張衛(wèi)華

（山東中基地理信息科技有限公司，山東 濟(jì)南 250102）

在眾多的直流電阻率測(cè)深方法中，高密度電法由于具有的一次即可進(jìn)行多種裝置測(cè)量并獲得豐富的地電信息，能比較直觀準(zhǔn)確地反映地下電性異常體的形態(tài)和產(chǎn)狀的特點(diǎn)，在煤礦采空區(qū)調(diào)查、建筑選址的地基勘探等方面，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，然而在城市建筑等工程物探中，由于場(chǎng)地小而限制了高密度電法的應(yīng)用。因此，這種條件下如何選擇測(cè)量裝置以適應(yīng)工作場(chǎng)地小的條件和加大探測(cè)深度就是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在高密度電法多種測(cè)量裝置中，溫納裝置對(duì)垂向視電阻率異常的分辨率較高，抗干擾能力強(qiáng)，常用于解決復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題和探測(cè)水平地質(zhì)體，如劃分層位、確定覆蓋層厚度和基巖面；單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置的探測(cè)深度是最大的，而且特別適應(yīng)在單邊難以跑極的工區(qū)工作。

1 高密度電法勘探基本工作方法

高密度電阻率法是以巖土導(dǎo)電性差異為物性基礎(chǔ)，通過(guò)人工向大地供電，并在地表同時(shí)布置電極（一般不少于60根），測(cè)量地下二維地電斷面的電阻率分布，經(jīng)二維反演并結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行綜合推斷解釋，來(lái)研究地下介質(zhì)的地質(zhì)情況。

高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由主機(jī)、多路電極轉(zhuǎn)換器、電極系三部分組成詳情見(jiàn)圖1，主機(jī)利用程控多路電極轉(zhuǎn)換器和微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，獲得的數(shù)據(jù)后通過(guò)畸變點(diǎn)剔除、平滑數(shù)據(jù)等預(yù)處理，再經(jīng)過(guò)反演、最后繪制成視電阻率等值曲線圖。

圖1 高密度電法工作原理圖

高密度電阻率法常用的裝置包括溫納裝置、偶極裝置、微分裝置、單邊三極裝置、聯(lián)合剖面法裝置等。電極排列布置在工作中最優(yōu)先選用的是四極裝置，它是公認(rèn)的最穩(wěn)妥的裝置，但它需要的場(chǎng)地開闊，才能獲得最大的測(cè)量電位，而且四極裝置受地形的影響較小，電測(cè)剖面形態(tài)比較好判別。

2 溫納裝置高密度電法

溫納裝置高密度電法即對(duì)稱四極測(cè)量裝置，排列上A、B極為供電極，M、N是測(cè)量極，它的電極排列規(guī)律是按A、M、N、B的順序，等間距排列。工作時(shí)，AMNB四個(gè)電極由電極轉(zhuǎn)換器控制，自動(dòng)逐漸向右完成一個(gè)電極距的勘察，接著四個(gè)電極之間的間距也同樣增大一倍，再測(cè)量完成兩倍電極距的測(cè)量，以此類推，直到完成整條測(cè)線的測(cè)量工作。該裝置適用于固定斷面的掃描測(cè)量，測(cè)量斷面為倒梯形，可以明顯分辨電阻率異常的頂部和底部的深度變化，電極排列見(jiàn)圖2。

圖2 溫納裝置工作圖

對(duì)應(yīng)每一層位的測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為60-n*3，16個(gè)層位全部測(cè)量完得到一個(gè)完整的剖面，其數(shù)據(jù)總數(shù)應(yīng)該為552個(gè)（對(duì)于60道采集）。由上述的測(cè)量方式可知，該測(cè)量所得到的視電阻率為倒梯形，因此，要想獲得全場(chǎng)地的巖層電阻率分布情況，必須使電極排列的長(zhǎng)度要大于場(chǎng)地的范圍。

3 單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置

單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置適宜在單邊難以跑極的工區(qū)勘察，工作時(shí)供電極B在盡量遠(yuǎn)處， A極逐點(diǎn)向右移動(dòng)，測(cè)量極M、N極不動(dòng)，變斷面連續(xù)測(cè)量，得到一組數(shù)據(jù)；接著M、N、A同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極距，仍按測(cè)量極M、N極不動(dòng)，A極逐點(diǎn)向右移動(dòng)方式得到第二組數(shù)據(jù)；這樣連續(xù)不斷探測(cè)下去；得到一個(gè)矩形斷面，其電極排列見(jiàn)圖3。

圖3 單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置工作圖

測(cè)量時(shí)B極在無(wú)窮遠(yuǎn)處，參與測(cè)線上電極轉(zhuǎn)換的是N、M、A。電極轉(zhuǎn)換的規(guī)律如下所述：

