高密度電阻率法在地下水探測及采空區勘查中的應用實踐

張吉濤

(山東省第四地質礦產勘查院)

高密度電阻率法是一種以地下巖土介質的電性差異為基礎，通過觀測人工構建的地下穩定電流場的分布規律以解決地下地質問題的地球物理勘探方法[1-4]。與常規電阻率法相比，該方法具有點距小、數據采集密度大、成本低、效率高、信息豐富、解譯方便等優點[5-8]，近年來，該方法在工程勘查領域得到了廣泛應用，取得了顯著的經濟和社會效益[9-14]。本研究通過詳細梳理該方法的技術原理、特點、裝置形式及數據處理方法，并結合工程實例，進一步探討該方法在地下水探測、采空區勘查中的應用。

1 高密度電阻率法概述

1.1 技術原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，實際上是一種集電阻率剖面法和電阻率測深法于一體的多裝置、多極距組合方法，其原理與普通電阻率法一致，區別在于觀測中設置了高密度的觀測點。該方法是一類以巖土體導電性差異為基礎的電法勘查方法，當人工向地下施加直流電流時，在地表利用儀器觀測其電場分布，將所測電流和電壓值換算為電阻率值。但由于受到地形起伏和地下介質不均勻性等因素的影響，測量所得的電阻率值并非巖石的電阻率真值，而為視電阻率值。通過進一步研究視電阻率值的差異和變化規律，有助于發現和勘查地下目標體，從而達到解決工程地質問題的目的。

1.2 特 點

采用高密度電阻率法進行野外測量時可將全部電極置于觀測剖面的各測點上，利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀便可實現不同極距、不同電極排列方式的數據快速自動采集。與常規電阻率法相比，該方法的特點為：①電極布設一次性完成，減少了因電極設置而引起的故障和干擾，大大提高了工作效率；②可進行多種電極排列方式測量，獲取的數據量大、信息豐富，能夠獲得較豐富的有關地電斷面的地質信息；③野外數據采集實現了自動化或半自動化，不僅采集速度快，而且減輕了勞動強度；④觀測精度和分辨率顯著提高，探測深度更加靈活；⑤可以對探測數據進行現場實時處理并顯示剖面曲線形態，數據解譯更為方便。

1.3 裝置形式

高密度電阻率法的裝置形式由最初的α、β、γ3種方式發展至目前的十余種[6,15]，主要包括二極裝置(Pole-Pole)、單邊三極裝置(Pole-Dpole，Dpole-pole)、溫納裝置(Wenner)、偶極裝置(Dpole-Dpole)和斯隆貝格裝置(Schlumberger)等。該類裝置具有各自的優缺點及相應的應用條件，因此在實際工作中應根據實際情況進行合理選擇。根據相關實踐經驗，四極裝置為公認的最穩妥的裝置，比較常用的有溫納裝置和斯隆貝格裝置。

溫納裝置方式(Wenner)又稱為對稱四極裝置方式，電極排列方式為A、M、N、B等間距排列(A、B為供電電極，M、N為測量電極)，裝置系數K=2πna(a為電極間距，n為隔離系數)，AM=MN=NB=na，隨著隔離系數按照由小到大的順序等間隔增大，4個電極之間的間距也被均勻拉開。該測量方式屬剖面測量方式，所得斷面呈倒梯形[16](圖1)。

圖1 溫納裝置跑極示意

斯隆貝格裝置方式(Schlumberger)屬測深測量方式，裝置系數K=πn(n+1)a(a為電極間距，n為隔離系數)，MN=a，AM=NB=na。測量時，測量電極M、N保持不動，供電電極A、B同時逐點分別向左、向右移動，得到1條滾動掃描測量線，而后A、M、N、B同時向右移動1個電極，再按照同樣方式跑極，得到另1條滾動掃描測量線。按照該測量方式，可得到如圖2所示的矩形斷面。

