高密度电法综合分析法在机场溶洞探测中的应用

喻晓通 马 妮

高密度电法测量是电法勘探的一个主要分支，其基本工作原理与常规直流电法是一致的，都是以地下岩（矿）石或目标导体与围岩之间的电性差异作为评价基础，从而达到分辨地下岩层、构造、矿藏或其他相关参数的目的。相比于常规电法而言，高密度电法在工程勘察方面具有电测深和电剖面两种方法的综合性优势，可以通过纵、横两个方向勘探观测岩土层中的电性差异，并采集某一深度范围内地质土体的电性变化数据，更加直观高效的实现对目标体的观测。近年来，在水工环探测、工程地质勘查等方面，高密度电法得到了广泛的应用，且随着时代发展，目前基本实现了野外测量中数据采集的自动化及智能化。

1 主要问题及拟解决办法

1.1 影响测量成果的主要因素

理论上讲，高密度电法测量方法可以适用大多的工程勘察物探工作，但在实际应用中，因为现场条件限制、地形干扰及后期数据处理不当等情况，往往导致解译成果并不理想。其中影响成果质量的主要问题包括：

（1）供电情况：供电电压不足可能使电位差偏低或不稳定，从而导致采集信号偏弱，测量深度不够等问题。目前主要解决办法是使用新型锂电池或其它大容量电池，以保证供电电压的稳定。

（2）接地条件：接地条件差是在实际测量中遇到较多并对数据质量有较大影响的一种情况，在测量数据上反应为出现大片的异常高值，成图后等值线断面图中局部易出现封闭的密集型“旋涡状”高阻异常或“八字”、“半八字”异常。目前较为常用的方法是尽量改善接地条件或采用不极化电极，但会导致工作效率降低及成本增加。

（3）地形因素：与所有电磁测量方法一样，高密度电法解译成果不可避免的要受到地形变化的影响。地形的起伏不但会引起类似“八字”、“半八字”、“双八字”等特征的假异常，往往还会掩盖真异常。除地形条件变化较大（陡坡或断崖）外，测线中一点或多路转换开关的某点断开等情况也有可能形成该类异常。目前主要解决方法是在数据初步筛选后使用各类软件进行校正或根据实际情况建立数字模型，利用有限元法对该模型进行模拟计算等。

1.2 拟采用办法

在实际情况中，由于工期及现场条件的限制，在完成初步解译后，很难对单个的剖面数据进行深入的研究分析，此时如果有其它行之有效的方法对数据进行再处理，并与解译成果形成对比参考，无疑能够极大的提升解译准确度。

本文主要探讨方向便在于如何能够基本确保野外数据质量的情况下，更加有效的从多方位、多角度利用原始数据，对形成的各类结果开展综合对比，以期提高最终成果的解译精度。

本次主要采用原始的视电阻率剖面及利用斜率法计算完成的成果剖面与反演成果进行对比，力争在解译过程中弥补单个方法的不足及发现新的问题。

2 实例及说明

某机场地下溶洞勘查：

本次工作主要目的是为寻找某机场待扩建区域地下溶洞发育程度及范围，为后期钻孔布设提供物性参考。

测区属剥蚀丘陵地貌区，地表植被茂盛，山丘、盆地较为发育，其中盆地多为果园及农田。地表覆盖层以第四系残坡积土层（粘土、粉砂质泥岩等）及冲洪积物（碎石土、卵砾岩等）为主，基岩地层为石灰岩，局部可见露头，表面风化严重。区内地下水补给以大气降水为主，前期踏勘未见河流及泉点。根据收集资料及现场调查显示，区内水文地质条件较为中等，地下局部岩溶发育，存在渗漏现象。

2.1 地球物理条件

区内岩性地层主要包括3个单元：（1）粉质、粉砂质粘土层：多呈灰、灰褐色，厚度0.5～5.0m不等，属第四系残坡积层，电阻率较低；（2）碎石土、砂卵砾岩：黄、黄褐色，以砂岩及泥质砂岩为主，砂卵砾岩砾径0.1～20.0cm不等，局部稍密，电阻率较粘土层高；（3）石灰岩地层，灰、灰白色，为区内主要基岩地层，电阻率较高，局部岩体有地下水填充，电阻率偏低，少量无水溶洞为明显高阻。工作组对测区各岩性进行了取样及电性测量，结果如表1所示。

表1 标本电参数测定统计表

根据岩石电阻率测量结果，测区泥质砂岩、粉砂岩电阻率最低，多在100Ω/m以内；卵砾岩地层因岩石分选型较差，粒径在变化大，因此局部差值偏高，多在142～382Ω/m；前两者相对于主要石灰岩地层700Ω/m以上的电阻率，存在明显的电性差异，满足在测区使用高密度电法达到寻找地下岩溶的物性前提。

