高密度电法在侵入岩发育地区的应用实例及分析

陈凤阁

中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300131

根据当前我国经济社会的发展趋势，城镇化进程的加快，山区边缘地带的建设比以往都更迫切[1]。更精准的勘察是我国山区建设水平和速度的保障。为勘察服务的众多物探方法中，高密度电法的应用是行之有效的解决方案之一。

河北武安地区位于太行山东麓，区内煤矿、铁矿分布较多。历经几十年的开采，部分矿井关闭，处于资源枯竭状态。除了资源矿产的开发，区内灰岩、侵入岩发育丰富，灰岩中空洞的存在和侵入过程导致岩性的变化及结合处破碎变质带的存在，也都对建筑安全产生一定的影响。勘察前期通过物探方法将区域内地质条件基本摸清，避免盲目的勘察，有利于减少不必要的投入并提高工作效率。

1 高密度电法原理

1.1 过往研究

高密度电法是地球物理电法勘探众多方法中的一种[2]。理论基础已经相当成熟，应用实践也较为广泛。本次提供的实例，充分考虑了勘察中的需求，以寻找采空区和灰岩空洞为主要目标，同时分清区内主要侵入岩的界面、形态和分布范围。不同地质体具有一定的物性差异，是物探方法应用的基础[3-4]。根据过往研究显示，大部分石灰岩的电阻率略小于侵入岩的电阻率，当然也因为灰岩内是否有空洞以及含水率等因素的影响而不同[5]。本次高密度电法的应用通过后期勘察钻探的验证，明确地区分出了两者的差异。

1.2 基本原理

1.3 装置原理

根据以往收集资料分析，本区域内的物探高密度电法采用了温纳装置[8-9]。所谓装置指的是工作时电极之间的相对位置分布状态以及采集的移动方式。温纳装置(WN)也叫对称四极剖面法[2]，如图1所示。其中，A、B为供电电极，M、N为测量电极。A、M、N、B电极按照等距离的顺序排列，即AM=MN=NB。它们之间的距离称为电极距。采集过程中，电极距从小到大逐步增加，这意味着四个电极的距离按照同一倍数同步增大。

图1 温纳装置示意图Fig.1 Wenner array

2 工作概况

物探高密度电法的实施是根据前期初步物探勘测结果所布置的。前期物探已经基本摸清了地下地质体的雏形，接下来对重点区域进行详细勘探，对该区域内重点区域进行加密加深探查。。在前期物探工作的基础上，对280米标高电阻率图上显示的两块异常区域进行进一步测量。异常区域测线间距加密至10米，异常区域中心的勘测深度加大到了90米。测线布置的角度根据两异常区中心连线确定，因此测线方向与建筑边界线框呈一定角度，如图2所示。最南端测线与线框交叉范围最小，最北端则最大。测线中点为西侧异常区域中心。测线布置长度为600米，具体实施状态根据地形和场地实际情况进行了调整，如图3所示。

图2 测线布置原理示意图Fig.2 Schematic diagram of line layout

地球物理探测共布置高密度电法测线9条，为方便记录测线间距，测线编号为001～011，002和010为空编号，没有实际测线。其中003～009测线间距为10 m；001～003间距为20 m，009～011间距为20 m。结合场地地形条件，每条测线自西向东布置电极90～120个，电极距5 m。实际测线位置，如图3所示。

图3 物探高密度电法实际测线布置示意图Fig.3 actual line layout of geophysical high density electrical method

高密度电法数据采集使用重庆顶峰地质勘探仪器有限公司生产的EDJD-1A多功能电法仪，仪器自动跑级采集数据，现场采用高密度电法温纳四极装置，供电时间500 ms，采样间隔50 ms。

