張 靜, 胡尊平, 陶鵬飛, 牛 輝, 陳 實(shí)

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院, 新疆烏魯木齊 830000）

近幾年, 在保護(hù)生態(tài)環(huán)境、人民生命安全和社會生產(chǎn)實(shí)踐中, 經(jīng)常會遇到各類不良地質(zhì)現(xiàn)象, 在地下水動力條件的改變或工程施工震動等外因誘發(fā)下易引起崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害, 給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?、?cái)產(chǎn)造成重大損失[1]。在災(zāi)害多發(fā)區(qū)進(jìn)行災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查, 為后續(xù)的災(zāi)害治理提供必要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料是減災(zāi)防災(zāi)工作的前提[2]。高密度電阻率法現(xiàn)已成為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的重要手段, 該方法屬于電阻率法的一種, 近年來, 該方法已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查、水害防治以及常見地災(zāi)探查等眾多行業(yè)領(lǐng)域[3-4]。與常規(guī)電法相比, 高密度電阻率法工作效率高, 勞動強(qiáng)度低, 探測精度高, 探測效果好, 高密度電法在電極布設(shè)和觀測形式上做了改進(jìn), 使電法勘探的自動化、智能化程度大大提高[4, 6-7]。

1 基本原理

高密度電法在理論上, 與傳統(tǒng)常規(guī)電法沒有本質(zhì)區(qū)別, 都是以巖土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ), 通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場的分布規(guī)律, 從而查明地下地質(zhì)構(gòu)造和尋找地下電性不均勻體（風(fēng)化層、巖溶、滑坡體、斷層、基巖面等）的一類地球物理勘察方法[5]。其工作布設(shè)方法如圖1所示。高密度電阻率法野外測量時(shí)只需將全部電極置于觀測剖面的各測點(diǎn)上, 然后利用程控電極轉(zhuǎn)換器（圖2）或者微機(jī)工程電測儀器便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集, 當(dāng)將測量結(jié)果送入微機(jī)后, 還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[6]。一次觀測即可完成整條剖面的二維勘探, 既能完成所探測的異常體在某一深度上沿水平方向巖性的變化, 也能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規(guī)律, 獲取較為豐富的地電信息[6-9]。

圖1 高密度電法野外施工布置圖

圖2 重慶奔騰高密度電法儀

2 高密度電法特點(diǎn)

與常規(guī)電法相比, 高密度電法具有以下特點(diǎn)：

（1）電極布設(shè)一次性完成：減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差, 為野外數(shù)據(jù)的快速和自動測量奠定了基礎(chǔ), 極大地提升了工作效率[10]；

（2）高密度：采用較密的點(diǎn)距和極距變化, 提升了測量效果及精度；

（3）效率高：能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測量, 從而可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息；

（4）自動化：數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實(shí)現(xiàn)了自動化或半自動化, 不僅采集速度快（大約每一測點(diǎn)需2～5s）, 而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯(cuò)誤；

（5）智能化：可以實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場實(shí)時(shí)處理以及脫機(jī)處理, 大大提高了該方法的智能化程度[11-13]；

（6）兼具剖面法和測深法雙重性質(zhì)：并具點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大等優(yōu)點(diǎn), 能形象且準(zhǔn)確地反映基巖起伏等斷面電性變化情況；

（7）多參數(shù)測量：同時(shí)觀測電阻率、極化率和自然電位, 能獲取地下豐富的地電參數(shù), 從不同電性角度對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫[14]。

主要不足：勘察深度有限, 僅為剖面長度的十分之一至六分之一。

3 不同裝置的探測效果分析

高密度電法常應(yīng)用于斷層、滑坡面的勘察追索中。為分析各裝置的探測效果, 運(yùn)用數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)方法, 建立直立斷層地質(zhì)模型（圖3）, 頂點(diǎn)埋深1m, 電極間距1m, 電極道數(shù)51道, 采用溫納裝置、偶極裝置與斯倫貝謝裝置進(jìn)行有限元正演計(jì)算。

圖3 模型示意圖

由上述正演結(jié)果（圖4）可以看出, 不同裝置對斷層的分界面都有較明顯的異常響應(yīng)。其中, 溫納裝置探測深度大, 能很好地反映深部地層視電阻率的變化規(guī)律[15]；偶極裝置的異常幅值最大, 說明偶極裝置對異常的敏感程度較高；斯倫貝謝裝置探測深度和探測效果介于兩者之間。

圖4 三種不同裝置正演結(jié)果

對上述正演結(jié)果進(jìn)行最小二乘反演, 結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種不同裝置反演結(jié)果

由上述反演結(jié)果可以看出, 經(jīng)過三次迭代計(jì)算以后, 偶極裝置對斷層的探測效果最好, 能有效判斷斷層的性質(zhì), 但探測深度只有溫納裝置的一半；溫納裝置能較好地顯示斷層在深部范圍上的延伸狀態(tài)；斯倫貝謝裝置在高阻巖體內(nèi)部出現(xiàn)畸變, 不利于地層劃分, 但可作為劃分?jǐn)鄬拥膮⒖假Y料。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 調(diào)查區(qū)概況

