■黃新宇 王志勇 崔迎龍

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊吉林長春130033）

高密度電法在地面塌陷勘查的應(yīng)用

■黃新宇 王志勇 崔迎龍

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊吉林長春130033）

地面塌陷是常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著人民生命財產(chǎn)安全。高密度電法以其數(shù)據(jù)量豐富、成本低、受場地干擾小等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察中。本文以吉林省白山市珍珠門村地面塌陷勘查為例，介紹了高密度電法的工作原理和野外工作方法，說明了高密度電法在地面塌陷勘查中的應(yīng)用。

高密度電法 地面塌陷 大理巖

0　引言

高密度電法是一種陣列式電阻率測量方法。該方法可以實現(xiàn)電阻率的快速采集和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時處理，采用高密度布點，進(jìn)行二維地電斷面測量。該方法具有提供的數(shù)據(jù)量大、信息多、觀測精度高、速度快的特點，是區(qū)域性和特定區(qū)內(nèi)地面塌陷災(zāi)害調(diào)查最有效的物探方法之一。

1　高密度電法原理簡述

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種電探方法，根據(jù)在施加電場作用下地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體的賦存情況。高密度電阻率法的物理前提是地下介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異。和常規(guī)電阻率法一樣，它通過AB電極向地下供電流I，然后在MN極間測量電位差ΔV，從而可求得該點(M、N之間)的視電阻率值Ρs=KΔV/I。根據(jù)實測的視電阻率剖面進(jìn)行計算、分析，便可獲得地下地層中的電阻率分布情況，從而可以劃分地層，判定異常等。該方法將垂向直流電測深、電測剖面和電阻率層析成像相結(jié)合。

2　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括實測數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、反演、成像等方面。

數(shù)據(jù)采集完成并輸入計算機(jī)后要進(jìn)行一系列的預(yù)處理,如數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、剔除壞點、地形改正等。二維反演程序是基于圓滑約束最小二乘法(deGroot～Hedlin and Const able 1990,Sasaki 1992)的計算機(jī)反演計算程序,使用了基于準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小二乘新算法(Loke and Barker,1996),使得大數(shù)據(jù)量下的計算速度較常規(guī)最小二乘法快10倍以上,且占用內(nèi)存較少。圓滑約束最小二乘法基于以下方程:

(J′J+LF)d=J′g

其中,F=fx～fx′+fz fz′；fx=水平平滑濾波系數(shù)矩陣;fz=垂直平滑濾波系數(shù)矩陣;J=偏導(dǎo)數(shù)矩陣;J′=J的轉(zhuǎn)置矩陣;L=阻尼系數(shù);d=模型參數(shù)修改矢量;g=殘差矢量。

這種算法的一個優(yōu)點是可以調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)和平滑濾波器,以適應(yīng)不同類型的資料。反演程序使用的二維模型把地下空間分為許多模型子塊。然后確定這些子塊的電阻率,使得正演計算出的視電阻率擬斷面與實測擬斷面相吻合。對于每一層子塊的厚度與電極距之間給以一定的比例系數(shù)。最優(yōu)化方法主要靠調(diào)節(jié)模型子塊的電阻率來減少正演值與實測視電阻率值的差異。這種差異用均方誤差( RMS)來衡量。然而,有時最低均方誤差值的模型卻顯示出了模型電阻率值巨大和不切實際的變化,從地質(zhì)勘察角度而言,這并不是最好的模型。通常,最謹(jǐn)慎的逼近是選取迭代后均方誤差不再明顯改變的模型,這通常在第三和第五代迭代之中出現(xiàn)。高密度電阻率剖面一般采用擬斷面等值線圖、彩色圖或灰度圖來表示,由于它表征了地電斷面每一測點視電阻率的相對變化,因而,該圖在反映地電結(jié)構(gòu)特征方面具有更為直觀和形象的特點。

3　工程實例

3.1地質(zhì)與地球物理條件

高密度電法的數(shù)據(jù)是在反演的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，解釋的關(guān)鍵是將巖體電性差異轉(zhuǎn)化為巖性上的差異。據(jù)鉆探揭露和現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查,工區(qū)地層由上覆第四紀(jì)全新統(tǒng)（Qh）粉土質(zhì)粘土、砂、砂礫石、礫卵石層和下伏中元古界老嶺群珍珠門組（Pt1z）大理巖組成。由于工區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，地下溶洞內(nèi)含水的可能性較高，含水溶洞的電阻率較低，由于被填充情況的不同，電阻率值范圍約為50Ω·m—200Ω· m；第四系電阻率值稍高于含水溶洞，約為150Ω·m—300Ω·m；大理巖電阻率值較高，約為300Ω·m—700Ω·m。上述物性特征為以電性差異為應(yīng)用前提的高密度電法勘探提供了良好的地球物理條件，這為探測工區(qū)內(nèi)巖溶的存在及發(fā)育的范圍提供了有利條件。

3.2野外工作方法

本次野外工作采用30個電極組合的溫納裝置進(jìn)行測量,點距10 m,排列長度300 m。野外數(shù)據(jù)采集所用的儀器為中國地質(zhì)裝備總公司重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK～2A高密度電法測量系統(tǒng)，野外測量的數(shù)據(jù)現(xiàn)場傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)做出初步的推斷解釋,對異常點及突變點進(jìn)行重復(fù)檢查,以確保數(shù)據(jù)真實可靠。

3.3斷面圖分析與解譯

本次勘查共布設(shè)了4條高密度電法剖面，均取得了較好的效果，以下為WT1001剖面的斷面圖及解譯。

圖1　WT1001線電阻率反演斷面圖

WT1001為經(jīng)過已知塌陷點的剖面，剖面方向為北東—南西向，30道排列，測線全長300m，測線整體較為平整。

由圖1可以看出，圖中共有3處低阻異常，其中YC1為已知塌陷點所在位置，位于15號電極處，深度約為15m；YC2位于20號電極處，深度約為10m；YC3位于23和24號電極中間，深度約為

圖2　高密度電法勘查異常位置圖

12m；剖面所反應(yīng)的其他部分地層分層明顯，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。此三處異常推斷是由含水地下溶洞所引起的低阻異常。后經(jīng)鉆探檢驗，上述三處異常均為含水溶洞。

3.4工作成果

本次工作共布設(shè)了高密度剖面4條，共發(fā)現(xiàn)8處疑似地下溶洞引起的異常，如圖2所示。經(jīng)鉆探驗證，除YC6外其他7處異常均發(fā)現(xiàn)含水溶洞。YC6由于離河水較近，第四系砂層含水量較大，也表現(xiàn)為低阻異常，對最終的解譯造成了影響。

4　總結(jié)

（1）高密度電法兼具剖面法和測深的功能，具有點距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點，能較直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態(tài)、產(chǎn)狀等。在大理巖分布區(qū)應(yīng)用高密度電法探測地下溶洞的位置及大致形態(tài)有較好的效果。

（2）受工區(qū)內(nèi)水系影響，部分第四系砂層中含水較多，電阻率值較低，引起低阻異常，會對最終的解譯造成影響。

[1]周正茂.巖溶塌陷勘查中高密度電法技術(shù)的應(yīng)用和分析【J】.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012,(19):13～14

[2]王建軍，強(qiáng)建科，李成香，徐衛(wèi)權(quán).高密度電法在地面塌陷勘查中的應(yīng)用【J】工程地球物理學(xué)報,2005,(3):232～234.

[3]趙光輝.高密度電法勘探技術(shù)及其應(yīng)用【J】礦產(chǎn)與地質(zhì)，2006,20(2):166～168

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000～405X（2016）～4～248～2