高密度电法与大地电磁法在地质勘查中的综合应用*

李 松，张 菊，李虎杰，蔡长发

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳621000；2.中国建筑材料工业地质勘查中心广东总队，广东 广州 510000)

0 引言

高密度电法是一种以岩石和矿石之间存在电阻率差异为前提，对空间中与差异性相关的电场分布特征和变化规律进行分析的方法[1]；该法可有效查明地下不均匀电性体，被广泛应用于浅层基岩埋深、地下岩溶洞穴以及地下破碎带的调查[2-6]。王磊等[7]利用高密度电法查明了某滑坡区的地层结构、基岩埋深、富水地段以及空间展布等特征，并利用在关键点的钻探成功验证了高密度电法反演的准确性。大地电磁法利用电磁感应的趋肤效应，在场源和接收点间距不变的条件下，改变电磁场的频率以达到测深的目的[8]。喻翔等[9]利用二连盆地腾格尔坳陷南缘2条典型大地电磁法电磁测量剖面进行了二维视电阻率反演并结合已知地质资料，推断解译了中生界沉积地层的埋深、产状和空间分布等。高密度电法观测精度高，清晰直观，但探测深度小，测线布设受场地和地形影响较大。大地电磁法施工方便，探测深度大，但抗干扰能力差，分辨率较低[4]。对于重要地段，一般先采用高密度电法进行探测，并在特殊点用大地电磁法反演进行检验。本文综合高密度电法和大地电磁法反演结果，将其用于查明大垌矿区的岩溶、破碎带发育情况，并对岩溶洞穴的位置、大小和埋深进行了现场物探，最后结合部分钻探资料，对推测结果的正确性进行了验证。该成果为后期矿区内水文孔位置的确定和安全开采提供了物探依据。

1 电法工作原理

1.1 高密度电法工作原理

高密度电法是由日本地质计测株式会社提出并发展起来的新型电阻率测试方法，其工作原理与常规电阻率法相同，即基于岩石电阻率差异，研究外加电场作用下地下传导电流的变化及分布规律，据此推断地下具有电性差异的地质体或构造的空间位置[5]。其工作步骤为：首先在预先选定的测线、测点上依次布置数十个或数百个电极，然后用多芯电缆将其连接至多电极转换开关，转换开关将其组合成所选定的电极装置和电极距，进而快速完成指定电极装置下的多极距组合的断面测量[10]。高密度电法工作原理如图1所示。

图1 高密度电法工作原理示意图[11]

1.2 大地电磁法工作原理

受电磁场的趋肤效应干扰，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列时，高频部分在地表被削弱，低频则往深部传播，使得地面观察值包含了地下介质电阻率信息；通过观察地面采集的不同频率的电场和磁场信息，并对相关数据处理分析后获得大地由浅至深的电性结构。大地电磁测深方法以麦克斯韦方程组为基础[12-13]，以卡尼亚大地电磁理论为依据，该理论的基本模型为：假定场源位于高空，地面电磁场为平面电磁波，地下介质在水平方向是均匀的；定义电磁波在地下介质传播中，振幅衰减到地面振幅1/e的深度为趋肤深度或穿透深度；通过采用不同频率的阻抗来计算视电阻率，高频率下视电阻率反映浅部的电性特征，低频率下视电阻率反映深部的电性特征[14-15]。

在实际工作中，需要根据不同的勘探要求、被探测体的性质及现场工作条件选择适宜的测量装置；也可以同时选择多个装置，后期再进行对比分析，以保证探测结果的准确性。

2 区域概况

调查区位于粤桂加里东褶皱隆起带的东南缘，吴川-四会大断裂西侧，上古生代中垌-廉江复式向斜东南翼，岩层呈单斜构造，倾向为125°～130°，倾角为45°～65°。该区域主要出露泥盆系中统东岗岭组(D2d)石灰岩、白云岩、泥灰岩、钙质泥岩。钻探及地质调查资料显示，该区内各岩土层的电阻率存在一定的差异，即存在电阻率差异界面。第四系砂土的电阻率低，一般小于50 Ω·m；基岩、微风化层的电阻率较高，利用完整的地层发育发现其反映的电阻率为100～500 Ω·m。地层中发育的洞穴由于被其他物质所充填，其电阻率一般较周围地层低。电阻率差异的存在，为以电阻率差异为勘探前提的高密度电法和大地电磁法提供了有利的地球物理条件[16-17]。