新疆伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)潘津布拉克村崩塌、滑坡災(zāi)害點(diǎn)主體在潘津布拉克牧道北側(cè), 主要災(zāi)害類型為滑坡和崩塌災(zāi)害, 其中滑坡、崩塌體沿河道北側(cè)分布, 以災(zāi)害體分布范圍及南側(cè)受災(zāi)害體威脅的承災(zāi)體（道路、河道、房屋等）范圍圈定為勘查區(qū)?；戮蚰恋婪较蚧瑒? 滑坡后緣呈圈椅狀, 部分裂縫已被坍塌的碎石、土體填充。

4.2 數(shù)據(jù)采集

高密度電法采集儀器使用重慶奔騰數(shù)控儀器廠研制的WGMD-9型超級高密度電法系統(tǒng), 使用溫納裝置測量。在采集剖面數(shù)據(jù)前, 對所有電極澆注鹽水, 并測量各電極的接地電阻, 所有電極接地電阻小于1kΩ, 保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。結(jié)合任務(wù)要求, 共布設(shè)6條測線, 每條剖面布設(shè)長度為200～250m不等, 電極間距5m。現(xiàn)選擇其中3條作為實(shí)例分析。

4.3 應(yīng)用效果

（1）圖6是1線0～250樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。斷面解譯推斷成果顯示, 根據(jù)電阻率差異, 自南向北, 依次可以劃分出低阻的河道區(qū)（砂巖）、高阻的安山巖基巖面、向下延伸的低阻風(fēng)化卵礫石、泥巖等不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖6 1線高密度電法斷面及解譯推斷圖

剖面0～40m主要為河道區(qū), 視電阻率呈低阻特征。40～140m處為安山巖的反映, 寬約100m, 厚度約25m,140m下部為一延伸至表面的低阻異常帶, 向基巖面下方延伸, 為風(fēng)化卵礫石富水性引起, 與河道在下部接觸, 剖面140～160m處為覆蓋層的反映, 160～250m處為視電阻率雜糅的特征, 地質(zhì)情況較為復(fù)雜, 表面為層狀高阻特征, 下部層狀低阻特征, 為含水覆蓋層引起。

（2）圖7是物探2線0～200樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。從電阻率反演斷面上可以看出, 電阻率橫向連續(xù)性較好。根據(jù)剖面電性特征可大致劃分為三層：表層覆蓋層視電阻率相對較高, 主要為巖塊碎石帶、第四系黃土和表層疏松干土, 厚度在10～25m左右, 從滑坡體后部向前部堆積體變化較為均勻；中部為第四系粘砂土, 土層含水量變大, 滑坡后緣和前緣坡腳位置含水量較大；最下部低阻帶為富水的砂巖層。

圖7 2線高密度電法斷面及解譯推斷圖

（3）圖8是物探6線0～250樁號段高密度電法溫納裝置斷面圖及解譯推斷圖。從解譯圖可以看出, 10～55m處, 電阻率變化范圍較大, 不均勻, 主要為河溝沖洪積區(qū), 碎石、巖塊堆積致使空隙變大, 填充物主要為粘土與巖石碎塊；90～205m處為坡積物覆蓋層, 夾雜有黃土巖塊、碎屑, 因含水而電阻率偏低；130～150m處為基巖出露區(qū), 主要為安山巖；210～220m處為安山巖基巖區(qū), 向下側(cè)伏；225～235m表層處為安山巖基巖出露區(qū)。

圖8 6線高密度電法斷面及解譯推斷圖

5 結(jié)論

（1）高密度電阻率法可以較準(zhǔn)確地反映基巖埋深并能直觀地反映地下電性異常體的形態(tài), 實(shí)現(xiàn)覆蓋面與基巖界面的探測與劃分。

（2）本次應(yīng)用實(shí)例中, 高密度電阻率法中的溫納裝置較好地反映出了調(diào)查區(qū)地層淺部（30m以淺）的電性特征, 并對各層的巖性及構(gòu)造情況進(jìn)行解譯。

（3）高密度電法相比于常規(guī)電法, 具有電極布設(shè)方便、數(shù)據(jù)采集密度大、自動化程度高、工作效率高等特點(diǎn), 所以能在多個(gè)地質(zhì)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

（4）高密度電阻率法不同裝置對異常地質(zhì)體探測都有一定的異常響應(yīng), 但在勘探深度、分辨率、探測效果等方面存在差異。在不同的地質(zhì)條件下, 需根據(jù)勘探目的、精度及深度等要求選擇合適的裝置類型。同時(shí), 如能選用兩種或兩種以上的裝置類型進(jìn)行勘探, 則能更好地提高異常解釋的精度和可靠度。