高密度电法在溶洞探测中的应用

潘纪顺　王晓雷

摘 要：地下溶洞易引发建筑物沉降、地面塌陷等灾害，为保障安全，在施工前进行溶洞勘察很有必要。高密度电法因其操作方便、探测准确，在溶洞探测中得到广泛应用。通过高密度电法在南方某机场溶洞探测中的应用，结合地质资料，明确了工区电性异常的分布情况，圈定了多个异常靶区，查明了隐伏岩溶分布范围，指导钻探验证工程，为工区地质环境保护与治理提供了可利用的直接依据。根据钻探结果，印证了高密度电法在溶洞探测中的有效性。

关键词：高密度电法;溶洞探测;温纳

中图分类号：U442.2     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）3-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.007

Application of Electrical Resistivity Tomography Method in Karst Cave Detection

PAN Jishun    WANG Xiaolei

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Underground karst cave is easy to cause disasters such as building settlement and ground collapse. In order to ensure safety， it is necessary to carry out karst cave survey before construction. Electrical resistivity tomography method is widely used in karst cave detection because of its convenient operation and accurate detection. By expounding the application of electrical resistivity tomography method in karst cave detection of an airport in South China， combined with geological data， the author defines the distribution of electrical anomalies in the work area， delineates multiple abnormal target areas， finds out the distribution range of concealed karst， guides drilling verification engineering， and provides an available direct basis for geological environment protection and treatment in the work area. According to the drilling results， the effectiveness of electrical resistivity tomography method in karst cave exploration is confirmed.

Keywords： electrical resistivity tomography; cave detection; wenner

0 引言

我國岩溶地貌分布广，溶洞是岩溶发育地区的主要不良地质现象[1]。为保障安全，在施工前进行溶洞勘察很有必要。高密度电法集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，是灰岩地区寻找土洞、溶洞及构造破碎带最有效的物探方法之一[2]。

1 工区概况

1.1 地形地貌

工区原始地貌属于剥蚀残丘地貌，场地基岩岩性大部分为泥晶灰岩、生物屑灰岩、白云质灰岩，局部为泥质页岩、粉砂岩、钙质泥岩和泥岩夹薄层灰岩。覆盖层厚为4.60～23.20 m，主要由素填土、耕植土、粉质黏性土构成。工区地形较平坦，地貌类型单一，地形地貌条件简单，对工程建设影响小。

1.2 气象水文

工区所在地区属暖湿中亚热带季风气候区，具有复杂多变的山区气候特征，气候温暖、湿润、多雨。

工区年均降雨量为1 783.8 mm，年均蒸发量为1 277 mm，平均相对湿度为76%，年均气温为20.0 ℃，全年无霜期300多天。

1.3 地层岩性

工区的地层由老到新有3种。①泥盆系上统天子岭组（D3t），隐伏于第四系坡残积层之下，钻孔揭露到的岩性主要为灰色灰岩，隐晶质结构，岩芯呈短柱状，主要成分为方解石，为少量为泥炭质物。②泥盆系上统帽子峰组（DCm），被第四系残坡积层覆盖，未见出露。该地层位于帽子峰组地层中下部，岩性变化大，中部为灰白色厚层状石英砂岩，下部为黄色泥质页岩、紫色薄层状细砂岩夹薄层灰岩。钻孔揭露的粉质黏土中均含有砂页岩风化碎屑颗粒。③第四系全新统大湾镇组（Qdw），岩性主要为砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、粉砂岩、泥岩，总厚度约为10 m。

1.4 地质构造

工区中部有一条推断的北东向32°断裂构造通过，区内其他断裂构造不发育，距离区域性深大断裂较远，断裂对工区地质构造影响较小。但受区域构造影响，工区内岩石节理裂隙较发育。

1.5 地球物理特征

第四系残坡覆盖层一般含水性较强，电阻率较低，通常在1～100 W·m;而完整的微风化灰岩电阻率极高，一般在100 n～1 000 nW·m;如果灰岩遭受强烈溶蚀作用，即发育溶洞，溶洞内充填物电阻率将明显低于周围岩体，与覆盖层电阻率相当;若溶洞内无填充，则电阻率和完整灰岩相当。

2 高密度电阻率法工作原理

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，它以岩、土体的导电性差异为基础，研究在人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流的分布规律。野外测量时只需要把全部电极（几十至上百根）置于观测剖面的各个测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪就能够实现数据的快速、自动采集。将测量结果送入微机后，还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[3]。

地球物理勘探是目前岩溶地质勘查最常用的方法，其中高密度电法又因分辨率高、效率高、获取信息丰富、解释方便、成本低，成为有效探测地下溶洞的重要地球物理方法之一，在工程物探、古墓探测等领域均有较好的应用效果[4]。

高密度电阻率法以岩、土体的电性差异为基础，兼具电测深与电剖面的特点，因此可以更全面地反映地电信息。

虽然高密度电阻率法的原理与常规电阻率法相同，但与常规电阻率法相比，高密度电阻率法具有3点优势。

①电极一次性布设完成，从而减少了人为干扰的可能，奠定了野外快速、自动测量的基础。

②通过一次测量完成多种电极排列的数据采集，可以获得更加丰富的地质信息。

③与常规电阻率法相比，高密度电阻率法效率高、成本低、解释方便。

目前，高密度电阻率法的装置类型有10多种，常用的主要包括温纳装置、偶极-偶极装置、温纳-斯伦贝谢装置等，需要根据工区的地质情况、探测目标体的类型做出相应的选择[5]。

