高密度电阻率成像法在地质灾害勘察中的应用

姚 敏，吕小红，杨宏智

（1. 山东省物化探勘查院，济南 250013；2. 山东省地质勘查工程技术研究中心，济南 250013；3. 山东第一地质矿产勘查勘查院，济南 250014）

0 引言

高密度电阻率成像已广泛应用于城市地空间探测、工程勘察及城市地质调查领域，尤其在岩溶塌陷、活动断层及采空区探测等方面效果显著[1-7]。高密度电阻率成像数据采集装置一般有温纳、施贝和三极装置，温纳装置垂向分层效果较好，施贝装置横向分辨率较高，在施工场地范围较小时宜采用三极装置[8-14]。邓凯[15]等、彭青阳[16]指出在塌陷探测中宜采用高密度电阻率成像结合应用较多的地震映像、地质雷达、瞬变电磁法等其他物探方法[17,18]综合推断异常。高密度电阻率成像因装置形式不同，各装置成像的成果反映同一异常体的几何位置也不同，给推断解释带来一定困难。虽然可以进行2维数据反演，但由于数据量有限，反演的精确性受到限制[17]。因此，近几年来基于泛装置多通道仪器并行采集技术及2.5维反演的高密度电阻率成像法在水利工程、轨道交通勘察等领域显示出了较大优势。泛装置采集打破了传统高密度电法固定装置形式的数据量限制，泛装置采集数据量一般为传统装置形式的几十倍[19-22]；多通道并行采集技术在一次供电的情况下，同时采集剩余通道的所有数据，提高了采集效率。两种技术结合采集的大体量的数据通过2.5维反演，获得成果的可靠性大大提高。

济南市东部地区岩溶较为发育，同时历史原因形成的矽卡岩型铁矿采空区也有一定范围的分布。岩溶发育及采空区极易引发地面塌陷地质灾害，塌陷发展过程具有隐蔽性和突发性等特点。岩溶发育及采空区的存在，威胁人民生命财产安全，同时制约着城市规划及发展。采用并行高密度电阻率法地面装置及井中装置探测，结合地区内水文地质资料，在反演电阻率成像成果中圈定了相应低阻异常，在2次地质灾害勘察中推断了某拟建场地基坑的岩溶分布，及另一拟建场区的采空区分布，为设计钻探工作提供了技术支持，避免了盲目性和片面性。

1 方法技术及仪器

本次电阻率成像工作采用并行高密度电法系统实施，该系统由PC机、测量主机、电极阵列和电缆系统组成。工作中一次性布设电极，对应一组A、B极一次供电，可通过多智能通道技术并行采集所有可能的M、N电极组合电位差数据，其中包括传统高密度电阻率法装置的M、N组合。采集数据量是传统高密度电阻率法的几十倍，通过专门软件ZZ RESINV对采集数据处理及反演计算，获得真电阻率断面数据，工作效率及数据质量大大提高。

使用仪器为西安澳翔勘探技术开发有限公司的FlashRES-UNIVERSAL64-2直流电法勘探系统。该系统可进行地面（图1）或井间（图2）等探测，具有数据全波形监控功能，系统配套反演软件具有2.5维反演技术。该系统可根据用户需要对电极进行开启和关闭，可以采集泛装置数据，也可以根据用户自定义装置采集数据[1-10]。

图1 地面装置工作示意图

图2 井间装置工作示意图

2 工作区地质及地球物理特征

2处拟建场地均位于济南市东部的历城区，场地附近无区域性断裂构造通过，场地内均未发现明显断裂构造。场地地层较为简单，上部为第四系杂填土，下部位奥陶系灰岩，岩溶较发育。

岩溶发育区拟建场地前期勘察资料的部分钻孔发现了大小不等的溶洞，洞体内充填有黏性土并局部夹杂石灰岩碎块，分布无规律。溶洞无继续发育的水文条件，该岩溶地基属稳定场地，适宜工程建设。

如图3所示，采空区拟建场地第四系厚约15～20 m，水位埋深10 m左右，隐伏奥陶系灰岩和闪长岩，分布的闪长岩为济南基性岩体的一部分，岩性为辉石闪长岩，经热液蚀变为蚀变闪长岩。采空区顶底板主要为闪长岩，顶板为灰岩（大理岩）。

根据该地区以往电测井及电测深资料（表1）可知，测区第四系覆盖层与奥陶系灰岩电性差异较大，第四系覆盖层电阻率一般小于102Ω·m，完整奥陶系灰岩及闪长岩电阻率一般大于102Ω·m，完整的巨厚灰岩、泥灰岩电阻率可达104Ω·m。岩溶较发育的充填灰岩裂隙带及溶洞电阻率则较低，一般小于102Ω·m。铁矿体及蚀变带电阻率也较低，数量级在102Ω·m。因此该区具备开展电法测量的地球物理基础。

图3 研究区地质剖面图

表1 地区岩石电阻率统计表

3 应用成果概述

3.1 岩溶发育区拟建场地的应用

该拟建场地基坑内大部分基岩较破碎，基本为全充型溶洞及破碎带，充填物为填黏土和碎石，岩溶发育分布不规律。为探测基底以下10 m深度范围内溶洞、破碎带等不良地质现象，考虑到基坑场地及周围人为电磁干扰的限制，采用并行高密度电阻率成像法地面装置进行探测，反演成果较好地反映了岩溶的分布、延展及规模情况。

