電阻率層析成像用于水文地質勘探

宋子萱

摘 要：在當前的水文地質勘探過程中，普遍采用電阻率層析成像方式對水文地質的條件進行探測，具有顯著的效果。這一技術的應用與傳統的方式，也就是波動CT的探測技術有所不同，電阻率層析成像的技術在本質上是對圖像的重建工作，可以在短時間內通過對電流場的相關數據進行方程的求解計算最終得出結果。通過對具體的數學方法進行介紹，全面分析每一個環節的步驟，希望在今后的水文地質勘測環境中，有效的治理水利工程中堵漏截流的問題。

關鍵詞：層析成像；電阻率；水文地質探測；破裂圖；巖溶象

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A

在傳統的水文地質勘測技術中，逐漸出現了一種新形式的勘測技術，即電阻率層析成像技術，這一技術具有更加精確的特點，為水文地質勘探行業帶來了一股新鮮的生命力，使得水文勘探行業煥發了新的生機。

1 電阻率層析成像

這一技術主要是以陣列電測采集系統為基礎出現的一種新技術，出現最早來源于美國，然后相繼在日本等發達國家得到廣泛的應用，這一基礎的出現是集合了多個原理而出現的，例如地震波CT、電磁波CT等，在這些CT檢測原理的基礎之上得到進一步的發展，并且最終為水文勘探中所使用。CT投影最常出現在醫療行業中，使用CT投影的技術可以對病人的病情作出有效的診治。在此基礎上，將這一技術應用在更加廣泛的領域，使得其價值逐漸凸顯出來。通過精準的計算能夠得出相應的數值，主要利用反演方法對二維電流場的數據進行計算，并最終得出相應的結論。將數值應用在實際的工程中就可以保證水文地質的勘測技術更加高效，更加完善。通過對計量結果的驗算，再利用計算機將分布的圖形模擬出來，能夠有效的保證演算的穩定性，使得重建的圖像更為逼真。除此之外，該技術的特點還在于結構簡單直觀，能夠一眼明了，信息量也較傳統的方式更為豐富了。這一技術的應用在國外的眾多國家中已經得到廣泛的應用，并且在此基礎上取得了更多的進展。

2 工區地質背景

以某工程為例，該煤礦曾經在過去的開采過程中出現過較嚴重的安全隱患，頂板突水現象嚴重，并且礦井中的涌水量已經突破了原有的范圍，以每分鐘26m3的速度向外涌水，生產過程中由于受到這一情況的影響，必須要停止礦井作業，不僅對生產上造成了嚴重的經濟損失，同時也對社會產生了一定不良影響，在這種情況下，相關的工作人員為了盡量將損失降到最低，要及時的治理該問題。因此有必要在第一時間對紅砂層的賦水情況進行進一步的檢測。一些位置是尤為重要的，例如富水區以及裂隙帶等，精確的對這些位置進行定位處理有助于盡快解決突水問題。

通過對實地進行考察，得知該煤礦位于三面環山的低洼地帶，周圍環境的特點是水量豐富，尤其是在雨季，煤礦周圍是三條河流的交匯處，大量的雨水能夠對紅砂層進行補給，滲透到土質的底部。在此基礎上，紅砂層與煤礦地層是直接接觸的，這就為煤礦的安全性埋下了嚴重的安全隱患。在這種情況下，要想對安全隱患進行嚴格的控制，就要從水文條件的勘測入手，采用本文中所提到的電阻率層析技術具有明顯的效果。根據勘測的結果分析在淺層的三個地層中，都具有相應的含水性，并且透水性也極強，而紅砂層從自身的性狀上分析是一種補給條件良好的層面，能夠承受較對的含水量，具有足夠的厚度，并且在其內部同時具有較多的夾層，在一定程度上也可以分擔含水量的負擔。但是紅砂層如果與煤層的距離較近，就會造成一定的安全隱患，因為上部的水源會透過紅砂層直接滲入進土層之中，因此為煤礦的開采造成一定的難度，同時也帶來了嚴重的問題。

野外探測前對研究地區的3種代表性巖樣泥質砂巖、紅砂巖及灰巖進行了物性測定，在實驗室內取得了巖樣烘干后及真空下水飽和兩種狀態下的電阻率、密度和孔隙度數值。結果表明，紅層砂巖的孔隙度最高（13%左右），節理裂隙發育，連通性強，含水之后電阻率下降一個數量級以上。紅層中的相對隔水層看來主要是以鈣質膠結為主的砂礫巖。灰巖樣品很致密，密度相當大（2.7g/cm3）而孔隙度很小（僅為紅砂巖的1/10），推斷一灰巖層能起到重要的隔水作用，漏水通道只會集中在巖溶發育和破裂嚴重的局部地段。灰巖的電阻率比紅層砂巖高2個數量級，有利于從CT圖象中識別出一灰巖層頂界面的埋深。

3 圖象分析

水平坐標270m處存在一個明顯的直立狀電性邊界，正對應于一灰巖層西端的侏羅紀侵蝕邊界（由此向西一灰巖層不再存在，紅砂巖層直接覆蓋在石炭系煤系地層上），把該剖面劃成東西結構截然不同的兩大部分。該邊界西側的電阻率變化范圍較大（10Ωm～300Ωm），除10m以內的表淺層外，下部未見層狀結構。低阻區A的電阻率低于25Ωm，范圍廣大，中心部位在40m～75m處，相對邊界東側低阻層的垂直落差約40m。它的出現顯然是因紅砂巖層中的高連通孔隙度使地下水富集所造成。受其滲漏影響，淺部地下水位急速下降，降水漏斗已經形成，影響范圍達幾百米，圖象中表現出6m～20m厚的高阻區。該處地表3個魚池一直存在的幾乎每10天30cm的水位下降，正是對深部漏水的一種反映。

筆者將所有的RT剖面進行了綜合，以揭示含水構造的平面展布。群組內部巖石裂隙的連通性好，而彼此之間相對阻塞或少有溝通。地下水的滲漏方向有一定規律性：在東西兩側侵蝕邊界處流向外側，即指向紅砂層降水漏斗；而在中間部位流向北東方向，即巖層的傾斜方向。鉆孔資料和CT圖象還揭示，一灰巖層沿著走向存在輕度的撓曲，在其變形最大的部位存在一系列橫向的張性破裂，為紅層水的下滲和巖溶的發育創造了有利條件。估計這些裂隙帶將沿著傾向繼續向北東方向延伸，并在某處集中或削減。這一綜合分析結果為治水工程提供了設計依據。這次電阻率層析成像的應用仍是初步的，發現有較多的技術環節需要改進，這些都有待于今后進一步的深入研究。

結語

通過使用電阻率層析圖像的技術對水文工程進行圖像的分析，能夠有效的測量出地質的實際情況，但是這一技術還是存在一定的不足之處的，在今后的工作中不斷發現缺陷并進行改良，最終形成適用于我國水文地質勘探的重要技術。

參考文獻

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