高密度电法在溶洞探测中的应用

2021-11-23黄礼杰

中国新技术新产品 2021年17期

黄礼杰

（华东勘测设计院（福建）有限公司，福建福州 350000）

高密度电阻率法，也称为自动视电阻率系统，是一种阵列勘测方法，是在直流电法的基础上发展而来的探测技术，其功能类似与电剖面法与四极测深法的结合[1]。通过向地下电极供电，形成人工电场，地下岩土介质的电阻率决定了电场的分布，通过测量不同部位人工电场，对地下介质电阻率分布情况进行了解，能够推断出地下地质结构的分布情况[2]。该方法在溶洞探测中具有明显的优势，能够明确围岩含水情况，如果围岩含水量较高，岩石破碎，则电阻率就较低，通常坚硬、完整的岩土电阻率高于含水量高、破碎带或断层带的电阻率。该方法在应用中图像直观、原理清晰，是一种分辨率较高的物探方法[3]。

1 高密度电法概述

1.1 测量方法

在对溶洞进行探测时，采用高密度电法：首先，测线布设时沿探测目标走向垂直方向，根据勘探精度设定电极距，电极布置好以后，使用不同装置利用高密度电法数据采集系统进行观测。高密度电法数据系统包括主机、电极系、电极转换器3个主要部分。主机的作用是利用电缆发出指令，对多路电极转换器进行控制；多路电极转换器各电极间供电状态、测量状态通过多级电缆进行探测；探测到的数据通过主机自动存储，然后计算机对数据进行处理，将数据转换为操作软件能够操作的格式，再通过反演软件处理，生成二维反演电阻率断面图，在该基础上对地质构造进行解释。

1.2 资料处理

在对探测到的数据进行处理时，按照以下环节进行。对最佳模型参数改正值矢量Δm进行确定，然后计算目标函数φ。

式中：Δd（Δdi=Inρai-Inρci,i=1,2,…,N）为数据矢量，其值计算方法为用实测视电阻率对数值减去模拟视电阻率对数值；m（mj=Inρj,j=1,2,…,N）为预测模型参数矢量；mb（mbj=Inρbj,j=1,2,…,M）为基本模型参数矢量；为偏导数（Jacobian）矩阵；wd=didg（1/σ1,1/σ2,…,1/σN）为数据拟方差矩阵；σi是第i个数据的均方误差；wm为模型加权矩阵，设计的目的是让模型有先验信息，可令，λ为Laglang乘数；c为光滑度矩阵，然后加入先验信息，保证了模拟既接近基本模型，又是光滑的模型。

2 目标任务

在上饶市上广公路涉铁段进行高密度电法剖面测量，着重对以往地质工作探明的地下溶洞周边地段进行调查，摸清工作区及其周边溶洞分布规律，为进一步工程验证和灾害治理提供物探参考依据。

3 工程概况

3.1 气象水文

工区位于江西省上饶市信州区东南方向，属亚热带湿润气候，雨量充沛，气候温和，日照充足，四季分明。无霜期约288d，年平均气温18.3℃ ，年降雨量1954.8mm，年日照时数1621.7h。

3.2 地形地貌

工区周围属地山丘陵地貌类型，主要山脊走向呈东北走向，工区位于公路边上，工区内地势平坦，海拔标高70m~80m。工区内合福高铁南西-北东向穿过，上广公路自北西-南东向穿过。工区场地基本为水泥路面，周边有植被覆盖的山体及居民区。

3.3 地层岩性

据地质勘查报告，工区主要地层有以下几种。1）第四系残坡积：分布地表，风化作用形成，主要成分为粉质黏土、砾土、砂质土。2）上更新统（Qh）：主要成分为砂砾岩和粉质黏土。3）石炭系藕塘底组（C2o）：主要成分为石英砂岩、砂岩、灰岩。

3.4 水文地质条件

工区地表溪流发育丰富，地下水主要赋存石炭系藕塘底组溶洞中，主要由大气降水和南部山坡地表径流下渗补给。地下水流向由南向北。

3.5 地质构造

工区整体位于广丰坳陷内。工区内存在一条地层分界线，地层分界线贯穿1号线、2号线、3号线，倾角为73°，上盘地层为第四系，下盘地层为石炭系藕塘底组。

4 工作技术方法及质量评述

4.1 测网布设

高密度电阻率法试验现场沿着公路方向布设5条剖面，剖面方向与桥墩斜交，总计放样300个物理点。具体为沿各剖面每5m放样一个测点。每5m布设一个电极，其中：1线剖面长295 m，极距5 m，布置60个物理点；2线剖面长295m，极距5 m，布置60个物理点；3线剖面长295 m，极距5 m，布置60个物理点；4线剖面长295 m，极距5m，布置60个物理点；5线剖面长295 m，极距5 m，布置60个物理点。如图1所示，图中4#、5#、6#、7#表示桥墩。

图1 工程物探实测剖面及点位示意图

4.2 仪器设备

本次工作采用重庆精凡仪器厂生产的N2型高密度电法测量系统，N2高密度电法测量系统能有效提高和监控数据质量、提高数据采集和数据处理效率。该系统集电剖面和电测深于一体，采用高密度布点，具有数据快速采集，多参数测量，能获取关于地电断面结构特征的大量信息的优点。系统稳定可靠，仪器具有体积小、重量轻、低功耗、大功率、抗干扰能力强等特点。

