黃 海

（上海元易勘測設(shè)計有限公司， 上海 201203）

0 引言

在我國西南地區(qū)，引發(fā)地面塌陷的原因有可能是巖溶發(fā)育，這種地質(zhì)還會對城市基礎(chǔ)設(shè)施運營和建設(shè)安全造成嚴重影響，甚至危及人們的生命和財產(chǎn)。因此在勘測巖溶發(fā)育地區(qū)工作中，查清巖溶等地質(zhì)體的埋藏深度、分布范圍以及發(fā)育等情況尤為重要，避免造成塌陷的地質(zhì)隱患。由于具有形態(tài)多樣，分布無規(guī)律的巖溶發(fā)育特點，巖溶形成的空洞與周邊地層之間存在電阻率差異的巖溶物理性質(zhì)差異特點，僅靠鉆探等直觀的勘探方式難以準(zhǔn)確和全面的確定其形態(tài)和分布，所以采用必要的物探方法具有必要性和可能性。

本文以重慶市巫山縣桃花山管護站及摩天嶺森林小鎮(zhèn)配套設(shè)施工程為實踐基礎(chǔ)，在復(fù)雜巖溶區(qū)及溶洞發(fā)育地區(qū)運用高密度電阻率法的探測效果進行了分析與研究。實踐表明，高密度比電阻法是物理探測法，數(shù)據(jù)處理后比電阻的分布特性可以反映地質(zhì)巖相的分布特性，能夠定性描述巖溶體的埋藏深度、分布范圍以及發(fā)育等情況。在研究巖溶地質(zhì)災(zāi)害時，它能實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的評估，有針對性地指出主要隱患，為巖溶體的地球物理學(xué)勘探提供一些基本數(shù)據(jù)[1]。

1 高密度電阻率法勘探原理

與常規(guī)電法一樣，高密度電阻率法同樣利用了地下介質(zhì)間的電導(dǎo)率差異，經(jīng)由2 個電源電極A、B(電流為I)向地線供電，測定2 個測量電極M、N的電勢差△U，求出該記錄點的視電阻率值ρs = K*△U/I。計算、處理和分析所測量的相對電阻曲線數(shù)據(jù)。通過這個，可以直觀地理解勘探地區(qū)的地層的電阻分布，再根據(jù)其他相關(guān)地質(zhì)資料，針對性的解決工程地質(zhì)問題。

實際上，高密度電阻率法是結(jié)合電剖面法與電測深法兩種地球物理勘探方法而形成的新的物探方法，它的優(yōu)點是，一次性布設(shè)幾十、幾百甚至上千根電極，通過程序控制的方式自動完成供電和測量過程，從而快速完成采集野外數(shù)據(jù)[2]。由于采集的數(shù)據(jù)信息量巨大，相比傳統(tǒng)地球物理勘探的電阻率法而言，具有采集時間短、數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點，具有良好的工程經(jīng)濟價值。

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和檢測目的，所選擇的高密度電阻率法的形式略有不同。一般使用的設(shè)備有溫納設(shè)備、微分設(shè)備、偶極設(shè)備、施倫貝爾設(shè)備、三極、二極、圓形設(shè)備等。

2 高密度電阻率法施工方法技術(shù)

探測儀器采用中裝集團重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2 型高密度電阻率儀，該儀器采用程控開關(guān)，采集和切換均由主機程控，無需要人為干預(yù)，可組成四極、單邊三極等裝置形式；內(nèi)置程控恒流供電，最大供電電壓450V，最大測量電流2A，滿足野外作業(yè)需要。

2.1 外業(yè)工作方法及原理

?按一定的等間距將全部電極沿已經(jīng)確定的待測剖面全部布設(shè)完畢；

?通過多芯專用電纜將電極連接到多電極轉(zhuǎn)換器；

?由電極開關(guān)傳送到多功能直流電測量器，用于測量。

2.2 高密度電阻率法測量

為確保按期保質(zhì)完成野外數(shù)據(jù)采集工作，測線線路勘察工作由一名技術(shù)員先于高密度電法數(shù)據(jù)采集工作進行。測點的布設(shè)是先確定測線的起點，上一個排列的終點就是下一個排列的測點位置，然后依次往測線方向移動測量。

定點工作的方法是：根據(jù)工區(qū)布置圖及野外實際地貌情況，利用GPS、羅盤、皮尺確定測點位置，并在每個點位采用定樁，用寫上對應(yīng)測點號的紅色絲帶捆綁做標(biāo)記。

按設(shè)計要求一次性布設(shè)電極完成之后，需要檢查電極接地情況，對于接地電阻大于1000 歐姆的電極可以采取澆水的辦法來降低，如果沒有效果，可采用就近移位的方法。必須使兩電極之間接地電阻小于1000 歐姆時才開始測量。為了消除干擾和確保數(shù)據(jù)的真實可靠，針對測量過程中發(fā)現(xiàn)的異常值點，必須進行多次重復(fù)測量。

在工作中選派有豐富經(jīng)驗的工程師操作儀器，詳細記錄野外工作過程及異常信息，在必要時調(diào)整工作方案，以有利于對不良地質(zhì)體的識別和追蹤。

2.3 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理結(jié)果

通過對現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)實施二維反演，由實測的視電阻率值得到視電阻率的分布圖像。再進行內(nèi)業(yè)計算機處理，可以直觀清晰地將結(jié)果用圖件表示出來。因為電子成像使用了豐富的信息和非剖面性反演，所以得到的結(jié)果的分辨率比傳統(tǒng)的電子探測要高得多。在確定勘探目標(biāo)地區(qū)地下障礙物、不良地質(zhì)體、分界面等方面非常有效。

