高密度電法在水文地質和工程地質中的應用

張 江

(貴州省織金縣水利局，貴州畢節552100)

高密度電法在水文地質和工程地質中的應用

張 江

(貴州省織金縣水利局，貴州畢節552100)

中國使用高密度電法在水文地質和工程地質中進行勘探可以追溯到20世紀30年代，經過80余年的發展，高密度電法勘探無論在基礎理論、方法技術和應用效果等方面都取得了巨大的進展。在地球物理學中，高密度電法是使用最廣泛的分支學科。文章圍繞高密度電法展開，闡釋了高密度電法的基本原理，介紹了高密度電法的優點和工作方法以及其在實踐中的應用。高密度電法正在水文地質和工程地質的勘探工作中發揮著越來越重要的作用。

水文地質;工程地質;高密度電法;原理;優點

0 引言

高密度電法的測量點密度較高，得到的信息量也相對而言比較大，是對電剖面法和電測深法的集中。它的應用領域比較廣，特別是在水文地質和工程地質勘查方面，例如:管線探測工作、尋找地下水工作、查明采礦區工作，探測巖溶發育區和劃分各類地層工作等。高密度電法的基礎是介質電性差異，勘探天然或人工電場的變化。

1 高密度電法原理

高密度電法其原理相同于普通電阻率法，其中小的區別是在觀測中設置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。20世紀70年代末期，陣列電法勘探的思想開始萌芽，見圖1所示。高密度電法的最初模式是英國人設計的電測深偏置系統，20世紀80年代中期日本借助電極轉換板實現了野外高密度電法的數據采集。我國研究高密度電法及其應用技術是從20世紀末期開始，從理論方法和實際應用的角度進行了探討并完善，有些著名大學和有關儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。高密度電法野外測量時將全部電極(幾十至上百根)置于剖面上，利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數據快速自動采集［1］。

傳統式高密度電法儀工作示意圖見圖2，新型分布式高密度電法工作示意圖見圖3。

圖1 常用電阻率法的裝置類型示意圖

圖2 傳統式高密度電法儀工作示意圖

圖3 新型分布式高密度電法工作示意圖

高密度電法點距小，具有較大的數據密度，效率也高。是一種直流電阻率法，兩維電阻率斷面的測定結果。高密度電法可以更直觀，準確地反映地下電體異常的形式。

常規電阻率的方法基于在同一時間上的測探剖面由手動控制電流安排多道電極被發送到地下，以形成一個穩定的電流場，通過自動控制，自動開關裝置觀察和記錄對剖面布局更新。高密度電法二維地電斷面測量，有剖面法和測深法兩種功能，可以地層劃分，有效的方法來檢測隱伏斷裂構造，溶洞，以及地質滑坡［2］。

高密度電法測量點之間的密度不同，有大量的信息，效率高，在測量過程中，通過轉換裝置控制電極組合進行直流勘探檢測到各種設備的形式，可以比較分析，有利于提供更多的信息，使在勘探地球物理技術的優勢充分發揮。

2 高密度電法優點及工作方法

高密度電法與傳統的電阻率法相比具有以下優點:

1)一次性完成的電極排列，減少了故障和干擾對電極影響和提高了效率。

2)可以選擇各種不同的電極布置。

3)可以得到豐富的地電斷面的信息，實現現場數據采集的自動化或半自動化。

4)提高數據采集的速度，不用手動以避免失誤。

5)地球物理反演方法，高密度電阻率成像信息技術的發展，從發展的一維和二維到三維，極大地提高了地電數據解釋的準確性。

現場測量，它是布置測量線和測量點，預先選定后，所有的電極設置在一定的間隔的測量點上，然后通過轉換裝置所需的特殊的電極，這些電極組合成指定的電極的裝置和電極間距，各種電極裝置的觀察和多電極距觀察在觀測剖面電阻率法的多個測量點迅速完成。再配上相應的數據處理，繪圖和解釋軟件，能及時完成地質勘探任務［3］。

其中，配置在高密度電勘探溫納裝置α的最小間距系數n(MIN)=1，最大間距因子n(MAX)=16。由兩個主要部分組成，數據前處理和數據反演處理。

數據前處理主要包括:編輯視電阻率值，不含失真的數據。組成由多個測量的橫截面進行拼接。添加到的數據文件中的每一個相對應的電極的平面上的坐標［4］。對于地形變化較大橫截面，海拔坐標被添加到數據文件中，以備反演處理時地形校正。經過對該領域所收集數據的反復計算之后，所收集數據就轉換為電阻率的關系。

反演處理包括:建立最初的二維地電模型，根據地質調查數據選擇反演參數(阻尼因子，迭代次數，收斂極限)，然后用最小二乘反演計算方法，以查看反演結果。最后地形校正，最終的地下地電斷面用于地質解釋［5］。

