王思桐, 李 堅(jiān), 曹禮剛, 曹云勇, 雷旭友, 魏棟華, 何蘭芳

(1. 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，成都 610059； 2 .中鐵二院工程集團(tuán) 物探所，成都 610031； 3 .中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

高分辨電阻率成像在鐵路勘察中的應(yīng)用

王思桐1, 李 堅(jiān)2, 曹禮剛1, 曹云勇2, 雷旭友2, 魏棟華2, 何蘭芳3

(1. 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，成都 610059； 2 .中鐵二院工程集團(tuán) 物探所，成都 610031； 3 .中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029)

介紹了兩個(gè)高密度電阻率成像技術(shù)在中國(guó)西南鐵路勘察中的應(yīng)用實(shí)例。數(shù)據(jù)采集采用supersting○RR8 / IP高密度電法儀，采用5m道距，每個(gè)排列84道。依據(jù)野外裝置試驗(yàn)結(jié)果，固定測(cè)量電極(MN)的施倫貝爾排列方式，隨供電電極距(AB)增大，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量變差，因而采用不同測(cè)量偶極距的施倫貝爾排列。在XM的應(yīng)用實(shí)例中，高密度電阻率成像成功探測(cè)了喀斯特地貌區(qū)的淺地表結(jié)構(gòu)，查明暗河和多處溶洞，探測(cè)結(jié)果表明：暗河區(qū)發(fā)育較大范圍的低阻，巖溶主要表現(xiàn)為低阻圈閉特征。在DF的實(shí)例中，高密度電法主要用于探測(cè)隱伏的煤層和采空區(qū)，結(jié)果表明：煤層和軟質(zhì)巖類具有明顯的低阻特征，在灰?guī)r區(qū)有顯著的電阻率差異，但由于煤層和采空區(qū)都呈現(xiàn)顯著的低阻特征，因而高密度電法在探測(cè)煤層中的小采空區(qū)依然有較大的難度。試驗(yàn)結(jié)果表明，即便采用0.5m的道距，依然難以圈定采空區(qū)的形態(tài)和精確位置。

高分辨電阻率成像； 勘察； 暗河； 煤采空區(qū)； 中國(guó)西南

0 引言

喀斯特地貌和煤系地層在中國(guó)西南部非常發(fā)育[1]。在四川和貴州交界處更是發(fā)育了大量的巖溶和蜂窩狀煤礦，其中的許多煤層幾十年來(lái)一直被開(kāi)采，留下了大量的未知采空區(qū)，這給工程建設(shè)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。在喀斯特地區(qū)，溶洞和地下暗河也經(jīng)常困擾著工程建設(shè)，高鐵建設(shè)對(duì)近地表勘察的要求更高[2-3]。因而在巖溶發(fā)育區(qū)，近地表地球物理勘察在保證工程建設(shè)安全中起著至關(guān)重要的作用。工程物探技術(shù)對(duì)一些規(guī)模較大采空區(qū)和巖溶有一定的探測(cè)效果，但對(duì)小尺度的巖溶和采空區(qū)(如只能容納一個(gè)礦工煤層采空區(qū))，依然是近地表地球物理中難題。

在中國(guó)西南部鐵路近地表勘察中，使用過(guò)多種地球物理方法，但是有些方法效果并不理想，難以滿足工程地質(zhì)的要求。地震反射和折射在山區(qū)和碳酸鹽地區(qū)的效果受到明顯的干擾；高頻電磁法的分辨率相對(duì)較低且容易受到干擾；常規(guī)的直流電阻率測(cè)深工作效率低、周期長(zhǎng)。高密度電法以研究地下介質(zhì)體電阻率差異為地球物理基礎(chǔ)，與常規(guī)電阻率法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，關(guān)于這種方法的勘探思想源于70年代末期，英國(guó)學(xué)者所設(shè)計(jì)的電測(cè)深偏置系統(tǒng)為高密度電阻率法的最初模式[4]。高密度電阻率法因其簡(jiǎn)便性和有效性被廣泛使用，該方法被用來(lái)確定近地表電阻率的空間分布，在20世紀(jì)90年代，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，它利用數(shù)十個(gè)甚至幾百個(gè)電極之間的自動(dòng)切換電極組，使探測(cè)技術(shù)與結(jié)果描述得到進(jìn)一步提高[5-13]。

由于有較高的分辨率和施工效率，高分辨電阻率成像技術(shù)在CG高速鐵路近地表調(diào)查中，被廣泛應(yīng)用于巖溶和其他地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。筆者介紹其中的2個(gè)應(yīng)用實(shí)例：①高分辨電阻率成像在暗河探測(cè)中的應(yīng)用；②煤田采空區(qū)和巖溶調(diào)查中的應(yīng)用。高分辨電阻率成像技術(shù)在兩個(gè)實(shí)例中均取得較好的勘察效果，部分成果被后期的鉆探和工程地質(zhì)證實(shí)。