3 高密度电法结果

通过软件，对所采集的高密度电法数据进行滤噪处理，剔除干扰引起的异常视电阻率，例如接地异常等，最终形成完整的剖面和切面数据[8]。

3.1 高密度电法电阻率剖面图

对整理过的数据采用软件进行二维反演，本次高密度电法共布设9条测线，挑选有代表性的四条剖面进行展示，反演结果及分析如下。

(1)001测线

如图4，001测线高密度反演剖面长550 m。图中水平位置278 m对应测区西侧边界，水平位置323 m对应测区东侧边界(图中粉色线为建筑边界范围)。从图中可以看出本条测线处于勘测区的最南端，由于测线方向与建筑边界线框存在一定角度，因此交叉范围较小。探测区域范围内存在一个电阻率高阻异常区域(图中用蓝色实线圈出)，根据后期钻孔资料推测为侵入岩。

图4 001高密度电法测线反演电阻率剖面图Fig.4 001 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(2)003测线

如图5，003测线高密度反演剖面长380 m。水平位置280 m对应测区西侧边界，水平位置385 m对应测区东侧边界(粉色线为建筑边界范围)。可以看出探测区域范围内存在一个电阻率高阻异常区域(用蓝色实线圈出)，根据后期钻孔资料推测为侵入岩。

图5 003高密度电法测线反演电阻率剖面图Fig.5 003 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(3)004测线

如图6，004测线高密度反演剖面长550 m。水平位置248 m对应测区西侧边界，水平位置429 m对应测区东侧边界(粉色线为建筑边界范围)。可以看出探测区域范围内存在两个电阻率高阻异常区域(用蓝色实线圈出)，根据后期钻孔资料推测为侵入岩。

图6 004高密度电法测线反演电阻率剖面图Fig.6 004 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(4)005测线

如图7，005测线高密度反演剖面长570 m。水平位置275 m对应测区西侧边界，水平位置450 m对应测区东侧边界(粉色线为建筑边界范围)。可以看出探测区域范围内存在两个电阻率高阻异常区域(用蓝色实线圈出)，根据后期钻孔资料推测为侵入岩。

图7 005高密度电法测线反演电阻率剖面图Fig.7 005 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

3.2 高密度电法电阻率切面图

为了更直观地表示探测异常的切面位置，本次数据

处理根据001～011共九条测线探测结果制成不同标高的切面图，本次展示有代表性的标高280 m、300 m切面图，切面图中圈出的异常结合剖面图解释结果圈定。

如图8、图9，分别为280 m、300 m标高电阻率切面图，从图中可以看出，探测区域共存在2个电阻率高阻异常区域(图中用蓝色实线圈出)，推测可能为侵入岩。

图8 280m标高电阻率切面图Fig.8 280m elevation resistivity section

图9 300 m标高电阻率切面图Fig.9 300 m elevation resistivity section

4 结论

本次探测区域内上部覆盖第四系冲洪积粉质黏土，位于西侧冲沟内，最大厚度10.50 m，下伏石灰岩及侵入石灰岩中的片麻岩和辉长岩变质岩，片麻岩和辉长岩主侵入带位于北侧位置、场地中部偏东位置两处，方向分别为东西和东北至西南。

物探高密度电法切面图基本与地质勘察钻探资料相一致。切面图较好的反应了地下灰岩与侵入岩的界面形态，侵入大小，破碎状态。根据实测结果显示，该区域内侵入岩的视电阻率大多数在1 000 Ω·m以上甚至更高，灰岩为1 000 Ω·m左右，第四系等则在700 Ω·m以下甚至更低。

综上所述，高密度电法在本区域内准确有效区分出了侵入岩、灰岩以及第四系等不同的地质形态。并将其分布的状态和大小区域较为精确的划分。为后期地质勘察钻孔的布置提供了较为准确的依据。通过后期钻孔验证，本次高密度电法的准确度较高，不同岩性地质界面较清晰，没有大的断裂，较准确地反映了区域内地下地质状态。数据显示，该区域内分布的侵入岩电阻率较高，灰岩略小于侵入岩的电阻率。