趙 博 ，張嘉力

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021；2.華能甘谷電廠有限公司，甘肅 天水 741200）

1 方法概述

高密度電阻率法因其對(duì)施工現(xiàn)場較小的地形破壞影響、較高的工作效率、較小的現(xiàn)場工作規(guī)模及人工開支等特點(diǎn)，受到了各類礦產(chǎn)資源勘查工作單位以及城市地下工程空間探測工作單位的青睞，得到了大規(guī)模的應(yīng)用與深入發(fā)展研究[1-3]。該方法常被應(yīng)用于解決礦產(chǎn)資源勘查、大地構(gòu)造調(diào)查、城市地下空間結(jié)構(gòu)無損探測等領(lǐng)域的工程實(shí)踐問題。

本次勘探試驗(yàn)采用較為先進(jìn)的高密度電阻率法儀器系統(tǒng)，該儀器系統(tǒng)可進(jìn)行多種裝置類別的高密度電阻率裝置形式測試，可以自定義設(shè)置設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集觀測。儀器出廠配置有高性能計(jì)算機(jī)，與擴(kuò)展外設(shè)配件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件相配合，可在工作布置現(xiàn)場對(duì)所采集的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析處理成圖。該儀器系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于自然資源、能源開發(fā)、交通建設(shè)、工程建設(shè)、工業(yè)與民用建筑、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、環(huán)境災(zāi)害評(píng)價(jià)、堤防隱患探測等領(lǐng)域[4-5]。此外，該儀器系統(tǒng)還可滿足常規(guī)電法勘探中所有裝置類型的數(shù)據(jù)采集，諸如電測深、聯(lián)合剖面等。

2 勘探試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)條件

勘探試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省蘭州市東崗遠(yuǎn)郊地區(qū)，該地區(qū)位于西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，為北溫帶半干旱大陸性氣候，干燥少雨，土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育起來的灰鈣土，土壤顆粒較粗，受水分條件制約，自然植被生長稀疏，主要植被群落以旱生植物為主。按板塊構(gòu)造學(xué)說，蘭州地區(qū)位于華北板塊與華南板塊碰撞而形成的祁連-秦嶺地縫合線上，挽近地質(zhì)時(shí)期由于印支板塊向歐亞板塊的碰撞，受到來自南西-北東方向的壓力而處于活動(dòng)狀態(tài)。黃土高原區(qū)是一個(gè)特殊的地理區(qū)域，深厚的黃土層記錄了豐富的第四紀(jì)環(huán)境信息，而該地區(qū)脆弱的生態(tài)環(huán)境容易受到水土流失的影響，受所含水分比例變化的影響，黃土層在力學(xué)上呈現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定性，從而造成了該地區(qū)易發(fā)多發(fā)地面塌陷、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[6]。易得以下結(jié)論：黃土層含水量越高的局部區(qū)域，其力學(xué)穩(wěn)定性越差，該局部區(qū)域越易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3 方法適用性

水分對(duì)于黃土層的另一項(xiàng)物理性質(zhì)改變則在于導(dǎo)電性。根據(jù)基礎(chǔ)物理學(xué)常識(shí)，土壤含水量越高，其導(dǎo)電性能則越好，量化物理參數(shù)則為土壤觀測電阻率（ρ）越低，表現(xiàn)為低阻區(qū)域；與之相對(duì)的，土壤越干燥，其導(dǎo)電性能變差，觀測電阻率則升高，表現(xiàn)為高阻區(qū)域。土壤含水量與地面觀測視電阻率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7-9]。而高密度電阻率法正好關(guān)注的是觀測區(qū)地下某處視電阻率（ρs）數(shù)值變化分布情況。

結(jié)合以上論述，可以通過在黃土層地區(qū)地表面布置觀測陣列，利用高密度電阻率法儀器系統(tǒng)觀測地下各深度視電阻率值變化分布，從而了解地下土壤水分含量的變化分布情況，為該地區(qū)地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與防治提供依據(jù)和參考。

4 現(xiàn)場工作布置

為簡化計(jì)算成像程序，減少地形校正等數(shù)據(jù)前處理步驟，勘探試驗(yàn)選取了一處平坦度較好的地點(diǎn)進(jìn)行了排列布置，如圖1所示。采取AB段（90 m）作為觀測區(qū)主測線排列，沿南北向延伸分布；CD（90 m）、EF（90 m）、GH（90 m）段作為觀測區(qū)旁測線排列，垂直于主測線沿東西向延伸分布。在工作區(qū)域內(nèi)按照地面布置設(shè)計(jì)確定各點(diǎn)位的位置，并用標(biāo)志物在地面上進(jìn)行標(biāo)記。

