贵州特殊地质地貌条件下高密度电法的应用研究

匡其江

张义平①②

（①贵州大学矿业学院，贵阳550003；②贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵阳550003）

0 引言

作为一个资源大省，贵州的煤炭、铁、黄金、铅锌储量很大，水资源丰富，但是贵州处在云贵高原，地势比较高，地质地貌极其复杂，给资源的开采带来了许多不利。在矿产资源的开采过程中，对矿产资源的勘探、水文地质的探明，避免矿山灾害的发生，利用地球物理勘探技术成为必然。电法勘探作为地球物理勘查的一个重要分支已广泛应用于矿产地质、水利水电工程、冶金工业、石油勘查等领域，并取得了较好的应用效果[1]。近些年，高密度的电阻率法得到迅速发展，在仪器研制及实际应用方面取得了不少成果[2-3]，与传统的电法勘探相比较，高密度电阻率法的显著特点使得效率增高，获得的数据点也更多，可以为高分辨率的电阻率层析成像反演奠定基础。因此，该方法在浅层的水文、工程以及环境、考古等与国民经济建设、人类社会活动密切相关的领域得到更好的应用[4-7]。但是，贵州省特殊的地质地貌条件，给物探工作者在进行高密度电法勘探时带来了许多困难，不论是前期的布线、仪器安设、数据采集，还是后期的数据处理、结果分析。所以，在整个物探勘探过程中，每个环节都要采取与实际相适应的方法和措施，才能得出比较准确的结果。

1 地质地貌特征

贵州省地处我国西南腹地云贵高原的东部，介于东经103°36′至 109°35′，北纬 24°37′至 29°13′之间，总面积176128。贵州是唯一没有平原支撑的省份，贵州的地貌特征是山地多，山地和丘陵约占全省总面积的92.5%，境内分布着大娄山、武陵山、乌蒙山和苗岭四大山脉，这四大山脉构成了贵州高原的地形骨架。河谷切割强烈，属构造侵蚀成因的中山地形；构造剥蚀地貌，山峦叠嶂，沟谷纵横；山峰多呈单面山，沿顺向坡多辟为耕地，坡底发育河流及较多冲沟；反向坡常形成悬崖峭壁，难以攀越，常见滑坡及崩塌堆积场。由于地势落差较大，碳酸盐地貌的分布较广，岩溶地的发育，水文地质条件复杂。加上自第三纪以来又处于热带和亚热带气候环境，因而形成颇具特色的山原地貌景观，这是控制地下水形成及其水动力场的重要因素。灰岩溶蚀剧烈、溶解度较高，常形成较大的溶洞、管道等溶蚀空间，因而溶洞—管道水富集，并具集中排泄、水点流量大等特点。构造运动造成的褶皱断裂和节理裂隙等为地下水补给运移、富集提供了良好的场所。在一些断层与褶皱交汇处，向斜盆地和构造转折端以及多期活动断裂带附近，由于岩石破碎、节理裂隙发育，常形成岩溶水富集区。

2 高密度电法野外工作技术

高密度电阻率法是工程地球物理勘探的主要方法之一，与常规电阻率法相比，它在野外信息采集过程中可组合使用多种装置形式，在电性不均匀的探测中取得了良好的地质效果。高密度电法是电剖面法和电测深法的综合利用，其原理与普通电阻率法是一样的，它们的不同之处就在于在观测中设置的高密度的观测点，是一种阵列勘探方法。高密度电法在野外进行探测实践的时候，应该将全部的电极布置在测线的剖面上，然后利用电极转换开关与微机工程电测仪，以此实现剖面中对不同极距、不同电极排列方式等数据进行采集，高密度电法与常规电阻率法相比较，具有以下几点优势：①高密度电法能够选用多种电极排列方式进行野外测量，如温纳装置、施贝装置等，可以获得丰富的剖面数据信息；②一次性完成电极的布置，既可以减少因电极设置而引起的故障和干扰，又可以在一定程度上提高效率；③野外探测数据采集实现了自动化或半自动化的操作，大大提高了数据采集的速度，很大程度上避免了手工操作的误差。除此之外，高密度电法作为一种比较成熟的地球物理勘探方法，具有快速、便捷、经济、应用范围广等优点[8]。装置选择上可采用二极装置（AM）、三极装置（AMN）、联合剖面装置（AMN&MNB）、对称四极装置、偶极装置（ABMN），电极按照不同的方式组合后构成测量系统。该测量系统与普通电阻率法不同，它是在观测剖面上布置较多的观测点，在实际测量中，电极转换开关将每四个电极进行组合，从而在每一个测点上获得不同深度的测量数据。高密度电法布极方式如图1所示，图中A、B极为供电电极，M、N为测量电极。则各测点视电阻率，其中为M和N之间的电位差，I为供电电极（A、B）的供电电流，K为装置系数。通过不同测点以及不同极距的观测，可获得剖面上地层电阻率的分布情况[9]。

图1 电极布置图

苏永锋[10]等阐述了高密度的电阻率法就是适应特殊环境的阵列勘测的方法。为了更好解决工程地质环境的问题，他们对提升高密度电阻法探测技术作了以下几点研究：

2.1 探测参数的选择 一般来讲，地球物理勘探工作测区根据测区地质的情况决定，就需要遵循一定的原则，在工程探测区域的有限范围中选择布置测网和测区。在对于测网进行布置的时候，除了建立测区坐标系统外，还需要选择网度和工作模式。工程技术人员的技术和经验往往能给测区的布置提供最大的便捷度。就高密度电阻率法来讲，在野外数据采集的两种主要方式即：地表剖面的数据采集和井下电阻率成像数据采集等。

