高分辨電阻率成像在鐵路勘察中的應用

王思桐, 李 堅, 曹禮剛, 曹云勇, 雷旭友, 魏棟華, 何蘭芳

(1. 成都理工大學 地球物理學院，成都 610059； 2 .中鐵二院工程集團 物探所，成都 610031； 3 .中國科學院 地質與地球物理研究所，北京 100029)

高分辨電阻率成像在鐵路勘察中的應用

王思桐1, 李 堅2, 曹禮剛1, 曹云勇2, 雷旭友2, 魏棟華2, 何蘭芳3

(1. 成都理工大學 地球物理學院，成都 610059； 2 .中鐵二院工程集團 物探所，成都 610031； 3 .中國科學院 地質與地球物理研究所，北京 100029)

介紹了兩個高密度電阻率成像技術在中國西南鐵路勘察中的應用實例。數據采集采用supersting○RR8 / IP高密度電法儀，采用5m道距，每個排列84道。依據野外裝置試驗結果，固定測量電極(MN)的施倫貝爾排列方式，隨供電電極距(AB)增大，采集的數據質量變差，因而采用不同測量偶極距的施倫貝爾排列。在XM的應用實例中，高密度電阻率成像成功探測了喀斯特地貌區的淺地表結構，查明暗河和多處溶洞，探測結果表明：暗河區發育較大范圍的低阻，巖溶主要表現為低阻圈閉特征。在DF的實例中，高密度電法主要用于探測隱伏的煤層和采空區，結果表明：煤層和軟質巖類具有明顯的低阻特征，在灰巖區有顯著的電阻率差異，但由于煤層和采空區都呈現顯著的低阻特征，因而高密度電法在探測煤層中的小采空區依然有較大的難度。試驗結果表明，即便采用0.5m的道距，依然難以圈定采空區的形態和精確位置。

高分辨電阻率成像； 勘察； 暗河； 煤采空區； 中國西南

0 引言

喀斯特地貌和煤系地層在中國西南部非常發育[1]。在四川和貴州交界處更是發育了大量的巖溶和蜂窩狀煤礦，其中的許多煤層幾十年來一直被開采，留下了大量的未知采空區，這給工程建設帶來了風險。在喀斯特地區，溶洞和地下暗河也經常困擾著工程建設，高鐵建設對近地表勘察的要求更高[2-3]。因而在巖溶發育區，近地表地球物理勘察在保證工程建設安全中起著至關重要的作用。工程物探技術對一些規模較大采空區和巖溶有一定的探測效果，但對小尺度的巖溶和采空區(如只能容納一個礦工煤層采空區)，依然是近地表地球物理中難題。

在中國西南部鐵路近地表勘察中，使用過多種地球物理方法，但是有些方法效果并不理想，難以滿足工程地質的要求。地震反射和折射在山區和碳酸鹽地區的效果受到明顯的干擾；高頻電磁法的分辨率相對較低且容易受到干擾；常規的直流電阻率測深工作效率低、周期長。高密度電法以研究地下介質體電阻率差異為地球物理基礎，與常規電阻率法相比具有明顯優勢，關于這種方法的勘探思想源于70年代末期，英國學者所設計的電測深偏置系統為高密度電阻率法的最初模式[4]。高密度電阻率法因其簡便性和有效性被廣泛使用，該方法被用來確定近地表電阻率的空間分布，在20世紀90年代，數字數據采集系統被開發出來，它利用數十個甚至幾百個電極之間的自動切換電極組，使探測技術與結果描述得到進一步提高[5-13]。

由于有較高的分辨率和施工效率，高分辨電阻率成像技術在CG高速鐵路近地表調查中，被廣泛應用于巖溶和其他地質災害調查。筆者介紹其中的2個應用實例：①高分辨電阻率成像在暗河探測中的應用；②煤田采空區和巖溶調查中的應用。高分辨電阻率成像技術在兩個實例中均取得較好的勘察效果，部分成果被后期的鉆探和工程地質證實。

1 高密度電法的基本原理

高密度電法是一種以巖、土導電性的差異為基礎，研究人工施加穩定電流場下的地下傳導電流分布規律，它集電剖面法和電測深法為一體，采用高密度布點，高密集采樣，多次覆蓋，進行二維地電斷面測量的一種電阻率法勘查技術。