3 工作方法和测线布置

本次高密度电法勘查采用DUK-2A高密度电法测量系统。根据勘探深度要求，设置电极距a=10 m，间隔系数n=1～20，供电时间t=0.5 s，每排电极布设120根。大地电磁法勘查采用GMS-07e综合大地电磁仪。

根据调查区岩层产状和地形特征，以大致垂直岩层走向为原则，高密度电法勘查按北西-南东向布置12条平行测线，按北东-南西向布置3条平行测线，测点间距10 m。大地电磁法测点间距10 m，测线方位将在高密度电法之后进行布置。测线布置如图2所示。

图2 测线布置图

4 成果解释

运用GEOGIGA、RES2DINV等对测量数据进行坏点删除、地形校正、格式转换及反演计算，绘制高密度电法电阻率等值线切片图(见图3)。在此基础上，结合地质资料对图3进行分析，推断基岩面埋深及岩溶分布和发育情况，并在关键点布设大地电磁法加以验证(见图4)。

图3 高密度电法电阻率等值线切片图

图4 大地电磁法反演图

4.1 岩土分层解释

由图3可知，存在一个较明显的电阻率界面，该界面之上主要表现为低阻特征，局部位置表现为高阻特征。反演视电阻率主要在20～150 Ω·m，A1、A5、A7、A8、A12线局部电阻率超过3 000 Ω·m。根据该地区地层电阻率特征值推测，上部覆盖层由第四系冲洪积土、基岩全风化层组成，而局部高阻特征为干燥土层或块体所致。图3中由低电阻率过渡到高电阻率的截面，可推断为覆盖层与基岩的接触面，覆盖层厚4～40 m。图4中同样出现了明显的电阻率过渡界面，上部界面深4～40 m。电阻率过渡界面以下反演视电阻率在200～40 000 Ω·m。钻探资料表明，下部基岩为灰岩，覆盖层厚2～40 m。

4.2 高密度电法低电阻异常解释

在该反演成果中，覆盖层与基岩的接触面出现多处低阻异常，主要以单个低阻异常点和串珠状异常点形式存在，推测该现象主要由溶洞引起。A6线与A9线SE侧出现条带状低阻异常，但该处低阻异常周围电阻率同样较低，且该处为采矿形成的低洼地形，有积水，无法直接推断为岩溶引起或者由采坑干扰所致，需要进一步验证。

高密度电法测线NW侧出现大量面积较大的低阻异常带，这些异常位于视电阻率反演断面图边界，推测这些异常可能为边界干扰引起，也可能为岩溶或裂隙发育引起。在该边界上布设1条大地电磁法L6线加以验证，L6线的大地电磁法反演结果显示电阻率较深，仅在局部出现低阻异常点，因此推测此异常由边界干扰引起。

