高密度电阻率法和瞬变电磁电阻率法在工程场地中的应用特点

肖宁 康健 赵斌

摘 要：文章利用高密度电阻率法和瞬变电磁法，通过工程实例展示了两种物探方法的特点。通过两种方法在同一场地进行的对比，显示了两种方法的优缺点。文章对高密度电法与瞬变电磁法在不同场地的应用效果及相同场地资料的对比，并作了初步分析，对这两种方法的异同性及在工程中的应用进行了初步探讨。

关键词：高密度电阻率法；瞬变电磁电阻率法；共性与异性

中图分类号：P631.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0026-03

Abstract： Using high-density resistivity method and transient electromagnetic method， the characteristics of the two geophysical prospecting methods are demonstrated by engineering examples. The comparison of the two methods in the same site shows the advantages and disadvantages of the two methods. In this paper， the application effect of high-density electrical method and transient electromagnetic method in different sites and the comparison of the data of the same site are compared， and the similarities and differences of the two methods and their application in engineering are preliminarily discussed.

Keywords： high-density resistivity method； transient electromagnetic resistivity method； commonness and anisotropy

引言

近年来，电磁法及电法仪器设备和软件进展迅速，新一代仪器设备集多功能、低功耗、分辨率高、频带宽等优点被广泛应用。电磁法和电法的应用领域已涵盖地下探测的各个方面。电磁法和电法虽然种类繁多，但发展最快、应用最普遍的应属大地电磁法、瞬变电磁法和高密度电法[1]。本文重点研究高密度电法和瞬变电磁法的异同。

1 高密度电阻率法

工作原理与常规电法原理相同，即以岩土体导电性差异为基础，研究在施加电场作用下，地中传导电流分布规律。高密度电阻率法是电剖面与电测深的结合。现我们已采用三极测深装置结合覆盖电缆技术实现野外连续滚动式探测，数据密度是原来剖面装置的2.07倍，数据断面为矩形[2]。野外测量时，只需将全部电极置于测点上，通过测量装置系统和主机便可实现数据的快速自动采集。仪器使用WGMD-2型高密度勘探系统。该系统支持α排列、β排列、γ排列等多种测量装置[3]。

高密度电阻率法在工程中的应用实例：一般来说水平向每层电阻率随深度变化而变化基本是由于地层沉积物不同、密度不同而造成的正常现象，而垂直向低阻带的出现是因为空隙度的加大和含水而引起的，而這种局部突变多数是由于断裂造成的。在平原地区，电阻率水平相变化不大且一般较均匀，层位清晰；在山区，电阻率变化则较平原地区复杂多变。

1.1 平原地区

如图1，是哈尔滨某工程场地的电法反演图，哈尔滨地区处在在松嫩冲积平原上，地层层序清晰，图中可以清楚看出地层平缓、连续、均匀，分层明显清晰。

1.2 山地地区

图2是鸡西某工程场地的电法反演图，可以直观的看出覆盖层厚度及基岩起伏的形态。

2 瞬变电磁法

2.1 成像参数的计算

对于重叠回线装置，在均匀半空间地电条件下，感应电压V（t）表达式为：

V（t）=V（t）=f（x）

f（x）=

X=

式中L为发送回线的边长；μ0为空气的磁导率；ρ为均匀大地的电阻率。

上述公式可见瞬变场强与ρ、t之间存在复杂的函数关系。

感应涡流场在地表引起的磁场为整个“环带”各个涡流层的总效应。图3表示电流切断后的等效电流环分布略图。

2.2 成像主要过程

WDC-2B型瞬变电磁系统野外观测的参量为发送电流归一的感应电压值V（t）/I，单位uV/A。所有资料都由计算机完成，步骤如下：数据回放、资料编辑、重要参数计算、网格等级划分、网格加密处理、计算绘制定性-定量解释图件或色谱图。

2.3 瞬变电磁法在工程中的应用实例

如图4，是哈尔滨东南郊20公里处工程场地的瞬变电磁反演图，采集的数据反演结果显示：该测区地层平坦、各层连续均匀，没有构造异常显示。在该场地同时布设了两个揭穿第四系的钻孔zk1、zk2，由钻探可知岩土性自上而下分别为：耕土、粉质粘土、中砂、泥岩（见图5）。从图中可以推测基岩面在70-80米左右。这与钻孔实际勘测情况近乎一致。

3 两种方法在同种环境的比较

3.1 哈尔滨群力某工程场地（平原类型）

如图6，反演显示地层平坦，水平连续、均匀，无异常现象。在断面的190m处与钻孔zk15的位置很近相距不到十米。我们将反演结果与钻孔资料结合分析，电阻率反演图大体上可分为三层，表层耕土厚约半米，①层0.5～9米左右为粉质粘土电阻率在40～50欧姆之间。②层9～27米左右由粗砂、细砂、砾砂组成，电阻率在50～80欧姆之间。③层27～39米左右，由粉质粘土、粘土组成，电阻率一般小于50欧姆。由此可见高密度电法对勘测场地地下结构具体情况反演比较细致，但由于勘测深度有限，未揭穿第四系地层。

在几乎相同的位置我们又平行的做了一条400米长的瞬变电磁的测线。如图7是瞬变电磁的电阻率剖面图，从图中看出，视电阻率等值线均匀平缓，表示地下地质体介质均一，，无不均匀异常存在，由反演结果推测基岩面在45-50米左右，而通过在该场地数十个钻孔资料可知，该场地覆盖层实际厚度在47-55之间，可见反演结果与实际情况基本吻合。