1 高密度電法的基本原理

高密度電法是一種以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)下的地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，它集電剖面法和電測(cè)深法為一體，采用高密度布點(diǎn)，高密集采樣，多次覆蓋，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量的一種電阻率法勘查技術(shù)。

利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集的多種參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、地形校正和反演成像。高密度電法具有一次完成電極布設(shè)、能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量、實(shí)現(xiàn)野外采集的自動(dòng)化、數(shù)據(jù)的預(yù)處理并顯示剖面形態(tài)、低成本高效率方便實(shí)用的特點(diǎn)[10-12]。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集使用一套Supersting○RR8 /IP儀器，采用施倫貝爾裝置，部分采用偶極-偶極裝置。接收電極道距為5m，每排列采用4纜共84道采集，電極采用不銹鋼電極，由采集系統(tǒng)集中控制電流和電壓。為了選擇合適的采集裝置，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(圖1)，兩種方法的測(cè)試結(jié)果大致相同，但在細(xì)節(jié)上存在差異。在淺層，施倫貝爾結(jié)果有更高的分辨率；在深層，偶極-偶極排列方式分辨率相對(duì)較高。施倫貝爾排列分辨率差的原因是使用了固定的MN間隔，而這種固定的MN間隔排列在深層的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。因此，我們采用了改變?cè)瓬y(cè)量(MN)偶極距的施倫貝爾排列方式。數(shù)據(jù)處理采用基于施倫貝爾和溫納法的解釋而提出的佐迪方法進(jìn)行二維反演。它的原理是通過(guò)不斷調(diào)整初始模型參數(shù)使正演曲線與實(shí)際曲線之差達(dá)到最小，由此所得的最終模型作為反演結(jié)果。本次數(shù)據(jù)處理使用軟件Earthimager2D是以平滑約束最小二乘法為基礎(chǔ)，通過(guò)擬牛頓最佳擬合技術(shù)為準(zhǔn)則的最小二乘法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 施倫貝爾和偶極-偶極裝置的反演結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of the inversion result from Schlumberger and dipole-dipole array in the same section(a)采用施倫貝爾裝置的測(cè)試結(jié)果；(b)采用偶極-偶極裝置的測(cè)試結(jié)果

圖2為一個(gè)已知的0.5 m廢棄煤層采空區(qū)的高密度電阻率成像結(jié)果，從圖2中可以看出，反演剖面的邊界和埋深都難以由高密度電法精確反演，但煤層采空區(qū)電阻率明顯降低。

圖2 煤礦采空區(qū)ERI剖面Fig.2 A testing ERI section over a known coal goaf

3 XM暗河應(yīng)用實(shí)例

工作區(qū)位于貴州省西北部，為高原溶蝕低丘洼地地貌，丘包與洼地相間，丘包低緩，洼地平緩，丘包基巖裸露，洼地被土覆蓋。工作區(qū)范圍內(nèi)覆土為第四系洪坡積黏土，坡殘積弱膨脹土。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組二段(T2g)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r。依據(jù)鉆探結(jié)果，覆蓋層的厚度為2 m～3 m，基巖為弱風(fēng)化、巖質(zhì)較硬、斷口新鮮、巖芯完整的灰?guī)r。探測(cè)目標(biāo)為高鐵大橋通過(guò)路段的巖溶與暗河，地面調(diào)查已經(jīng)發(fā)現(xiàn)河流的入口，但不能知道地下河道的位置。

野外采得了長(zhǎng)510m的高密度電阻率成像剖面，共布置105道，道距為5m，探測(cè)深度約為80 m，反演電阻率剖面如圖3所示。從圖3中可以看出：在海拔1 200 m～1 210 m、200 m～300 m之間發(fā)育明顯的低阻異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)其中心部分為暗河(Ground river)的反映，該結(jié)果已得到后期鉆探的驗(yàn)證。存在的另一個(gè)低電阻率異常在380 m～450 m位置，被推測(cè)為半填充溶洞(Half-filled cave)。

圖3 XM地下暗河的高分辨電阻率成像技術(shù)剖面圖Fig.3 High resolution resistivity imaging section in XM ground river