3 高密度電法應用

高密度電法在水文和工程地質勘探工作中被極為廣泛的應用。主要是利用高密度電法在大壩穩定性評價，壩基滲流，探測大壩裂縫看到了良好的應用效果。

高密度電法評價電站大壩基巖面的起伏。在高速公路高架橋，高層建筑選址，機場跑道的基礎勘探。及探測的物理性質的防空洞，涵洞，洞穴，地下未知的障礙等與周圍介質不同的地下物。應用高密度電法在巖溶石山區找水確定最佳井位，取得了良好的效果。

高密度瞬態瑞雷面波的方法來完成巖土工程勘察，以確定的古河道，地下墓穴和洞穴分布和深度的迅速劃分場地類別。此外，尋找地下水，管線探測，識別采空區采用高密度電工程物探調查地質災害等。

西氣東輸二線管道是一個國家的石油和天然氣供應的安全性路線，全長4 859 km，再加上數條支線，管道總長度超過7 000 km，它無疑是一個重大的關鍵項目。

該項目的物探組對四個隧道工程物探采用高密度電法工作。在調查地區復雜的地形條件下，波動大的高度差，較差的工作條件，這些因素都在一定程度上影響的物理探測精度。安排的兩個鉆孔進行高密度電法工作，提交驗證結果，發現破碎帶在預測位置，取得良好的勘探結果。

在地質工程的勘探中，高密度電法具有一定優勢。高密度電法擁有剖面法和測深功能，根據巖溶地質的考察，能夠對部分電異常體的形態，產狀進行生動的反映。

分布在石灰巖地區高密度電法了解第四系土洞發育、石灰巖巖溶，裂縫發育情況，并確定石灰石分布。高密度電法截面結果反映了石灰石和上覆第四系地層平均電反映，在凹凸不平的表面取得橫截面測量數據，以反映整體跌宕起伏的石灰巖表面條件。

地形測量結果的特定的橫截面，應進行二維的地形校正，以消除地形影響，使測量橫截面與實際的橫截面接近。

此外，高速公路用高密度電法勘探采空區，塌陷區。如故障區域的大小，結構調查，傾向，傾角，巖體接觸帶(面)劃分等。進行次生地質的分層調查，例如，覆蓋層厚度，風化層劃分。對這些問題用高密度電法解決，可以取得很好效果。

高密度法的研究及應用技術最近幾年在我國得到了很大的發展。我們要進一步探索和完善高密度電法理論和技術問題，實現信息數字化和計算機處理數據，促進了高密度電法在硬件，軟件上的應用和發展。

4 結論

高密度電法作為一個比較成熟的地球物理勘探方法，本文對其發展方法，原則和實際應用進行了簡述。在水文地質和工程地質工作中，高密度電法已經得到了廣泛的應用。

基于高密度電法的高效率、深探測和精確的地電剖面成像，也是水文和工程地質勘察中最有效的方法。但是考慮到該方法的分辨率不高，在具體的應用中可以結合其他電法勘探、電測井等方法，達到精細地質解釋的目的。

可以預見，隨著經濟建設和科學技術的不斷發展，高密度電法的應用廣度和深度必將進一步擴大和加強，得到更廣泛的應用。

［1］戴前偉，邰曉勇，王鵬飛.超高密度電法的模型響應對比分析研究［J］.工程地球物理學報，2013，10(03):383-388.

［2］廖峰，王宇航.綜合物探在隧道勘察中探明斷層的應用［J］. 技術與市場，2012，19(09):83.

［3］王玉玲，能昌信，王彥文，等.電阻率法污染探測中兩種反演算法比較［J］.地球物理學進展，2012，27(04):1775-1781.

［4］劉宏岳，林朝旭，林孝城，等.綜合物探方法在某過江隧道工程勘察中的應用研究［J］.隧道建設，2012，32(03):275-280.

［5］戴云峰，周志芳，劉冰.高密度電阻率法在山前沖積平原地層勘察中的應用［J］.水文地質工程地質，2012，39(03):23-29.

Application of High Density Resistivity Method in Hydrogeology and Engineering Geology

ZHANG Jiang
(Guizhou Province Jinzhi County Water Conservancy Bureau，Bijie 552100，China)

The use of high density resistivity method in hydrogeology and engineering geology exploration can be traced back to twentieth Century 30's in China.After the development over 80 years，the basic theory，technological methods，application effects，etc.，for high density resistivity method have made great progress，and it becomes the most widely used method in geophysical exploration.This paper focuses on the high density resistivity method，explains the basic principle of high density electrical method，and introduces the advantages and working method of the high density resistivity method and its application in practice.It is playing an increasingly important role in hydrogeological and engineering geological exploration work.

hydrological geology;engineering geology;high density resistivity method;principle;advantages

P631.3

A

1007-7596(2014)06-0050-03

2013-08-14

張江(1975-)，男，貴州織金人，工程師，從事水利水電工程工作。