高密度电阻率法在地下水探测及采空区勘查中的应用实践

张吉涛

(山东省第四地质矿产勘查院)

高密度电阻率法是一种以地下岩土介质的电性差异为基础，通过观测人工构建的地下稳定电流场的分布规律以解决地下地质问题的地球物理勘探方法[1-4]。与常规电阻率法相比，该方法具有点距小、数据采集密度大、成本低、效率高、信息丰富、解译方便等优点[5-8]，近年来，该方法在工程勘查领域得到了广泛应用，取得了显著的经济和社会效益[9-14]。本研究通过详细梳理该方法的技术原理、特点、装置形式及数据处理方法，并结合工程实例，进一步探讨该方法在地下水探测、采空区勘查中的应用。

1 高密度电阻率法概述

1.1 技术原理

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，实际上是一种集电阻率剖面法和电阻率测深法于一体的多装置、多极距组合方法，其原理与普通电阻率法一致，区别在于观测中设置了高密度的观测点。该方法是一类以岩土体导电性差异为基础的电法勘查方法，当人工向地下施加直流电流时，在地表利用仪器观测其电场分布，将所测电流和电压值换算为电阻率值。但由于受到地形起伏和地下介质不均匀性等因素的影响，测量所得的电阻率值并非岩石的电阻率真值，而为视电阻率值。通过进一步研究视电阻率值的差异和变化规律，有助于发现和勘查地下目标体，从而达到解决工程地质问题的目的。

1.2 特 点

采用高密度电阻率法进行野外测量时可将全部电极置于观测剖面的各测点上，利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现不同极距、不同电极排列方式的数据快速自动采集。与常规电阻率法相比，该方法的特点为：①电极布设一次性完成，减少了因电极设置而引起的故障和干扰，大大提高了工作效率；②可进行多种电极排列方式测量，获取的数据量大、信息丰富，能够获得较丰富的有关地电断面的地质信息；③野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且减轻了劳动强度；④观测精度和分辨率显著提高，探测深度更加灵活；⑤可以对探测数据进行现场实时处理并显示剖面曲线形态，数据解译更为方便。

1.3 装置形式

高密度电阻率法的装置形式由最初的α、β、γ3种方式发展至目前的十余种[6,15]，主要包括二极装置(Pole-Pole)、单边三极装置(Pole-Dpole，Dpole-pole)、温纳装置(Wenner)、偶极装置(Dpole-Dpole)和斯隆贝格装置(Schlumberger)等。该类装置具有各自的优缺点及相应的应用条件，因此在实际工作中应根据实际情况进行合理选择。根据相关实践经验，四极装置为公认的最稳妥的装置，比较常用的有温纳装置和斯隆贝格装置。

温纳装置方式(Wenner)又称为对称四极装置方式，电极排列方式为A、M、N、B等间距排列(A、B为供电电极，M、N为测量电极)，装置系数K=2πna(a为电极间距，n为隔离系数)，AM=MN=NB=na，随着隔离系数按照由小到大的顺序等间隔增大，4个电极之间的间距也被均匀拉开。该测量方式属剖面测量方式，所得断面呈倒梯形[16](图1)。

图1 温纳装置跑极示意

斯隆贝格装置方式(Schlumberger)属测深测量方式，装置系数K=πn(n+1)a(a为电极间距，n为隔离系数)，MN=a，AM=NB=na。测量时，测量电极M、N保持不动，供电电极A、B同时逐点分别向左、向右移动，得到1条滚动扫描测量线，而后A、M、N、B同时向右移动1个电极，再按照同样方式跑极，得到另1条滚动扫描测量线。按照该测量方式，可得到如图2所示的矩形断面。

图2 斯隆贝格装置跑极示意

1.4 数据处理方法

高密度电法仪器可以实现野外数据自动采集并存入主机，主机可通过通讯软件将原始数据传输至计算机。野外数据采集过程中难免存在各类干扰，为获取真实的探测信息，一般需对采集的原始数据进行预处理，常用方法为剔除突变点、数据平滑、地形校正和数据拼接等[17-19]。剔除突变点是将与相邻测点的电阻率值有数十倍差异的测点数据进行剔除，而后进行插值，以压制虚假异常。数据平滑是为了消除测量过程中的随机干扰，可采用滑动平均等方法进行处理。地形校正是为了消除因地形起伏而形成的假异常。数据拼接主要是对长剖面的分段测量数据进行合并处理，形成1条完整剖面，便于对数据进行整体解译。经过预处理后的数据可利用Sufer软件绘制出视电阻率等值线拟断面图。当生成的断面图分辨率不高、解译较困难时，还可利用相应的软件进行反演计算成图，便于对探测目标进行定性或半定量解译。

2 实例分析

2.1 地下水探测

2.1.1 工程概况

山东省潍坊市经济发展迅速，工农业生产中对水的需求量越来越大。自2013年8月开始，潍坊市经历了一段有水文记载以来最严重的持续干旱时期。为应对突发饮用水供水危机，潍坊市政府决定开展应急供水水源地勘查评价工作。由水文地质调查资料知，勘查区内主要富水地段的地下水类型为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水位于第四系覆盖区，主要含水层位为古河道沉积形成的砂层，与周围黏性土壤相比，砂层孔隙度大，导电性差，视电阻率值明显高于周围黏土的视电阻率值。基岩裂隙水主要赋存于玄武岩和砂岩的风化裂隙中，裂隙岩层通常由部分裂隙在岩层中局部范围内连通构成带状或脉状裂隙含水系统，其视电阻率值较围岩明显下降。因此，利用高密度电阻率法寻找地下水具备地球物理前提。

