黃禮杰

（華東勘測(cè)設(shè)計(jì)院（福建）有限公司，福建 福州 350000）

高密度電阻率法，也稱(chēng)為自動(dòng)視電阻率系統(tǒng)，是一種陣列勘測(cè)方法，是在直流電法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的探測(cè)技術(shù)，其功能類(lèi)似與電剖面法與四極測(cè)深法的結(jié)合[1]。通過(guò)向地下電極供電，形成人工電場(chǎng)，地下巖土介質(zhì)的電阻率決定了電場(chǎng)的分布，通過(guò)測(cè)量不同部位人工電場(chǎng)，對(duì)地下介質(zhì)電阻率分布情況進(jìn)行了解，能夠推斷出地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的分布情況[2]。該方法在溶洞探測(cè)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠明確圍巖含水情況，如果圍巖含水量較高，巖石破碎，則電阻率就較低，通常堅(jiān)硬、完整的巖土電阻率高于含水量高、破碎帶或斷層帶的電阻率。該方法在應(yīng)用中圖像直觀(guān)、原理清晰，是一種分辨率較高的物探方法[3]。

1 高密度電法概述

1.1 測(cè)量方法

在對(duì)溶洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，采用高密度電法：首先，測(cè)線(xiàn)布設(shè)時(shí)沿探測(cè)目標(biāo)走向垂直方向，根據(jù)勘探精度設(shè)定電極距，電極布置好以后，使用不同裝置利用高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。高密度電法數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括主機(jī)、電極系、電極轉(zhuǎn)換器3個(gè)主要部分。主機(jī)的作用是利用電纜發(fā)出指令，對(duì)多路電極轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制；多路電極轉(zhuǎn)換器各電極間供電狀態(tài)、測(cè)量狀態(tài)通過(guò)多級(jí)電纜進(jìn)行探測(cè)；探測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)主機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)，然后計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為操作軟件能夠操作的格式，再通過(guò)反演軟件處理，生成二維反演電阻率斷面圖，在該基礎(chǔ)上對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行解釋。

1.2 資料處理

在對(duì)探測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，按照以下環(huán)節(jié)進(jìn)行。對(duì)最佳模型參數(shù)改正值矢量Δm進(jìn)行確定，然后計(jì)算目標(biāo)函數(shù)φ。

式中：Δd（Δdi=Inρa(bǔ)i-Inρci,i=1,2,…,N）為數(shù)據(jù)矢量，其值計(jì)算方法為用實(shí)測(cè)視電阻率對(duì)數(shù)值減去模擬視電阻率對(duì)數(shù)值；m（mj=Inρj,j=1,2,…,N）為預(yù)測(cè)模型參數(shù)矢量；mb（mbj=Inρbj,j=1,2,…,M）為基本模型參數(shù)矢量；為偏導(dǎo)數(shù)（Jacobian）矩陣；wd=didg（1/σ1,1/σ2,…,1/σN）為數(shù)據(jù)擬方差矩陣；σi是第i個(gè)數(shù)據(jù)的均方誤差；wm為模型加權(quán)矩陣，設(shè)計(jì)的目的是讓模型有先驗(yàn)信息，可令，λ為L(zhǎng)aglang乘數(shù)；c為光滑度矩陣，然后加入先驗(yàn)信息，保證了模擬既接近基本模型，又是光滑的模型。

2 目標(biāo)任務(wù)

在上饒市上廣公路涉鐵段進(jìn)行高密度電法剖面測(cè)量，著重對(duì)以往地質(zhì)工作探明的地下溶洞周邊地段進(jìn)行調(diào)查，摸清工作區(qū)及其周邊溶洞分布規(guī)律，為進(jìn)一步工程驗(yàn)證和災(zāi)害治理提供物探參考依據(jù)。

3 工程概況

3.1 氣象水文

工區(qū)位于江西省上饒市信州區(qū)東南方向，屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候，雨量充沛，氣候溫和，日照充足，四季分明。無(wú)霜期約288d，年平均氣溫18.3℃ ，年降雨量1954.8mm，年日照時(shí)數(shù)1621.7h。

