鄭燕青，彭　亞，邱姜欣，尹　敏，李冠男

(東華理工大學 核工程與地球物理學院，江西 南昌 330013)

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高密度電法在水壩巖溶空洞探測中的應用

鄭燕青，彭亞，邱姜欣，尹敏，李冠男

(東華理工大學 核工程與地球物理學院，江西 南昌 330013)

為了查明庫區(qū)壩體巖溶空洞大致走向，利用高密度電阻率法對其進行了探測，野外數(shù)據(jù)采集運用合理的觀測方式，結(jié)合已知地質(zhì)資料及現(xiàn)場踏勘記錄，推斷了壩區(qū)地下巖溶空洞大致走向，為后續(xù)打鉆提供了有效依據(jù)及建議。結(jié)果表明，高密度電阻法具有快速、有效、準確的特點，是地下巖溶空洞探測的有效方法之一。

高密度電法；水庫；巖溶空洞

1　引　言

近年來，高密度電阻率法在水文工程勘探特別是水庫滲漏探測中應用較為頗廣，因為該方法具有電測深法與電剖面法相結(jié)合等優(yōu)點，完成一次勘探可以對縱、橫方向進行勘探，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，觀測精度與常規(guī)直流電測深、電剖面相比較高。此外，在測量過程中可獲得較多地電參數(shù)信息，且勘探成本低，特別在尋找地下水、破碎帶、石材礦、巖溶空洞等方面有較好的應用效果[1-7]。目前，國內(nèi)使用較多的高密度電法儀器有重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A電法系統(tǒng)、重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-6、美國Zonge公司生產(chǎn)的GDP32多功能電法儀以及北京地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DCX-1多功能高密度電法儀；相應的處理軟件有瑞典高密度處理軟件res2dinv和res3dinv以及驕佳技術(shù)公司研制的GeogigaRImager5.0軟件等[8,9]。

據(jù)此，本文以貴州某水庫巖溶空洞勘探為例，在研究區(qū)布置了5條高密度電法測線，旨在查明庫區(qū)巖溶空洞走向，為后期鉆探提供有效依據(jù)。

2　方法原理

2.1高密度電法工作原理

高密度電法工作原理與常規(guī)電阻率法基本一樣，以地下巖、礦石電阻率差異為研究基礎的一種直流電法勘探，依據(jù)施加電場作用下地下傳導電流的分布規(guī)律來推斷地下不同電阻率的地質(zhì)體賦存關(guān)系。高密度電法與常規(guī)電法一樣，以A、B作為供電電極，向地下供電流I，然后在測量電極M、N之間測量電位差ΔV，從而求得M、N之間的視電阻率值ρ=KΔV/I(圖1)，進而分析所測得的視電阻率大小及分布情況來劃分地下電層及確定異常等。

在野外測量過程中，高密度電法排列方式有十幾種，常用排列有四極排列的α排列、β排列及γ排列，不同的排列觀測方式對應不同的觀測結(jié)果，主要體現(xiàn)在測點數(shù)分布、縱橫向分辨率及觀測時間不同，實驗研究結(jié)果表明，組合排列具有被組合各種排列所具有的優(yōu)點，且兼顧探測深度與分辨能力[8,10]。α排列裝置(或稱溫納裝置)采用的是對稱四極排列裝置，即AM=MN=NB=Δx時，其視電阻率ρ表達式為：

ρ=KΔV/I

(1)

式中：ρ為地下介質(zhì)的視電阻率，單位為Ω·m；K為裝置系數(shù)，且為無量綱物理量，裝置系數(shù)僅與電極布置形式有關(guān)；I為供電電流，單位為A；ΔV為測量M、N極電位差，單位為V。

圖1　高密度電阻率法工作原理Fig.1　The working principles of high-density resistivity method

2.2高密度電法設備組成

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多路電極轉(zhuǎn)換器、主機及電極系三部分組成。野外工作可一次性布置許多根電極，每一根電極即可作為供電電極，也可作為測量電極，主要通過多路電極轉(zhuǎn)換器進行控制。通過程控多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和電測儀自動、快速采集數(shù)據(jù)，高密度電法測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　高密度電法系統(tǒng)示意圖Fig.2　The system diagram of high-density resistivity method

3　工區(qū)概況及測線布置

某水庫位于貴州喀斯特地區(qū)，地表主要被第四系地層覆蓋，巖性以泥質(zhì)、沙土為主，地表植被較為茂盛，相應的電阻率值較低(小于100Ω·m)，下伏基巖巖性為灰?guī)r，電阻率斷面表現(xiàn)為高阻(大于1 000Ω·m)，庫區(qū)地層主要以單斜地層為主，在壩尾處存在一條斷裂帶，但不影響庫區(qū)存水，地形起伏較大。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，庫區(qū)由于地下水及重力作用，石灰?guī)r長期在地下水溶蝕會形成溶洞，壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在一定程度上發(fā)生了變化；此外，庫區(qū)地表出露兩個已知溶洞,本次勘探任務是查明地下巖溶空洞大致走向。

本次測線布置根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況實施，一共布置了5條高密度測線，每條測線點距為4m，采用90根電極進行測量，測量長度斜距分別為360m，利用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A進行觀測，排列觀測方式采用溫納裝置，每個排列測量時間在90min左右，野外測線布置如圖3所示。

圖3　庫區(qū)高密度測線布置Fig.3　The line layout of high-density resistivity method in the reservoir area

