高密度电阻率法在西北地区黄土层条件下的试验应用*

赵 博 ，张嘉力

（1.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021；2.华能甘谷电厂有限公司，甘肃 天水 741200）

1 方法概述

高密度电阻率法因其对施工现场较小的地形破坏影响、较高的工作效率、较小的现场工作规模及人工开支等特点，受到了各类矿产资源勘查工作单位以及城市地下工程空间探测工作单位的青睐，得到了大规模的应用与深入发展研究[1-3]。该方法常被应用于解决矿产资源勘查、大地构造调查、城市地下空间结构无损探测等领域的工程实践问题。

本次勘探试验采用较为先进的高密度电阻率法仪器系统，该仪器系统可进行多种装置类别的高密度电阻率装置形式测试，可以自定义设置设备进行数据采集观测。仪器出厂配置有高性能计算机，与扩展外设配件及相应的数据处理软件相配合，可在工作布置现场对所采集的数据资料进行分析处理成图。该仪器系统被广泛地应用于自然资源、能源开发、交通建设、工程建设、工业与民用建筑、地质环境调查、环境灾害评价、堤防隐患探测等领域[4-5]。此外，该仪器系统还可满足常规电法勘探中所有装置类型的数据采集，诸如电测深、联合剖面等。

2 勘探试验区基础地质条件

勘探试验区位于甘肃省兰州市东岗远郊地区，该地区位于西北黄土高原丘陵沟壑区，为北温带半干旱大陆性气候，干燥少雨，土壤为黄土母质上发育起来的灰钙土，土壤颗粒较粗，受水分条件制约，自然植被生长稀疏，主要植被群落以旱生植物为主。按板块构造学说，兰州地区位于华北板块与华南板块碰撞而形成的祁连-秦岭地缝合线上，挽近地质时期由于印支板块向欧亚板块的碰撞，受到来自南西-北东方向的压力而处于活动状态。黄土高原区是一个特殊的地理区域，深厚的黄土层记录了丰富的第四纪环境信息，而该地区脆弱的生态环境容易受到水土流失的影响，受所含水分比例变化的影响，黄土层在力学上呈现出明显的不稳定性，从而造成了该地区易发多发地面塌陷、山体滑坡等地质灾害[6]。易得以下结论：黄土层含水量越高的局部区域，其力学稳定性越差，该局部区域越易发生地质灾害。

3 方法适用性

水分对于黄土层的另一项物理性质改变则在于导电性。根据基础物理学常识，土壤含水量越高，其导电性能则越好，量化物理参数则为土壤观测电阻率（ρ）越低，表现为低阻区域；与之相对的，土壤越干燥，其导电性能变差，观测电阻率则升高，表现为高阻区域。土壤含水量与地面观测视电阻率呈负相关关系[7-9]。而高密度电阻率法正好关注的是观测区地下某处视电阻率（ρs）数值变化分布情况。

结合以上论述，可以通过在黄土层地区地表面布置观测阵列，利用高密度电阻率法仪器系统观测地下各深度视电阻率值变化分布，从而了解地下土壤水分含量的变化分布情况，为该地区地面沉降等地质灾害的预测与防治提供依据和参考。

4 现场工作布置

为简化计算成像程序，减少地形校正等数据前处理步骤，勘探试验选取了一处平坦度较好的地点进行了排列布置，如图1所示。采取AB段（90 m）作为观测区主测线排列，沿南北向延伸分布；CD（90 m）、EF（90 m）、GH（90 m）段作为观测区旁测线排列，垂直于主测线沿东西向延伸分布。在工作区域内按照地面布置设计确定各点位的位置，并用标志物在地面上进行标记。

图1 勘探现场工作布置示意图

依次沿各条测线利用皮尺确定好电极间距，以Δl=1 m的间距依次将仪器配套的电极棒钉入地面，仪器主机及外部直流电源通过数据总线依次与排列上的电极棒串联，完成该条测线的排列布置。电极排列布置如图2所示。外部直流电源经过数据总线向排列上的装置组（排列上连接的多个电极棒的其中四个）进行供电同时反馈该组测定的视电阻率，装置组的极距参数及装置类型通过仪器设定选择而自动改变[10]。以排列为单位获得观测数据文件，数据文件包含X（地面位置）、Y（观测深度）、Ro（视电阻率）等信息。

图2 电极排列布置示意图

5 观测数据成像分析及可能的地质解释

编制MATLAB程序，录入观测记录所得的主、旁测线排列数据，得到勘探试验区四个地电断面图像如图3～图6所示。视电阻率分布等值线剖面图通过contourf函数绘制。设定色标参数为“cool”，浅色区域对应视电阻率值较低，对应土壤含水量较高区域；深色区域对应视电阻率值较高，对应土壤含水量较低区域。

图3 观测排列AB数据成像

图5 观测排列EF数据成像

图6 观测排列GH数据成像

观察图像颜色分布及色表数值范围，可知勘探试验区地下视电阻率值分布介于40 Ω·m～110Ω·m；由图3可知南北向延伸分布的主测线AB段普遍土壤含水量较高，主要集中分布于地表向下的5 m范围内，这与地面现场布置时区域中部地形的轻微下凹吻合；同时该高含水土壤层中也存在多个分布范围较窄的干燥土壤夹层，推测可能是黄土层内有成分组成与围土有较大差异的局部区域存在，其受到来自地表的外力压实作用而发生土壤固结，致使黄土层局部区域出现了含水较低的夹层；AB观测排列南端（约10 m处）及最北端（约90 m处）出现数值陡然增大的高阻区域，推测可能是因水土流失而造成的黄土层地下空洞，此两处地点有较高的发生地面塌陷地质灾害风险，应于地面做标记并及时向周边住户居民发出预警。

由图4～图6可知，黄土层水分主要集中存在于沿AB测线左右地面10 m地下2 m～6 m的范围内，水分以此区域为中心向四周径向扩散减少。东西向的三条观测排列CD、EF、GH，尽管该三条测线间有较大的间距（约12 m）存在，但根据三个排列绘制的视电阻率分布剖面图，就导电性差异反映而言，此三线并没有太大差异，推断试验勘探区黄土层沿主测线方向（南北）自地面向下5 m范围内属于电性均匀分布介质；排列CD、EF、GH的最东端也均出现了数值陡然增大的高视电阻率异常特征，同样推测可能是因水土流失而造成的黄土层地下空洞，此处有发生地面塌陷地质灾害风险，需提前预警准备。

图4 观测排列CD数据成像

6 总结与展望

通过本次高密度电阻率法勘探试验，验证了该方法针对黄土层地区土壤含水量预测的适用性，为地区地质灾害防治、地面塌陷监测预警、水土保持等专业领域的进一步研究提供了参考。下一步可就黄土层含水量与土壤视电阻率间的负相关关系进行定量数值模拟，从而探究黄土层地下土壤水分含量的变化分布规律，进而为该地区地面沉降等地质灾害的预测与防治提供依据和参考。