在图7中200米处出现的异常，后经过现场核查是由于此处地下大型金属管道给仪器造成的干扰。

3.2 亚布力某工程场地（山区类型）

本次物探是依山而做的，在高密度电法勘测中0-50米是山坡，倾角大概30度，高差20米。50-300米是山前坡积地，高差相对较小，可近似看做准平原。

通过工程场地现场反演色谱图解译（见图8），可知场地基岩岩性为花岗岩，节理裂缝发育，岩石坚硬，岩体破碎。如图断面深红色部分为花岗岩，而上部浅色部分基本为第四系覆盖层，经反演显示该工程场址基岩起伏、覆盖层厚度基本吻合实际地形情况，但在230米位置上发现地下异常情况。

通过高密度电法反演时发现在230米位置上发现地下约20米处有局部异常。于是在该异常部位补测了一条瞬变电磁测线。具体补测位置是在原高密度电法测线位置上150-270米，补测长度120米。这组瞬变电磁数据是用重庆奔腾公司新出的软件处理的与以前瞬变电磁得反演形式不同，但原理是一样的，如图9。

图9的上半部分显示了时间-视电阻率曲线的变化，其中X轴表征各点的坐标，Y轴为时间轴（单位ms），各点的显示颜色则代表着视电阻率的大小，其数值可参照右部的相应图谱。由以上各图的上半部分都可以看出，80米处的测点的时间-视电阻率曲线较其他各测点发生了较明显的变化，具体现象为：时间在10ms-1ms范围内，视电阻率偏低。

各图的下半部分显示了深度-电阻率曲线在各点的变化，其中X轴仍然表征各点的坐标位置，Y轴显示的是深度，各个点位上土黄色曲线的变化代表的是各点伴随着深度的电阻率变化。我们可以看到，在深度大约在8m与16m左右，点0、20、40、60、100的深度-电阻率曲线都发生了类似的变化，而在点80处，则在12与20米处才有相应的变化发生。

结合前面的高密度电法勘测结果，我们可以发现，在相应位置上，高密度电法的勘测结果显示该处20米深度左右发生了异常的低阻现象，故此，利用瞬变电磁方法和高密度电法方法的勘测结果，我们可以判断，在高密度电法A断面60-90米处的20米深度左右，存在着低阻异常带。

3.3 分析

在平原地区：两种方法的反演结果都显示了该场地地层平坦、介质均一，以及电阻率在不同深度、不同土质的正常变化，无异常情况；在山区：两种方法在相同某一部位都反映出了异常情况。两种方法在不同的场地类型的勘测都得出了基本相同的结果，证明了两种方法的准确性与可靠性。

4 结束语

4.1 两种手段的异性

在勘测所需空间上：高密度电法适用于开阔地带作业，而瞬变电磁法需要的空间相对较少，可在小范围内作业。在抗干扰能力方面上：高密度电法在受电磁场干扰方面影响稍小，可应用于市区。而瞬变电磁受干擾影响较大，尤其在市区、电线附近有一定影响。在勘测深度上：正常来讲勘测深度取决于测线长度，但在有限的长度内我们使用的高密度电法300米长的测线可勘测深度为40米以内，瞬变电磁法周长为80米长的测线可勘测深度在80米左右。在勘测精度上：高密度电法相对于瞬变电磁法勘测深度较浅，但精度要更高。

4.2 两种手段的共性

两种方法都可以实现电阻率的快速测试，提高效率，而且信噪比高，分辨力强，探测深度大，探测速度快。两者都有局限性和适应性，远离市中心、避开地下电力、通讯、煤气管网等干扰电阻率分层反演效果较好。反之，纵向电阻率分层混乱，水平向电阻率差异变化较大，异常极难判别。另外，由于基岩风化程度不同，在贫水地区，风化层中基岩阻值接近完好基岩阻值，反之有一定差距[4]。因此，直接用基岩电性界面埋深来判断第四系覆盖层厚度是有一定误差的，但影响不大[5]。

高密度电法和瞬变电磁法可以互相补充和验证，取长补短，在结合实际钻孔资料以及利用地震台阵观测获取的深部构造资料整体反演[6]，将会大大提高探测目标从深部到浅部探测的整体效果的精确度与可信度[7]。另外，两种手段在工程地质和水文地质勘查中也会有广泛应用，也为断层探测提供了一种新思路。

参考文献：

[1]刘国栋.电磁法及电法仪器的新进展和应用[J].石油地球物理勘探，2004，39（11）：46-51.

[2]冷元宝，何剑.物探新技术在治黄工作中的应用[J].水利水电科技进展，2000，20（2）：64-68.

[3]康健.高密度电法在火山熔岩台地地质调查中的探讨[J].华北地震科学，2008，26（4）：31-35.

[4]王亚会.电阻率层析成像在沈阳地震活断层探测中的应用[J].防灾减灾学报，2010，22（2）：15-19.

[5]孙旭丽，邹本良，刘长生.利用地磁相关系数异常初步判定发震区域[J].防灾减灾学报，2015，31（1）：75-80.

[6]康健，韦庆海，周琳，等.利用地震台阵观测资料研究大庆地区深部构造[J].吉林大学学报（地球科学版），2016，46（3）：900-910.

[7]白登海，王立凤，孙洁，等.福州八一水库-尚干断裂的高密度电法和瞬变电磁法试验探测[J].地震地质，2002，24（4）：557-564.