例如測(cè)量從1#電極開始，最小間隔系數(shù)n(min)=1，最大間隔系數(shù)n(max)=20；

首先，N=1#，M=2#，A=3#→22#，測(cè)量得到第一組ρs數(shù)據(jù)20個(gè)，然后N、M、A電極依次向前移動(dòng)一個(gè)電極距；

N=2#,M=3#,A=4#→23#，測(cè)量得到第二組ρs數(shù)據(jù)20個(gè)，然后N、M、A電極依次向前移動(dòng)一個(gè)電極距；

這樣每測(cè)得一組ρs數(shù)據(jù)后，測(cè)量系統(tǒng)依次往前移動(dòng)一個(gè)電極距，當(dāng)移出30個(gè)電極之后（因?yàn)殡娎|承載的電極數(shù)是30），第一根電纜就已空出，可以把它移接到60#——90#電極，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)測(cè)線的滾動(dòng)測(cè)量。

4 兩種裝置高密度電法在工程物探中的應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際工作時(shí)遇到了如圖4的探測(cè)場(chǎng)地，圖中陰影部分為已有建筑物，A、B、C地塊為探測(cè)工區(qū)，四周為城市道路。整個(gè)工區(qū)呈帶狀，且被現(xiàn)有建筑物分割。前期工程勘察資料表明，第四紀(jì)覆蓋層厚度為15～20 m，第四紀(jì)覆蓋層有雜填土，淤泥質(zhì)土，各種礫徑的沙土（礫沙、中沙、細(xì)沙、粉沙）及粉質(zhì)黏土。第四紀(jì)下伏基巖為石炭紀(jì)灰?guī)r。第四紀(jì)覆蓋層中發(fā)現(xiàn)有空洞（或稱土洞），土洞中的充填物多為松散粉沙，且多數(shù)為充填。洞高從幾十厘米到十多米不等，在灰?guī)r面及灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)有不同規(guī)模（以洞高衡量其規(guī)模）的溶洞及溶蝕槽。溶洞及溶蝕槽中無(wú)沖填物。受甲方委托，采用地球物理方法查明建筑物分布范圍內(nèi)第四紀(jì)覆蓋層中存在的土洞，基巖面上的溶洞或溶蝕槽，需要查明目標(biāo)物的幾何尺寸為1 m3以上的土洞及溶洞，為建筑設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖4 勘測(cè)場(chǎng)地示意圖

探測(cè)目標(biāo)物為第四紀(jì)覆蓋層中的土洞及基巖界面上的溶洞及溶蝕槽。土洞多為半充填，土洞中充空氣的部分相對(duì)于周圍的介質(zhì)為高阻，當(dāng)其具有足夠的規(guī)模時(shí)電阻率法可以發(fā)現(xiàn)土洞。當(dāng)有充填物存在時(shí)（充填物為松散粉細(xì)砂），相對(duì)于周圍介質(zhì)或呈高阻或呈低阻，以上的分析表明，探測(cè)的目標(biāo)物（土洞、溶洞）同周圍介質(zhì)存在明顯的電阻率值差異，具備采用高密度電法勘察的基本條件。該場(chǎng)地也存在不利于地球物理探測(cè)的因素，如工程勘察鉆孔已發(fā)現(xiàn)的基巖面上的溶洞及溶蝕槽多為無(wú)充填物的溶洞?？斩粗械目諝馔?guī)r雖有電阻率差異但不明顯，無(wú)疑給探查資料解釋帶來(lái)困難，另一個(gè)不利因素是近地表的覆蓋層的電阻率較低（僅20 Ω·m左右），產(chǎn)生低阻屏蔽作用，為了降低屏蔽作用達(dá)到所要求的勘探深度，采用了提高供電電壓或增大供電電極距的方法。而且該場(chǎng)地的潛水面（或稱穩(wěn)定水位）距地表較淺（距地表僅0.5～3.5 m），使近地表覆蓋層的電阻率降低，同時(shí)使不同層間的電阻率差異降低，以上這些都是降低探測(cè)效果的不利因素。綜合以上情況，最終決定采用溫納裝置和單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置得到探測(cè)目標(biāo)物的空間分布情況。