2.2 装置的选择 在特定的工程项目中，排列装置的选择对整个勘探过程产生重大的影响，对不同的探测目标所使用的装置不同。通常我们所使用的几种装置中，地质异常的幅度值最小的是微分的装置，它的信号震荡出现的时刻也是最早的。

2.3 电极与测点的布置 贵州绝大多数工程地质地形都非常复杂，在电极布置时往往会遭遇到很多困难，地表大面积出露岩石的情况非常普遍，而这种情况会对电极的布置产生一定的影响。这时候，如果测线经过岩石的时候，我们可以采用较潮湿泥土堆砌成土包，并将电极插入其中，以使测量结果得以保障。在进行测点布置的时候，高密度的电阻率法的电极总数是固定的，所以测点数会随着隔离系数的增大而减少。因此，要根据实际情况，选择合理的测点数，保证采集到符合实际的数据，得出正确结果。

3 应用实例

图2

图3

3.1 岩溶探测 岩溶个体的发育是无规律的，岩溶空洞一般以空腔或充水或充填泥的形式存在，充填水或泥等相对于岩石来说是明显的相对低阻，因此常表现为明显的低阻异常，该类异常容易识别；但如果岩溶空洞为空腔时，空洞反映的是很高的电阻率，而完整岩体（尤其是致密岩体）的电阻率也很高，由于岩石中裂隙往往较发育，而局部形成完整的岩体，也会形成局部的相对高阻，因此难以推断，会形成一些假像。对于该类异常的推断，应该要结合工程的地质条件，特别是地下水水位情况，如果高阻异常位于水位的上方，可根据高阻异常闭合圈的规模以及形态结合工程地质的一般发育规律，判定异常的性质。

高密度电法剖面为视电阻率断面图，高阻区代表致密岩体，完整性好，含水量小；低阻区代表岩体含水、松散破碎或裂隙含水带。岩溶空洞表现高阻区，填充泥、砂和水的溶洞呈低阻区。多数岩溶空洞和岩溶裂隙带为部分填充，上部为空洞，下部为松散填充，上部表现为高阻，下部为低阻，构成断续的串珠状组合异常区。综上所述，视电阻率图的岩溶解释与推断遵循如下三个原则：①岩溶带的上部为空洞，下部为填充，表现为高阻与低阻断续组合的串珠状异常；②岩溶发育在灰岩中，背景的电阻率值一般具有高阻特征；③岩溶沿构造破碎带发育，串珠状异常的走向和产状与区域构造一致。通常符合上述三个原则的电阻率异常图像被推断为岩溶。也有部分岩溶是完全填充的，特别是隐伏在地下水位以下的岩溶，完全为泥、砂和水等填充，低阻表现明显。如果高阻异常明显位于水位下方，则不会是岩溶引起的异常，这时岩溶应表现为低阻异常[11]。图2为某一剖面视电阻率图，经对异常进行查证，发现R1和R2异常均为溶洞引起的异常，其中R1为含水溶洞（表现为低阻异常），R2为空腔溶洞（表现为高阻异常）。

3.2 采空区的探测 采空区的探测主要应用于煤矿，煤矿水患的一个主要来源就是老窑水，对于老窑水的防治，老煤矿采空区的探测对于煤矿开采安全非常重要。对于废弃多年的采空区，有的已经坍塌或者已经充满地下水，这种类型的采空区往往表现为低阻特征。而有的采空区围岩稳定性好，还要保持或基本保持原有的形态，因为没有受到地下水的影响，所以其表现为相对高祖特征。根据这些特征可以确定煤矿的采空区范围和坍塌的位置。图3中圈定范围为采空区域，稳定性较好，基本保持了原有形态，表现为相对高阻异常。图4中圈定范围则为相对低阻异常采空区域。

3.3 滑坡体探测 滑坡体是指山体斜坡上某一部分岩土在重力（包括岩土本身的重力和地下水的动静压力）作用下，沿着一定的软弱结构面（带）产生剪切位移而整体地向斜坡下方的作用和现象。滑坡的活动强度，主要与坡体的位置有关。坡度、高差越大，滑坡位能越大，所形成滑坡的滑速越高。斜坡前方地形的开阔程度，对滑移距离的大小有很大影响。地形越开阔，则滑移距离越大。贵州地势陡峭，山体众多，滑坡是最常见的地质灾害之一。图5为一滑坡体主滑向勘察剖面视电阻率图，图中圈定范围为一低阻带，经验证得知，低阻带为强风化岩层，裂隙发育，饱含水分，加之岩石破碎，可以判断低阻带为形成滑动面的软弱结构面。这为滑坡治理方案提供了准确资料。

图4

图5

4 结论与建议

①高密度电法在复杂地质地貌条件下使用，具有成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力高的特点。②高密度电法不同装置在不同地质情况下探测时的有效性和准确性不一样，根据不同的适用条件，选择不同的装置，在有限地质条件下，才能获得最佳的探测效果。③复杂环境下进行高密度电法勘探时，应尽量排除外界的干扰，布设测线时尽量避开高压电线、陡峭岩壁、湖泊水塘、大面积裸露岩石等可见的外界干扰源，否则，所得结果极不准确，同时还降低了工作效率。④贵州喀斯特地貌发育，给高密度电法勘探带来了许多困难，如果条件允许的情况下，建议尽量通过综合物探方法解决岩溶问题。⑤在使用高密度电阻率法探测煤矿区域内地下水位附近的岩溶时，要特别注意岩溶在地下水位上下表现的不同特征。

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