潘劍偉, 周 江, 楊 洲, 王海紅

(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州 貴陽(yáng) 550025；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院, 湖北 武漢 430074)

1 引 言

由于前人的一些基礎(chǔ)建設(shè)及安全的需要，在我國(guó)廣袤的地下空間有大量的防空洞、墓室、廢棄采空區(qū)等隱蔽人工洞室存在，人工洞室的探測(cè)工作現(xiàn)在已是各種路橋建設(shè)、城市規(guī)劃的重要工作環(huán)節(jié)之一。這些隱伏人工洞室的存在可能會(huì)引起地面塌陷、建筑基礎(chǔ)受損等較為嚴(yán)重的后果[1]。而這些人工洞室又有其自身的特點(diǎn)，其埋藏深度一般不會(huì)很大，大部分都集中在各類(lèi)工程物探方法所能達(dá)到的探測(cè)深度范圍內(nèi)。如何使用高效、便捷的物探方法對(duì)這些隱蔽人工洞室進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，對(duì)于各種工程建設(shè)項(xiàng)目具有重要意義。

高密度電阻率法(Electrical Resistivity Tomography，縮寫(xiě)為ERT,以下簡(jiǎn)稱(chēng)高密度電法)是一種利用不同巖石、礦石的導(dǎo)電性差異來(lái)研究地下電性結(jié)構(gòu)的地球物理方法[2]。與傳統(tǒng)直流電法相比較，高密度電法結(jié)合了電剖面法和電測(cè)深法的探測(cè)功能[3, 4]，可以同時(shí)檢測(cè)地下電阻率的橫向和縱向變化，通過(guò)一次布極，便可實(shí)現(xiàn)多裝置、多極距的快速自動(dòng)測(cè)量。因此，該方法非常適合在地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)剖面、大面積的電法勘探[5]。由于該方法具有觀測(cè)快、成本低的特點(diǎn)，在構(gòu)造探測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、工程選址等許多的領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)領(lǐng)域，Simon等[6]將高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)配合使用，對(duì)巖溶區(qū)地表以下35m內(nèi)非飽和帶的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)，取得了較好的探測(cè)結(jié)果；Gao等[7]利用高密度電阻率法對(duì)青藏高原黃河源地區(qū)的凍土帶和熱融帶分布進(jìn)行探測(cè)，有效地描繪出低溫環(huán)境中凍土帶和熱融帶的空間分布；劉心路等[8]利用高密度電阻率法對(duì)山西某公路段隱伏斷層進(jìn)行了探測(cè)，通過(guò)判斷隱伏斷層的產(chǎn)狀，定量地解釋了隱伏斷層的影響區(qū)域等。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面，Huntley等[9]利用高密度電法對(duì)加拿大亞阿什克羅夫特附近的滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所得的數(shù)據(jù)對(duì)于研究孔隙水壓力與滑坡穩(wěn)定性之間的聯(lián)系提供了重要參考；Neyamadpour等[10]利用高密度電阻率法對(duì)伊朗西南部某堤壩的壩體沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其結(jié)果中高電阻率異常與壩體上下游的沉降帶明顯相對(duì)應(yīng)，為判斷壩體沉降引起的結(jié)構(gòu)破壞提供了一種地球物理手段。

而在人工洞室探測(cè)領(lǐng)域，高密度電法同樣是較為常用的方法之一，已經(jīng)有許多的工程案例進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道[11, 12]。但不可否認(rèn)的是，該方法依然只是一種間接的探測(cè)方法，其觀測(cè)的參數(shù)僅為地下目標(biāo)體所引起的電阻率的變化，而不是目標(biāo)體本身。因此，需要在數(shù)據(jù)采集之后對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，根據(jù)所得的電阻率分布再進(jìn)一步判斷電阻率異常是否由目標(biāo)體所引起，以及該目標(biāo)體的性質(zhì)和規(guī)模等[13]。但是，當(dāng)目標(biāo)體所處的地質(zhì)環(huán)境不同時(shí)，由于地下水等因素的影響，原目標(biāo)體在高密度電法的結(jié)果中也可能表現(xiàn)出不同的電阻率異常特征。這往往也對(duì)異常體的圈定和解釋造成了一定的困難。而人工洞室由于其埋藏深度一般不會(huì)很大，其在高密度電法中所呈現(xiàn)異常的特征往往容易受地表水和地下水之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程、洞室所在地層的巖性、地層的透水性等因素的影響。且不論人工洞室是否處于充水、充泥等較為復(fù)雜的情況，僅在人工洞室完全未被充填(洞室內(nèi)僅有空氣)的條件下，其在高密度電法的探測(cè)結(jié)果中也可能會(huì)以高阻或低阻異常等不同的狀態(tài)出現(xiàn)。

