冉 云
(山西省交通規(guī)劃勘察設計院,山西 太原 030012)
高密度直流電法是電測與電剖面法的結(jié)合,是一種陣列式電法勘探方法。野外施工時,一次布設電極可達幾百個,采用智能化采集系統(tǒng),提高工作效率的同時降低了勞動強度。原理與常規(guī)電法相同,仍以地層導電性差異為基礎,研究外加電場下,傳導電流分布規(guī)律,但采集的數(shù)據(jù)量成倍加大,可以在一個裝置排列上一次完成橫縱向二維勘探。既能顯示地層巖性在某一埋深水平方向上的變化,又能提供巖層視電阻率縱向上的變化特征。因此,對于公路勘察中的斷層、煤層采空區(qū)、巖溶等局部視電阻率異常都有很好的效果。
高密度電法常用的裝置包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置、溫納-施倫貝爾裝置等十多種??辈煅b置類型主要依據(jù)勘察精度要求、場地大小等來選擇。
不同的裝置,對異常的靈敏度不同。一般地,溫納α裝置對電阻率的垂向變化比較敏感,用來探測水平目標體的垂向變化比較有利;施倫貝爾1裝置對目標體在水平方向上的變化反應較為靈敏,一般用來進行水平方向上的異常區(qū)勘察;三極裝置有更高的靈敏度和分辨率,但同時也帶來一些假異常,給數(shù)據(jù)的解釋帶來困難。
場地的大小也是裝置選擇必須考慮的因素之一。對于溫納α、偶極等裝置來說,當極距擴大時,反映不同勘探深度的測點數(shù)將依次減少,斷面上測點呈倒梯形分布,實際勘查中測線長度一般為探測深度的5~6倍,對場地的要求較高;采用三極連續(xù)滾動測深裝置則對場地的要求可降低為一半大小,這對于工程勘查中場地緊張,難以鋪線時有很大優(yōu)勢。但它需要布設無窮遠電極,無疑增加了工作量。因此,在野外施工中,要根據(jù)勘察任務的要求和實際情況作出合理選擇。
最小電極距取決于探測目標體的尺寸大小。一般地,應當保證探測目標體上至少分布有2個電極,以保證橫向分辨率。
測線排列長度與目標埋深有關??辈橹校帕虚L度應不小于埋深的5倍大小。同時應當考慮讓異常區(qū)盡可能遠離斷面圖邊緣,讓異常區(qū)與圍巖能夠同時顯示,利于異常區(qū)圈定。
判別野外施工采集數(shù)據(jù)是否真實反映地層的變化,是勘察工作成敗的關鍵。野外施工環(huán)境千差萬別,測量數(shù)據(jù)中不可避免含有干擾因素,有時會造成數(shù)據(jù)畸變,影響分析解釋。
圖1 高密度勘察的地形異常(單位:m)
如圖1所示,測線在16 150處的淺部高阻異常區(qū)很明顯。如果解釋為地層存在高阻異常,則和實際地層巖性相差甚遠。此處地形上是條較窄的深溝,巖性為黃土覆蓋層下基本為砂泥巖。16 150處的高阻異常是地形引起的,與巖體無關。在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理中,可以根據(jù)采用的裝置類型,利用模型正演,計算出對應各點的純地形視電阻率值ρs地,用經(jīng)驗公式Ρs改=ρs/ρs地/ρ0來作地形改正[1]。
因此,在施工中,測線經(jīng)過區(qū)域地形局部隆起或下凹時,應當記錄對應位置的點號,對數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后方能用于地質(zhì)解釋。
圖2 高密度勘察的電極接地條件干擾
圖2的21 100處視電阻率明顯偏高,視電阻率曲線被“拉高”,這是由于21 100附近某個電極接地電阻過大,引起“八”字異常。一般通過改善電極接地條件就可以解決。因此,野外采集數(shù)據(jù)過程中,注意觀察避免此類干擾,否則,室內(nèi)很難處理。
圖3 斷層構(gòu)造勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖3是山西西北某高速公路某橋臺附近勘察視電阻率斷面圖?,F(xiàn)場采用溫納α裝置,最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個別異常值后的原始實測數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進行反演。地層主要為更新統(tǒng)沖洪積物、石炭系本溪組鐵鋁巖及奧陶系上馬家溝組灰?guī)r,灰?guī)r、沖洪積物、鐵鋁巖電阻率差異明顯。在測線的110 m處,斜向右下方存在1條視電阻率分界線,左右兩邊的視電阻率值明顯不同。綜合分析認為視電阻率分界線即為斷層位置,破碎帶上部局部充水。后來分別在兩邊布設鉆孔,左邊鉆孔揭示O2s泥質(zhì)灰?guī)r,右邊鉆孔揭示C2b鐵鋁巖。這說明高密度電法在構(gòu)造勘查中結(jié)果較為直觀,對于斷層的位置,傾向等產(chǎn)狀要素能夠進行半定量解釋。當然,這主要適用于剖面類裝置。對于測深類裝置,由于測線相鄰測點視電阻率跳躍相對較大,解釋起來難度相對要大。
