高密度电法在水坝岩溶空洞探测中的应用

郑燕青，彭　亚，邱姜欣，尹　敏，李冠男

(东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌 330013)



高密度电法在水坝岩溶空洞探测中的应用

郑燕青，彭亚，邱姜欣，尹敏，李冠男

(东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌 330013)

为了查明库区坝体岩溶空洞大致走向，利用高密度电阻率法对其进行了探测，野外数据采集运用合理的观测方式，结合已知地质资料及现场踏勘记录，推断了坝区地下岩溶空洞大致走向，为后续打钻提供了有效依据及建议。结果表明，高密度电阻法具有快速、有效、准确的特点，是地下岩溶空洞探测的有效方法之一。

高密度电法；水库；岩溶空洞

1　引　言

近年来，高密度电阻率法在水文工程勘探特别是水库渗漏探测中应用较为颇广，因为该方法具有电测深法与电剖面法相结合等优点，完成一次勘探可以对纵、横方向进行勘探，数据质量较高，观测精度与常规直流电测深、电剖面相比较高。此外，在测量过程中可获得较多地电参数信息，且勘探成本低，特别在寻找地下水、破碎带、石材矿、岩溶空洞等方面有较好的应用效果[1-7]。目前，国内使用较多的高密度电法仪器有重庆地质仪器厂生产的DUK-2A电法系统、重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-6、美国Zonge公司生产的GDP32多功能电法仪以及北京地质仪器厂生产的DCX-1多功能高密度电法仪；相应的处理软件有瑞典高密度处理软件res2dinv和res3dinv以及骄佳技术公司研制的GeogigaRImager5.0软件等[8,9]。

据此，本文以贵州某水库岩溶空洞勘探为例，在研究区布置了5条高密度电法测线，旨在查明库区岩溶空洞走向，为后期钻探提供有效依据。

2　方法原理

2.1高密度电法工作原理

高密度电法工作原理与常规电阻率法基本一样，以地下岩、矿石电阻率差异为研究基础的一种直流电法勘探，依据施加电场作用下地下传导电流的分布规律来推断地下不同电阻率的地质体赋存关系。高密度电法与常规电法一样，以A、B作为供电电极，向地下供电流I，然后在测量电极M、N之间测量电位差ΔV，从而求得M、N之间的视电阻率值ρ=KΔV/I(图1)，进而分析所测得的视电阻率大小及分布情况来划分地下电层及确定异常等。

在野外测量过程中，高密度电法排列方式有十几种，常用排列有四极排列的α排列、β排列及γ排列，不同的排列观测方式对应不同的观测结果，主要体现在测点数分布、纵横向分辨率及观测时间不同，实验研究结果表明，组合排列具有被组合各种排列所具有的优点，且兼顾探测深度与分辨能力[8,10]。α排列装置(或称温纳装置)采用的是对称四极排列装置，即AM=MN=NB=Δx时，其视电阻率ρ表达式为：

ρ=KΔV/I

(1)

式中：ρ为地下介质的视电阻率，单位为Ω·m；K为装置系数，且为无量纲物理量，装置系数仅与电极布置形式有关；I为供电电流，单位为A；ΔV为测量M、N极电位差，单位为V。

图1　高密度电阻率法工作原理Fig.1　The working principles of high-density resistivity method

2.2高密度电法设备组成

高密度电法数据采集系统主要由多路电极转换器、主机及电极系三部分组成。野外工作可一次性布置许多根电极，每一根电极即可作为供电电极，也可作为测量电极，主要通过多路电极转换器进行控制。通过程控多路电极转换开关和电测仪自动、快速采集数据，高密度电法测试系统如图2所示。

图2　高密度电法系统示意图Fig.2　The system diagram of high-density resistivity method

3　工区概况及测线布置

某水库位于贵州喀斯特地区，地表主要被第四系地层覆盖，岩性以泥质、沙土为主，地表植被较为茂盛，相应的电阻率值较低(小于100Ω·m)，下伏基岩岩性为灰岩，电阻率断面表现为高阻(大于1 000Ω·m)，库区地层主要以单斜地层为主，在坝尾处存在一条断裂带，但不影响库区存水，地形起伏较大。现场勘查发现，库区由于地下水及重力作用，石灰岩长期在地下水溶蚀会形成溶洞，坝体内部结构在一定程度上发生了变化；此外，库区地表出露两个已知溶洞,本次勘探任务是查明地下岩溶空洞大致走向。

本次测线布置根据现场踏勘情况实施，一共布置了5条高密度测线，每条测线点距为4m，采用90根电极进行测量，测量长度斜距分别为360m，利用重庆地质仪器厂生产的DUK-2A进行观测，排列观测方式采用温纳装置，每个排列测量时间在90min左右，野外测线布置如图3所示。

图3　库区高密度测线布置Fig.3　The line layout of high-density resistivity method in the reservoir area

4　资料解释

在进行反演之前，在室内对实测数据进行坏点剔除，主要剔除那些受接地不良电极采集的数据以及采集过程中仪器自带的一些随机干扰数据，使用瑞典RES2DINV反演软件自带圆滑约束最小二乘法进行二维反演，对所获得的反演断面进行综合分析解释。

