂岩。

2.2 技术方法

联合利用高密度电法、折射波法探测某水利项目坝址区覆盖层厚度并结合声波测井综合划分其基岩风化带等。

2.3 工作布置

根据现场情况，测区共布置9条高密度电法测线，总长2 510 m；在相应的测线还布置了折射波相遇观测系统，并完成240 m、4个钻孔的声波测井。

2.4 电、震特征和常规解译

2.4.1 高密度电法

测区高密度电法反演电阻率断面图其共性是纵向电性结构多概分为3层，电阻率从上到下呈现高→低→高的特点。

图1为典型剖面（图中水平距离60～200 m段，测试时正值雨季，zk1处地下水位高程约176 m，深度约8 m）。

第1电性综合层厚度2～12 m，电阻率为1 400～7 910 Ω·m；第2电性层厚度5～25 m，电阻率为600～1 700 Ω ·m；第3电性层电阻率为1 700～5 050 Ω · m。

图1 L8测线的高密度电法反演断面图

第1电性层比较好解释，主要是坡残积碎石土、腐殖质和大块石、全强风化、弱风化砂岩的综合反映。第2、3电性层电阻率差别显著，按照一般的认识，岩层结构特征应有较大的差别，通常会赋予第2电性层岩体裂隙发育、破碎、完整性差、孔隙率高、含水率高等类似认识，第3电性层赋予岩体完整等类似解释。按照高密度反演经验，位于ZK1钻孔处第1电性层综合厚度为7.5 m，第2电性层7.5～25 m，第3电性层反应深度25～35 m。

2.4.2 地震折射波法

探测深度范围内地层可分为二元结构，第1层波速400～1 640 m/s，平均波速730 m/s，层厚3.2～8.4 m，第2层波速3 960～5 600 m/s，平均波速4 010 m/s。推断第1层系覆盖层、全强风化层和弱风化层底部的综合反映，换言之，折射界面为弱风化底界面或微风化基岩顶界面。

2.5 钻探情况

L8测线ZK1钻孔揭露的具体情况是：孔深0～3.5 m，坡残积土，含碎石粉质黏土。

孔深3.5～7.2 m，强风化中、细粒砂岩，块状结构，中厚层构造。岩芯呈碎块状。

孔深7.2～8.3 m，弱风化中、细粒砂岩，块状结构，中厚层构造，岩芯呈短柱状、长柱状。

孔深8.3～70.1 m，微风化中、细粒砂岩，块状结构，中厚层构造。岩芯呈短柱状、长柱状，多平直光滑。

2.6 常规解译与震探、钻探比较

第1电性层和折射界面与实际情况吻合，第2、3电性层常规认识与实际情况相差较大。即钻孔揭露：位于地下水位之上的上层高阻层为覆盖层和强风化、弱风化砂岩的综合反映，其相应风化层也基本吻合；中间低阻层和下部高阻层为位于地下水位以下的微风化完整砂岩。

2.7 深化分析

为达到知其所以然，对ZK1孔孔深8.5～25 m与25～35 m（高密度电法探测深度按35 m计），即第2、3电性层就岩芯采取率、RQD指标、裂隙发育情况、透水率、声波和录像观察成果综合比较分析。ZK1钻孔孔深70 m，表1列出了相关试验、测试成果。

表1 ZK1钻孔测试成果表

表1说明第2、3电性层岩芯采取率，RQD指标，裂隙发育情况，透水率基本一致，总体均可判定为微新完整岩体。

第2电性层电阻率为600～1 700 Ω·m、第3电性层电阻率为1 700～5 050 Ω·m，两者差值显著。两层波速均值绝对差值仅为1 50 m/s，相对差值仅为2.5%。下面通过相关研究成果，分析电阻率差异显著，波速基本一致的原因。

2.7.1 杨为民等【1】相关研究成果

现摘编并借鉴杨为民等[1]采用水泥砂浆制作30组孔隙率不同的类岩石材料试样研究饱水过程中岩石波速和电阻率变化规律及其相互关系的成果加以分析。杨为民等[1]试验认为：

（1） 饱水过程中，类岩石材料试样的波速随饱和度的变化可分为缓慢下降和快速上升2个阶段（如图2所示）。

图2 理论计算与试验结果对比（孔隙率14.5%）

即当孔隙率不变的情况下，类岩石材料试样饱和度达到某一阈值时，其波速将快速上升。其试验波速大致为3 900～4 200 m/s，绝对差值为300 m/s，相对差值为7.4%。

（2）饱水过程中，类岩石材料试样的电阻率随饱和度的变化可分为迅速降低和缓慢降低二个阶段（如图3所示）。

图3 不同孔隙率下电阻率随饱和度变化曲线

即当孔隙率不变的情况下，类岩石材料试样饱和度达到某一阈值时，其电阻率由快速降低变为缓慢下降。

按孔隙率14.5%计，其电阻率大致为780～50 Ω·m，绝对差值为730 Ω·m，相对差值为176%。

（3）以孔隙率和饱和度为桥梁，得到了波速与电阻率之间的关系表达式，该表达式计算结果与实际试验数据基本一致（如图4所示），并通过石灰岩原岩试样测试验证了其普适性和合理性。

