高密度电法在岩溶区地质灾害调查中的应用分析

黄正发

摘要：针对高密度电法在岩溶区地质灾害调查中的应用现状，进行科学量化分析，并简要介绍了高密度电法原理、高密度电法的特点，如运用多种电极排列方法进行准确测量、电极布设更加便捷、野外数据采集自动化程度比较高、测量更多的地电参数等，提出岩溶区地质灾害调查中高密度电法的具体应用，希望能够为调查人员提供良好借鉴。

关键词：高密度电法；岩溶区地质灾害

在岩溶区地质灾害调查中，通过科学应用高密度电法，可以提高地质灾害勘察数据的准确性，降低地质灾害的发生概率。高密度电法主要由常规电法发展而来，由电测仪器与电极转换开关构成，在初始阶段，电极转换需要人工来操作，伴随微型计算机的快速发展，电极转换开关实现自动化控制。在高密度电法测量体系当中，包含了数据采集与数据处理两部分，能够显著提升各项勘察数据的处理效率。基于此，本文深入研究岩溶区地质灾害调查中高密度电法的应用要点。

1.高密度电法原理

高密度电法和直流电法原理相似，利用勘察地质体和围岩之间的电性差异，分析该地区的电场分布特点，结合区域地质情况，达到探测地下目标体性状的目的。

电法勘探时，测线越长（极距越大），探测深度越深，点距越小，精度越高。

在开展常规电法野外工作时，根据探测深度及目标体尺度布设测线、电极，采用“控制变量法”达到“扫面”与“测深”的目的，即保持极距不变，然后通过人为移动测点MN，达到“扫面”的目的；不断增加极距，移动MN，达到测深的目的。因工作时需要频繁通过人工移动MN及改变测线长度达到“扫描”与测深，因此其工作效率较低。随着微电路及集成电路的发展，产生了高密度电法。

一般来说，高密度电法数据采集系统主要由三部分构成，分别是主机、电极系与多路电极转换器等。在实际工作中根据探测目标体所需最大深度，一次完成布极；主机及多电路转换器代替常规电法中的人，对各个电极进行“开关”达到移动MN和增加极距的目的，完成扫面与测深的工作。

2.高密度电法的特点

2.1点距、剖面长度与测深之间的关系

假设测线长度为L ，目标段长度为L0，探测深度H ，对称四极装置三者之间的关系满足公式（1），三极装置满足公式（2）。

式中，各长度单位均相同；（2）式中，AO为A与MN中点的距离。

通过上式可简单计算出测线长度，结合现场设计点距即可计算出本次测量所需要的大线数量，达到节约成本的目的。通过各种装置的野外工作，对称四级装置具有抗分辨力较高、抗干扰力较强特点，因而相对其他装置其应用范围较广。

2.2测量更加便捷高效

因一次性完成布极工作，通过主机及多电路转换器协同工作，完成扫描与测深工作；避免了人工反复移动电极的繁复工作，极大地提高了工作效率、减轻勘察人员工作强度，同时避免因电极设置不当而引起的干扰问题，减少地质勘查误差的出现。

2.3现场资料处理更加及时

配套的采集系统软件可以对高密度电法采集到的数据实时绘制其等值线并根据视电阻率绘制原则（一般为绿低红高）实时填充，根据现场情况对采集数据进行简单的分析、校核，使采集数据真实、可靠。

2.4野外数据采集自动化程度比较高

此项方法的运用，能够提升野外数据采集效率，自动化水平较高。对于地质勘察人员来说，高密度电法的良好运用，不但能够显著提升数据采集速度，而且减少人工操作失误。通常来讲，野外各个测点的采集速度在2S到5S之间[1]。

2.5测量更多的地电参数

将高密度电法应用到岩溶区地质灾害调查当中，能够帮助调查人员获得多项参数，比如电阻率、极化率与自然电位等参数，地电参数的准确测量，帮助调查人员更好的了解地质体特点，从多个电性角度进行性分析，提升地质勘察数据的精确性。

3.高密度电法在岩溶区地质灾害调查中的具体运用

岩溶是较为常见的地质现象，其形成原因特别复杂，水对可溶性岩石进行化学溶蚀，包括物质的转移与携出等作用的总称[2]。本文主要以某区域为例，该地区的石灰岩发育速度快，已经勘察到的溶洞规模大小不一，数量较多，而且分布不够均匀，所以，在项目施工环节，此种不良地质作用，对项目的安全威胁较大，容易出现岩溶水害与隧道涌水等现象。

