高密度電阻率法在水文地質勘察中的應用

湯 博

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津300250）

電法中的高密度電阻率法是根據水文工程及環境地質調查的實際需要而研制的一種電探系統。該方法完全改變了電法勘探的傳統工作模式，能夠快速采集數據和處理資料，提高野外數據采集效率，同時還能大大減輕勞動強度。本文對高密度電阻率法的工作原理和技術方法做出簡介，及其在馬山變電所新建工程場地水文勘察中的應用，并取得較好的地質效果，證明了電阻率法在水文物探勘測方面的高效性。

1 高密度電阻率法的基本原理

高密度電阻率法是直流電法的一種，因此其基本原理與直流電法相同，但電極的裝置排列有所不同，高密度電阻率法是以多電位測量為主的組合式的電極排列，具有一次布設電極即可進行多種裝置數據采集的特點，也可在資料處理中可進行二維斷面成像。高密度電阻率法的采集裝置包括：溫納二極裝置，溫納三極裝置（w-A），溫納三極裝置（w-B），溫納四極裝置（w-α）；溫納偶極裝置（w-β）；溫納微分裝置（w-γ），如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法電極裝置

各裝置視電阻公式為：

引入裝置系數，則各裝置的視電阻率公式為：

其中k1～k2=1～2，默認為1；對于相同極距，k4=ks，a=n·△x

各視電阻（率）間有如下關系：

四極裝置能夠對地質體進行電阻率成像，可對目標體進行有效判定。不等距偶極裝置的靈敏度高但信號衰減也快，容易在數據處理中造成假象干擾，信噪比會隨探測深度的加大而降低。二極裝置采集的數據量較大，水平分辨高，比較適合在礦井巷道和采空區中應用，而三極裝置適用于重點區域的詳細勘查。

2 高密度電阻率法的數據處理

2.1 濾波處理方法

正演計算結果表明，偶極和微分裝置的視電阻率參數，隨著隔離系數的增大，剖面曲線由單峰逐漸變成雙峰。因此在斷面等值線圖上，除了和地質對象相對應的主異常外，還將出現相應的伴隨異常，為了消除或抑制這種由于極距變化引起的振蕩干擾，設計數字濾波器，對觀測數據濾波處理。

2.2 統計處理方法

將視電阻率參數通過一定的數據換算，突出異常的相對變化，然后將其參數值按等級的高低采用不同符號或灰階來表示。

2.3 比值計算方法

利用不同裝置的視電阻率參數做比值組合不僅具有更為醒目的方式再現原有異常的特征，而且在一定程度上具有抑制干擾和分解復合異常的能力，從而大大改善了原始參數反映地質對象賦存狀況的效果。

3 工程實例

3.1 交通位置及自然地理

馬山變電所新建工程場地擬建在朝陽市郊區的朱杖子村。區內地形為低山丘陵，海拔較低，平均在100～200m。

工作區氣候屬大陸季風氣候，一年四季分明，7～8月份為汛期，雨水集中。年平均溫度為14 ℃，1～2月份平均氣溫為-20 ℃左右，7～8月份溫度最高，最高溫度達36 ℃以上。冰凍期約130d，年平均日照時間較長，蒸發量大于800mm。

3.2 地質及水文地質特征

區內地層簡單，主要第四系和沉積變質巖。地層組合為洪積土、碎石土，基巖為砂巖或砂頁巖等。第四系（Q）在區內分布面積較大，沿山坡、溝谷分布，成份為洪積物、碎石土，厚度一般小于5m。基底地層主要為砂巖、頁巖等，其風化程度較高，該地層富水性較差。巖脈不發育，主要為閃長巖及煌斑巖。構造不發育，構造性質以壓扭性為主，富水性較差。

依據區內地層特點分析，該區含水層為第四系、強風化基巖孔隙水和構造裂隙水為主。本次工作區分布在山半坡，靜水位較低，應施工深井，取水層位為孔隙水和構造隙水。根據區內水文及物探資料分析，該區水量在3t/h左右，局部水量偏大。