图4 计算结果与试验数据对比

图4说明，孔隙率一定的条件下，有关因素如引起波速微小的变化，电阻率将发生显著的变化。即当波速大致为3 650～3 750 m/s时，电阻率大致为70～500 Ω·m；波速的绝对差值100 m/s、相对差值为2.7%，电阻率的相对差值为150%，电阻率的变化幅度明显大于波速的变化幅度。

3) 对于气动执行机构，若从经济角度考虑不便安装防火保护罩时，可以选择在气缸上加装易熔塞。当发生火灾时由于温度急剧升高，气缸温度达到或超过易熔塞的熔点时，易熔塞熔化将气缸内的压力泄放掉，使另一侧气缸内的弹簧或储气罐内的压缩空气推动活塞将阀门自动关闭。

2.7.2 张磊等[2]相关研究成果

张磊[2]、吴海波[3]、李术才[4]等研究了岩石受荷载变形的电阻率变化规律。他们认为，在岩石压缩的过程中砂岩等岩性表现出：

（1）微裂隙与孔隙闭合阶段，岩石电阻率有所下降；

（2）弹性变形阶段，岩石电阻率基本无变化；

（3）微裂隙稳定传播阶段，岩石出现塑性变形，电阻率突然增大；

（4）岩石破裂阶段，岩石出现宏观裂隙，岩石电阻率处于上升阶段；

（5）残余变形阶段，在该阶段岩石破裂面已完全形成，岩石的电阻率也达到了稳定的数值。

上述试验可以认为：岩体裂隙、孔隙对其电阻率影响显著。

2.7.3 相关工程经验和研究成果

有关试验和工程经验证明：（1）岩体中的裂隙发育程度和风化程度对波速影响很明显。新鲜的中硬岩没有裂隙时，波速多分布在5 000～6 000 m/s，如果裂隙发育，可降低到2 000～3 000 m/s，若岩石风化强烈，则下降幅度更大。（2）孔隙率与波速的关系，波速随孔隙率的增加，急剧下降。有研究表明，当砂岩孔隙率约3%时，波速是6 600 m/s；若孔隙率增加到8%时，则速度下降到5 000 m/s。（3）含水量与波速的关系，含水量对波速的影响是很大的。总的趋势是波速≥3 000 m/s的岩体，波速随含水量（孔隙为水所充满）增加而增加；波速约为6 000 m/s的岩体，含水量对波速的影响不明显；而波速约为3 000 m/s以下的岩体，波速随含水量增加反而减小，这种现象对波速不大于2 000 m/s的岩体特别明显。

2.7.4 类比分析

2.7.1节，孔隙率一定的条件下，有关因素如引起波速微小的变化，电阻率将发生显著的变化。即当波速大致为3 650～3 750 m/s时，电阻率大致为70～500 Ω·m；波速的绝对差值100 m/s、相对差值为2.7%，电阻率的相对差值为150%，电阻率的变化幅度明显大于波速的变化幅度。

2.7.2节的试验认为，岩体裂隙、孔隙对岩石电阻率影响显著。

2.7.3节认为高波速下，含水量对波速影响不明显。

上述试验和分析可为实际工程中岩石电阻率与波速相互表征以及综合地球物理探测中波速、电阻率联合反演提供借鉴。

第2、3电性层纵波速度均值大于5 800 m/s，均属于完整岩体。借鉴2.7.3节可以认为含水量对两层的波速影响不明显，但可推断两电性层电阻率因裂隙、孔隙、特别是因裂隙发育应有所差别。

第2、3电性层纵波速度均值分别为5 840、5 990 m/s，两层波速均值绝对差值为150 m/s、相对差值为2.5%；第2、3电性层电阻率分别为600～1 700 Ω·m和1 700～5 050 Ω·m，其电阻率均值分别约为1 200、3 000 Ω·m，两层电阻率均值绝对差值为1 800 Ω·m、相对差值为85%。电阻率的变化幅度明显大于波速的变化幅度。

至此，综合分析2.7.1～2.7.3节和综合物探成果可大致推断：导致第2、第3电性层微新完整砂岩电阻率变化较大的原因是微小的裂隙（隐裂隙）、孔隙和含水量变化所致。换言之，第2、3电性层实为同一层微新完整砂岩。

3 结语

物探方法的应用是基于一定的物理前提，且地质、地球物理条件和边界环境特征对物探测试结果具有较大的影响，故采用单一的物探方法往往难以得到满意的结果。实例再次表明，针对要解决的地质问题，特别是复杂的地质问题，开展综合物探，实施物探参数相关性分析，特别是与地质特征的相关性深入分析是提高物探成果质量的关键。