GMD1测线布置在库区坝体右岸，反演迭代次数为5次，对应拟合差为6.07%，反演电阻率断面图(图4(a))反映出覆盖层厚度均匀，主要为泥质砂岩覆盖，相应电阻率值较低(小于50Ω·m)。基岩面略有起伏，在桩号70m、埋深900m以下存在一高阻异常(大于3 000Ω·m)，电阻率等值线纵向梯度变化明显，根据库区地表溶洞出露位置，推断此高阻异常为地下不含水岩溶空洞所引起；GMD2测线布置与库区坝体斜交，反演迭代次数为5次，对应拟合差为2.95%，反演电阻率断面图(图4(b))同样反映覆盖层厚度较均匀，覆盖层主要为泥质砂岩，电阻率相对较低(小于50Ω·m)。在桩号220m、埋深890m以下存在一高阻异常响应，纵向等值线变化明显，结合现场勘查发现GMD2线右侧附近存在一已知溶洞，推断该剖面高阻异常响应为地下岩溶空洞所引起；GMD3测线与GMD2线测斜交，反演迭代次数为5次，对应拟合差为15.54%，由于该剖面地表地形起伏较大，反演电阻率断面图(图4(c))在桩号200m、埋深920m处存在地形起伏引起的高阻异常干扰；在桩号175m、标高900m以下存在一低阻异常区块，根据该区的地质图推断认为是由F断层引起；GMD4线剖面布置接近垂直坝尾，覆盖层主要以泥质为主，该剖面地形起伏相对较小，反演迭代次数为5次，对应拟合差为2.64%，从反演电阻率断面图(图4(d))可知，浅部低电阻率(小于50Ω·m)异常响应由覆盖层泥质引起，在桩号130m、埋深约880m处存在一高阻异常，且纵向上电阻率等值线变化明显，推断认为是由地下岩溶空洞引起；GMD5线剖面布置与坝尾斜交，反演迭代5次，对应拟合差为3.76%，该测线反演电阻率断面图(图4(e))异常响应与GMD4线基本一样，反演断面在桩号150m、埋深880m处，高阻异常响应同样认为是由地下岩溶空洞引起。

图4　5条测线反演电阻率断面Fig.4　Five prospecting lines inversion profiles of the resistivity

综上所述，5条高密度测线探测对库区岩溶空洞引起的高阻异常响应明显，从勘查现场发现的岩溶空洞位置，可推断地下岩溶空洞走向大致朝北西向、北东向，库区岩溶走向推断成果如图5所示。

图5　溶洞走向推断示意图Fig.5　The map of interpretation of the run of karst cavity

5　结　论

通过对贵州某库区进行高密度电法探测试验，可以得出以下结论：

1)高密度电法在灰岩地区探测岩溶空洞具有较好的探测效果，5条测线反演断面均显示出高

阻异常，说明地下岩溶空洞几乎不含水，综合库区5条测线反演断面解释结果，推断认为地下岩溶空洞走向存在两个方向。

2)由于岩溶空洞电阻率与近地表覆盖层电阻率存在较大差异，会形成明显的高低阻晕圈；此外，地表地形起伏过大在反演断面图上会形成假异常，在进行反演之前必须做地形校正。

3)在实际测量过程中，由于高密度探测深度、供电电流大小以及排列长度有限，且存在一定的勘探盲区，故进行中深部工程勘探时不宜选用此方法。

[1]邓居智，刘庆成，莫撼.高密度电阻率法在探测水坝隐患中的应用[J].华东地质学院学报，2001,24(4)：282-285.

[2]黄邵逵，欧阳玉飞.高密度电法在岩溶勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2009,6(6)：720-723.

[3]宋希利，宫述林，邢立亭.高密度电法在地下空洞探测中的应用研究[J]工程地球物理学报.2010,7(5):599-602.

[4]孟贵详，严加永，吕庆田，等.高密度电法在石材矿探测中的应用[J].吉林大学学报(地球科学版)，2011,41(2):592-599.

[5]祝杰，杜毅，亢会明，等.高密度电法在水域工程勘察中的应用[J].工程勘察，2011，39(10):80-83.

[6]朱瑞，潘纪顺，任云峰，等.高密度电法在水库坝址区勘察中的应用[J].CT理论与应用研究，2015，24(1)：21-28.

[7]周峰，蓝泽鸾，林文东.高密度电阻率法在隧道勘察中的应用[J].工程地球物理学报，2013,10(5)：687-692.

[8]严加永，孟贵详，吕庆田，等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探，2012,36(4)：576-584.

[9]杨振威，严加永，刘彦，等.高密度电阻率法研究进展[J].地质与勘探，2012,48(5)：969-978.

[10]郑冰，李柳德.高密度电法不同装置的探测效果对比[J].工程地球物理学报，2015,12(1)：33-39.

The Application of High-Density Resistivity Method to Karst Cavity Exploration of Dam

Zheng Yanqing，Peng Ya，Qiu Jiangxin,Yin Min，Li Guannan

(School of Nuclear Engineering and Technology, East China Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330013, China)

Tofindoutthedirectionsofkarstcavityinthedamarea,high-densityresistivitymethodhasbeenusedinareasonablemodeatthefielddataacquisition.Combinedwiththeknowngeologicaldataandthereconnaissancerecord,thedirectionsofkarstcavitymightbededucedinthedamarea,whichcanalsoprovideeffectiveproofandsuggestioninthelaterdrillingwork.Theresultsshowthatthehigh-densityresistivitymethodisaneffective,fastandaccurategeophysicalmethod,andisoneoftheeffectivemethodsoftheundergroundkarstcavityexploration.

high-densityresistivitymethod;reservoir;karstcavity

1672—7940(2016)03—0285—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.005

国家自然科学基金(编号：41164003、41404057)；国家科技支撑计划(编号：2011BAB04B03)

郑燕青(1987-)，男，硕士研究生，主要从事电磁法应用研究。E-mail:zhengyanqing20yyl@126.com

P631.3

A

2015-12-18