3.1勘察区域地球物理特征

在该勘察区域，露出的地层由老到新顺序如下：泥盆系石英砂岩、侏罗系灰白色砂砾岩，该区域矿物质形成原因复杂，和石炭系与灰岩联系紧密。结合该地区的实地勘察数据得知，该地区地表分布大量的腐蚀质土，相当于比较低的电阻率电性层，下部为灰岩，因为干燥性比较大，降低其导电性，提高电阻率。如果矿体中的岩溶发育速度过快，再加上勘察区域的地下水位比较浅，溶洞处于地下水位以下，经常被软塑粉质粘土和水等一系列低阻体全部填充，降低了电阻率，和周围的岩石电阻率差异较大，为高密度电法勘探提供良好的勘探条件。

高密度电法作为岩溶勘探的主要方法，利用岩體、充泥溶洞和充水，包括空洞之间的导电性差异，进行科学的勘测，帮助调查人员了解地下稳定电流场的具体分布规律，进而保证该地区的地质问题得到良好解决。高密度电法将电测探测和剖面法有效结合，能够显著提升数据信息的采集密度，将测量得到的各项数据，运用先进反演技术，直观的反演为视电阻率剖面图，帮助调查人员更好的确定岩体异常具体位置，包括岩土的大小与埋深等。

3.2岩溶区探测要点

3.2.1科学布设各项测量仪器

在地质灾害调查与物探勘察工作当中，调查人员找到三处岩溶发育区域，1号溶洞包含地下暗河，走向为300°，通过进行走访得知，1号溶洞和2号溶洞保持畅通状态，1号溶洞在2号溶洞方位的330°。物探人员结合溶洞具体分布位置，包括溶洞内部地下水具体流向，在实际的勘察范围之内，总共布设8条探测剖面，测线长度为5230m。为了保证各项测量数据更为准确，调查人员针对测线进行多次测量[3]。

3.2.2妥善处理各项数据信息

在处理各项测量数据的过程之中，调查人员要遵守圆滑性处理原则，根据多种电极排列情况，对最终的测量结果进行分析。因为偶极排列出现异常现象，与地电体间的关系更加复杂，所以，调查人员通常仅处理温纳四极排列的测量数据进行分析，并遵守圆滑处理原则，圆滑处理主要指的是采取坏点切除与滑动平均方法进行数据处理。

在实际的勘察工作之中，调查人员可以一次性布设60根电极，每根电极之间的距离保持在10m左右，采取温纳装置，有序的开展数据采集工作，在该测线的南北侧，装置的布置方位为230°。

由于沿着测线基岩位置的出露比较差，地表全部被砾石粘土层完全覆盖，结合视电阻率反演断面图得知，此条剖面电阻率呈现层状分布方式分布，层位较为清晰，和地表相距较近位置，呈现低电阻，深部呈现中电阻。根据该地区的地质条件得知，地表低阻体是覆盖层，中电阻与高电阻表示深度的灰岩[4]。此条测线长度在280m～330m之间，埋深为13m～22m之间，调查人员推测，该区域很可能属于岩溶发育区域。测线长度在480m～510m之间，埋深在9m～21m之间，属于低阻区域，视电阻率在130Ω·m～450Ω·m之间，调查人员推测该地区主要是岩溶逐渐侵蚀引起的[5]。

根据该地区的视电阻率反演断面图得知，测线的中-高电阻率呈现层状分布状态，与地表距离较近的位置，呈现低电阻，由于埋深的逐渐加大，电阻率不断提高，测线150m～ 190m之间，近地表位置存在低电阻异常区域，其周围存在岩溶出水口，调查人员推测，出现低电阻异常现象，可能是岩溶水流通道不畅引起的[6]。在测线280m～300m、埋深小于4m的位置，呈现低电阻异常，电阻率数值在11Ω·m～55Ω·m之间，推断该区域属于小型的充水熔融。在测线400m～ 450m之间，埋深30m～40m之间，呈现高电阻异常现象，推断该区域可能是完整灰岩。

在此测线当中，电阻率主要呈现层状分布状态，和地表接近的区域，体现为低电阻，伴随埋深的不断增大，电阻率快速增大，在测区范围内，因为存在覆盖层，而且覆盖层的厚度比较大，在160m～460m范围之内，低电阻区域逐渐向下部延伸，低电阻区域与高电阻区域之间的界线比较明显，而且下部高电阻区域呈现块状分布，故推断该区域属于灰岩区域。

和工程勘察相比较来说，高密度电法的妥善应用，能够有效降低勘探成本，而且可获得比较高的勘探精度，帮助调查人员进一步确定溶洞形状与大小，掌握岩溶的具体分布情况，包括岩溶通道的走向，确定岩溶发育区中可能会出现的地质灾害隐患，为地质灾害治理工作提供精确数据[7]。