在本文中，筆者通過(guò)對(duì)不同地質(zhì)條件下的人工洞室模型在高密度電法中的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行模擬，對(duì)相同人工洞室可能表現(xiàn)出的不同異常特征進(jìn)行論述。然后通過(guò)中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)隧道和貴州大學(xué)圖書(shū)館車(chē)庫(kù)入口兩個(gè)試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明人工洞室在高密度電法的觀測(cè)結(jié)果中可能會(huì)以高阻或低阻異常等完全不同的電阻率特征呈現(xiàn)。通過(guò)本文的討論，以期為行業(yè)人員在對(duì)人工洞室的高密度電阻率法結(jié)果進(jìn)行解釋時(shí)提供一定的參考。

2 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法的工作原理與常規(guī)直流電法相同，它是一種以地下介質(zhì)導(dǎo)電性的差異為物性基礎(chǔ)的地球物理探測(cè)方法?？碧饺藛T首先按實(shí)際需求可以選擇合適的電極排列裝置進(jìn)行工作。例如，較為典型的排列方式有：α裝置(溫納裝置AMNB)、β裝置(偶極裝置ABMN)、γ裝置(微分裝置AMBN)[14]。然后根據(jù)不同位置AB供電電極向地下供入的電流大小I和接收電極MN之間測(cè)量的電位差ΔU來(lái)計(jì)算M和N之間的視電阻率值。在反演解釋過(guò)程中再通過(guò)分析得到的視電阻率值及相應(yīng)的AB和MN之間的排列關(guān)系及距離大小，進(jìn)而可以得到地下電阻率的分布情況[15]。假設(shè)地表水平，地下介質(zhì)均勻且各向同性，則地下電阻率ρ的計(jì)算公式可表示為[16]：

(1)

式中,K為裝置系數(shù)(m)，與AB和MN之間的距離有關(guān)，具體計(jì)算公式為[17-22]:

(2)

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的導(dǎo)電特性分布不均勻或者是地表有起伏時(shí)，如果仍然按式(1)進(jìn)行計(jì)算，所得結(jié)果顯然并不是地下的真實(shí)電阻率，而是地下電阻率值的綜合反應(yīng)，此時(shí)得到的電阻率稱(chēng)為視電阻率，并以符號(hào)ρs表示。這樣，式(1)可以改寫(xiě)為：

(3)

圖1 高密度電阻率法溫納和偶極-偶極裝置的電極排列及ρs記錄點(diǎn)位示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrode array and recording points for wenner and dipole-dipole device of ERT

3 人工洞室的探測(cè)結(jié)果數(shù)值模擬

地下人工洞室在正常的非充水條件下，內(nèi)部常被空氣介質(zhì)充填，洞室內(nèi)的理論電阻率值應(yīng)近似于空氣的電阻率值。由于空氣的電阻率值非常高，洞室周邊圍巖電阻率值在一般情況下均低于洞室內(nèi)電阻率值。所以，在大多數(shù)圍巖透水性較差、周邊環(huán)境相對(duì)干燥的條件下，人工洞室理應(yīng)是以高視電阻率(高阻異常)的情況出現(xiàn)。但是，當(dāng)人工洞室周邊透水性較好、有較為豐富的地下水補(bǔ)給時(shí)，由于水對(duì)電流的吸引作用，會(huì)使人工洞室在高密度電阻率法的探測(cè)結(jié)果中所表現(xiàn)的異常特征變得更加復(fù)雜。

基于上述兩種情況，同時(shí)簡(jiǎn)化條件，暫不考慮可能存在于部分人工洞室內(nèi)的錨桿、鋼拱架等形態(tài)各異的金屬支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，筆者設(shè)計(jì)了兩種地球物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并研究其相應(yīng)的高密度電阻率法的異常特征。

第一種情況，如果人工洞室處在透水性較差的地層之中，可以用圖2(a)所示模型進(jìn)行近似的模擬，設(shè)周邊圍巖是電阻率為50 Ω·m的均勻地層。而人工洞室位于測(cè)線(xiàn)48～52 m范圍，深度在3.1～5.2 m，內(nèi)部充滿(mǎn)空氣，所以將其設(shè)為105Ω·m的高阻體。如果使用2 m極距的溫納裝置和偶極-偶極裝置分別進(jìn)行觀測(cè)，并在模擬的視電阻率中加入2 %的隨機(jī)噪音。溫納裝置觀測(cè)的視電阻率及其反演所得結(jié)果如圖2(b)和圖2(c)所示；而偶極-偶極裝置得到的結(jié)果如圖2(d)和圖2(e)所示。從反演結(jié)果中可以看到，由于洞室與其周邊圍巖電阻率的明顯差異，人工洞室在反演結(jié)果中表現(xiàn)為明顯的高阻異常。

