高密度电法针对垂向发育裂隙的方法选择及反演参数调整应用

陈开银，熊英举

（贵州省地矿局 111 地质大队，贵州 贵阳 550008）

1.勘探区概况

勘探区位于兴义市清水河镇联丰村依布鲁组，为溶蚀、侵蚀中低山地形地貌。覆盖层为黄褐色粉质黏土，稍湿，中密，厚0～0.5m，下伏三叠系中统关岭组（T2g）薄至中厚层白云岩，局部地段为厚层至块状结构，岩层呈水平状产出，层间结合较好。

勘探区地下水资源稀缺，当地居民饮水困难，根据《贵州省水利建设“三大会战”地下水开发利用（机井）工程2015年年度实施方案》，为兴义市清水河镇联丰村依布鲁组实施机井工程（找水打井），并为其提供清洁、安全的地下水水源。基于此，笔者在该区域开展高密度电法测量工作，以寻找地下水富集区域进行钻探取水，解决当地老百姓饮水难的问题。

勘探区位于斜坡台地上，在测区东面约两公里有一深切谷河流发育，与测区相对高差较大，根据地形地貌及岩层产状判断地下水大体向东排泄，因此拟定测线沿近南北向布设，其测线布置如图1 所示：

图1 勘探区测线布置图

2.方法概况

高密度电法起源于20 世纪70 年代末期的阵列电法探测思想，英国学者Johansson 博士设计的电测深系统实际上就是高密度电法的最初模式［1］。在高密度电法研究初期阶段，电极排列方式主要是温纳、偶极、微分三种类型。20 世纪80 年代中期，日本成功实现了电极自动“切换装置”，使高密度电法实现了全面自动化，但是由于整体设计不够完善，没有充分显示出高密度电法的优越性。直到20 世纪9 年代，随着电子计算机的普及和发展，其优点才被人们认可。经过20 多年的发展，高密度电法勘探能力得到明显提高，效率大大增加并在各方面均取得了长足进展。我国地矿部门在20 世纪80 年代后期才开始对高密度电法及其应用技术进行研究，到90 年代初期，长春科技大学成功研制了由高密度工程电测仪和程控多路电极转换器的数据自动采集系统，使该项技术在国内达到了实用化程度。其后，电极转换开关也实现了由机械式向单片机控制的改进。现在，国内高密度电法仪电极转换开关已具有机械式、电子式、分布智能式等多种形式，其中，多道并行分布式高密度电法系统具有中国自己的特色，达到国际先进水平。

高密度电阻率法的基本理论与传统的电阻率法完全相同，所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点，现场测量时，只需将全部电极布置在一定间隔的测点上，由主机自动控制供电电极和接收电极的变化，完成测量［2］。在设计和技术实施上，高密度电法测量系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，而且电极之间可自由组合，这样就可以提取更多的地电信息，使电法勘探能像地震勘探一样使用多次覆盖式的测量方式［3］。与常规电法相比，高密度电法具有以下优点：电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差；能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息；数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误；可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，大大提高了电阻率法的智能化程度；可以实现多参数测量，同时观测电阻率、极化率和自然电位，能获取地下丰富的地电参数，从不同电性角度对地下结构进行刻画。由此可见，高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的勘探方法［4-5］。

高密度电阻率法是一种以地质目标体和围岩介质间的电性差异为基础进行勘探的地球物理方法。近年来，随着其高效的工作效率及可靠的测量效果，已广泛应用于地下水资源勘探、岩溶管道及各类工程地质勘探中。高密度电阻率法有多种电极排列方式，如温纳装置、偶极装置以及微分装置等。本文以实例分析对比温纳装置和微分装置分别采用不同的垂向水平滤波比时在地下水勘探中的应用效果。

3.成果分析

在地质调查结果及现场地形地貌的综合指导下本次物探测量共布设一条测线，测线长度600 m，点距10 m，分别采用温纳装置及微分装置进行测量，并通过改变反演参数垂向水平滤波比的大小得到4 条反演断面图，如下图所示：

由图2 的垂向水平滤波比为1 的温纳装置反演断面图可知，ρ 值主要分布在50～10000Ω·M 区段内，大致呈层状分布。纵观整条反演断面，没有明显的低阻异常体存在，表现为下伏基岩较为完整，不能确定地下水相对富水区域；

图2 垂向水平滤波比为1 的温纳装置反演断面图

由图3 的垂向水平滤波比为1 的微分装置反演断面图可知，ρ 值主要分布在50～10000Ω·M 区段内，大致呈层状分布。纵观整条反演断面，同样没有明显的低阻异常体存在，表现为下伏基岩较为完整，不能确定地下水相对富水区域；

图3 垂向水平滤波比为1 的微分装置反演断面图

由图4 的垂向水平滤波比为2 的温纳装置反演断面图可知，ρ 值主要分布在50～10000Ω·M 区段内，大致呈层状分布。纵观整条反演断面，同样没有明显的低阻异常体存在，表现为下伏基岩较为完整，不能确定地下水相对富水区域；

图4 垂向水平滤波比为2 的温纳装置反演断面图

由图5 的垂向水平滤波比为2 的微分装置反演断面图可知，ρ 值主要分布在50～10000Ω·M 区段内，大致呈层状分布。纵观整条反演断面，在测线300 m（Y1-1 异常点）附近有一垂向低阻条带发育，发育宽度较小，发育深度由浅到深向深部发育，该异常带与围岩体视电阻率值差异明显，推测为垂向发育的节理裂隙，含水性较好，结合该勘探区域的地质资料及地形地貌综合分析确定该位置为地下水相对富水区域，定为钻井孔位。

图5 垂向水平滤波比为2 的微分装置反演断面图

由以上对图2～5 析结果可知，当垂向水平滤波比为1 时，两种测量装置反演断面形态基本相近，均表现为下伏基岩较为完整，整条断面没有明显的低阻异常体存在，不能确定钻井孔位；当垂向水平滤波比为2 时，温纳装置反演断面形态与垂向水平滤波比为1 时的反演断面相类似，而微分装置的反演断面图在测线300 m 附近有一垂向低阻条带发育，与围岩体视电阻率值差异明显，推测为垂向发育的节理裂隙，含水性较好，该位置定为地下水钻井孔位。经后期钻探验证，该垂向低阻条带确实对应为一垂向节理裂隙发育带，富水性较好，出水量为400 t/d，切实地解决了老百姓饮水难的问题。

4.结论与建议

笔者由此次测量结果分析认为在物探测量中微分装置相对于温纳装置在对垂向发育的节理裂隙具有更高的分辨率；垂向水平滤波比越大，对垂向发育的节理裂隙勘探分辨率越高。

由以上分析结果可知对于不同的目标地质体其物探方法的选定及反演经验的积累是至关重要的，因此在实际物探测量中需要充分了解目标地质体的发育性质并设计相应的物探方法进行测量以达到事半功倍的效果，完满地完成勘探测量任务。