董 耀 肖 娟 劉 巖 金 路 王 巍

（1.河南省航空物探遙感中心，河南鄭州 450053；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(地球物理深部探測(cè)研究)，河南鄭州 450053；3.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100053）

0 引言

高密度電法屬于直流電阻率法，在巖溶塌陷、采空區(qū)調(diào)查、風(fēng)化層探測(cè)、地基勘察等工程勘察領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高密度電法是一種陣列勘探方法，也稱為自動(dòng)電阻率系統(tǒng)，是直流電法的發(fā)展[1]，其功能相當(dāng)于電測(cè)探法與電剖面法的結(jié)合。高密度電法具有電距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點(diǎn)，反演的斷面圖能直觀、形象地反映斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀、埋藏深度等[2-4]。高密度電法不同裝置系統(tǒng)在不同地球物理模型探測(cè)適應(yīng)性[5-6]，通過(guò)斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀，可以較準(zhǔn)確地推測(cè)出地質(zhì)體空間形態(tài)、地層巖性、斷裂等情況，通過(guò)對(duì)溫納裝置高密度電法視電阻率異常處理計(jì)算公式，可消除地形的影響[7-9]；高密度電法探測(cè)成本低、效率高，地電信息豐富且探測(cè)精度高，在適合探測(cè)區(qū)域內(nèi)能夠達(dá)到較好的效果[10]。

雷 宛等對(duì)高密度電法幾種常用裝置以物理模擬的方式分別從探測(cè)覆蓋層深度、受地形起伏影響程度以及裝置對(duì)地質(zhì)體適應(yīng)性等方面進(jìn)行了研究[10]。本研究區(qū)的地形地質(zhì)條件具有覆蓋層較薄、坡度大等特點(diǎn)，在某山區(qū)隧洞上方風(fēng)化三疊系砂巖面上開(kāi)展不同裝置（溫納裝置、斯倫貝謝裝置）高密度電法試驗(yàn)，可圈定隧洞上方的低阻地質(zhì)異常體，為后期安全施工提供預(yù)警。

1 高密度電法基本工作原理

1.1 基本原理

高密度電法是直流電法的一種，遵循直流電阻率法的相關(guān)理論原理[10]。在野外勘探過(guò)程中通過(guò)A、B 供電電極供電，在地下介質(zhì)中形成穩(wěn)定的電流場(chǎng)并滿足歐姆定律，并在測(cè)線下方形成穩(wěn)定電流場(chǎng)I，分別測(cè)量接收電極 M、N 兩點(diǎn)的電位 ΔU，其對(duì)應(yīng)的地下介質(zhì)電阻率 ρs符合歐姆定律[11-13]，見(jiàn)式（1）。

式中：K為裝置系數(shù)[14-15]，原理上，裝置系數(shù)的大小與電極之間的相對(duì)位置有關(guān)，在高密度電法野外施工過(guò)程中，當(dāng)電極相對(duì)位置固定后，裝置系數(shù)K值也確定了。

在對(duì)地下介質(zhì)勘探測(cè)量時(shí)，無(wú)論電極A、B、M、N 之間相對(duì)位置怎么變化，式（1）均適用，針對(duì)不同的地質(zhì)勘探任務(wù)，可選擇對(duì)勘探有利的電極組合，這就是高密度直流電法本質(zhì)特征[16]。

1.2 高密度電法裝置系統(tǒng)

本研究采用溫納裝置及斯倫貝謝裝置，其工作原理為：

溫納裝置的四極剖面裝置電極是等間距的（AM= MN= NB 表示的電極間距），不同等電極距其對(duì)應(yīng)深度不同。電極距AM、MN、NB 是等間距的，固定四級(jí)平行地面方向?qū)Φ叵陆橘|(zhì)掃描一次，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一層；AM、MN、NB 每增大一個(gè)點(diǎn)距，重復(fù)掃描一層，數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)一次，一般掃描深度由淺到深，適合固定斷面掃描。溫納裝置固定橫截面掃描測(cè)量已被廣泛應(yīng)用，在測(cè)量過(guò)程中被分成測(cè)量面倒梯形電極陣列（見(jiàn)圖1）。

圖1 高密度電法溫納裝置示意圖[10]