圖2 透水性較差人工洞室的正演模型及其高密度電阻率法的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.2 The forward modeling of artificial cavern models and their corresponding inversion results of ERT under the conditions of poor water permeability

第二種情況，當(dāng)?shù)叵露词抑車(chē)貙拥耐杆暂^好，同時(shí)又有較豐富的地下水補(bǔ)給時(shí)，這些水在下滲的過(guò)程中會(huì)被洞室所阻斷，水會(huì)在洞室的頂板和側(cè)壁匯集，再沿側(cè)壁下滲。在這種情況下，由于地下水在洞室墻體位置富集，從而形成導(dǎo)電性較好的一層低阻層?；谶@種情況，筆者對(duì)原洞室模型進(jìn)行了部分修改，設(shè)計(jì)了如圖3(a)所示的模型，在洞壁周邊用一電阻率為5 Ω·m的低阻層來(lái)模擬頂板和側(cè)壁的地下水富集層。采用同樣的溫納裝置和偶極-偶極裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在其結(jié)果中加入相同的隨機(jī)噪聲，其觀測(cè)的視電阻率及反演結(jié)果如圖3(b)～圖3(e)所示。從圖3中可以看到，不管是在溫納裝置還是偶極-偶極裝置的反演結(jié)果中，原高阻洞室位置都表現(xiàn)為反常的低阻區(qū)域。這主要是由于供電電極AB所供入的電流被洞室周邊的低阻層所吸引，電流向洞室周邊集中，該處的電流密度增大。盡管洞室本身是高阻，但由于洞壁周?chē)母凰畬訉?duì)電流的吸引和傳導(dǎo)作用，使得高電阻率的洞室在高密度電法結(jié)果中卻以低阻體的形式出現(xiàn)。

圖3 透水性較好人工洞室的正演模型及其高密度電阻率法的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 The forward modeling of artificial cavern models and their corresponding inversion results of ERT under the conditions of good water permeability

4 場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地大隧道的高阻異常試驗(yàn)

為了進(jìn)一步的說(shuō)明人工洞室在高密度電阻率法結(jié)果中可能出現(xiàn)不同的電阻率特征，筆者開(kāi)展了兩組不同地質(zhì)條件下的場(chǎng)地試驗(yàn)。第一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地位于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)的地大隧道北端出口。地大隧道連通中國(guó)地質(zhì)大學(xué)的西校區(qū)和北校區(qū)，近南北走向，貫穿整個(gè)南望山山體。地層從南往北通過(guò)了志留系墳頭組(S2f)的砂巖，泥盆系五通組(D3w)的石英砂巖和二疊系孤峰組(P1g)的硅質(zhì)巖。隧道北端出口位于孤峰組的硅質(zhì)巖地層之中。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，測(cè)線(xiàn)的布設(shè)如圖4所示，測(cè)線(xiàn)位于隧道出口的正下方；測(cè)線(xiàn)近東西向展布，基本與隧道走向垂直。觀測(cè)時(shí)采用的電極距為2 m，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度為100 m，隧道約位于測(cè)線(xiàn)48～60 m位置。在測(cè)線(xiàn)上采集得到的溫納裝置和偶極-偶極裝置反演結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖4 地大隧道北端出口試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及測(cè)線(xiàn)布置Fig.4 The test site and the layout of survey line at the north exit of the tunnel in China university of geoscience (Wuhan)

圖5 地大隧道北端出口上方的溫納裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.5 The apparent resistivity and inversion results of Wenner devices at the north exit of thetunnel in China university of geoscience (Wuhan)

圖6 地大隧道北端出口上方的偶極-偶極裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.6 The apparent resistivity and inversion results of dipole-dipole devices at the north exit of the tunnel in China university of geoscience (Wuhan)

從圖5和圖6中可以看出，由于該隧道出口所在的地層主要為硅質(zhì)巖，其透水性相對(duì)較差，隧道周邊沒(méi)有足夠的地下水分對(duì)AB供電電極產(chǎn)生的電場(chǎng)分布構(gòu)成影響，所以，在高密度電阻率法的反演結(jié)果中，隧道所在的48～60 m范圍都有一明顯的紅紫色高阻圈閉，隧道在兩種裝置的電阻率剖面中均以高電阻率異常的形式體現(xiàn)(圖5和圖6)。而和隧道相比，其周邊的硅質(zhì)巖的電阻率偏低。這種情況對(duì)于分布在相對(duì)隔水的地層或是較為干燥地區(qū)的人工洞室較為常見(jiàn)。