实际工作中地表标高已开挖至91.6 m，部分电极布置在基岩裸露处，采取了电钻成孔，电极入孔后灌盐水的措施来减小接地电阻。本文以其中的14#楼工作成果举例，现场沿楼座长边布设64道接收地面装置测线7条，点距1 m，线距3 m，编号1、3······19 线，15 线与 19 线间距离 4 m（图 4），以 9 号测线为例解译断面成果。

9测线（图4）位于 14#楼中部，测线长 46 m，9号测线圈定了浅部低阻异常带1处，封闭或未封闭低阻异常4处。9测线电阻率等值线断面图（图5）标高86.5 m以浅电阻率整体较低，一般在20～200 Ω·m，推断上部灰岩溶蚀程度或风化程度较强，下部电阻率大于200 Ω·m，推断标高86.5 m以深灰岩整体相对完整。86.5 m以浅大体以120 Ω·m等值线圈定低阻异常带1处。在7～23号点，以100 Ω·m等值线圈定封闭低阻异常2处。标高86.5 m以深，在29～50号点，以100 Ω·m等值线圈定未封闭低阻异常2处。推断5处异常为黏土充填型溶洞、较破碎溶蚀性灰岩或强风化泥灰岩引起。

图4 工作布置图

图5 9号测线超高密度电法反演电阻率等值线断面图

在超高密度电法圈定的低阻异常布置了钻孔进行验证（图4），70%以上低阻异常验证为充填型溶洞或溶蚀性灰岩，其他多为强风化泥灰岩引起，14#楼5处低阻异常验证情况见图4中各钻孔柱状图，其中14-53号验证钻孔揭示0～0.5 m为较发育的溶蚀性灰岩，岩芯破碎；0.5～1.8 m为黏土全充填型溶洞；1.8～3.6 m为溶蚀性灰岩，溶蚀发育明显，岩芯表层见溶槽及溶孔；3.6～11.0 m为强风化泥灰岩：灰黄、浅红色，岩芯碎块状。根据钻探成果并结合成像成果分析，深部中风化泥灰岩电阻率范围一般在280～340 Ω·m，而强风化泥灰岩相对破碎，电阻率范围一般在150～240 Ω·m，更为破碎的泥灰岩电阻率小于150 Ω·m，相应电阻率等值线密集梯级带形态也反映了风化程度的变化。根据由已知到未知的原则，对后续电阻率反演成像成果做出了更细致的推断，较好地指导了后续工作的开展。

3.2 采空区拟建场地的应用

根据前期区域性采空区及废弃矿井调查报告，该拟建场地铁矿采空区深度约−30～−40 m，大体分为2层。该拟建场地外围低矮房屋密集，同时人为干扰多，场地内可施工面积较小，无法进行高密度电法等地面物探工作。结合探测目标体埋深及场地条件，采空区勘察采用钻探工程控制结合井间高密度电阻率成像推断异常，然后指导钻探验证，进而圈定采空区的方案。

本次工作采用64通道全组合电极排列方式采集，电极间距1 m，如图2所示每孔布设32个电极，一次测量段覆盖31 m，供电电压90 V，电流＜3 A，供电电瓶电压为12 V。数据采集按照泛装置形式采集了3个测量段的电位差及供电电流，对3测量段数据按照空间几何位置拼接成反演数据文件，在ZZ RESINV反演软件中按照井间模式进行反演计算。成果解释以其中XH23号和XH22号钻孔（孔距23 m）电阻率成像为例，反演得到的电阻率断面如图6所示。

图6 XH23～XH22电阻率断面图和验证钻孔柱状图

图6 中XH23号钻孔揭示采空区1段，XH22号钻孔揭示采空区2段，结合XH23～XH22电阻率成像成果分析推断了钻孔间采空区的联通性。XH23～XH22电阻率成像成果中，上部灰岩电阻率在200～450 Ω·m，底部闪长岩电阻率大于 500 Ω·m，电阻率均较高，在蚀变带形成的矽卡岩化带附近电阻率在150～300 Ω·m，在深度−30～−38 m 及−40～−58 m 范围内推断了电阻率小于150 Ω·m的低阻异常2处。

在XH23号和XH22号钻孔间距XH23号钻孔13 m处布置了验证钻孔，验证钻孔揭示了−30～−36 m及−44～−48 m的2段采空区，证明了井间高密度电阻率成像在采空区探测中的良好应用效果和分辨率。其他井间高密度电阻率成像成果基本验证效果较好，结合钻探工作较好地圈定了铁矿采空区的空间分布，为采空区后续治理提供了依据。

4 结语

根据并行高密度电阻率反演成像的低阻异常设计了钻探验证孔，验证了推断的充填岩溶及富水采空区，说明在本次岩溶塌陷勘察中推断成果可靠。并行高密度电阻率法装置灵活，采集数据量大，工作效率高，受场地限制少，成果分辨率高，可以用于岩溶、采空区勘察等及其他工程地质工作领域。

实际工作中为采集到高质量的数据用于反演计算，得到较好的反演成果，地面装置要尽可能地降低接地电阻，井间装置要保证电极与钻孔良好的耦合。地面装置要根据探实际地质情况选择合理的电极距。井间装置与钻探工作配合进行，应结合地质条件合理布设钻孔间距及电极距。

并行高密度电阻率反演成像成果，尤其是井间装置成果，反映了钻孔间的盲区，但物探方法都存在应用的局限及推断的多解性。钻探工作准确，但存在一孔之见的片面性。工作中应尽量采用综合物探方法结合钻孔资料的方式，使探测成果更加准确，更好地服务于勘察工作。