電阻率層析成像用于水文地質(zhì)勘探

宋子萱

摘 要：在當(dāng)前的水文地質(zhì)勘探過(guò)程中，普遍采用電阻率層析成像方式對(duì)水文地質(zhì)的條件進(jìn)行探測(cè)，具有顯著的效果。這一技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)的方式，也就是波動(dòng)CT的探測(cè)技術(shù)有所不同，電阻率層析成像的技術(shù)在本質(zhì)上是對(duì)圖像的重建工作，可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)對(duì)電流場(chǎng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程的求解計(jì)算最終得出結(jié)果。通過(guò)對(duì)具體的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行介紹，全面分析每一個(gè)環(huán)節(jié)的步驟，希望在今后的水文地質(zhì)勘測(cè)環(huán)境中，有效的治理水利工程中堵漏截流的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：層析成像；電阻率；水文地質(zhì)探測(cè)；破裂圖；巖溶象

中圖分類(lèi)號(hào)：P315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在傳統(tǒng)的水文地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)中，逐漸出現(xiàn)了一種新形式的勘測(cè)技術(shù)，即電阻率層析成像技術(shù)，這一技術(shù)具有更加精確的特點(diǎn)，為水文地質(zhì)勘探行業(yè)帶來(lái)了一股新鮮的生命力，使得水文勘探行業(yè)煥發(fā)了新的生機(jī)。

1 電阻率層析成像

這一技術(shù)主要是以陣列電測(cè)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)出現(xiàn)的一種新技術(shù)，出現(xiàn)最早來(lái)源于美國(guó)，然后相繼在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，這一基礎(chǔ)的出現(xiàn)是集合了多個(gè)原理而出現(xiàn)的，例如地震波CT、電磁波CT等，在這些CT檢測(cè)原理的基礎(chǔ)之上得到進(jìn)一步的發(fā)展，并且最終為水文勘探中所使用。CT投影最常出現(xiàn)在醫(yī)療行業(yè)中，使用CT投影的技術(shù)可以對(duì)病人的病情作出有效的診治。在此基礎(chǔ)上，將這一技術(shù)應(yīng)用在更加廣泛的領(lǐng)域，使得其價(jià)值逐漸凸顯出來(lái)。通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算能夠得出相應(yīng)的數(shù)值，主要利用反演方法對(duì)二維電流場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并最終得出相應(yīng)的結(jié)論。將數(shù)值應(yīng)用在實(shí)際的工程中就可以保證水文地質(zhì)的勘測(cè)技術(shù)更加高效，更加完善。通過(guò)對(duì)計(jì)量結(jié)果的驗(yàn)算，再利用計(jì)算機(jī)將分布的圖形模擬出來(lái)，能夠有效的保證演算的穩(wěn)定性，使得重建的圖像更為逼真。除此之外，該技術(shù)的特點(diǎn)還在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單直觀，能夠一眼明了，信息量也較傳統(tǒng)的方式更為豐富了。這一技術(shù)的應(yīng)用在國(guó)外的眾多國(guó)家中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并且在此基礎(chǔ)上取得了更多的進(jìn)展。

2 工區(qū)地質(zhì)背景

以某工程為例，該煤礦曾經(jīng)在過(guò)去的開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)較嚴(yán)重的安全隱患，頂板突水現(xiàn)象嚴(yán)重，并且礦井中的涌水量已經(jīng)突破了原有的范圍，以每分鐘26m3的速度向外涌水，生產(chǎn)過(guò)程中由于受到這一情況的影響，必須要停止礦井作業(yè)，不僅對(duì)生產(chǎn)上造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了一定不良影響，在這種情況下，相關(guān)的工作人員為了盡量將損失降到最低，要及時(shí)的治理該問(wèn)題。因此有必要在第一時(shí)間對(duì)紅砂層的賦水情況進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)。一些位置是尤為重要的，例如富水區(qū)以及裂隙帶等，精確的對(duì)這些位置進(jìn)行定位處理有助于盡快解決突水問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)實(shí)地進(jìn)行考察，得知該煤礦位于三面環(huán)山的低洼地帶，周?chē)h(huán)境的特點(diǎn)是水量豐富，尤其是在雨季，煤礦周?chē)侨龡l河流的交匯處，大量的雨水能夠?qū)t砂層進(jìn)行補(bǔ)給，滲透到土質(zhì)的底部。在此基礎(chǔ)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(yán)重的安全隱患。在這種情況下，要想對(duì)安全隱患進(jìn)行嚴(yán)格的控制，就要從水文條件的勘測(cè)入手，采用本文中所提到的電阻率層析技術(shù)具有明顯的效果。根據(jù)勘測(cè)的結(jié)果分析在淺層的三個(gè)地層中，都具有相應(yīng)的含水性，并且透水性也極強(qiáng)，而紅砂層從自身的性狀上分析是一種補(bǔ)給條件良好的層面，能夠承受較對(duì)的含水量，具有足夠的厚度，并且在其內(nèi)部同時(shí)具有較多的夾層，在一定程度上也可以分擔(dān)含水量的負(fù)擔(dān)。但是紅砂層如果與煤層的距離較近，就會(huì)造成一定的安全隱患，因?yàn)樯喜康乃磿?huì)透過(guò)紅砂層直接滲入進(jìn)土層之中，因此為煤礦的開(kāi)采造成一定的難度，同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。