4　資料解釋

在進行反演之前，在室內(nèi)對實測數(shù)據(jù)進行壞點剔除，主要剔除那些受接地不良電極采集的數(shù)據(jù)以及采集過程中儀器自帶的一些隨機干擾數(shù)據(jù)，使用瑞典RES2DINV反演軟件自帶圓滑約束最小二乘法進行二維反演，對所獲得的反演斷面進行綜合分析解釋。

GMD1測線布置在庫區(qū)壩體右岸，反演迭代次數(shù)為5次，對應擬合差為6.07%，反演電阻率斷面圖(圖4(a))反映出覆蓋層厚度均勻，主要為泥質(zhì)砂巖覆蓋，相應電阻率值較低(小于50Ω·m)。基巖面略有起伏，在樁號70m、埋深900m以下存在一高阻異常(大于3 000Ω·m)，電阻率等值線縱向梯度變化明顯，根據(jù)庫區(qū)地表溶洞出露位置，推斷此高阻異常為地下不含水巖溶空洞所引起；GMD2測線布置與庫區(qū)壩體斜交，反演迭代次數(shù)為5次，對應擬合差為2.95%，反演電阻率斷面圖(圖4(b))同樣反映覆蓋層厚度較均勻，覆蓋層主要為泥質(zhì)砂巖，電阻率相對較低(小于50Ω·m)。在樁號220m、埋深890m以下存在一高阻異常響應，縱向等值線變化明顯，結(jié)合現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)GMD2線右側(cè)附近存在一已知溶洞，推斷該剖面高阻異常響應為地下巖溶空洞所引起；GMD3測線與GMD2線測斜交，反演迭代次數(shù)為5次，對應擬合差為15.54%，由于該剖面地表地形起伏較大，反演電阻率斷面圖(圖4(c))在樁號200m、埋深920m處存在地形起伏引起的高阻異常干擾；在樁號175m、標高900m以下存在一低阻異常區(qū)塊，根據(jù)該區(qū)的地質(zhì)圖推斷認為是由F斷層引起；GMD4線剖面布置接近垂直壩尾，覆蓋層主要以泥質(zhì)為主，該剖面地形起伏相對較小，反演迭代次數(shù)為5次，對應擬合差為2.64%，從反演電阻率斷面圖(圖4(d))可知，淺部低電阻率(小于50Ω·m)異常響應由覆蓋層泥質(zhì)引起，在樁號130m、埋深約880m處存在一高阻異常，且縱向上電阻率等值線變化明顯，推斷認為是由地下巖溶空洞引起；GMD5線剖面布置與壩尾斜交，反演迭代5次，對應擬合差為3.76%，該測線反演電阻率斷面圖(圖4(e))異常響應與GMD4線基本一樣，反演斷面在樁號150m、埋深880m處，高阻異常響應同樣認為是由地下巖溶空洞引起。

圖4　5條測線反演電阻率斷面Fig.4　Five prospecting lines inversion profiles of the resistivity

綜上所述，5條高密度測線探測對庫區(qū)巖溶空洞引起的高阻異常響應明顯，從勘查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的巖溶空洞位置，可推斷地下巖溶空洞走向大致朝北西向、北東向，庫區(qū)巖溶走向推斷成果如圖5所示。

圖5　溶洞走向推斷示意圖Fig.5　The map of interpretation of the run of karst cavity

5　結(jié)　論

通過對貴州某庫區(qū)進行高密度電法探測試驗，可以得出以下結(jié)論：

1)高密度電法在灰?guī)r地區(qū)探測巖溶空洞具有較好的探測效果，5條測線反演斷面均顯示出高

阻異常，說明地下巖溶空洞幾乎不含水，綜合庫區(qū)5條測線反演斷面解釋結(jié)果，推斷認為地下巖溶空洞走向存在兩個方向。

2)由于巖溶空洞電阻率與近地表覆蓋層電阻率存在較大差異，會形成明顯的高低阻暈圈；此外，地表地形起伏過大在反演斷面圖上會形成假異常，在進行反演之前必須做地形校正。

3)在實際測量過程中，由于高密度探測深度、供電電流大小以及排列長度有限，且存在一定的勘探盲區(qū)，故進行中深部工程勘探時不宜選用此方法。

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The Application of High-Density Resistivity Method to Karst Cavity Exploration of Dam

Zheng Yanqing，Peng Ya，Qiu Jiangxin,Yin Min，Li Guannan

(School of Nuclear Engineering and Technology, East China Institute of Technology,Nanchang Jiangxi 330013, China)

Tofindoutthedirectionsofkarstcavityinthedamarea,high-densityresistivitymethodhasbeenusedinareasonablemodeatthefielddataacquisition.Combinedwiththeknowngeologicaldataandthereconnaissancerecord,thedirectionsofkarstcavitymightbededucedinthedamarea,whichcanalsoprovideeffectiveproofandsuggestioninthelaterdrillingwork.Theresultsshowthatthehigh-densityresistivitymethodisaneffective,fastandaccurategeophysicalmethod,andisoneoftheeffectivemethodsoftheundergroundkarstcavityexploration.

high-densityresistivitymethod;reservoir;karstcavity

1672—7940(2016)03—0285—04

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.03.005

國家自然科學基金(編號：41164003、41404057)；國家科技支撐計劃(編號：2011BAB04B03)

鄭燕青(1987-)，男，碩士研究生，主要從事電磁法應用研究。E-mail:zhengyanqing20yyl@126.com

P631.3

A

2015-12-18