圖4 采空區(qū)勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖4是高密度電法進行采空區(qū)勘察的視電阻率斷面圖。測區(qū)為本溪組泥巖及奧陶系泥灰?guī)r,在測線前半段區(qū)域可能有個體鐵礦開采活動,但規(guī)模很小??辈觳捎脺丶{α裝置,最小電極距3 m,目的在于不漏掉開采巷道。數(shù)據(jù)處理采用剔除個別異常值后的原始實測數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進行反演。物探結(jié)果顯示測線前半段存在3處高阻異常區(qū),綜合分析地層巖性資料,推測3處高阻異常區(qū)為鐵礦開采引起;71 280~71 360段高阻區(qū)是灰?guī)r地層的反映。后來在71 150處開挖,發(fā)現(xiàn)巷道、坑木,驗證了勘察結(jié)果的準確性。山西公路勘查中,由于歷史上采煤活動頻繁,個體小窯回采率低,開采規(guī)模小,勘察不易。對于埋深較淺的小窯采煤,采用小極距高密度電法勘察,施工方便,并能最大程度避免遺漏巷道采空。
圖5 巖溶勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖5是山西北部高速公路某隧道巖溶勘察高密度電法視電阻率斷面圖。在測線經(jīng)過區(qū),前半段地表有薄層覆蓋,下伏強風化灰?guī)r;后半段為黃土山坡,未見灰?guī)r出露。野外施工采用溫納α裝置,最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個別異常值后的原始實測數(shù)據(jù)Surfer成圖。高密度電法視電阻率斷面圖能夠直觀地看出在39 800附近,埋深30~40 m間存在低阻異常區(qū),視電阻率曲線呈典型圈閉狀,疑似巖溶發(fā)育,碎石土充填。如果巖溶規(guī)模較大,未填充,則出現(xiàn)高阻異常區(qū)。
巖溶勘察野外施工中,盡量采用小極距多電極剖面類裝置,一方面電極間距大,則易漏掉小規(guī)模巖溶(平面延伸5~10 m),影響勘察工作質(zhì)量;另一方面,剖面類裝置的視電阻率曲線在橫向上較為平緩,有利于巖溶異常的判別。
圖6 某二級路路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖6為山西東南某二級路路基高密度電法視電阻率斷面圖。地層由上更新統(tǒng)(Q3)坡洪積物、中更新統(tǒng)(Q2)洪積物構(gòu)成。Q3地層巖性為濕陷性黃土(粉土Q3),Q2地層巖性為粉質(zhì)黏土、粉土互層。野外施工采用溫納α裝置,最小電極距2 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個別異常值后的原始實測數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進行反演。從斷面圖可以看出,在30~35 m間,埋深8~10 m存在一局部低阻異常區(qū)。推斷為地基土層不密實,地表水下滲局部聚集,引起低阻異常,后開挖處置發(fā)現(xiàn)局部土體含水量較大。
本次勘察的地層為Q3粉土及Q2粉質(zhì)黏土、粉土,上下土層視電阻率幾乎一致。若土層局部壓實度不夠,地表水體下滲聚集,會引起局部低阻。但土體表層基本密實,水體下滲不會太多,因此,視電阻率差異不明顯。若數(shù)據(jù)處理粗略(如圖7),則不易劃定異常位置,只能大概圈定異常影響段落,因為表層水下滲至深部土體后,水量很小,所引起的視電阻率變化值也不大。我們在施工中一般采用1 m電極間距采集數(shù)據(jù),盡可能避免各種干擾因素;室內(nèi)處理時,需要對斷面測點的視電阻率值進行統(tǒng)計、細化分級,選定可能的異常值界限,有利于將數(shù)據(jù)中的細微異常表現(xiàn)出來。
圖7 路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
a)高密度直流電法數(shù)據(jù)采集密度大,分辨率較高,能夠直觀地反映電性異常體的位置、形態(tài)特征。對于公路勘察中的淺部勘查(一般不超過100 m),具有很好的效果。
b)高密度電法對于構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶等電性異常體反映較為靈敏,能夠為公路勘察提供較為準確的異常區(qū)信息。
c)高密度電法對路基土層的勘察是建立在地表水下滲后,引起局部視電阻率變化的基礎上。否則,難以保證勘察效果。
d)工區(qū)施工前,應當根據(jù)目的任務進行試驗來確定合理的裝置形式及電極距。
e)對采集數(shù)據(jù)的處理中,盡可能少用平滑、反演處理,尤其是地基土層勘查。應當結(jié)合測區(qū)的地層水文資料及巖性物性資料,仔細分析曲線的形態(tài)、拐點等,來圈定電性異常體。