野外探測(cè)前對(duì)研究地區(qū)的3種代表性巖樣泥質(zhì)砂巖、紅砂巖及灰?guī)r進(jìn)行了物性測(cè)定，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)取得了巖樣烘干后及真空下水飽和兩種狀態(tài)下的電阻率、密度和孔隙度數(shù)值。結(jié)果表明，紅層砂巖的孔隙度最高（13%左右），節(jié)理裂隙發(fā)育，連通性強(qiáng)，含水之后電阻率下降一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。紅層中的相對(duì)隔水層看來(lái)主要是以鈣質(zhì)膠結(jié)為主的砂礫巖。灰?guī)r樣品很致密，密度相當(dāng)大（2.7g/cm3）而孔隙度很小（僅為紅砂巖的1/10），推斷一灰?guī)r層能起到重要的隔水作用，漏水通道只會(huì)集中在巖溶發(fā)育和破裂嚴(yán)重的局部地段。灰?guī)r的電阻率比紅層砂巖高2個(gè)數(shù)量級(jí)，有利于從CT圖象中識(shí)別出一灰?guī)r層頂界面的埋深。

3 圖象分析

水平坐標(biāo)270m處存在一個(gè)明顯的直立狀電性邊界，正對(duì)應(yīng)于一灰?guī)r層西端的侏羅紀(jì)侵蝕邊界（由此向西一灰?guī)r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(jié)構(gòu)截然不同的兩大部分。該邊界西側(cè)的電阻率變化范圍較大（10Ωm～300Ωm），除10m以?xún)?nèi)的表淺層外，下部未見(jiàn)層狀結(jié)構(gòu)。低阻區(qū)A的電阻率低于25Ωm，范圍廣大，中心部位在40m～75m處，相對(duì)邊界東側(cè)低阻層的垂直落差約40m。它的出現(xiàn)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(jīng)形成，影響范圍達(dá)幾百米，圖象中表現(xiàn)出6m～20m厚的高阻區(qū)。該處地表3個(gè)魚(yú)池一直存在的幾乎每10天30cm的水位下降，正是對(duì)深部漏水的一種反映。

筆者將所有的RT剖面進(jìn)行了綜合，以揭示含水構(gòu)造的平面展布。群組內(nèi)部巖石裂隙的連通性好，而彼此之間相對(duì)阻塞或少有溝通。地下水的滲漏方向有一定規(guī)律性：在東西兩側(cè)侵蝕邊界處流向外側(cè)，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?guī)r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(fā)育創(chuàng)造了有利條件。估計(jì)這些裂隙帶將沿著傾向繼續(xù)向北東方向延伸，并在某處集中或削減。這一綜合分析結(jié)果為治水工程提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。這次電阻率層析成像的應(yīng)用仍是初步的，發(fā)現(xiàn)有較多的技術(shù)環(huán)節(jié)需要改進(jìn)，這些都有待于今后進(jìn)一步的深入研究。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)使用電阻率層析圖像的技術(shù)對(duì)水文工程進(jìn)行圖像的分析，能夠有效的測(cè)量出地質(zhì)的實(shí)際情況，但是這一技術(shù)還是存在一定的不足之處的，在今后的工作中不斷發(fā)現(xiàn)缺陷并進(jìn)行改良，最終形成適用于我國(guó)水文地質(zhì)勘探的重要技術(shù)。

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