利用計算機對采集的多種參數進行數據轉換、地形校正和反演成像。高密度電法具有一次完成電極布設、能有效地進行多種電極排列方式的掃描測量、實現野外采集的自動化、數據的預處理并顯示剖面形態、低成本高效率方便實用的特點[10-12]。

2 數據采集與處理

數據采集使用一套Supersting○RR8 /IP儀器，采用施倫貝爾裝置，部分采用偶極-偶極裝置。接收電極道距為5m，每排列采用4纜共84道采集，電極采用不銹鋼電極，由采集系統集中控制電流和電壓。為了選擇合適的采集裝置，進行了現場試驗(圖1)，兩種方法的測試結果大致相同，但在細節上存在差異。在淺層，施倫貝爾結果有更高的分辨率；在深層，偶極-偶極排列方式分辨率相對較高。施倫貝爾排列分辨率差的原因是使用了固定的MN間隔，而這種固定的MN間隔排列在深層的數據質量較差。因此，我們采用了改變原測量(MN)偶極距的施倫貝爾排列方式。數據處理采用基于施倫貝爾和溫納法的解釋而提出的佐迪方法進行二維反演。它的原理是通過不斷調整初始模型參數使正演曲線與實際曲線之差達到最小，由此所得的最終模型作為反演結果。本次數據處理使用軟件Earthimager2D是以平滑約束最小二乘法為基礎，通過擬牛頓最佳擬合技術為準則的最小二乘法來實現。

圖1 施倫貝爾和偶極-偶極裝置的反演結果對比Fig.1 Comparison of the inversion result from Schlumberger and dipole-dipole array in the same section(a)采用施倫貝爾裝置的測試結果；(b)采用偶極-偶極裝置的測試結果

圖2為一個已知的0.5 m廢棄煤層采空區的高密度電阻率成像結果，從圖2中可以看出，反演剖面的邊界和埋深都難以由高密度電法精確反演，但煤層采空區電阻率明顯降低。

圖2 煤礦采空區ERI剖面Fig.2 A testing ERI section over a known coal goaf

3 XM暗河應用實例

工作區位于貴州省西北部，為高原溶蝕低丘洼地地貌，丘包與洼地相間，丘包低緩，洼地平緩，丘包基巖裸露，洼地被土覆蓋。工作區范圍內覆土為第四系洪坡積黏土，坡殘積弱膨脹土。下伏基巖為三疊系中統關嶺組二段(T2g)灰巖夾泥質灰巖。依據鉆探結果，覆蓋層的厚度為2 m～3 m，基巖為弱風化、巖質較硬、斷口新鮮、巖芯完整的灰巖。探測目標為高鐵大橋通過路段的巖溶與暗河，地面調查已經發現河流的入口，但不能知道地下河道的位置。

野外采得了長510m的高密度電阻率成像剖面，共布置105道，道距為5m，探測深度約為80 m，反演電阻率剖面如圖3所示。從圖3中可以看出：在海拔1 200 m～1 210 m、200 m～300 m之間發育明顯的低阻異常區，結合地質資料，推測其中心部分為暗河(Ground river)的反映，該結果已得到后期鉆探的驗證。存在的另一個低電阻率異常在380 m～450 m位置，被推測為半填充溶洞(Half-filled cave)。

圖3 XM地下暗河的高分辨電阻率成像技術剖面圖Fig.3 High resolution resistivity imaging section in XM ground river

4 DF工作區的應用實例

DF工作區為一個歷史采空區，附近的小煤窯或煤洞已開采了幾十年，留下了大量的未知采空區。工作區屬高原溶蝕、剝蝕低丘地貌，丘間槽地、溶蝕洼地較發育，地形起伏、斜坡陡緩差異較大，緩坡地表多為旱地，無規律分布有較多的廢棄小煤窯。上覆第四系全新統坡殘積(Q4dl+el)粉質黏土，下伏基巖為二疊系上統龍潭組泥質粉砂巖、粉砂質泥巖夾炭質頁巖及煤層(P2l)。下統茅口組(P1m)灰、淺灰、灰白色，厚層、巨厚層至塊狀，含白云質斑塊灰巖，夾燧石結核灰巖、燧石灰巖。鉆井和地面調查表明，近地表基巖包括煤、泥巖、泥質粉砂巖、風化的石灰巖、侵蝕的灰巖到新鮮的灰石化。為了調查含煤地層、采空區和松軟巖層，沿線路方向部署了三條高密度電法剖面，垂直線路方向部署了7條斷面，共包含2 016個測點。