3 項目實例

為了勘察測區(qū)異常地質(zhì)體的埋深和規(guī)模等問題，為建設(shè)方案的比選及工程設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。在項目設(shè)計階段，進行了前期野外踏勘，通過現(xiàn)場了解地形地貌特征及地層產(chǎn)狀，在充分考慮了測區(qū)的地球物理差異等諸多因素的情況下，本次工作采用高密度電阻率法微分裝置斷面掃描方法，如圖3-1所示。

圖3-1 微分裝置斷面掃描示意圖

測量時，AM、MN 和BN 具有相等的電極間隔，檢測深度為AB / 2, A、B、M 和N 同時一個一個地向一個方向移動，以獲得原始配置文件數(shù)據(jù)層；其次，AM, MB, BN 增加電極間隔，探測探測深度為AB/2，A、B、M、N 逐個點位同時向一個方向移動，得到第二層剖面線數(shù)據(jù)；這樣電極間隔將繼續(xù)擴大，掃描測量將繼續(xù)，現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)將變成倒梯形的地質(zhì)剖面。

根據(jù)本次探測目的層的深度，高密度電法采用點距5m、微分裝置、最大隔離系數(shù)16、最大電極數(shù)60 等參數(shù)。

本測區(qū)場地地層情況為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)地層，為以灰?guī)r為主的沉積巖，；第四系覆蓋層以黃色殘坡積粘土為主，一般1m 以內(nèi)，局部可達1-2m，。

本測區(qū)場地地形情況位北部是東西走向山脊，基巖出露較明顯，中部為山溝覆蓋層相對較厚。

4 資料的處理方法

4.1 數(shù)據(jù)處理流程

高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)模型實質(zhì)是，建立對應(yīng)的理論計算值與實測視電阻率值在一定法則下重合最好一個地電模型。根據(jù)資料，現(xiàn)場所測視電阻率資料為二維數(shù)據(jù)斷面，在電法資料解釋中應(yīng)用最小二乘法效果最好，故本次資料處理采用的二維反演方法為最優(yōu)化算法中的阻尼最小二乘法。

其具體處理流程：給出實測視電阻率離散值-->根據(jù)已知物性資料，確定地電模型，給出地電模型初值-->正演計算得到地電斷面理論值-->計算擬合差，判定理論計算值和實測電阻率的擬合程度-->擬合差是否符合給定精度?(改模型重新計算)-> 最后一次迭代計算的地電模型參數(shù)即為最終解釋結(jié)果-->輸出解釋結(jié)果

4.2 干擾壓制與濾波處理

高密度比電阻法與傳統(tǒng)的比電阻法相同，用兩個電源電極A、B 供電I來計算電阻率，利用兩個電極M、N 測量電位差狄拉克ΔV 而獲得。通過下式求得測點x處的視電阻率值。

式中：K 為裝置系數(shù)

為了簡化異常形態(tài)和增加推斷解釋的準(zhǔn)確性，還可以對數(shù)據(jù)進行濾波處理，濾波處理的作用不僅僅是針對隨機高頻干擾進行消除，更重要的是有效的減弱數(shù)據(jù)剖面中的震蕩部分。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析圖件繪制

高密度電阻率法資料采用驕佳公司Geogiga RImager 軟件進行處理，主要進行了畸變點剔除、濾波、地形數(shù)據(jù)輸入、地形改正和電阻率反演等。數(shù)據(jù)的解釋遵循從已知到未知的原則。結(jié)合高密度電阻率圖和收集的地質(zhì)及挖掘數(shù)據(jù)，通過計算和分析推測地質(zhì)特征和地質(zhì)本體埋藏深度。

5 成果解釋推斷

5.1 WT1 剖面

該測線推斷土層及強風(fēng)化層厚度在0.9m～8.1m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出3 個較明顯的低電阻率異常，依次編號為Y1-1、Y1-2和Y1-3。

位置：Y1-1 距測線起點29.6m-37.6m，埋深0m-10.8m。Y1-2 距測線起點47.2m-69.0m，埋深0m-12.9m。Y1-3 距測線起點78.2m-88.3m，埋深0m-13.0m。

特征：Y1-1、Y1-2、Y1-3 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-1 WT1 剖面

5.2 WT2 剖面

該測線推斷土層及強風(fēng)化層厚度在0.9m～10.8m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個較明顯的低電阻率異常，灰?guī)r地層用Y 標(biāo)示。

位置：Y2-1 距測線起點111.6m-147.8m，埋深0m-13.1m。

特征：Y2-1 在剖面上均顯示為低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-2 WT2 剖面

5.3 WT3 剖面

該測線推斷土層及強風(fēng)化層厚度在0.6m～12.7m 之間，局部呈槽狀。

該剖面上共劃分出1 個較明顯的低電阻率異常，灰?guī)r地層用Y 標(biāo)示。

位置：Y3-1 距測線起點191.6m-203.8m，埋深1.1m-21.3m。

特征：Y3-1 在剖面上均顯示為低阻異常，且呈帶狀，推斷為裂縫發(fā)育。

該剖面下伏基巖主要為灰?guī)r。

圖5-3 WT3 剖面

6 結(jié)論

本次物探工作基本查明了測區(qū)內(nèi)巖溶及裂縫的埋深和規(guī)模等異常工程地質(zhì)問題。為后續(xù)的開發(fā)建設(shè)設(shè)計提供了基礎(chǔ)資料。因測區(qū)位于西南地區(qū)，具有基巖為灰?guī)r且發(fā)育良好的資質(zhì)特征，故采用高密度電阻率法探測異常地質(zhì)體的效果良好。