探测采用的温纳装置如图1所示，A、M、N、B等距排列，A、B为供电电极，M、N为测量电极。视电阻率表达式为式（1）。

ρ=k∆U/I  （1）

式中：ρ为视电阻率;∆U為测量电极M、N之间的电位差;I为供电电流强度;k为装置系数，可由式（1）推出。

通过供电电极A、B向地下供入电流I，由于地下物体电阻率不均一，因而会引起地下电流密度分布不均，在地表测量接收电极M、N之间的电位差∆U，利用式（1）计算视电阻率，根据不同深度视电阻率的变化情况，即可推测地下溶洞或溶蚀区分布状况。此种方法的原理十分简单，能够得到直观的图像，分辨率也非常高[6]。

温纳装置跑极方式为逆向斜测深，如图2所示。

当给定实接电极数时，每一层剖面上的测点数可以由式（3）计算得到。

D=P−（P−1）∙n （3）

式中：n为剖面层数;P为实接电极数，即测线上的电极总数;P为装置电极数，温纳装置取4;D为剖面n上的测点数。

3 野外工作方法与技术

高密度电法测量工作使用的仪器为瑞典ABEM公司生产的Terrameter LS型高密度电法仪。该仪器不仅重量轻、使用方便，还具有内置的Lund成像系统功能，可以实时显示采集的多电极电阻率图像，能加强对现场数据质量的把控。

本次测量选用4×21模式，即同时连接4根电缆，编号1～4，每根电缆21个电极，编号1～21，其中电缆相连处2个电极（21号电极与1号电极）置于同一位置，共61个电极点。主机放在排列中间，电极间距为5 m，一次排列最大测量长度为400 m，采用滚动测量的方式，每次向前滚动200 m，直至达到剖面总长度。

根据现场情况，测线均按照方位角148°布设，前期完成测线9条，线距20 m，后根据探测结果加测7条测线。探测共完成测线16条，剖面总长为9 900 m。

4 物探成果推断解释

数据处理阶段，首先使用瑞典的res2d软件将滚动测量的数据进行拼接，形成完整的断面图，并进行跳点、负值点的处理，然后使用加拿大Geogiga公司的RImager电阻率层析成像软件对数据进行反演计算，并成图输出。

基于篇幅，选取测线1、测线12与测线14进行说明。纵坐标0表示设计标高（高程86 m），正值表示高于设计标高，负值表示低于设计标高，取纵坐标的一半作为探测深度。

测线1全长600 m（桩号0-600），由图3测线1的反演结果可以看出，在240桩号下方存在明显的低阻区域，后续的钻井资料（见表1）也证明在该位置存在被软塑状粉质黏土充填的溶洞。

测线12全长500 m（桩号200-700），由图4测线12的反演结果可以看出，在330桩号下方存在明显的低阻区域，后续的钻井资料（见表1）也证明在该位置存在被软塑状粉质黏土充填的溶洞。

测线14全长500 m（桩号200-700），由图5测线14的反演结果可以看出，在390桩号下方存在明显的低阻区域，后续的钻井资料（见表1）也证明在该位置存在被软塑状粉质黏土填充的溶洞。

图6为高密度电法低阻球形异常理论计算ρ断面图。球形异常实际半径为3 m，但在温纳断面图中ρ异常直径基本达到20 m，可见高密度电法存在明显的体积效应。这一点在探测结果中也有明显的表现，剖面异常范围数倍于钻探结果。因此，高密度电法探测的结果需要通过借助地质、钻探和其他手段来确认溶洞的实际规模[7]。

5 结语

通过对高密度电法野外数据的正反演分析计算，明确了工区电性异常的分布情况，圈定了多个异常区，查明了隐伏岩溶的分布范围，指导钻探验证工程，为工区地质环境保护与治理提供了可利用的直接依据。通过对高密度电法测量结果进行研究，辅助钻探工程手段，证实了该方法技术勘查效果较好。

参考文献：

[1] 尹极，王晓东，程邈，等.高密度电阻率法在果香峪溶洞勘查中的应用效果分析[J].CT理论与应用研究，2011，20（3）：301-310.

[2] 张腊根，刘基.高密度电法在岩溶路基勘察中的应用[J].土工基础，2006（5）：69-71.

[3] 刘国兴.电法勘探原理与方法[M].北京：地质出版社，2005.

[4] 李强，张晓峰.高密度电法在工程岩溶勘探中的模拟与应用[J].能源研究与管理，2020（4）：111-115，120.

[5] 王志鹏，刘江平，李小彬.高密度电法对不同溶洞探测效果模拟[J].科学技术与工程，2019，19（27）：74-80.

[6] 韦俊丁.高密度电法在岩溶塌陷地质灾害调查中的应用[J].地球，2016（3）：423-424.