2.1.2 野外数据采集与处理

本研究地下水探测工作采用吉林大学工程技术研究所生产的E60M型高密度电法仪，鉴于野外工作场地开阔且地形较平坦，故优先考虑四极装置形式，以便获得最大的测量电位，从而有效压制干扰，增强有效信号。但经现场试验，温纳装置信噪比最高，具有较好的垂向分辨率，对于解决垂向变化(例如水平层状结构)问题比较有利，因此本研究最终采用温纳装置方式进行测量。本研究所用的高密度电法仪中，电缆上的电极间距呈10 m均匀分布，经现场试验能够满足野外工作需要。输入电压取12 V，供电脉冲宽度设置为2 s。为保证野外数据采集精度，每天工作前需对仪器、电瓶进行充分充电。在正式测量前，应对每个电极开关和电极接地电阻进行检测，当接地电阻过大时，应采取措施(如加水或有机活性物质等)改善电极的接地条件，确保探测资料准确可靠。

将野外采集的数据传输至计算机后，需对数据进行预处理和反演处理。数据预处理包括剔除异常点、滤波去噪等，为反演处理提供稳定数据体。采用瑞典RES2DINV电法反演软件进行反演处理，网格采用“有限元”方法，最优化阻尼系数，利用线性搜索的最小二乘反演方法，确保反演结果的稳定性，迭代次数为2～5次，设置均方根误差门限值为2.5%。处理后的数据可采用Surfer软件绘制出视电阻率断面图。

2.1.3 数据解译与验证

图线剖面高密度电法综合断面

分析图3可知：视电阻率断面总体呈水平层状展布，横向连续性较好，纵向上视电阻率变化较大，表现为高低阻相间特征。浅部(标高小于10 m)视电阻率值整体较小，一般为10～20 Ω·m，推断为表层粉土的电性反映；浅部视电阻率值沿纵向延深不均匀，剖面两端向下延深较深，中部向下延深较浅，反映了粉土厚度的不均匀性。中部(标高为10～35 m)视电阻率值为20～40 Ω·m，整体呈高阻特征，推断由砂层引起，因砂层孔隙度较大，致使其导电性较差，视电阻率值相对较大，该层为主要的富水层位。深部(标高大于35 m)视电阻率值随着深度增加逐渐变小，其值小于20 Ω·m，呈低阻特征，推断为粉质黏土的电性反映。

为验证高密度电法探测成果的可靠性，本研究在该剖面附近布置了2个水文地质钻孔。钻探揭露结果为：标高0～10.4 m区段为粉土；标高10.4～32 m区段为砂层与粉质黏土互层，其中，10.4～14.4 m 区段为粉砂层，25.6～27.2 m区段为砾砂层，30.4～32 m区段为粗砂层，该3层砂层为主要的含水层，粉质黏土中含少量砂质，为弱含水层；标高32～82 m区段为粉质黏土，仅在标高53，69 m附近存在的薄层粗砂中含水。由此可见，钻孔资料与高密度电法解译成果基本吻合，后经抽水试验，单井涌水量均在24.5 m3/h左右。

2.2 采空区勘查

2.2.1 工程概况

山东省乳山市金碃岭金矿开采历史悠久，目前矿区已由早先的城郊农村扩充至城市规划核心区，矿山闭坑后遗留的采空区已成为较大的灾害源，影响了城市发展。该区采矿形成的采空区可大致分为2个不同时期：一是早期民采形成的采空区；二是20世纪70年代开采硫铁矿时形成的采空区；三是20世纪90年代开采金矿时形成的采空区。民采和硫铁矿开采期间的开采深度较浅，一般不超过30 m，但开采随意性大，采空区分布无规律，地表采坑和塌陷的采空区已被回填，仅局部遗留有采空区。金矿开采期间采用地下巷道方式，有正规的巷道开拓图，巷道深度为地表以下30～70 m，该时期的巷道及采空区勘查以巷道及采空区水平投影图为基础，辅以物探勘查和钻探验证。

勘查区内的地层主要为新生界第四系临沂组，岩性为灰黄色黏土质粉砂、含砾中细砂。岩浆岩大面积分布，岩性主要为中生代燕山早期垛崮山序列大孤山单元斑状中细粒含黑云花岗闪长岩，此外，还发育有燕山晚期花岗斑岩脉和煌斑岩脉。区内断裂构造发育，有4条大致平行分布的断裂构造蚀变带，走向2°～10°，倾向NW，倾角80°～85°，断裂带沿走向呈舒缓波状延伸，局部膨大、分枝复合现象明显。理论上讲，当矿体被采空后形成一定的充气空间，破坏了岩体的完整性和连续性，造成采空区与围岩有显著的电性差异，表现出明显的高阻特征。当经过一段时间后，采空区上覆岩石在重力作用下会发生坍塌变形，致使岩石破碎并出现裂缝，地下水会沿着破碎岩石和裂缝向采空区汇集，采空区充水后，其电阻率会呈低阻反映。该类特性成为应用高密度电阻率法探测地下采空区良好的地球物理前提。

2.2.2 野外数据采集与处理

仍采用E60M型高密度电法仪进行野外数据采集，经现场试验，以斯隆贝格装置方式进行测量，点距5 m，个别剖面又选择2，3 m点距进行了验证测量，输入供电电压为12 V，供电脉冲宽度为2 s，控制深度40～80 m不等。将采集的数据进行预处理后，采用瑞典高密度电法处理软件RES2DINV进行反演计算并成图。

2.2.3 数据解译与验证

图线视电阻率等值线断面

3 结 语

高密度电阻率法以地下介质的电性差异为基础，具有自动化程度高、工作效率高、信息丰富、解译方便等特点。结合工程实例，通过数据解译并辅以钻探验证的方式，详细讨论了该方法在地下水探测、采空区勘查等方面的适用性，对于类似工程有一定的借鉴价值。

图5 ZK27钻孔岩芯

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