在覆盖层与基岩接触面之下的岩体内部同样出现了多处低阻异常，对这些低阻异常的分析如下：

a.A1线。NW侧地下89.1 m位置出现1处较大的低阻异常区域，宽26 m，但该异常区域底部未封闭，推断由岩溶或裂隙发育引起；异常区域周围电阻率较低，亦不排除此异常由炭质地层引起。

b.A2、A3线。A2线SE侧地下79.2 m位置出现1处较大的低阻异常区域，宽38 m；A3线NW侧地下84.6 m位置出现1处较大的低阻异常区域，宽34 m；这两处异常区域底部虽然未封闭，但周围电阻率值较高，推测为岩溶洞穴发育。

c.A4、A5、A8、A9、A10线。基岩面之下未见明显的低阻异常。

d.A6、A7线相比A5、A8线，总体电阻显示较低；而A6、A7线布置在采矿形成的采坑之中，由于受积水影响，导致这两条测线总体呈低电阻特征。在A6、A7线SE侧底部约30 m位置，同时出现低电阻异常，推测此部位有1个较大的岩溶洞穴发育。

e.A11线。SE侧地下88.7 m位置出现1处较大的低阻异常区域，宽34 m，但该异常区域底部未封闭，推断由岩溶或裂隙发育引起；异常区域周围电阻率较低，亦不排除此异常由炭质地层引起。

f.A12线。SE侧地下85.2 m位置出现1处较大的低阻异常区域，宽42 m，但该异常区域底部未封闭，推断由岩溶或裂隙发育引起；异常区域周围电阻率较低，亦不排除此异常由炭质地层引起。

4.3 大地电磁法低电阻异常解释

大地电磁法共布置6条测线，低电阻异常解释如下：

a.L1测线。地表下约3 m处出现了一系列小的低阻异常点，且该测线左侧为水坑；结合钻孔揭露的基岩面埋深，推测由水坑影响所致；在L1线8号-10号点之下可见1处明显的低阻异常区域，其顶板埋深约10 m，底板埋深约45 m，周围电阻率较高，推断由溶洞引起。

b.L2测线。地表下约15 m处出现低阻异常带，推测为基岩表面出现的溶沟、溶槽、溶洞、落水洞等岩溶现象。

c.L3测线。地表下约4 m处出现一系列连续的低阻异常带，推测由土层含水导致。在10号-11号点有1处低阻异常区域，其顶板埋深约3 m，底板埋深约24 m，推断由溶洞引起。

d.L4测线。地表下约10 m处出现一系列连续的低阻异常带，推测由土层含水所致。在4号-5号点有1处低阻异常区域，其顶板埋深约3 m，底板埋深约20 m，推断由溶洞引起。在9号-11号点有1处低阻异常区域，其顶板埋深约3 m，底板埋深约60 m，推断由溶洞引起。

e.L5测线。在地表附近20 m范围内，出现明显的呈条带状的低阻异常，结合钻孔揭露的基岩面埋深，推测条带状低阻异常由土层含水所致。而位于该测线6号-8号点的低阻异常区域顶板埋深约8 m，底板埋深约44 m，周围电阻率较高，推断由溶洞引起。但该处地表下约100 m范围内，皆出现次低阻异常，推测该区有裂隙发育，且充水。

f.L6测线。该测线内未发现明显的低阻异常。

4.4 钻孔验证

后期利用多个钻孔进行检验，ZK1钻孔位于L5测线附近(钻孔位置见图2)，取芯照片如图5所示。ZK1钻孔完钻深度为100 m，取芯结果显示：上覆土层厚约8 m；在10～20 m范围内，岩芯破碎且取芯率明显较低，推测为溶洞发育区域；地下80～100 m范围内，取芯破碎，但取芯率较高，推测该区裂隙发育，且充水。由此可知，钻探所获取的地下资料与利用高密度电法和大地电磁法勘查的结果基本一致。

图5 ZK1取芯照片

5 结论

高密度电法与大地电磁法属于定性至半定量的物探方法，所做推断主要是基于电阻率的变化与圈定得来；但地球物理勘探本身存在多解性问题，为了获得更准确、更有效的解释结果，一般采用多种物探方法相互配合，发挥每一种方法的长处，从而提高物探的准确度。这就需要数据处理人员认真查阅野外记录，了解每个测点的干扰情况，排除可能由于外界因素而导致的错误反演，从而为后期正确判断调查区的地质情况打下基础。