高密度電阻率法在行唐某溶洞勘查中的應用

許紅濤　張迪　茅遠哲

【摘 要】本文對高密度電阻率的原理進行了簡單的介紹，運用高密度電阻率法對行唐縣某溶洞進行了勘查，通過二維高密度電阻率反演模型反映了地下溶洞的空間位置以及空間分布特征，對溶洞的分布范圍、埋深、規模有了初步的認識；并對以后工作進行了提出了合理建議，為更好的開發溶洞提供了依據。

【關鍵詞】高密度電阻率；二維反演；溶洞

0 引言

高密度電阻率法是20世紀80年代初由日本引進，后經過長吉林大學（原長春地質學院）等單位對方法、儀器的研制開發并發展起來的一種電阻率方法[1]。相對于常規電阻率法來說，它具有成本低、效率高等的有點，因此很快在工程質量檢測、水利水電工程、工程地質勘查、環境工程地質、工程質量檢測和城市工程勘查等領域得到了推廣應用并取得良好的效果。

溶洞的是地下水長期溶蝕石灰巖的結果，我國南方因為地下水豐富，石灰巖地區多發育溶洞，在我國北方較少。對于工程來說，溶洞的存在直接威脅工程的安全質量問題，但對于旅游開發來說溶洞又是一種比較珍貴的資源，因此對于溶洞的勘查就尤為重要。溶洞由于存在隨機性和不確定以及隱蔽性，用其他的物探，鉆探難以達到理想效果，而且成本較高，效率比較低，所以高密度電阻率法是探測地下溶洞的一種較為理想的地球物理方法[2-4] 。

1 高密度電阻率法原理

高密度電阻率法是把巖石，土體的導電性差異作為基礎，人工施加的穩定電流場的作用下，研究地下地質對象的存在所產生的電流分布規律的一種電法勘探方法，它是通過布設一次陣列電極來實現自動跑極和自動采集數據，可實現一次敷設電極便可得到不同的裝置類型和不同極距的斷面或立體視電阻率測量方法。

高密度電阻率法的勘探原理，與一般電法勘探原理完全相同，是一種在方法技術上有較大進步的電阻率法。設地表水平、介質均勻并且電阻率的大小不隨電流的方向而改變的條件下，對地面上的任意兩點用供電電極A、B進行供電，另外用電極M、N進行測量得到電位差ΔUMN。A、B電極在M、N兩點處的電阻率的計算表達式如下：

式中：ΔUMN是測量電極M、N的電位；I為M、N之間的電流；K是電極裝置系數，是與供電電極和測量電極的空間位置的距離有關的物理量。在測量工作時，只要知道了極距和裝置形式，K值就可以通過計算得出。

在實際工作中，這種理想的情況是不存在的。一般被電場控制的范圍內存在兩種或者幾種不同的巖性且地形不是水平的，那么測得的電阻率就不是在理想狀態下的一種巖性的電阻率，而是電場控制范圍內各種巖性電阻率的綜合影響的表達。這時我們以同樣的方式供電，得到的“電阻率”我們稱之為視電阻率符號表示為ρs。即

實際上視電阻率是在電場的有效作用范圍內各種地質體與地形電阻率的綜合影響值[5-6]。從公式中我們可以看到影響視電阻率的因素有兩方面：其一，是電場控制范圍內的測線各地層或者地質體的電阻率、形狀、規模、厚度、埋深等；其二，K值的影響，即電極的排布方式、電極距的距離、電極排列與地質體之間的相對位置等。

雖然影響視電阻率的因素較多，但對于同一地質體在同一測點上，逐次加大供電極距，這樣測得的視電阻率在一定程度上反映了該點電阻率隨深度的變化。再通過保持供電極距不變，在不同測點上所測視電阻率，在一定程度上反映了沿側線同一深度一定范圍內的電阻率變化。我們通過視電阻率進行定性分析，說明電場變化原因和電阻率的物理意義，從而推斷其表達的地質現象。

2 工作概況

勘查區位于行唐縣北河鄉，勘查區主要巖性為灰巖，植被較為發育，存在不同程度的斷層，完全具備發育溶洞的條件。本次勘查共布置高密度剖面5條，方向近東西向，且平行的P1、P2、P3、P4及P5剖面，P1-P4剖面均長600米，P5剖面長300米，共計2700米。

本次勘查采用高密度電阻率法里的溫納裝置的工作模式。溫納裝置也就是對稱四極電阻率裝置，A、B是供電電極，M、N為測量電極，AM=MN=NB視作一個電極間距，通過一個等電極間距對稱排列裝置，利用直流電場理論和均勻地下半空間電場分布規律，來研究某一深度的電阻率變化規律。兩個電極之間的距離為10m，最小隔離系數是1，最大隔離系數為16。

3 數據處理與解釋

對采集到的數據進行處理反演，，為穩定反演過程，壓制系數隨層深的增加也以1.2倍增強，迭代次數程序通常使用5次，收斂誤差值一般不大于5%。通過對視電阻率的反演和三維插值高電阻率異常圖件反映的剖面結構電性特征和高電阻率異常進行分析解釋。

通過反演得到電阻率二維反演剖面，通過對幾條剖面圖分析，除第五條剖面外，其他四條都不同程度的存在著異常，并且異常較為清晰。異常處反演電阻率異常為5000-20000Ω*m，與周圍電阻率差異較大，推測該異常為無填充溶洞。據高電阻率異常形態推測幾個溶洞寬約15-30米不等，埋深不深，約為10-20米。

通過對該區域的電阻率進行插值分析，得到三維插值高電阻率異常圖（圖1），從圖中可以看到該區域內存在連續的三條成條帶狀的高電阻率異常，推測該區域內在兩條近南北走向的溶洞，且具有一定規模，可能存在一定聯通性。

4 結論

本次利用高密度電阻率法的溫納剖面裝置，對行唐縣某溶洞進行了勘查，得到以下結論：

（1）通過二維反演電阻率剖面和三維插值高電阻率異常推斷，該地區存在著一定規模的溶洞，切具有一定規模；

（2）反演得到了異常的埋深大約在10-20米，溶洞的寬度為15-30米，可能具有一定聯通性，無填充。

由于本次勘查缺乏地質，工程資料，只憑高密度電阻率法反演推斷可能存在一定的誤差，建議再規劃設計淺層地震以及一些鉆探工程，兩種物探方法結合地質，采集的鉆孔資料進行綜合分析，可極大的提高勘查精度。

【參考文獻】

[1]李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005：208.

[2]楊春天，許德根，張啟，等.高密度電法在隱伏溶洞勘探中的應用[J].中國地質災害與防止學報，2016，27（2）145-148.

[3]尹極，王曉東，程邈，等.高密度電阻率法在果香峪溶洞勘查中的應用效果分析[J].CT理論與應用研究，2011，20（3）：301-310.

[4]邊建國，薄文俊.高密度電阻率法在溶洞探測中的應用[J].內蒙古科技與經濟，2013，24（298）97-100.

[5]傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質出版社，1987：50-126.

[6]劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質大學出版社，2005.

[責任編輯：王偉平]