3.2 地形地貌

工區(qū)周?chē)鷮俚厣角鹆甑孛差?lèi)型，主要山脊走向呈東北走向，工區(qū)位于公路邊上，工區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，海拔標(biāo)高70m~80m。工區(qū)內(nèi)合福高鐵南西-北東向穿過(guò)，上廣公路自北西-南東向穿過(guò)。工區(qū)場(chǎng)地基本為水泥路面，周邊有植被覆蓋的山體及居民區(qū)。

3.3 地層巖性

據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工區(qū)主要地層有以下幾種。1）第四系殘坡積：分布地表，風(fēng)化作用形成，主要成分為粉質(zhì)黏土、礫土、砂質(zhì)土。2）上更新統(tǒng)（Qh）：主要成分為砂礫巖和粉質(zhì)黏土。3）石炭系藕塘底組（C2o）：主要成分為石英砂巖、砂巖、灰?guī)r。

3.4 水文地質(zhì)條件

工區(qū)地表溪流發(fā)育豐富，地下水主要賦存石炭系藕塘底組溶洞中，主要由大氣降水和南部山坡地表徑流下滲補(bǔ)給。地下水流向由南向北。

3.5 地質(zhì)構(gòu)造

工區(qū)整體位于廣豐坳陷內(nèi)。工區(qū)內(nèi)存在一條地層分界線(xiàn)，地層分界線(xiàn)貫穿1號(hào)線(xiàn)、2號(hào)線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)，傾角為73°，上盤(pán)地層為第四系，下盤(pán)地層為石炭系藕塘底組。

4 工作技術(shù)方法及質(zhì)量評(píng)述

4.1 測(cè)網(wǎng)布設(shè)

高密度電阻率法試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)沿著公路方向布設(shè)5條剖面，剖面方向與橋墩斜交，總計(jì)放樣300個(gè)物理點(diǎn)。具體為沿各剖面每5m放樣一個(gè)測(cè)點(diǎn)。每5m布設(shè)一個(gè)電極，其中：1線(xiàn)剖面長(zhǎng)295 m，極距5 m，布置60個(gè)物理點(diǎn)；2線(xiàn)剖面長(zhǎng)295m，極距5 m，布置60個(gè)物理點(diǎn)；3線(xiàn)剖面長(zhǎng)295 m，極距5 m，布置60個(gè)物理點(diǎn)；4線(xiàn)剖面長(zhǎng)295 m，極距5m，布置60個(gè)物理點(diǎn)；5線(xiàn)剖面長(zhǎng)295 m，極距5 m，布置60個(gè)物理點(diǎn)。如圖1所示，圖中4#、5#、6#、7#表示橋墩。

圖1 工程物探實(shí)測(cè)剖面及點(diǎn)位示意圖

4.2 儀器設(shè)備

本次工作采用重慶精凡儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的N2型高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，N2高密度電法測(cè)量系統(tǒng)能有效提高和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量、提高數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理效率。該系統(tǒng)集電剖面和電測(cè)深于一體，采用高密度布點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)快速采集，多參數(shù)測(cè)量，能獲取關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的大量信息的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，儀器具有體積小、重量輕、低功耗、大功率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

4.3 工作原理

由于不同的巖層由不同的礦物組成，因此它們的電阻率也就不同。通過(guò)地表電極向地下供電，在地下建立起人工電場(chǎng)，通過(guò)測(cè)量電場(chǎng)在地下的分布狀態(tài)，便能計(jì)算出巖層的電阻率，分析這些巖層電阻率的變化，可以間接了解地質(zhì)構(gòu)造[4]。高密度電法采用的就是這一原理，它通過(guò)供電電極向地下供電流I，然后再測(cè)得測(cè)量電極間電位差ΔV，從而求得該測(cè)量點(diǎn)的視電阻率值ρs=KΔV/I。因溶洞含水，水的介電常數(shù)（80左右）相對(duì)其他介質(zhì)明顯高出一個(gè)量級(jí)，高密度電法呈現(xiàn)團(tuán)塊狀低電阻率異常（ρs＜100Ω·m），由于巖溶位置位于灰?guī)r地層中，周邊往往為高阻異常[5]。