圖1 勘探現(xiàn)場工作布置示意圖

依次沿各條測線利用皮尺確定好電極間距，以Δl=1 m的間距依次將儀器配套的電極棒釘入地面，儀器主機(jī)及外部直流電源通過數(shù)據(jù)總線依次與排列上的電極棒串聯(lián)，完成該條測線的排列布置。電極排列布置如圖2所示。外部直流電源經(jīng)過數(shù)據(jù)總線向排列上的裝置組（排列上連接的多個(gè)電極棒的其中四個(gè)）進(jìn)行供電同時(shí)反饋該組測定的視電阻率，裝置組的極距參數(shù)及裝置類型通過儀器設(shè)定選擇而自動(dòng)改變[10]。以排列為單位獲得觀測數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件包含X（地面位置）、Y（觀測深度）、Ro（視電阻率）等信息。

圖2 電極排列布置示意圖

5 觀測數(shù)據(jù)成像分析及可能的地質(zhì)解釋

編制MATLAB程序，錄入觀測記錄所得的主、旁測線排列數(shù)據(jù)，得到勘探試驗(yàn)區(qū)四個(gè)地電斷面圖像如圖3～圖6所示。視電阻率分布等值線剖面圖通過contourf函數(shù)繪制。設(shè)定色標(biāo)參數(shù)為“cool”，淺色區(qū)域?qū)?yīng)視電阻率值較低，對(duì)應(yīng)土壤含水量較高區(qū)域；深色區(qū)域?qū)?yīng)視電阻率值較高，對(duì)應(yīng)土壤含水量較低區(qū)域。

圖3 觀測排列AB數(shù)據(jù)成像

圖5 觀測排列EF數(shù)據(jù)成像

圖6 觀測排列GH數(shù)據(jù)成像

觀察圖像顏色分布及色表數(shù)值范圍，可知勘探試驗(yàn)區(qū)地下視電阻率值分布介于40 Ω·m～110Ω·m；由圖3可知南北向延伸分布的主測線AB段普遍土壤含水量較高，主要集中分布于地表向下的5 m范圍內(nèi)，這與地面現(xiàn)場布置時(shí)區(qū)域中部地形的輕微下凹吻合；同時(shí)該高含水土壤層中也存在多個(gè)分布范圍較窄的干燥土壤夾層，推測可能是黃土層內(nèi)有成分組成與圍土有較大差異的局部區(qū)域存在，其受到來自地表的外力壓實(shí)作用而發(fā)生土壤固結(jié)，致使黃土層局部區(qū)域出現(xiàn)了含水較低的夾層；AB觀測排列南端（約10 m處）及最北端（約90 m處）出現(xiàn)數(shù)值陡然增大的高阻區(qū)域，推測可能是因水土流失而造成的黃土層地下空洞，此兩處地點(diǎn)有較高的發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)于地面做標(biāo)記并及時(shí)向周邊住戶居民發(fā)出預(yù)警。

由圖4～圖6可知，黃土層水分主要集中存在于沿AB測線左右地面10 m地下2 m～6 m的范圍內(nèi)，水分以此區(qū)域?yàn)橹行南蛩闹軓较驍U(kuò)散減少。東西向的三條觀測排列CD、EF、GH，盡管該三條測線間有較大的間距（約12 m）存在，但根據(jù)三個(gè)排列繪制的視電阻率分布剖面圖，就導(dǎo)電性差異反映而言，此三線并沒有太大差異，推斷試驗(yàn)勘探區(qū)黃土層沿主測線方向（南北）自地面向下5 m范圍內(nèi)屬于電性均勻分布介質(zhì)；排列CD、EF、GH的最東端也均出現(xiàn)了數(shù)值陡然增大的高視電阻率異常特征，同樣推測可能是因水土流失而造成的黃土層地下空洞，此處有發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，需提前預(yù)警準(zhǔn)備。

圖4 觀測排列CD數(shù)據(jù)成像

6 總結(jié)與展望

通過本次高密度電阻率法勘探試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法針對(duì)黃土層地區(qū)土壤含水量預(yù)測的適用性，為地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治、地面塌陷監(jiān)測預(yù)警、水土保持等專業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了參考。下一步可就黃土層含水量與土壤視電阻率間的負(fù)相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量數(shù)值模擬，從而探究黃土層地下土壤水分含量的變化分布規(guī)律，進(jìn)而為該地區(qū)地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測與防治提供依據(jù)和參考。