高密度电法在水文地质调查中的应用实践研究

吴新泉

（安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000）

高密度电法是一种先进的电子勘探技术，依靠介质电性之间的相互差异，对人工与天然电场进行勘探分析。由于高密度电法测量密度点分布的比较密集，可从中获得大量信息，目前已被用于水文地质勘探研究。在实际测量工作中减小电磁带来的影响，降低事故发生率，保证水文地质勘探结果的真实性与准确性。

1 高密度电法的工作方法研究

1.1 基本原理

高密度电法基本工作原理和常规电阻率法基本相同，以岩土体电性差异为基础，是一种用于勘察水文地质情况的电法勘探手段，通过A和B电极向地下供电流I，随后在M和N极间检测电位差，求出M和N间电阻率值，具体如图1所示。按照实际测量得到的电阻率剖面展开计算，从而了解在不同深度底层下电阻率的实际分布情况，判断施加电场的情况下地层传导电流的大致分布规律，并以此分析地下不同电阻率的地质体实际赋存状态[1]。

图1 高密度电法示意图

高密度电法是一种常见的物探电法，以地下岩土体电阻率差异为勘探基础，通电的时候会在测量区域内形成电场，仪器可记录电流大小，按照提前设置的施工参数实现各区域卡尼亚电阻率的自动计算。高密度电法主要通过室内设计点线位置，应用RTK放样布置施工所需的电极数，再通过电缆连接，最后与电机转换器主机相连，工作人员可通过仪器接线柱采用不同的接线方式，将电极组合为指定装置，提前输入预设的电极数与距离，从而依靠高密度电法仪观测断面测点位置的电阻率情况，这种自动化处理的工作方式可有效节约观测时间，降低工作人员的工作压力，提高观测效率。

1.2 优势特点

分析高密度电法的应用优势，具体如下：

（1）高效率。地质勘察期间，电极布置操作能一次完成，不仅优化了工作流程，也减少了不必要的影响，省略了大量修复和调整的时间，提高了勘探效率。

（2）多样化。高密度电法的测量方式和电极排列有一定的关联，由于电极数量庞大，其排列方式具有多样化的特点，测量方式也会不断改变，因此高密度电法的应用需要从多层次分析结果。

（3）自动化水平较高。当前野外采集已经实现半自动化，且人工操作难度下降，人力支出不断缩减。地球物理反演不断完善，电阻率成像效果显著提升，以往的一维跨度向三维跨度转变，高密度电法的应用日渐成熟。

1.3 工作方法

对于高密度电法的实际工作方法，主要包含以下几种：

（1）现场测量方式。先布置测量线和测量点，选取测试点后将电极设置在一定间隔点位上，再利用转换设备所需的电极将其组合为指定设备，针对电极设备观察剖面电阻率，同时完成数据处理与图形绘制，以此在短时间内完成地质勘探。

（2）数据前处理工作。如果是地形较为复杂横截面，海拔坐标应添加到数据文件中，为接下来的反演处理提供参考。

（3）反演处理，创建二维模型，根据地质勘察资料，确定反演参数，如阻尼因子和迭代次数等，再应用最小二乘法开始反演计算，通过地形校正得出地电断面，可用于地质解释中。

2 高密度电法在水文地质调查中的实践应用分析

2.1 基岩探测分析

在水文地质和工程地质中应用高密度电法，可随机选取一个大坝作为测量对象，了解淤泥、淤泥夹薄层细粉、含泥细沙等基岩情况。并且，高密度电法在水文地质和工程地质基岩探测的过程中，应当根据基岩深度以及断截面形态有针对性的选择高密度电法实施方案[2]。具体如下：

（1）在高密度电法实施的过程中，应当根据工程轴线位置及基岩横截断面形态，布设测量密度，设置测量线间距离，以保证测量数据的准确性。

（2）高密度电法在水文地质和工程地质应用的过程中，应当根据地质资料进行分析计算，例如：在某工程地质施工的过程中，岩石的测量抛物线设置为40Ω～60Ω，将填土、淤泥、淤泥夹薄层细粉、含泥细沙进行相应的划分，其设置的数据不能大于10Ω。通过利用相应的公式计算，砌石层的厚度为7.0m，填土的厚度为3.0m，－5.0以下均为填土、淤泥、淤泥夹薄层细粉、含泥细沙等，这样可充分地掌握基岩的分布情况，从而保证水文知识和工程地质工作的展开，避免安全事故的发生。

