高密度电阻率法在水库坝址区勘查中的应用

汤 磊, 张 琦

(湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南 长沙 410116)

1 引言

大坝选址是兴建水利水电工程的重头戏，一项重要工程的坝址选择，受到自然地理和地质条件等诸多因素的制约。坝址选择得当，有利于工程布局，施工，节省工程投资；选择不当，引发一系列伴生问题，如诱发断层活动，导致地震、滑坡和渗漏等不良后果，带来严重的安全隐患[1-2]，因此，有必要对坝址区进行科学合理的地质勘查。而高密度电阻率法是同时具有电剖面和电测深相结合的方法，与传统的电阻率法相比，具有成本低、效率高、信息丰富、解释更加方便、横向和纵向分辨率高等特点。近年来，此方法在大坝选址勘查中取得了明显的效果[3-5]。

2 地质概况及地球物理特征

根据收集工程区区域地质资料，场地地表第四系为残坡积层粉质黏土(Q4el)，第四系冲积卵石层(Q4al)，下伏基岩为泥盆系跳马涧组(D2t)灰岩和白云质灰岩。

2.1 地层岩性

测区内沿线出露地层为：

第四系(Q)：残坡积层(Q4el)，主要分布在探测区域山体斜坡，褐黄色-褐灰色粉质黏土，厚度约2～7 m。冲积卵石层(Q4al)，主要分布在探测区域沟谷缓坡及河流两侧，褐黄色-褐灰色黏土，卵石粒径一般为2～10 cm，厚度约5～18 m。

灰岩(D2t)：勘查区内广泛分布，灰色、深灰色厚至巨厚层灰层，生物碎屑灰岩，夹白云岩，白云质灰岩，局部含燧石结核。岩溶裂隙较为发育，区内地势高处(斜坡、山顶)大面积出露。

2.2 地球物理特征

场地覆盖层主要为第四系黏土，电阻率较低，一般<100 Ω·m，灰岩电阻率较高，一般102～104Ω·m，含水裂隙、构造带的电阻率相对较低，物性差异明显，具有较好的地球物理条件。

3 高密度电法基本原理及工作方法

3.1 基本原理

高密度电阻率法是以岩、土导电性的差异为基础，研究在人工施加稳定电流场的作用下，地中传导电流分布规律的一种物探方法，因此，它的理论基础与常规电阻率法相同，所不同的是观测技术，由人工向地下供电，在地下形成稳定的电流场(如图1)。高密度电阻率法野外测量时只需将全部电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集，将测量结果输入微机后，可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。

图1 高密度电法测量电场分布示意图

3.2 工作方法技术

本次勘查投入的设备为重庆地质仪器厂生产的DUK-2B型高密度电法观测系统，采用温纳-施伦贝尔四极装置观测系统，区域A布置3条测线，测线线距为20 m，测点距离为5 m，3条测线平行布置。仪器最大观测层数18层，探测深度达50 m，供电电流大于800 mA，供电电压大于450 V。观测前进行接地电阻检查，对大于2 kΩ的电极进行浇灌盐水处理，保证一次场电流在100 mA以上，一次场电位差在50 mV以上。若发现观测异常及时进行重复测量，保证观测数据的准确性。

4 资料处理与成果解释

4.1 解释方法

在视电阻率等值线图上，岩溶发育区的异常特征是整体高电阻率区域里存在局部低阻区或低阻畸变，纵横向梯度大，局部低阻区与近地表低阻体相连，往往发育溶洞、溶槽。强风化带岩体视电阻率等值下凹，视电阻率等值线下部稀疏并伴有闭合圈等现象的低阻异常多为岩体风化程度高，岩体破碎引起；而中、微风化带岩体视电阻率等值下凹、稀疏，异常范围较窄，则多为裂隙发育；视电阻率高低阻明显分界线则多为断层破碎等地质构造引起。

最后根据视电阻率等值线图圈定划分岩层界面及异常划分。资料解释时要排除地形陡坎、基岩裸露使电极接触不良等引起的假异常，并结合各剖面相应地段的地质特点(如微地貌、地层、岩性、构造、含水条件等)进行综合解释推断。

4.2 资料处理

高密度电法数据应用骄佳(Geogiga RImager)专业软件将野外采集的数据导入计算机，与野外记录仔细核对后，对个别畸变点进行剔除或圆滑处理，数据重叠部分采用平均值替代，对起伏地形进行校正，以消除地形起伏造成的影响，最后生成视电阻率反演断面图，为资料解释提供基础资料。