4.4 資料處理

高密度電法野外采集的數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)后，在計(jì)算機(jī)中對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要地編輯，剔除個(gè)別畸變點(diǎn)。將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入RES2DINV中，然后使用有限差分法進(jìn)行反演。根據(jù)反演結(jié)果所得的視電阻率斷面圖進(jìn)行溶洞等地質(zhì)體的解釋推斷。

5 物探成果推斷解釋

5.1 物性特征分析及地球物理推斷解釋標(biāo)志

物性是聯(lián)系地球物理和地質(zhì)的紐帶，物性數(shù)據(jù)是定性解釋和定量反演的首要約束條件，將工作區(qū)主要地質(zhì)體巖性與物性資料相結(jié)合，建立主要地質(zhì)體的地球物理推斷解釋標(biāo)志，可為后續(xù)異常解釋、構(gòu)建地質(zhì)-地球物理模型提供依據(jù)。

根據(jù)本次高密度電法測(cè)量成果，結(jié)合地質(zhì)資料，對(duì)巖性及巖溶相關(guān)主要地質(zhì)體建立以下地球物理推斷解釋標(biāo)志。1）第四系覆蓋物：覆蓋物以黏土及砂土為主，風(fēng)化程度不一樣，均勻性較差，一般表現(xiàn)為中低阻異常特征（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。當(dāng)覆蓋物介質(zhì)較均勻時(shí)，高密度電法剖面上電阻率分布均勻；當(dāng)覆蓋物介質(zhì)不均勻時(shí)，高密度電法剖面上電阻率分布不均勻，等值線(xiàn)扭曲。2）灰?guī)r：灰?guī)r高阻沉積巖，表現(xiàn)為高阻異常特征（ρs>1000Ω·m），構(gòu)成本區(qū)的高阻背景。3）砂巖：砂巖通常表現(xiàn)為中低阻，高密度電法剖面上呈現(xiàn)成片均勻分布的中低阻體（500Ω·m>ρs>100Ω·m）。4）溶洞：為本次探測(cè)的主要目標(biāo)。因溶洞含水，水的介電常數(shù)（80左右）相對(duì)其他介質(zhì)明顯高出一個(gè)量級(jí)，高密度電法呈現(xiàn)團(tuán)塊狀低電阻率異常（ρs＜100Ω·m），由于巖溶位置位于灰?guī)r地層中，周邊往往為高阻異常。

5.2 地質(zhì)解釋

綜合上述定性分析成果，對(duì)本次高密度電法勘查成果進(jìn)行了詳細(xì)地研究，并按照異常類(lèi)型、編號(hào)、平面位置、特征、解釋等幾個(gè)方面做了具體的描述、推斷解釋。根據(jù)物探工作反演成果，筆者得到如下地質(zhì)解釋。

5.2.1 溶洞①

完整的石灰?guī)r呈現(xiàn)高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于3號(hào)線(xiàn)、4號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)標(biāo)高70m以下，頂板標(biāo)高為67.9m，底板標(biāo)高為59.7m。

5.2.2 溶洞②

完整的石灰?guī)r呈現(xiàn)高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于4號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)標(biāo)高60m以下，頂板標(biāo)高為59.3m，底板標(biāo)高為53.1m。

5.2.3 溶洞③

完整的石灰?guī)r呈現(xiàn)高阻，局部因溶蝕作用反映出低阻特征，巖溶位置主要位于3號(hào)線(xiàn)50m以下，頂板標(biāo)高為48.2m，底板標(biāo)高為45.0m。