2.2 滑坡体分界面与地层划分应用

在滑坡体分界面处应用高密度电法对滑坡体勘测分析，绘制反演色谱图。由于色谱自身没有规律层次，整体来看，低阻带多数分布在中上部地区，且并不连续。高阻有两个凸起点，表层有高阻反应。17m以内的下埋深度范围内，电阻率保持在120Ω·m。钻探被测试区域，发现该处确实有滑坡体出现，可见高密度电法应用的可靠性。现场测量时，需要将全部电机设置在带有一定间隔的观测点位置上，通过仪器开始观测。对高密度电法的测量方法与仪器进行设计，提高数据采集系统精度和抗干扰能力，以便设备获得更丰富可靠的地质信息。高密度电法在完成横向与纵向二维观测时，还要实现电测剖面与电测深两种不同形式的测量，资料分析期间需要结合多参数进行综合分析，高密度电法集中了常规电阻率方法的应用优势，也弥补了以往电阻率法观测存在的不足。野外工作期间，应用EDJD-1直流电法仪根据地层划分一次性布设60个电极，同时将电极转换开关按照装置的实际情况组合，自动计算电阻率，将计算结果存储在设备中。一个排列完成之后，向前滚动多个电极，随后重复上述操作，直到整个剖面全部测量完成，数据会自动上传到计算机系统中，并应用专用软件进行处理，实施二维反演计算。接着，按照计算结果绘制等值线，拟出断面图，测量结果就是地层二维电阻率断面，这是综合应用了常规电阻率法与反演处理方法的结果，电极可一次性布设完成，经过高密度电法的应用即可获得地质信息。

将高密度电法应用在地层划分中，根据标准选择有代表性特点的供水线路，对该处地层使用高密度电法探测分析。分析反演色谱图，发现电阻率曲线能呈现出闭合或半闭合相交两种状态，电阻率为400Ω·m，这是因为回填砂性土对地质结构产生了影响。下方桩基内有倒U型闭合圈，这与淤泥质土的存在有关，其他桩基地层主要为粉质粘土。除了以上应用，高密度电法还可用在建筑选址、公路桥梁建设、机场跑道等工程地质勘察工作中。

2.3 寻找矿山地质地下水

随着社会经济的快速发展，现如今人们对矿山水资源的需求不断提高。当前科学发展的今天，人们在寻找水源的同时，会根据不同矿山地质结构对地下水类型进行分析，多方法结合探寻水资源，以此科学处理地下水，提高水资源利用率，实现大自然水资源的优化配置。以高密度电法寻找矿山地下水为例，该矿山研究区域内出露的矿层大致如下：第四系岩性，其中包含矿山边坡沉积红黏土、深灰色泥晶灰岩、泥灰岩、白云岩与黏土岩等。本次勘察需要探测100m地层地下水的含水条件，依据任务目的，结合区域地质条件，选择高密度电法进行勘察，并采用10m极距。在本次找水任务中，地下水在电阻率曲线内会呈现出低阻异常区圈闭现象，并在找地质构造裂隙断层时呈现电阻率大幅度变化的横向异常情况。

沿着勘察区域以垂直于矿层走向和地下水流向的方向进行勘探线布设，应用温纳装置及时采集勘探得到的数据，查看裂隙发育带的具体位置，其测量长度设置为600m，其测点间距离设置为10m。野外数据采集需要采用WDJD-2多功能数字直流机电仪、WDZJ-1多路电机转换器等仪器联合构建WGMD-3高密度电阻率测试系统。图2是A测线视电阻率反演断面图与B测线视电阻率反演断面图的大致情况，经过分析得知，测线250m～300m段，深度为7m～85m处有一个倒“V”型的低阻异常现象，ρ值为50Ω·M～150Ω·M。通过对异常形态特征研究，可判断该位置就是裂隙发育带。由于B测线属于A测线对应线，两条测线可反映同一处地质结构的大致情况，能综合体现该区域矿山地质构造状态[3]。

图2 A、B测线高密度视电阻率反演断面图

采用高密度电法，根据物探效果，在A测线250m～300m段确定井位开始钻探，将孔深控制在150m左右，采取抽水试验，得出该处位置的出水量能达到每天107.4m³。

3 总结

总而言之，应用高密度电法对地理环境展开物探勘查工作，通过电阻率探测点的科学布置，结合区域内水文地质条件，结合物探研究成果，综合分析该区域的水文地质情况。可将高密度电法用于水库大坝渗漏勘察、海堤砌石体深度探测、滑坡体分界面与地层划分应用中，提高勘察效率。