高密度电阻率法在岩溶体探测中的应用

黄 海

（上海元易勘测设计有限公司， 上海 201203）

0 引言

在我国西南地区，引发地面塌陷的原因有可能是岩溶发育，这种地质还会对城市基础设施运营和建设安全造成严重影响，甚至危及人们的生命和财产。因此在勘测岩溶发育地区工作中，查清岩溶等地质体的埋藏深度、分布范围以及发育等情况尤为重要，避免造成塌陷的地质隐患。由于具有形态多样，分布无规律的岩溶发育特点，岩溶形成的空洞与周边地层之间存在电阻率差异的岩溶物理性质差异特点，仅靠钻探等直观的勘探方式难以准确和全面的确定其形态和分布，所以采用必要的物探方法具有必要性和可能性。

本文以重庆市巫山县桃花山管护站及摩天岭森林小镇配套设施工程为实践基础，在复杂岩溶区及溶洞发育地区运用高密度电阻率法的探测效果进行了分析与研究。实践表明，高密度比电阻法是物理探测法，数据处理后比电阻的分布特性可以反映地质岩相的分布特性，能够定性描述岩溶体的埋藏深度、分布范围以及发育等情况。在研究岩溶地质灾害时，它能实现快速准确的评估，有针对性地指出主要隐患，为岩溶体的地球物理学勘探提供一些基本数据[1]。

1 高密度电阻率法勘探原理

与常规电法一样，高密度电阻率法同样利用了地下介质间的电导率差异，经由2 个电源电极A、B(电流为I)向地线供电，测定2 个测量电极M、N的电势差△U，求出该记录点的视电阻率值ρs = K*△U/I。计算、处理和分析所测量的相对电阻曲线数据。通过这个，可以直观地理解勘探地区的地层的电阻分布，再根据其他相关地质资料，针对性的解决工程地质问题。

实际上，高密度电阻率法是结合电剖面法与电测深法两种地球物理勘探方法而形成的新的物探方法，它的优点是，一次性布设几十、几百甚至上千根电极，通过程序控制的方式自动完成供电和测量过程，从而快速完成采集野外数据[2]。由于采集的数据信息量巨大，相比传统地球物理勘探的电阻率法而言，具有采集时间短、数据精度高等优点，具有良好的工程经济价值。

根据不同的地质条件和检测目的，所选择的高密度电阻率法的形式略有不同。一般使用的设备有温纳设备、微分设备、偶极设备、施伦贝尔设备、三极、二极、圆形设备等。

2 高密度电阻率法施工方法技术

探测仪器采用中装集团重庆地质仪器厂生产的DUK-2 型高密度电阻率仪，该仪器采用程控开关，采集和切换均由主机程控，无需要人为干预，可组成四极、单边三极等装置形式；内置程控恒流供电，最大供电电压450V，最大测量电流2A，满足野外作业需要。

2.1 外业工作方法及原理

➢按一定的等间距将全部电极沿已经确定的待测剖面全部布设完毕；

➢通过多芯专用电缆将电极连接到多电极转换器；

➢由电极开关传送到多功能直流电测量器，用于测量。

2.2 高密度电阻率法测量

为确保按期保质完成野外数据采集工作，测线线路勘察工作由一名技术员先于高密度电法数据采集工作进行。测点的布设是先确定测线的起点，上一个排列的终点就是下一个排列的测点位置，然后依次往测线方向移动测量。

定点工作的方法是：根据工区布置图及野外实际地貌情况，利用GPS、罗盘、皮尺确定测点位置，并在每个点位采用定桩，用写上对应测点号的红色丝带捆绑做标记。

按设计要求一次性布设电极完成之后，需要检查电极接地情况，对于接地电阻大于1000 欧姆的电极可以采取浇水的办法来降低，如果没有效果，可采用就近移位的方法。必须使两电极之间接地电阻小于1000 欧姆时才开始测量。为了消除干扰和确保数据的真实可靠，针对测量过程中发现的异常值点，必须进行多次重复测量。

在工作中选派有丰富经验的工程师操作仪器，详细记录野外工作过程及异常信息，在必要时调整工作方案，以有利于对不良地质体的识别和追踪。

2.3 高密度电阻率法数据处理结果

通过对现场采集的原始数据实施二维反演，由实测的视电阻率值得到视电阻率的分布图像。再进行内业计算机处理，可以直观清晰地将结果用图件表示出来。因为电子成像使用了丰富的信息和非剖面性反演，所以得到的结果的分辨率比传统的电子探测要高得多。在确定勘探目标地区地下障碍物、不良地质体、分界面等方面非常有效。

3 项目实例

为了勘察测区异常地质体的埋深和规模等问题，为建设方案的比选及工程设计提供基础资料。在项目设计阶段，进行了前期野外踏勘，通过现场了解地形地貌特征及地层产状，在充分考虑了测区的地球物理差异等诸多因素的情况下，本次工作采用高密度电阻率法微分装置断面扫描方法，如图3-1所示。