3.2.3图示方法

一般来讲，高密度电阻率剖面采取拟断面等值线图与彩色图来表示，因为其能够表达地电断面当中各个测点的视电阻率变化情况，所以，高密度电阻率剖面可以帮助调查人员更好的了解地点结构特征，观察更加直观。

3.3高密度电法发展趋势

在高密度电阻测量系统当中，主要由两部分构成，分别是数据收集与资料处理。结合高密度电法仪器结构特点得知，要想进一步提高各项勘察数据的精确性，保证测量主机和多个电极的稳定连接特别重要[8]。可以采取以下两种方法：常规的高魔都电法仪器与新型分布式智能高密度电法仪器。先进的分布式智能高密度仪器内部结构简单，由计算机、主机、主电缆与电极连接盒构成，主机通过准确发送出具体的控制命令，其核心功能是信号的传输，电极连接盒按照主机命令，将电极进行有效转换，而且具备良好的数据采集与传输功能。因为系统会共同发出一个命令，电缆能够覆盖测量到的各个剖面，故调查人员可采用微机进行科学的管控，保证电极分布更为科学。

三维高密度电法的广泛运用，可以减轻地質勘察人员的工作强度，虽然三维高密度电法具有众多优点，但是，其测量时间过长，而且反演运算时间也比较长，会影响到最终的应用效果[9]。伴随仪器水平的不断提升，各项先进软件不断涌现，三维高密度电法的应用范围越来越广。

高密度电法视电阻率拟断面图当中，针对裂缝与空洞等地质隐患，表现为相对高阻，针对软弱层，或者软弱体等，表现相对低阻。高密度电法也存在一定的局限性，在一些异常区域，容易出现局部地质体突变，故为了获取更加精确的勘探数据，有关人员要根据钻孔资料数据进行分析，必要时开展钻探验证。

根据上述的实践数据得知，在岩溶区地质灾害调查中，针对浅层构造，包括不良地质勘察，可以获得较为精确的勘察数据，为项目建设提供准确数据，可以降低勘察成本，取得较好的经济效益。在应用高密度电法的过程当中，由于沿线各项电力设施，包括地下管线，使得视电阻率曲线容易出现畸变，对探测数据的准确性影响较大，无法帮助勘察人员进一步了解该地区岩土性质，勘察人员要配合采用先进的钻探方法进行勘察，在提高各项勘察数据精确性的同时，为工程设计提供良好数据参考。因此，高密度电法在岩溶区地质灾害调查中具备良好的推广价值。

4.结论

综上所述，通过对高密度电法在岩溶区地质灾害调查当中的具体运用进行全方面的分析，例如了解勘察区域地球物理特征、勘察区域地球物理特征、妥善处理各项数据信息、图示方法，介绍高密度电法发展趋势，能够保证高密度电法在地质灾害岩溶区域勘察工作当中得到高效利用，减少错误勘察数据的出现，降低地质灾害的发生概率。

参考文献：

[1]王宝琛，李玉昆，宋磊.三维高密度电法和瞬变电磁法在探测采空区的应用[J].西部探矿工程， 2019， 31（09）： 177-180.

[2]焉明哲，王素芳.高密度电法探测在复杂地质条件下桩基工程中的应用[J].建筑技艺， 2019（S1）： 186-187.

[3]韩建勇.复杂艰险山区铁路地质勘察的安全生产管理——以川藏铁路为例[J].价值工程， 2019， 38（25）： 40-42.

[4]周桃生.超级高密度电法在新疆某矿区富水性评价应用研究[J].中国锰业， 2019， 37（04）： 100-103.

[5]田传仁.水文地质调查在滑坡勘察工程项目中的重要性[J].世界有色金属， 2019， （13）： 199-200.

[6]何禹，黎雨.高密度电法和等值反磁通瞬变电磁法在临武县矿区采空区勘查中的应用[J].世界有色金属， 2019， （12）： 45-46.

[7]杨兰，李彪.浅谈地下水资源勘察技术在预防地质灾害中的应用[J].中国金属通报， 2019， （07）： 151+153.

[8]程涛，黄晓应，赵恒，陈辉.瞬变电磁法与高密度电法综合对比分析——以近地表工程勘探为例[J].水利科学与寒区工程， 2019， 2（04）： 12-17.

[9]周兰.高密度电法结合钻孔比对的应用效果分析——以广东省某高速公路为例[J].工程地球物理学报， 2019， 16（04）： 538-545.

[10]杨强，丁晓.高密度电法在地质灾害岩溶区的应用[J].甘肃冶金， 2015， 37（06）： 104-107.

[11]张伟刚，接道波.高密度电法在岩溶区隧道地质灾害勘察中的应用[J].西南公路， 2013（02）：253-255+259.