4.2 貴州大學(xué)圖書(shū)館車(chē)庫(kù)入口的低阻異常試驗(yàn)

另一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地則是位于貴州大學(xué)圖書(shū)館車(chē)庫(kù)入口。圖7(a)和圖7(b)分別是該車(chē)庫(kù)入口和開(kāi)展試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)照片。在該場(chǎng)地上仍然使用2 m極距的溫納裝置和偶極-偶極裝置，車(chē)庫(kù)位于測(cè)線(xiàn)的20～30 m范圍。與上一試驗(yàn)所不同，該場(chǎng)地上覆地層是在車(chē)庫(kù)建好之后重新鋪設(shè)的回填土，其透水性明顯好于硅質(zhì)巖。同時(shí)，由于貴陽(yáng)地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候，雨水充沛，所以該車(chē)庫(kù)墻體周邊常年呈現(xiàn)出較為潮濕的狀態(tài)。其地質(zhì)條件與圖3(a)所示模型相似。

圖7 貴州大學(xué)圖書(shū)館車(chē)庫(kù)入口試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 The test site of garage entrance of Guizhou university library

圖8(b)和圖9(b)所示結(jié)果是在該入口上方溫納裝置和偶極-偶極裝置所測(cè)數(shù)據(jù)的反演結(jié)果。從該結(jié)果來(lái)看，車(chē)庫(kù)的入口通道在溫納裝置的反演結(jié)果中以非常明顯的低阻形式呈現(xiàn)。從圖7(a)中可以看到，雖然該入口是一個(gè)較大的空腔體，但是，由于地下較為豐富的水分下滲，再由車(chē)庫(kù)壁的水泥層阻斷，部分地下水在壁的四周匯集并沿該壁繼續(xù)往下滲流。所以在該入口周邊形成了非常好的導(dǎo)電層，為電流的傳導(dǎo)提供了較好的路徑。因此，在地表觀測(cè)的結(jié)果中該入口就呈現(xiàn)出一個(gè)低阻異常的狀態(tài)。在偶極-偶極裝置的結(jié)果中，也有相類(lèi)似的結(jié)果，雖然低阻異常范圍不如溫納裝置明顯，但依然可以從中看到通道入口所表征出的深藍(lán)色低阻異常。

圖8 車(chē)庫(kù)入口的溫納裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.8 The apparent resistivity and inversion results of Wenner devices of the garage entrance

圖9 車(chē)庫(kù)入口的偶極-偶極裝置視電阻率及反演結(jié)果Fig.9 The apparent resistivity and inversion results of dipole-dipole devices of the garage entrance

5 結(jié) 論

通過(guò)本文的數(shù)值模擬和兩個(gè)場(chǎng)地的試驗(yàn)研究，論述了人工洞室在高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果中可能出現(xiàn)不同的異常特征，也從側(cè)面反應(yīng)了物探方法的多解性問(wèn)題。從數(shù)值模擬和場(chǎng)地試驗(yàn)的一致性結(jié)果中，可以得到如下結(jié)論：

1)高密度電阻率法對(duì)地下洞室的探測(cè)有著較為明顯的地質(zhì)效果。但不同地質(zhì)條件下的人工洞室，其反演結(jié)果可能呈現(xiàn)不同的異常特征。

2)洞室賦存在透水性較差的地層或是較為干燥的地區(qū)時(shí)，洞室空腔通常以其本身的高阻狀態(tài)呈現(xiàn)。

3)洞室賦存在透水性較好的地層，同時(shí)地下又有豐富的水分補(bǔ)給時(shí)，地下水在洞室周邊形成了一個(gè)相對(duì)富水的低阻包裹層，并對(duì)電流產(chǎn)生吸引和傳導(dǎo)作用，使洞室在高密度電法反演結(jié)果中表現(xiàn)為低阻異常。

上述結(jié)論也表明，在對(duì)高密度電阻率法的人工洞室探測(cè)結(jié)果進(jìn)行解釋分析時(shí)，必須充分考慮探測(cè)目標(biāo)體所處的地層、水文等地質(zhì)條件，不能一味地用高阻和低阻來(lái)圈定人工洞室，以免造成解釋的偏差。

致謝

感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)的陳磊、丁力、張偉炫同學(xué)在地大隧道數(shù)據(jù)采集過(guò)程中給予的幫助。