高密度电阻率法在水文地质勘察中的应用

汤 博

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

电法中的高密度电阻率法是根据水文工程及环境地质调查的实际需要而研制的一种电探系统。该方法完全改变了电法勘探的传统工作模式，能够快速采集数据和处理资料，提高野外数据采集效率，同时还能大大减轻劳动强度。本文对高密度电阻率法的工作原理和技术方法做出简介，及其在马山变电所新建工程场地水文勘察中的应用，并取得较好的地质效果，证明了电阻率法在水文物探勘测方面的高效性。

1 高密度电阻率法的基本原理

高密度电阻率法是直流电法的一种，因此其基本原理与直流电法相同，但电极的装置排列有所不同，高密度电阻率法是以多电位测量为主的组合式的电极排列，具有一次布设电极即可进行多种装置数据采集的特点，也可在资料处理中可进行二维断面成像。高密度电阻率法的采集装置包括：温纳二极装置，温纳三极装置（w-A），温纳三极装置（w-B），温纳四极装置（w-α）；温纳偶极装置（w-β）；温纳微分装置（w-γ），如图1所示。

图1 高密度电阻率法电极装置

各装置视电阻公式为：

引入装置系数，则各装置的视电阻率公式为：

其中k1～k2=1～2，默认为1；对于相同极距，k4=ks，a=n·△x

各视电阻（率）间有如下关系：

四极装置能够对地质体进行电阻率成像，可对目标体进行有效判定。不等距偶极装置的灵敏度高但信号衰减也快，容易在数据处理中造成假象干扰，信噪比会随探测深度的加大而降低。二极装置采集的数据量较大，水平分辨高，比较适合在矿井巷道和采空区中应用，而三极装置适用于重点区域的详细勘查。

2 高密度电阻率法的数据处理

2.1 滤波处理方法

正演计算结果表明，偶极和微分装置的视电阻率参数，随着隔离系数的增大，剖面曲线由单峰逐渐变成双峰。因此在断面等值线图上，除了和地质对象相对应的主异常外，还将出现相应的伴随异常，为了消除或抑制这种由于极距变化引起的振荡干扰，设计数字滤波器，对观测数据滤波处理。

2.2 统计处理方法

将视电阻率参数通过一定的数据换算，突出异常的相对变化，然后将其参数值按等级的高低采用不同符号或灰阶来表示。

2.3 比值计算方法

利用不同装置的视电阻率参数做比值组合不仅具有更为醒目的方式再现原有异常的特征，而且在一定程度上具有抑制干扰和分解复合异常的能力，从而大大改善了原始参数反映地质对象赋存状况的效果。

3 工程实例

3.1 交通位置及自然地理

马山变电所新建工程场地拟建在朝阳市郊区的朱杖子村。区内地形为低山丘陵，海拔较低，平均在100～200m。

工作区气候属大陆季风气候，一年四季分明，7～8月份为汛期，雨水集中。年平均温度为14 ℃，1～2月份平均气温为-20 ℃左右，7～8月份温度最高，最高温度达36 ℃以上。冰冻期约130d，年平均日照时间较长，蒸发量大于800mm。

3.2 地质及水文地质特征

区内地层简单，主要第四系和沉积变质岩。地层组合为洪积土、碎石土，基岩为砂岩或砂页岩等。第四系（Q）在区内分布面积较大，沿山坡、沟谷分布，成份为洪积物、碎石土，厚度一般小于5m。基底地层主要为砂岩、页岩等，其风化程度较高，该地层富水性较差。岩脉不发育，主要为闪长岩及煌斑岩。构造不发育，构造性质以压扭性为主，富水性较差。

依据区内地层特点分析，该区含水层为第四系、强风化基岩孔隙水和构造裂隙水为主。本次工作区分布在山半坡，静水位较低，应施工深井，取水层位为孔隙水和构造隙水。根据区内水文及物探资料分析，该区水量在3t/h左右，局部水量偏大。