3.3 野外工作方法

3.3.1 測線布設

測線的布設原則是測線要垂直于探測對象的走向，并且要避免或者最大程度減小地形和其他干擾因素的影響，測線的長短以能控制被探測地質體的同時，又能使測線的兩端顯示曲線的正常場為宜。

共需要完成高密度電阻率法物理點120個，控制剖面長度590m。A-A′測線控制剖面長度295m，物理點60；B-B′測線控制剖面長度295m，物理點60。

3.3.2 儀器的選取

為確定方法的有效性，恰當選取有關技術指標，合理有效利用工作量，結合測區電性特點，確定技術方法及選用適當技術參數。工作中使用的主要儀器設備為WDJD－3型多功能數字直流激電儀及其配套的WDZJ－3型多路電極轉換器。

3.3.3 高密度電阻率測深法

溫納四極裝置與常規電法相比設置了較高的測點密度，能夠使數據采集系統有較高的精度和抗干擾能力，并可獲得較豐富的地電信息。這種方法既能提供地質體某一深度沿水平方向巖性的變化情況，又能反映在垂直方向巖性變化情況。本次探測一次性布設60根電極，點距5m，一次測量可完成一條固定的斷面下方的22條剖面，共770個數據點。

3.4 成果解釋

資料的解釋推斷是以地質資料為基礎、物探異常特征為依據，逐步完善，遵照由已知到未知，先定性后定量，由點到面的原則，反復地進行綜合分析解釋。

3.4.1 A-A′線成果解釋

A-A′剖面的7.5～87m段，淺部相對低阻分布，視電阻率值小于21.3Ω·m，第四系的粉質黏土層相對較厚；87～130m段，點淺部相對高阻分布，視電阻率值大于36.0Ω·m，第四系的粉質黏土或碎石混土層很薄。下部略有梯度變化，反演結果電阻小于30Ω·m，低阻異常傾向大號，與聯剖結果對應，其為該剖面的主要含水層位。130～300m段相對高阻分布，視電阻率值變化范圍36.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂巖或砂質頁巖，主要為砂巖及砂質頁巖夾礫巖的反映，如圖2。

圖2 A-A′線高密度電阻率法斷面

3.4.2 B-B′線成果解釋

B-B′剖面的87～168m段，淺部相對低阻分布，視電阻率值小于22.1Ω·m，主要為第四系1～2m厚的粉質黏土或碎石混土所反映，兩側淺部相對高阻分布，視電阻率值大于35.0Ω·m，第四系的粉質黏土或碎石混土層很薄。下部略有梯度變化，7.5～108m，143～163m，183～213m點相對低阻分布，視電阻率值變化范圍25.8～35.0Ω·m，富水性較差，主要為砂巖或砂質頁巖的反映。108～143m，163～183m及大于183m點部分相對高阻分布，視電阻率值變化范圍35.0～60.0Ω·m，富水性略好于砂巖或砂質頁巖，主要為砂巖及砂質頁巖夾礫巖的反映，如圖3。

圖3 B-B′線高密度電阻率法斷面圖

馬山變電所新建工程場地，本次物探工作結果，只發現一條兩種巖性接觸帶異常 （F1）：F1走向北西310°左右，傾向北東，傾角70°左右，結合區內水文地質條件，F1為本區的主要含水層，應進行鉆探施工。

4 結語

電阻率法在工程地質勘探方面已經獲得廣泛的應用。為了更好地發揮電阻率法在探測中的優勢，針對勘測要求和地質條件采用合適的方法及裝置十分必要。本文就此介紹了高密度電阻率法的一些基本知識和基本原理，及其在水文勘察中的應用。

高密度電阻率法與常規電法相比，具有成本低，效率高，反映地電、地質信息更豐富、更直觀，資料解釋簡單方便等特點，因此也就使電法勘探能力有了顯著提高。但是隨著高密度電法應用的越來越普遍，在該方法的理解和應用方面，卻還存在不少問題：有效數據的分辨；觀測方式對數據成果的影響；反演成果問題；視電阻率負值異常現象等問題。

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