图3-1 微分装置断面扫描示意图

测量时，AM、MN 和BN 具有相等的电极间隔，检测深度为AB / 2, A、B、M 和N 同时一个一个地向一个方向移动，以获得原始配置文件数据层；其次，AM, MB, BN 增加电极间隔，探测探测深度为AB/2，A、B、M、N 逐个点位同时向一个方向移动，得到第二层剖面线数据；这样电极间隔将继续扩大，扫描测量将继续，现场采集数据将变成倒梯形的地质剖面。

根据本次探测目的层的深度，高密度电法采用点距5m、微分装置、最大隔离系数16、最大电极数60 等参数。

本测区场地地层情况为三叠系下统嘉陵江组(T1j)地层，为以灰岩为主的沉积岩，；第四系覆盖层以黄色残坡积粘土为主，一般1m 以内，局部可达1-2m，。

本测区场地地形情况位北部是东西走向山脊，基岩出露较明显，中部为山沟覆盖层相对较厚。

4 资料的处理方法

4.1 数据处理流程

高密度电阻率法数据处理的数学模型实质是，建立对应的理论计算值与实测视电阻率值在一定法则下重合最好一个地电模型。根据资料，现场所测视电阻率资料为二维数据断面，在电法资料解释中应用最小二乘法效果最好，故本次资料处理采用的二维反演方法为最优化算法中的阻尼最小二乘法。

其具体处理流程：给出实测视电阻率离散值-->根据已知物性资料，确定地电模型，给出地电模型初值-->正演计算得到地电断面理论值-->计算拟合差，判定理论计算值和实测电阻率的拟合程度-->拟合差是否符合给定精度?(改模型重新计算)-> 最后一次迭代计算的地电模型参数即为最终解释结果-->输出解释结果

4.2 干扰压制与滤波处理

高密度比电阻法与传统的比电阻法相同，用两个电源电极A、B 供电I来计算电阻率，利用两个电极M、N 测量电位差狄拉克ΔV 而获得。通过下式求得测点x处的视电阻率值。

式中：K 为装置系数

为了简化异常形态和增加推断解释的准确性，还可以对数据进行滤波处理，滤波处理的作用不仅仅是针对随机高频干扰进行消除，更重要的是有效的减弱数据剖面中的震荡部分。

4.3 数据处理与分析图件绘制

高密度电阻率法资料采用骄佳公司Geogiga RImager 软件进行处理，主要进行了畸变点剔除、滤波、地形数据输入、地形改正和电阻率反演等。数据的解释遵循从已知到未知的原则。结合高密度电阻率图和收集的地质及挖掘数据，通过计算和分析推测地质特征和地质本体埋藏深度。

5 成果解释推断

5.1 WT1 剖面

该测线推断土层及强风化层厚度在0.9m～8.1m 之间，局部呈槽状。

该剖面上共划分出3 个较明显的低电阻率异常，依次编号为Y1-1、Y1-2和Y1-3。

位置：Y1-1 距测线起点29.6m-37.6m，埋深0m-10.8m。Y1-2 距测线起点47.2m-69.0m，埋深0m-12.9m。Y1-3 距测线起点78.2m-88.3m，埋深0m-13.0m。

特征：Y1-1、Y1-2、Y1-3 在剖面上均显示为低阻异常，推断为岩溶发育。

该剖面下伏基岩主要为灰岩。

图5-1 WT1 剖面

5.2 WT2 剖面

该测线推断土层及强风化层厚度在0.9m～10.8m 之间，局部呈槽状。

该剖面上共划分出1 个较明显的低电阻率异常，灰岩地层用Y 标示。

位置：Y2-1 距测线起点111.6m-147.8m，埋深0m-13.1m。

特征：Y2-1 在剖面上均显示为低阻异常，推断为岩溶发育。

该剖面下伏基岩主要为灰岩。

图5-2 WT2 剖面

5.3 WT3 剖面

该测线推断土层及强风化层厚度在0.6m～12.7m 之间，局部呈槽状。

该剖面上共划分出1 个较明显的低电阻率异常，灰岩地层用Y 标示。

位置：Y3-1 距测线起点191.6m-203.8m，埋深1.1m-21.3m。

特征：Y3-1 在剖面上均显示为低阻异常，且呈带状，推断为裂缝发育。

该剖面下伏基岩主要为灰岩。

图5-3 WT3 剖面

6 结论

本次物探工作基本查明了测区内岩溶及裂缝的埋深和规模等异常工程地质问题。为后续的开发建设设计提供了基础资料。因测区位于西南地区，具有基岩为灰岩且发育良好的资质特征，故采用高密度电阻率法探测异常地质体的效果良好。