4.3 1线综合成果解释

从图2可看出覆盖层厚度约为0～20 m，视电阻率50～5 000 Ω·m之间，下伏灰岩，该段共发现7处低阻异常。在17～20号测点之间，标高322～310 m，标高297～281 m之间，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，呈“V”字形展布，一直往深部有延伸，解释为岩溶发育区A1；在19～26号测点之间，标高317～267 m，有两侧相对高阻中间夹低阻异常特征，一直往深部有延伸，解释为断层破碎带F1，走向北西，倾向西南，倾角约70°，破碎带宽度约15 m；在34～43号测点之间，标高310～254 m，有高-低阻异常错位特征，解释为断层破碎带F2，走向北西，倾向北东，倾角约70°，破碎带宽度约20 m；在51～56号测点之间，标高288～278 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，往深部略有延伸，在61～64号测点之间，标高290～276 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，往深部略有延伸，在66～68号测点之间，标高300～290 m，有相对低阻区域，解释为岩溶发育区A2；在79～85号测点之间，标高355～316 m，有“V”字形相对低阻异常，解释为岩溶发育区A3。

图2 1线综合解释断面图

4.4 2线综合成果解释

从图3可看出覆盖层厚度约为0～20.6 m，视电阻率50～4 500 Ω·m之间，下伏灰岩，该段共发现7处低阻异常。在20～28号测点之间，标高316～263 m，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，视电阻率梯度变化较大，等值线密集且往深部略有延伸，解释为断层破碎带F1，走向北西，倾向西南，倾角约70°，破碎带宽度约15 m；在35～45号测点之间，标高308～255 m，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，等值线一直往深部延伸，解释为断层破碎带F2，走向北西，倾向北东，倾角约70°，破碎带宽度约20 m；在51～56号测点之间，标高292～282.5 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，在58～61号测点之间，标高297～283 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，在65～68号测点之间，标高297～286 m，有宽缓的“V”字形低阻异常，解释为岩溶发育区A2；在79～84号测点之间，标高339～308 m，有“U”字形低阻异常，在84～87号测点之间，标高362～348 m，有相对低阻异常，解释为岩溶发育区A3。

图3 2线综合解释剖面

4.5 3线综合成果解释

从图4可看出覆盖层厚度为0～21.2 m，视电阻率50～4 000 Ω·m之间，下伏灰岩，该段共发现8处低阻异常。在18～21号测点之间，标高285～268 m，有相对低阻异常，在20～23号测点之间，标高316～303 m，有相对低阻异常，解释为岩溶发育区A1；在21～30号测点之间，标高316～265 m，有高-低阻异常错位特征，视电阻率梯度变化较大，解释为断层破碎带F1，走向北西，倾向西南，倾角约70°，破碎带宽度约15 m；在36～46号测点之间，标高308～255 m，有两侧相对高阻中间夹低阻异常，且高-低阻异常错位特征明显，等值线一直往深部延伸，解释为断层破碎带F2，走向北西，倾向北东，倾角约70°；在53～56号测点之间，标高291～284 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，在57～62号测点之间，标高296～281 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，在66～71号测点之间，标高297～283 m，有宽缓的“U”字形低阻异常，解释为岩溶发育区A2；在77～82号测点之间，标高333～312 m，有“U”字形低阻异常，在85～88号测点之间，标高352～339 m，有相对低阻异常，解释为岩溶发育区A3。

图4 3线综合解释剖面

4.6 平面综合成果

根据三条高密度电法测线数据，结合当地的地质背景资料，在成果平面图5中圈定了三处岩溶发育带(A1、A2、A3)，其中A1推测岩溶发育程度中等，岩溶形态以溶沟、溶槽发育为主，局部发育串珠状小溶洞；A2推测岩溶发育程度中等～强发育，岩溶形态以溶沟、溶槽发育为主，局部发育溶洞；A3推测岩溶发育程度较为强烈，推测溶沟、溶槽、溶洞均较发育。推测该区域内存在2条隐伏断层破碎带(F1和F2)，F1位于探测区域东北侧，性质不明，走向北西，倾向西南，倾角约70°，破碎带宽度约15 m；受其影响，断层破碎带范围内岩体相对破碎，溶蚀裂隙发育。F2位于探测区域中西部，性质不明，走向北西，倾向北东，倾角约70°，破碎带宽度约25 m；受其影响，断层破碎带范围内岩体相对破碎，溶蚀裂隙发育。对岩溶发育区进行了钻孔验证，YZ01号钻孔位于1号测线62号电极A2岩溶发育带内，在进尺28 m深度处均揭露有溶沟和溶槽发育，YZ02号钻孔位于2号测线81号电极A3岩溶发育带内，在进尺23 m深度处均揭露有溶沟和溶槽发育。

图5 高密度电法综合成果平面图

5 结论

本次物探工作初步探明了勘查区内的岩溶发育规模、位置及空间分布，对物探异常区域进行了钻孔验证，均为岩溶发育区域，取得了良好的勘查效果，达到了地球物理勘查的具体任务要求。

高密度电法在大坝选址工程勘察中能较好地查明第四系覆盖层厚度，通过视电阻率的高低阻异常特征变化趋势，能有效圈定岩溶裂隙和断裂破碎带的位置和深度，为大坝选址、设计和施工提供重要的地球物理依据。