斯倫貝謝裝置適用掃描測(cè)量滾動(dòng)連續(xù)變截面，測(cè)量電極M、N 固定，電極A 向左逐點(diǎn)移動(dòng)，電極B向右逐點(diǎn)移動(dòng)，進(jìn)行掃描獲取電極MN 中間的地下介質(zhì)巖性電性信息。電極A、M、N、B 同時(shí)逐點(diǎn)向右進(jìn)行移動(dòng)，重復(fù)上步操作，依次進(jìn)行，進(jìn)而獲得高密度直流電法矩形截面。本次工作野外觀測(cè)系統(tǒng)同溫納裝置觀測(cè)系統(tǒng)，僅變換數(shù)據(jù)采集方式（見(jiàn)圖2）。

圖2 高密度電法斯倫貝謝裝置示意圖[10]

1.3 高密度電法探測(cè)深度分析

高密度電法探測(cè)深度D，與AB、AM、MN、NB電極距呈正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)一步簡(jiǎn)化為測(cè)深與AB 電極距的問(wèn)題，AB 電極距越大，其對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度越大。目前其探測(cè)深度與AB 電極距關(guān)系為探測(cè)深度D約為AB 電極距的1/3～1/10[6]。

2 案例分析

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于豫西某地，附近出露地層主要有三疊系、第四系。

三疊系分為太山廟組、太子山組。太子山組（T3tz）：上部為灰黃色中細(xì)粒巖屑石英砂巖；下部灰黃、土黃色中細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖為主夾少量泥質(zhì)板巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖。厚534.21 m。

第四系主要為坡積礫石及粉質(zhì)黏土、土黃色粉土、砂、礫石層。厚0～12.49 m。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

構(gòu)造總體走向?yàn)楸蔽飨?，研究區(qū)附近斷層走向北西290°，斷層性質(zhì)不明。研究區(qū)附近巖性產(chǎn)狀：傾向北東，傾角14°～33°（見(jiàn)圖3）。

圖3 區(qū)域構(gòu)造示意圖

2.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地貌、含水層組、地下水富存條件和動(dòng)力特征，考慮水文、氣象等因素，區(qū)內(nèi)地下水可劃分為兩種類(lèi)型：松散巖類(lèi)孔隙水、基巖裂隙水。

（1）松散巖類(lèi)孔隙水

含水層巖性主要為第四系含鈣質(zhì)結(jié)核的黃土狀粉土，局部為粉細(xì)砂、砂礫石透鏡體，含水層厚一般小于1 m，含水率變化不均勻。

地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄形式為人工疏干。

（2）基巖裂隙水

含水層主要為三疊系變質(zhì)石英砂巖（多處含礫）、二云石英片巖、石榴二云石英片巖、白云石英片巖等，薄層不太穩(wěn)定的絹云石英大理巖，紅、灰白色細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖、石英粉砂巖、長(zhǎng)石石英粉砂巖等。巖石的孔隙度較小，多沿大的構(gòu)造斷裂帶分布，水量變化較大，很不穩(wěn)定，無(wú)規(guī)律性，常隨構(gòu)造帶的規(guī)模、所處的位置、所切割的巖性及其含水性和距離地表的深度而決定。

地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水、地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄形式為側(cè)向徑流。

2.4 隧道上方高密度電法測(cè)試

高密度電法剖面位于隧道上方，走向南東，方位角約146°。剖面位置地形起伏較大，高程317 ～412 m，溫納裝置見(jiàn)圖1（反演剖面見(jiàn)圖4），斯倫貝謝裝置見(jiàn)圖2（反演剖面見(jiàn)圖5）。本次高密度勘查，受地表不均勻、旁側(cè)干擾、地下游離電等因素影響較??；但是研究區(qū)地形坡度較大，測(cè)線布設(shè)困難。一個(gè)排列布置72 道電極，電極距7 m。