4.3 工作原理

由于不同的岩层由不同的矿物组成，因此它们的电阻率也就不同。通过地表电极向地下供电，在地下建立起人工电场，通过测量电场在地下的分布状态，便能计算出岩层的电阻率，分析这些岩层电阻率的变化，可以间接了解地质构造[4]。高密度电法采用的就是这一原理，它通过供电电极向地下供电流I，然后再测得测量电极间电位差ΔV，从而求得该测量点的视电阻率值ρs=KΔV/I。因溶洞含水，水的介电常数（80左右）相对其他介质明显高出一个量级，高密度电法呈现团块状低电阻率异常（ρs＜100Ω·m），由于岩溶位置位于灰岩地层中，周边往往为高阻异常[5]。

4.4 资料处理

高密度电法野外采集的数据传入计算机后，在计算机中对原始数据进行必要地编辑，剔除个别畸变点。将原始数据导入RES2DINV中，然后使用有限差分法进行反演。根据反演结果所得的视电阻率断面图进行溶洞等地质体的解释推断。

5 物探成果推断解释

5.1 物性特征分析及地球物理推断解释标志

物性是联系地球物理和地质的纽带，物性数据是定性解释和定量反演的首要约束条件，将工作区主要地质体岩性与物性资料相结合，建立主要地质体的地球物理推断解释标志，可为后续异常解释、构建地质-地球物理模型提供依据。

根据本次高密度电法测量成果，结合地质资料，对岩性及岩溶相关主要地质体建立以下地球物理推断解释标志。1）第四系覆盖物：覆盖物以黏土及砂土为主，风化程度不一样，均匀性较差，一般表现为中低阻异常特征（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。当覆盖物介质较均匀时，高密度电法剖面上电阻率分布均匀；当覆盖物介质不均匀时，高密度电法剖面上电阻率分布不均匀，等值线扭曲。2）灰岩：灰岩高阻沉积岩，表现为高阻异常特征（ρs>1000Ω·m），构成本区的高阻背景。3）砂岩：砂岩通常表现为中低阻，高密度电法剖面上呈现成片均匀分布的中低阻体（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。4）溶洞：为本次探测的主要目标。因溶洞含水，水的介电常数（80左右）相对其他介质明显高出一个量级，高密度电法呈现团块状低电阻率异常（ρs＜100Ω·m），由于岩溶位置位于灰岩地层中，周边往往为高阻异常。

5.2 地质解释

综合上述定性分析成果，对本次高密度电法勘查成果进行了详细地研究，并按照异常类型、编号、平面位置、特征、解释等几个方面做了具体的描述、推断解释。根据物探工作反演成果，笔者得到如下地质解释。

5.2.1 溶洞①

完整的石灰岩呈现高阻，局部因溶蚀作用反映出低阻特征，岩溶位置主要位于3号线、4号线、5号线标高70m以下，顶板标高为67.9m，底板标高为59.7m。

5.2.2 溶洞②

完整的石灰岩呈现高阻，局部因溶蚀作用反映出低阻特征，岩溶位置主要位于4号线、5号线标高60m以下，顶板标高为59.3m，底板标高为53.1m。

5.2.3 溶洞③

完整的石灰岩呈现高阻，局部因溶蚀作用反映出低阻特征，岩溶位置主要位于3号线50m以下，顶板标高为48.2m，底板标高为45.0m。

地层分界线L1：贯穿 1号线、2号线、3号线，倾角73°，与1号线的交点坐标为（X：3144707，Y：599481），与2号线的交点坐标为（X：3144739，Y：599472），与3号线的交点坐标为（X：3144741，Y：599502）。反演剖面图见图2、图3。

图2 上广公路溶洞物探高密度电法3剖面图

图3 上广公路溶洞物探高密度电法4剖面图

6 溶洞探测中高密度电法应用的注意问题

高密度电法在大范围空间区域探查中应用，然后对不明地下岩溶空间的特性有效探明，弥补了钻探勘探范围大小中的不足；在对溶洞利用高密度电法勘探时，对观测装置的合理选择也直接影响探测效果，在具体探测中必须要在结合地质、钻探资料资料的基础上进行资料解释，以确保探测结果的可靠性与准确性。通过在上饶市上广公路涉铁段开展物探工作，探测了工作区1号线至5号线附近岩溶、断裂等分布情况，理清了岩溶及断裂之间的空间关系，得出结论如下：1）3号线至5号线间岩溶较为发育，①号溶洞带自东南向西北发育，贯穿3号线、4号线、5号线，埋深位于标高59.7m~67.9m处，长度约为50.9m，宽度约为13.0 m，高度约为8.2 m。

②号溶洞发育位于4号线与5号线，埋深位于标高53.1m~59.3m处，长度约为29.7m，宽度约为7.5m，高度约为6.2m。③号溶洞发育位于3号线，埋深位于标高45.0 m~48.2 m处，长度约为8.0 m，宽度约为2.3 m，高度约为3.2 m。2）地层分界线L1：贯穿 1号线、2号线、3号线，倾角73°。

通过该文研究，在对溶洞进行探测时，高密度电法的应用表现出较好的应用效果，但在实际探测中，很多因素也会对高密度电法探测结果准确性产生影响，所以除了熟练掌握高密度电法的应用原理、计算过程以外，还应注意以下问题。1）根据物探结果，建议在物探标定溶洞范围进行钻探验证，确认是否存在溶洞。2）由于3号线至5号线岩溶较为发育，建议公路桥桩基位置远离岩溶发育位置。3）L1岩层分界线位置应引起重视，该区域深部容易发育溶蚀，若桥桩基需穿过断裂，须根据需求对桩基进行加固。