圖4為DF工作區典型剖面的高密度電阻率成像結果。圖4(a)表示這部分地層的地電結構總體上是從低-高-低-高、低-高、到高-低-高變化，鉆井揭示的第一層為泥質粉砂巖，底部為新鮮的灰巖，具有高阻薄層特點，這種高阻薄層使用其他地球物理方法(如電磁法)很難發現，因為直流電方法對高電阻率層較敏感，有較好的探測效果。第二層低阻層也是泥質粉砂巖，鉆井沒有鉆到深部電阻率相對較高的地層，推測為灰巖。值得關注的是，由于其電阻率低于完整的灰巖，該層的灰巖可能不完整。根據實測和鉆探結果，煤層也具有低電阻率的特征，與泥質粉砂巖差別不大。鉆探發現，這里的泥質粉砂巖黑而軟，與煤層有相似的特征，這可以解釋它們電阻率的相似性。在基巖的分類上，泥質粉砂巖和煤層一起被歸為軟巖層。圖4(b)顯示了含煤地層和其他巖石的分類，很明顯，右邊部分的基巖有高電阻率特征，極少發育低電阻率異常，基于這一特征，將其歸類為碳酸鹽巖，有新鮮或輕微風化。左邊基巖具有低電阻率特征，部分發育高阻，低電阻率部分被解釋為隱伏的煤巖，最低的部分被認為是潛在的采空區。

利用高分辨電阻率成像技術探測煤層采空區仍然是困難的，究其原因在于煤層與采空區之間電阻率差異很小。并且，在中國西南部，煤層和采空區總是充滿了水，使圍巖的電阻率顯著降低，這是在DF工作區采空區顯示低電阻率的原因。

5 結論

由于高密度電阻率法具有較高的分辨率和施工效率，以高分辨電阻率成像為主要特征的高密度電阻率法被廣泛應用于近地表地球物理勘察，在喀斯特巖溶發育區和其他地質災害調查中都有較好的效果。兩個應用實例表明，高分辨電阻率成像對于巖溶探測具有顯著的效果，在煤層和軟質巖探測中也有較好的效果。已知采空區和DF工作區的結果都表明，由于煤層和采空區之間的物性差異較小，采用高密度電阻率成像技術精確圈定采空區的形態和位置，在現階段還有較大的難度。

圖4 DF區電阻率成像結果Fig.4 The ERI inversion result in DF working area(a)鉆井與巖層電阻率成像對比圖；(b)含煤巖層成像圖

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Application of high resolution resistivity imaging for railway near-surface investigation

WANG Sitong1, LI Jian2, CAO Ligang1, CAO Yunyong2, LEI Xuyou2, WEI Donghua2,HE Lanfang3

(1. Chengdu University of Technology,Chengdu 610059, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group,Chengdu 610031,China; 3. Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

Two case histories of mapping the near surface for railway route investigation in SW China using high resolution resistivity imaging (ERI) are presented in the paper. A set of SuperSting○RR8/IP was used for data acquisition. Four cables with 84 passive stainless steel electrodes spaced 5 m apart were used. Based on the testing result, schlumberger with varied MN was used in data acquisition. The Schlumberger array with fixed MN as one trace space has poor data quality in while AB is move far from MN stakes. Case history in XM indicates that ERI could be successfully used for mapping the near surface in karst area, the underground river is characterized by lower risistivity, most karst caves features as low resistivity traps. Case history in DF indicate that ERI could be successfully used for mapping the coal bearing rocks and soft rocks, but it is hard to use ERI to shape and locate the coal goafs, even using the trace space as little as 0.5 m.

high resolution resistivity imaging; route investigation; ground river; coal goaf; SW China

2017-02-27 改回日期：2017-03-27

王思桐(1995-)，男，本科，主要從事勘查技術與工程，E-mail：1324921461@qq.com。

曹禮剛(1976-)，男，博士，從事地球探測與信息技術研究， E-mail:1296933@qq.com。

1001-1749(2017)02-0219-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.02.10