高密度电阻率法在某地区含水构造勘查中的应用

2013-10-10季洪伟龚育龄

东华理工大学学报(自然科学版) 2013年1期

季洪伟，龚育龄，王粤

(东华理工大学勘察设计研究院，江西抚州 344000)

高密度电阻率法是以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地层中传导电流分布规律的一种电探方法。因此，它的理论基础与常规电阻率法相同，所不同的是方法技术。高密度电阻率法野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)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，当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。显然，高密度电阻率勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步(王粤等，2012)。

1980年代后期，我国地矿部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究，从理论与实际结合的角度，进一步探讨并完善了理论及技术方法。近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝址及桥墩选址、采空区、岩溶区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的效果(屈燕微，2008;杨志鹏，2007;杨发杰，2004;董浩斌，2003;刘晓东，2001;吴信民等，2013)。

利用高密度电法并结合已知地质资料，推断出断裂构造带的宽度、深度、倾向等情况，分析断裂构造带的含水性，为下一步地温测量及钻孔勘探的施工设计提供依据及建议。

1 原理及工作方法

1.1 高密度电法基本原理

高密度电法的基本工作原理与常规电阻率法大体相同。它是以岩土体的电性差异为基础的一种电探方法，根据在施加电场作用下地层传导电流的分布规律，推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况(杨发杰等，2004;戴盈磊等，2012)。通过A、B电极向地下供电流，然后在M，N极间测量电位差 Δν，从而求得该记录点的视电阻率值 ρ=KΔν/I，K为装置系数。根据实测的视电阻率剖面，进行计算、处理、分析，便可获得地层中的视电阻率分布情况，从而可以划分地层、确定地层电阻率异常的位置等(宋希利等，2010)。

1.2 高密度电法特点

高密度电法勘探是1980年代日本地球物理工作者为适应山地物探的需要而提出的一种电法勘探新技术，其基本原理与常规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，然后进行观测(任妹娟等，2009)。在设计和技术实施上，高密度电测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覆盖式的测量方式。与常规电法相比，高密度电法具有以下优点:

(1)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;

(2)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;

(3)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;

(4)可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度(邓超文，2007)。

2 应用实例

2.1 工区概况

工作区处于河源盆地西缘，东江中游河谷右侧低山丘陵与三级阶地接壤地带，区域地势北高南低，局部地势西高东低。测区近地表分布主要以粘性土为主的素填土、冲积的砂、砾石、粘性土和泥质粉砂岩风化残积的砾质粘土;下覆基岩岩性主要为砾岩、粉砂岩、炭质泥岩等。工作区分布的断裂构造主要呈北东走向，其中河源断裂规模最大，其他北东向断裂呈断续展延，规模较小。区内赋存的地下水较为发育，主要受北东向断裂控制，属松散岩类孔隙水、玄武岩孔洞隙裂隙水和块状、层状岩类裂隙水。

2.2 工作方法技术

2.2.1 测线布置

根据地形条件和设计要求，本次勘察的测线分布情况为:平行于河源大断裂布线4条，极距5 m，垂向布线 1条，共完成剖面 5条，测线总长1 475 m，物理点2 760个，具体见表1。

2.2.2 装置选择

本次勘查采用的测量仪器与设备为中装集团重庆地质仪器厂生产的DUK-2高密度电法测量系统，由重庆市计量测试单位校准合格，其主要性能指标满足《电阻率测深法技术规程》(DZ/T0072—93)和本次勘探的要求。数据采集时使用电极总数为60，供电电压180 V，装置变换由软件控制。出工前和收工前进行的仪器检查表明，仪器性能稳定，工作正常。

本次勘探的参数经试验为:电极距a=5 m，最小隔离系数为n=1，最大隔离系数n=16，供电时间 0.5 s。

仪器自检指标合格，接地电阻＜100 kΩ，测量电位差＞10 mV，对突变点进行重复观测。本次质量检查工作量为5%，均方相对误差为3.65%。满足相应规程的要求，曲线形态基本一致，外业观测质量合格。

表1 完成工作量统计表Table 1 The statistical table of the work completed

2.2.3 数据采集

经过试验分析，本次工作采用高密度电法勘探中的温纳(α)装置进行数据采集，利用瑞典版高密度数据处理软件进行数据处理，并结合美国AGI公司的二维反演软件进行反演。为达到勘查目的，本次勘查采用的主要方式为电极距5 m，每条测线长295 m，由于温纳装置对于电性的垂向变化比水平向变化反映灵敏，所获得的电阻率图像是地下地质体对发射电场的综合反映，它能有效地划分岩层的层状构造分布，达到工作目的，所以测量装置采用温纳装置(图1)，装置为固定断面扫描测量，测量断面为倒梯形。

图1 ɑ排列(温纳装置AMNB)装置Fig.1 Equipment of ɑ array(equipment of Wenner AMNB)

2.3 数据处理

高密度电法中测点密度高，另外在资料处理方面，它采取的独特方法起到了抑制随机干扰和消除人为误差的作用，对旁侧影响也给予了一定的抑制，所以更能突出异常，准确性和有效性有了很大的提高。

野外采集的数据需要先进行处理，然后再进行反演，这些工作都可以在二维电阻率反演软件下实现。数据处理工作主要是剔除一些由接地不好电极影响的坏数据和采集系统自带的随机高斯干扰数据即剔除那些电阻率值明显错误的数据点，这些数据点通常是比相邻点奇高或奇低的视电阻率值，使之不影响反演获得的模型，然后把分段数据拼接起来，带上高程文件，形成反演数据。

2.4 资料解释

本次工作运用高密度电阻率法，查明了某农场岩层分布情况，为下一步的地温测量及钻孔勘探的施工设计提供依据及建议。

(1)剖面Ⅰ。图2为剖面Ⅰ的反演结果，探测深度44 m左右，整体剖面电性变化特征为浅部0～5 m的第四系覆盖层为高阻，深度5～20 m为超低阻，分析与该区地下水发育有关，且横向电性变化不大，纵向电性变化较大，无其它地质构造。

(2)剖面Ⅱ。图3为剖面II的反演成果，在剖面上180～200 m地下7～40 m处存在一条相对低阻带，分析认为是构造破碎含水带，倾向北西。

(3)剖面Ⅲ。图4为剖面III的反演结果，在剖面上30～130 m地下10～38 m处存在倾向为北东，分析认为其属于断裂的一部分;在剖面80～140 m段由于在地表含水丰富的沼泽田中，故此处的低阻现象无法判断，可能为构造裂隙水也可能为地表低阻照成的假异常，需进一步研究验证;在剖面185～205 m地下20～35 m段存在相对低阻区，分析可能为S1构造北东向的延深而形成的含水低阻区。