3.3 野外工作方法

3.3.1 测线布设

测线的布设原则是测线要垂直于探测对象的走向，并且要避免或者最大程度减小地形和其他干扰因素的影响，测线的长短以能控制被探测地质体的同时，又能使测线的两端显示曲线的正常场为宜。

共需要完成高密度电阻率法物理点120个，控制剖面长度590m。A-A′测线控制剖面长度295m，物理点60；B-B′测线控制剖面长度295m，物理点60。

3.3.2 仪器的选取

为确定方法的有效性，恰当选取有关技术指标，合理有效利用工作量，结合测区电性特点，确定技术方法及选用适当技术参数。工作中使用的主要仪器设备为WDJD－3型多功能数字直流激电仪及其配套的WDZJ－3型多路电极转换器。

3.3.3 高密度电阻率测深法

温纳四极装置与常规电法相比设置了较高的测点密度，能够使数据采集系统有较高的精度和抗干扰能力，并可获得较丰富的地电信息。这种方法既能提供地质体某一深度沿水平方向岩性的变化情况，又能反映在垂直方向岩性变化情况。本次探测一次性布设60根电极，点距5m，一次测量可完成一条固定的断面下方的22条剖面，共770个数据点。

3.4 成果解释

资料的解释推断是以地质资料为基础、物探异常特征为依据，逐步完善，遵照由已知到未知，先定性后定量，由点到面的原则，反复地进行综合分析解释。

3.4.1 A-A′线成果解释

A-A′剖面的7.5～87m段，浅部相对低阻分布，视电阻率值小于21.3Ω·m，第四系的粉质黏土层相对较厚；87～130m段，点浅部相对高阻分布，视电阻率值大于36.0Ω·m，第四系的粉质黏土或碎石混土层很薄。下部略有梯度变化，反演结果电阻小于30Ω·m，低阻异常倾向大号，与联剖结果对应，其为该剖面的主要含水层位。130～300m段相对高阻分布，视电阻率值变化范围36.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂岩或砂质页岩，主要为砂岩及砂质页岩夹砾岩的反映，如图2。

图2 A-A′线高密度电阻率法断面

3.4.2 B-B′线成果解释

B-B′剖面的87～168m段，浅部相对低阻分布，视电阻率值小于22.1Ω·m，主要为第四系1～2m厚的粉质黏土或碎石混土所反映，两侧浅部相对高阻分布，视电阻率值大于35.0Ω·m，第四系的粉质黏土或碎石混土层很薄。下部略有梯度变化，7.5～108m，143～163m，183～213m点相对低阻分布，视电阻率值变化范围25.8～35.0Ω·m，富水性较差，主要为砂岩或砂质页岩的反映。108～143m，163～183m及大于183m点部分相对高阻分布，视电阻率值变化范围35.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂岩或砂质页岩，主要为砂岩及砂质页岩夹砾岩的反映，如图3。

图3 B-B′线高密度电阻率法断面图

马山变电所新建工程场地，本次物探工作结果，只发现一条两种岩性接触带异常 （F1）：F1走向北西310°左右，倾向北东，倾角70°左右，结合区内水文地质条件，F1为本区的主要含水层，应进行钻探施工。

4 结语

电阻率法在工程地质勘探方面已经获得广泛的应用。为了更好地发挥电阻率法在探测中的优势，针对勘测要求和地质条件采用合适的方法及装置十分必要。本文就此介绍了高密度电阻率法的一些基本知识和基本原理，及其在水文勘察中的应用。

高密度电阻率法与常规电法相比，具有成本低，效率高，反映地电、地质信息更丰富、更直观，资料解释简单方便等特点，因此也就使电法勘探能力有了显著提高。但是随着高密度电法应用的越来越普遍，在该方法的理解和应用方面，却还存在不少问题：有效数据的分辨；观测方式对数据成果的影响；反演成果问题；视电阻率负值异常现象等问题。

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［2］刘光鼎，李金铭，程业勋，等.地电场与电法勘探［M］.北京：地质出版社，2005.

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