圖4 高密度電法溫納裝置反演剖面圖

圖5 高密度電法斯倫貝謝反演剖面圖

其地表巖性為三疊系中等風(fēng)化砂巖，剖面部分段有第四系零星碎石土。同時(shí)在縱向距離樁號(hào)205處有已知鉆孔ZK18，孔深60 m，0～2 m 為第四系碎石，2～6 m 為全風(fēng)化砂巖，6～24 m 為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，24～60 m 為中等風(fēng)化砂巖；縱向距離樁號(hào)256 處有已知鉆孔ZK20，孔深30 m，0～1.7 m 為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，1.7～30 m 為中等風(fēng)化砂巖。從高密度電法剖面圖4綜合解釋圖可以看出，剖面淺部主要表現(xiàn)為高、中、低阻特征，為全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖反映；中深部主要表現(xiàn)為高阻特征（電阻率值ρs為250～2100 Ω·m），為中等風(fēng)化砂巖反映。整體連續(xù)性較差，中間偶有較低阻交替出現(xiàn)。依據(jù)高密度電法剖面反演等值線斷面圖，結(jié)合已知地質(zhì)資料，解釋推斷1 條砂巖強(qiáng)風(fēng)化面（見(jiàn)圖4、圖5）。對(duì)應(yīng)電阻率值ρs≤250 Ω·m，厚度0～46 m，與下伏地層電阻率值ρs=250～2100 Ω·m具有明顯差異，地質(zhì)層傾向和測(cè)線走向垂直，同時(shí)在地形上對(duì)應(yīng)一沖溝，推測(cè)與砂巖含水率偏高有關(guān)。

對(duì)比兩個(gè)剖面，野外電極觀測(cè)系統(tǒng)一致，不同采集方法（溫納裝置、斯倫貝謝）其探測(cè)深度不同，對(duì)比圖4 與圖5，圖4 溫納裝置探測(cè)深度較大，圖5 斯倫貝謝裝置探測(cè)深度相對(duì)較淺，深度偏差在1.5%左右；從異常體范圍分析，溫納裝置橫向分辨率較高，高阻異常特征明顯；斯倫貝謝裝置對(duì)低阻異常體較明顯，其垂向分辨率較高，視電阻率曲線相對(duì)較平滑。

3 討論

通過(guò)在某隧道上方試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)地下地質(zhì)異常體探測(cè)（砂巖強(qiáng)風(fēng)化面），兩種方法適用性均較好。系統(tǒng)分析兩種方法略有差異：溫納裝置探測(cè)深度較大，橫向分辨率較高，高阻異常體特征反映較明顯；斯倫貝謝裝置探測(cè)深度相對(duì)較淺，其垂向分辨率較高，抗干擾能力強(qiáng)，低阻異常體反映較明顯。理論上，斯倫貝謝裝置在丘陵山區(qū)等坡度較大的地區(qū)適用性較好，本次試驗(yàn)研究斯倫貝謝裝置采集處理成果可在一定程度上消除異常體特征，減少地質(zhì)解疑誤判。高密度直流電法裝置系統(tǒng)較多，在地質(zhì)勘探過(guò)程中，建議結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況、地貌條件進(jìn)行高密度直流電法有效性試驗(yàn)，選擇出適合的裝置類(lèi)型，針對(duì)復(fù)雜地形地質(zhì)條件，建議優(yōu)選2 種以上的探測(cè)裝置類(lèi)型開(kāi)展工作。

本文綜合利用以往地質(zhì)資料，采用不同裝置高密度電法工作，分析其不同裝置高密度電法工作原理及應(yīng)用效果，圈定隧洞上方的低阻地質(zhì)異常體，取得良好效果。在一定坡度的地形條件下（非水平介質(zhì)理想模型），建議進(jìn)一步對(duì)斯倫貝謝裝置開(kāi)展應(yīng)用研究。

4 結(jié)論

（1）在丘陵山區(qū)淺層勘探，高密度電法具有很強(qiáng)適用性、經(jīng)濟(jì)性、便捷性。

（2）在相同的地質(zhì)條件確保探測(cè)深度，選擇不同采集裝置，便于多種方法相互驗(yàn)證及分析對(duì)比。

（3）對(duì)比溫納裝置與斯倫貝謝裝置，溫納裝置探測(cè)深度較大，斯倫貝謝裝置探測(cè)深度相對(duì)較淺，深度偏差在1.5%左右；從異常體范圍分析，溫納裝置橫向分辨率較高，高阻異常特征明顯；斯倫貝謝裝置對(duì)低阻異常體較明顯，其垂向分辨率較高，視電阻率曲線相對(duì)較平滑。