4 DF工作區(qū)的應(yīng)用實(shí)例

DF工作區(qū)為一個(gè)歷史采空區(qū)，附近的小煤窯或煤洞已開(kāi)采了幾十年，留下了大量的未知采空區(qū)。工作區(qū)屬高原溶蝕、剝蝕低丘地貌，丘間槽地、溶蝕洼地較發(fā)育，地形起伏、斜坡陡緩差異較大，緩坡地表多為旱地，無(wú)規(guī)律分布有較多的廢棄小煤窯。上覆第四系全新統(tǒng)坡殘積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖及煤層(P2l)。下統(tǒng)茅口組(P1m)灰、淺灰、灰白色，厚層、巨厚層至塊狀，含白云質(zhì)斑塊灰?guī)r，夾燧石結(jié)核灰?guī)r、燧石灰?guī)r。鉆井和地面調(diào)查表明，近地表基巖包括煤、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、風(fēng)化的石灰?guī)r、侵蝕的灰?guī)r到新鮮的灰石化。為了調(diào)查含煤地層、采空區(qū)和松軟巖層，沿線路方向部署了三條高密度電法剖面，垂直線路方向部署了7條斷面，共包含2 016個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖4為DF工作區(qū)典型剖面的高密度電阻率成像結(jié)果。圖4(a)表示這部分地層的地電結(jié)構(gòu)總體上是從低-高-低-高、低-高、到高-低-高變化，鉆井揭示的第一層為泥質(zhì)粉砂巖，底部為新鮮的灰?guī)r，具有高阻薄層特點(diǎn)，這種高阻薄層使用其他地球物理方法(如電磁法)很難發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橹绷麟姺椒▽?duì)高電阻率層較敏感，有較好的探測(cè)效果。第二層低阻層也是泥質(zhì)粉砂巖，鉆井沒(méi)有鉆到深部電阻率相對(duì)較高的地層，推測(cè)為灰?guī)r。值得關(guān)注的是，由于其電阻率低于完整的灰?guī)r，該層的灰?guī)r可能不完整。根據(jù)實(shí)測(cè)和鉆探結(jié)果，煤層也具有低電阻率的特征，與泥質(zhì)粉砂巖差別不大。鉆探發(fā)現(xiàn)，這里的泥質(zhì)粉砂巖黑而軟，與煤層有相似的特征，這可以解釋它們電阻率的相似性。在基巖的分類上，泥質(zhì)粉砂巖和煤層一起被歸為軟巖層。圖4(b)顯示了含煤地層和其他巖石的分類，很明顯，右邊部分的基巖有高電阻率特征，極少發(fā)育低電阻率異常，基于這一特征，將其歸類為碳酸鹽巖，有新鮮或輕微風(fēng)化。左邊基巖具有低電阻率特征，部分發(fā)育高阻，低電阻率部分被解釋為隱伏的煤巖，最低的部分被認(rèn)為是潛在的采空區(qū)。

利用高分辨電阻率成像技術(shù)探測(cè)煤層采空區(qū)仍然是困難的，究其原因在于煤層與采空區(qū)之間電阻率差異很小。并且，在中國(guó)西南部，煤層和采空區(qū)總是充滿了水，使圍巖的電阻率顯著降低，這是在DF工作區(qū)采空區(qū)顯示低電阻率的原因。

5 結(jié)論

由于高密度電阻率法具有較高的分辨率和施工效率，以高分辨電阻率成像為主要特征的高密度電阻率法被廣泛應(yīng)用于近地表地球物理勘察，在喀斯特巖溶發(fā)育區(qū)和其他地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中都有較好的效果。兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例表明，高分辨電阻率成像對(duì)于巖溶探測(cè)具有顯著的效果，在煤層和軟質(zhì)巖探測(cè)中也有較好的效果。已知采空區(qū)和DF工作區(qū)的結(jié)果都表明，由于煤層和采空區(qū)之間的物性差異較小，采用高密度電阻率成像技術(shù)精確圈定采空區(qū)的形態(tài)和位置，在現(xiàn)階段還有較大的難度。

圖4 DF區(qū)電阻率成像結(jié)果Fig.4 The ERI inversion result in DF working area(a)鉆井與巖層電阻率成像對(duì)比圖；(b)含煤巖層成像圖

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Application of high resolution resistivity imaging for railway near-surface investigation

WANG Sitong1, LI Jian2, CAO Ligang1, CAO Yunyong2, LEI Xuyou2, WEI Donghua2,HE Lanfang3

(1. Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group,Chengdu 610031,China; 3. Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Two case histories of mapping the near surface for railway route investigation in SW China using high resolution resistivity imaging (ERI) are presented in the paper. A set of SuperSting○RR8/IP was used for data acquisition. Four cables with 84 passive stainless steel electrodes spaced 5 m apart were used. Based on the testing result, schlumberger with varied MN was used in data acquisition. The Schlumberger array with fixed MN as one trace space has poor data quality in while AB is move far from MN stakes. Case history in XM indicates that ERI could be successfully used for mapping the near surface in karst area, the underground river is characterized by lower risistivity, most karst caves features as low resistivity traps. Case history in DF indicate that ERI could be successfully used for mapping the coal bearing rocks and soft rocks, but it is hard to use ERI to shape and locate the coal goafs, even using the trace space as little as 0.5 m.

high resolution resistivity imaging; route investigation; ground river; coal goaf; SW China

2017-02-27 改回日期：2017-03-27

王思桐(1995-)，男，本科，主要從事勘查技術(shù)與工程，E-mail：1324921461@qq.com。

曹禮剛(1976-)，男，博士，從事地球探測(cè)與信息技術(shù)研究， E-mail:1296933@qq.com。

1001-1749(2017)02-0219-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.10