地層分界線(xiàn)L1：貫穿 1號(hào)線(xiàn)、2號(hào)線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)，傾角73°，與1號(hào)線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)為（X：3144707，Y：599481），與2號(hào)線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)為（X：3144739，Y：599472），與3號(hào)線(xiàn)的交點(diǎn)坐標(biāo)為（X：3144741，Y：599502）。反演剖面圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 上廣公路溶洞物探高密度電法3剖面圖

圖3 上廣公路溶洞物探高密度電法4剖面圖

6 溶洞探測(cè)中高密度電法應(yīng)用的注意問(wèn)題

高密度電法在大范圍空間區(qū)域探查中應(yīng)用，然后對(duì)不明地下巖溶空間的特性有效探明，彌補(bǔ)了鉆探勘探范圍大小中的不足；在對(duì)溶洞利用高密度電法勘探時(shí)，對(duì)觀(guān)測(cè)裝置的合理選擇也直接影響探測(cè)效果，在具體探測(cè)中必須要在結(jié)合地質(zhì)、鉆探資料資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行資料解釋?zhuān)源_保探測(cè)結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。通過(guò)在上饒市上廣公路涉鐵段開(kāi)展物探工作，探測(cè)了工作區(qū)1號(hào)線(xiàn)至5號(hào)線(xiàn)附近巖溶、斷裂等分布情況，理清了巖溶及斷裂之間的空間關(guān)系，得出結(jié)論如下：1）3號(hào)線(xiàn)至5號(hào)線(xiàn)間巖溶較為發(fā)育，①號(hào)溶洞帶自東南向西北發(fā)育，貫穿3號(hào)線(xiàn)、4號(hào)線(xiàn)、5號(hào)線(xiàn)，埋深位于標(biāo)高59.7m~67.9m處，長(zhǎng)度約為50.9m，寬度約為13.0 m，高度約為8.2 m。

②號(hào)溶洞發(fā)育位于4號(hào)線(xiàn)與5號(hào)線(xiàn)，埋深位于標(biāo)高53.1m~59.3m處，長(zhǎng)度約為29.7m，寬度約為7.5m，高度約為6.2m。③號(hào)溶洞發(fā)育位于3號(hào)線(xiàn)，埋深位于標(biāo)高45.0 m~48.2 m處，長(zhǎng)度約為8.0 m，寬度約為2.3 m，高度約為3.2 m。2）地層分界線(xiàn)L1：貫穿 1號(hào)線(xiàn)、2號(hào)線(xiàn)、3號(hào)線(xiàn)，傾角73°。

通過(guò)該文研究，在對(duì)溶洞進(jìn)行探測(cè)時(shí)，高密度電法的應(yīng)用表現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果，但在實(shí)際探測(cè)中，很多因素也會(huì)對(duì)高密度電法探測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，所以除了熟練掌握高密度電法的應(yīng)用原理、計(jì)算過(guò)程以外，還應(yīng)注意以下問(wèn)題。1）根據(jù)物探結(jié)果，建議在物探標(biāo)定溶洞范圍進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確認(rèn)是否存在溶洞。2）由于3號(hào)線(xiàn)至5號(hào)線(xiàn)巖溶較為發(fā)育，建議公路橋樁基位置遠(yuǎn)離巖溶發(fā)育位置。3）L1巖層分界線(xiàn)位置應(yīng)引起重視，該區(qū)域深部容易發(fā)育溶蝕，若橋樁基需穿過(guò)斷裂，須根據(jù)需求對(duì)樁基進(jìn)行加固。

7 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)地下溶洞位置進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，高密度電法是一種有效的探測(cè)方法，該方法具有數(shù)據(jù)采集密度大、點(diǎn)距小的特點(diǎn)，同時(shí)兼具測(cè)深與剖面法多功能，能夠直觀(guān)地反映斷面異常體的形態(tài)，尤其是在溶洞分布探測(cè)中取得了較好的應(yīng)用效果，是一種應(yīng)用價(jià)值較高的物探手段。