根據(jù)目標(biāo)體規(guī)模、埋深和場(chǎng)地條件，C地塊（120 m×30 m）選擇了電極間距2 m，A（190 m×35 m）B（170 m×35 m）地塊選擇了電極間距1、2、3 m三種形式，均采用60個(gè)電極的線狀采集方式。以上介紹可知，溫納裝置的勘察成果圖為一個(gè)倒梯形的斷面圖，單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置勘察成果圖為一個(gè)矩形的斷面圖。單純用溫納裝置要在整個(gè)剖面上全部達(dá)到規(guī)定的探測(cè)范圍和深度是不可能的，因?yàn)锳BC區(qū)域以外的地方為城市道路或現(xiàn)有建筑物，無(wú)法布置電極，進(jìn)而也限制了溫納裝置的探測(cè)深度；且地球物理學(xué)探測(cè)理論認(rèn)為：物探方法對(duì)地下異常的分辨率與被觀測(cè)的場(chǎng)參數(shù)有關(guān)，場(chǎng)參數(shù)導(dǎo)數(shù)的級(jí)數(shù)越高，分辨率越高；據(jù)此推理溫納裝置在地層的劃分上比單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置有更好的分辨率，因此把溫納裝置和單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置的成果資料融合分析，再利用RES2DIN軟件繪制出兩種裝置的測(cè)深曲線圖和視電阻率等值曲線圖來(lái)分析解釋異常，可充分發(fā)揮兩種裝置的優(yōu)點(diǎn)。

A、B、C地塊共設(shè)計(jì)了34條測(cè)線，A地塊13條，B地塊11條，C地塊10條(其中C地塊無(wú)法用3 m極距)，獲得了各測(cè)線的溫納裝置視電阻率ρs等值線圖和單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置視電阻率ρs等值線圖，再與已知的鉆孔資料對(duì)比后，結(jié)合本測(cè)區(qū)第四紀(jì)覆蓋層（土層、砂層）與下付巖層（石炭紀(jì)灰?guī)r）的地球物理（電性參數(shù)）特征，按照視電阻率等值線變化規(guī)律和測(cè)深曲線的變化規(guī)律，圈定了土洞、溶洞、殘留地基基礎(chǔ)等不良地質(zhì)體。高密度電阻率法的溫納裝置、單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置分別按h=0.25AB、h=0.8*AO的計(jì)算原則進(jìn)行了定量反演解釋。本場(chǎng)地揭示的土洞多數(shù)為半充填或全充填，充填物呈流塑、軟塑狀，因此在電性上表現(xiàn)為低阻，且土洞的發(fā)育位置大部分在基巖面附近，在高密度ρs等值線圖上表現(xiàn)為呈低阻封閉或半封閉，該類異常為土洞發(fā)育地帶。半充填或無(wú)充填的溶洞的土洞、無(wú)充填的溶洞表現(xiàn)為高阻，ρs等值線圖上呈高阻半封閉，等值線梯度變化大，等值線上凸。本次在勘察范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了土洞10處，溶洞4處，下伏灰?guī)r突起5處，舊地基基礎(chǔ)5處（參見(jiàn)圖5），這些探測(cè)異常均采取了打鉆方式得到了驗(yàn)證，為建筑設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

圖5 2種裝置的視電阻率等值曲線圖

對(duì)照?qǐng)D5的兩個(gè)視電阻率ρs等值曲線圖，不難發(fā)現(xiàn)把單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置的視電阻率值和溫納裝置視電阻率值重新融合編輯后，即保持溫納裝置視電阻率值格式不變，再補(bǔ)充單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置的視電阻率值，重新繪制電阻率ρs等值曲線圖；使得勘查的探測(cè)范圍和探測(cè)深度都發(fā)生了變化，降低了資料解釋的工作量，由對(duì)照多張圖，改變?yōu)橹豢匆粡垐D。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）受場(chǎng)地條件的影響，要在整個(gè)剖面上全部達(dá)到規(guī)定的探測(cè)深度和精度，單純依靠溫納裝置法不能覆蓋到場(chǎng)地的兩側(cè)，此時(shí)，通過(guò)結(jié)合單邊三極連續(xù)滾動(dòng)式測(cè)深裝置法可達(dá)到上述目的，也使得視電阻率等值曲線圖一目了然；

（2）野外采集數(shù)據(jù)時(shí)，一定保證好電極和地面的良好耦合，絕不允許出現(xiàn)一個(gè)電極因供電接觸的原因而影響整個(gè)測(cè)量結(jié)果；

（3）資料整理過(guò)程中，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，因?yàn)樵诠ぷ鬟^(guò)程中會(huì)出現(xiàn)繼電器接觸不良等不利現(xiàn)象，從而造成明顯的異常點(diǎn)，即剔除異常數(shù)據(jù)。

（4）采用多種極距方式提高探測(cè)精度，通過(guò)對(duì)比不同極距的ρs等值線圖上的異常，可以更加肯定不良地質(zhì)體的特征，同時(shí)也提高了探測(cè)精度。