2.2 测线布设

区内布设了126条东西向剖面，点线距为20×5m，剖面长度300～800m不等。其中剖面A21～A26（共6条），线长550～640m，局部地形起伏较大（剖面高差约50m，局部高差10～20m，坡度15～25°），具有一定的代表性。

2.3 对比解译及验证

反演图如图1所示，地表存在5～10m低阻带，推测为地表砂泥岩及少量石灰岩风化地层，6条剖面前端0～300m段在埋深10m左右表现出稳定的高阻特征，电阻率值在800Ω/m以上。参考前期测定的区域岩石电性特征，推测其为发育致密连续的石灰岩地层（钻孔ZK26-1验证）。在剖面中段（300～600m）可见长约200m的相对低阻带，最低电阻率值42Ω/m，各剖面异常较为连续，推测为地下溶洞连接形成的水流通道或存在小型断裂破碎带，后期分别在各剖面施工钻孔ZK21-1、ZK23-1、ZK24-1、ZK25-1、ZK26-2、ZK26-3，验证了地下溶洞的存在，溶洞规模2.0～6.0m不等。

以上推测都得到了后期钻孔施工的验证，证明高密度电法在寻找地下溶洞的工作中具有较好的实践性。但因地形及其它条件影响，在反演中导致解译异常位置发生“偏移”的现象也有发生。

图1 剖面A21—A26线视反演剖面图

根据反演结果推测如图2所示，在A24剖面822m段（Ⅱ区），该处可能存在地下充水溶洞，布设钻孔ZK24-2钻进至进尺45m（超过推测溶洞深度），均为石灰岩地层，未见溶洞。在反复对比视电阻率剖面（a）及斜率剖面后（c），将钻孔位置调整至835m处布设ZK24-3，至31.0m见溶洞，与预测深度基本吻合。通过对比发现，两钻孔均位于剖面后端低阻异常范围，异常呈团块状，大小约20.0m，埋深约30.0m。ZK24-2布设在反演异常中心位置，ZK24-3布设在异常东侧边界。该异常因地形原因（位于剖面下坡低洼处），实际位置向东偏移（钻孔ZK24-2位置），在视电阻率剖面图（a）及反演图（b）中难以判断地下溶洞具体位置，但对比斜率剖面图可以发现，在钻孔ZK24-3位置斜率梯度变化最大（由-20上升至+40），由此作为依据推断地下溶洞位置更为准确，也得到了钻探结果的证明。

图2 剖面A22线视电阻率剖面（a）、反演剖面（b）及斜率剖面（3）对比图

3 结论及建议

综上，利用高密度电法寻找地下溶洞空间是切实可行的。但在实际测量中，也会因为各种原因导致最终解译成果与实际情况产生偏差，对此我们总结如下：

（1）因接地条件、浅部异常干扰等原因，我们很难保证所采集的野外数据完全正确，而在后续的工作中，经由此类数据反演后往往会将偏差无限放大，从而造成解译结果与实际不符，导致误判甚至更为严重的情况。

（2）使用各类方法对高密度资料进行综合解译时，应注意突出其特点。例如，视电阻率剖面，因为高密度电法的测量精度及数据密度远高于传统电法，所以生成的视电阻率等值线图已与实际地电剖面非常接近（尤其在浅部更是如此），包括等值线的疏密程度、拐弯方向等都蕴含着丰富的信息可供分析。因此针对中浅部的解译工作，视电阻率剖面具有重要参考价值。反演方法在理论上讲是目前使用最为广泛的解译手段之一，但有一个重要前提就是在于野外采集数据的质量，数据质量较好时，可以以反演剖面为主，而在局部受到干扰，部分数据失真时，建议采取包括斜率法在内的多种方法进行对比解译，可以有效提高资料解译的精确性。

总体而言，在宏观层面（如岩性分层、判断构造等），资料解译可以主要参照视电阻率剖面，而针对局部异常（如寻找溶洞、划分异常范围等）的解译，则建议采用反演成果结合多种方式进行综合分析，以保证最终结果更加的科学合理。高密度电法兼具剖面法和测深的功能，具点距小、数据采集密度大的特点，能较直观、形象的反映断面异常体的形态。通过高密度电法勘查以及结合工程地质调查、钻探与开挖验证对比，证明了高密度电法在土洞勘查中的可行性，基本能判断出土洞的空间位置及其展布方向；相比钻探具有造价低、速度快、勘探较全面的优点。