圖2 斯隆貝格裝置跑極示意

1.4 數據處理方法

高密度電法儀器可以實現野外數據自動采集并存入主機，主機可通過通訊軟件將原始數據傳輸至計算機。野外數據采集過程中難免存在各類干擾，為獲取真實的探測信息，一般需對采集的原始數據進行預處理，常用方法為剔除突變點、數據平滑、地形校正和數據拼接等[17-19]。剔除突變點是將與相鄰測點的電阻率值有數十倍差異的測點數據進行剔除，而后進行插值，以壓制虛假異常。數據平滑是為了消除測量過程中的隨機干擾，可采用滑動平均等方法進行處理。地形校正是為了消除因地形起伏而形成的假異常。數據拼接主要是對長剖面的分段測量數據進行合并處理，形成1條完整剖面，便于對數據進行整體解譯。經過預處理后的數據可利用Sufer軟件繪制出視電阻率等值線擬斷面圖。當生成的斷面圖分辨率不高、解譯較困難時，還可利用相應的軟件進行反演計算成圖，便于對探測目標進行定性或半定量解譯。

2 實例分析

2.1 地下水探測

2.1.1 工程概況

山東省濰坊市經濟發展迅速，工農業生產中對水的需求量越來越大。自2013年8月開始，濰坊市經歷了一段有水文記載以來最嚴重的持續干旱時期。為應對突發飲用水供水危機，濰坊市政府決定開展應急供水水源地勘查評價工作。由水文地質調查資料知，勘查區內主要富水地段的地下水類型為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水位于第四系覆蓋區，主要含水層位為古河道沉積形成的砂層，與周圍黏性土壤相比，砂層孔隙度大，導電性差，視電阻率值明顯高于周圍黏土的視電阻率值。基巖裂隙水主要賦存于玄武巖和砂巖的風化裂隙中，裂隙巖層通常由部分裂隙在巖層中局部范圍內連通構成帶狀或脈狀裂隙含水系統，其視電阻率值較圍巖明顯下降。因此，利用高密度電阻率法尋找地下水具備地球物理前提。

2.1.2 野外數據采集與處理

本研究地下水探測工作采用吉林大學工程技術研究所生產的E60M型高密度電法儀，鑒于野外工作場地開闊且地形較平坦，故優先考慮四極裝置形式，以便獲得最大的測量電位，從而有效壓制干擾，增強有效信號。但經現場試驗，溫納裝置信噪比最高，具有較好的垂向分辨率，對于解決垂向變化(例如水平層狀結構)問題比較有利，因此本研究最終采用溫納裝置方式進行測量。本研究所用的高密度電法儀中，電纜上的電極間距呈10 m均勻分布，經現場試驗能夠滿足野外工作需要。輸入電壓取12 V，供電脈沖寬度設置為2 s。為保證野外數據采集精度，每天工作前需對儀器、電瓶進行充分充電。在正式測量前，應對每個電極開關和電極接地電阻進行檢測，當接地電阻過大時，應采取措施(如加水或有機活性物質等)改善電極的接地條件，確保探測資料準確可靠。

將野外采集的數據傳輸至計算機后，需對數據進行預處理和反演處理。數據預處理包括剔除異常點、濾波去噪等，為反演處理提供穩定數據體。采用瑞典RES2DINV電法反演軟件進行反演處理，網格采用“有限元”方法，最優化阻尼系數，利用線性搜索的最小二乘反演方法，確保反演結果的穩定性，迭代次數為2～5次，設置均方根誤差門限值為2.5%。處理后的數據可采用Surfer軟件繪制出視電阻率斷面圖。

2.1.3 數據解譯與驗證

圖線剖面高密度電法綜合斷面

分析圖3可知：視電阻率斷面總體呈水平層狀展布，橫向連續性較好，縱向上視電阻率變化較大，表現為高低阻相間特征。淺部(標高小于10 m)視電阻率值整體較小，一般為10～20 Ω·m，推斷為表層粉土的電性反映；淺部視電阻率值沿縱向延深不均勻，剖面兩端向下延深較深，中部向下延深較淺，反映了粉土厚度的不均勻性。中部(標高為10～35 m)視電阻率值為20～40 Ω·m，整體呈高阻特征，推斷由砂層引起，因砂層孔隙度較大，致使其導電性較差，視電阻率值相對較大，該層為主要的富水層位。深部(標高大于35 m)視電阻率值隨著深度增加逐漸變小，其值小于20 Ω·m，呈低阻特征，推斷為粉質黏土的電性反映。

為驗證高密度電法探測成果的可靠性，本研究在該剖面附近布置了2個水文地質鉆孔。鉆探揭露結果為：標高0～10.4 m區段為粉土；標高10.4～32 m區段為砂層與粉質黏土互層，其中，10.4～14.4 m 區段為粉砂層，25.6～27.2 m區段為礫砂層，30.4～32 m區段為粗砂層，該3層砂層為主要的含水層，粉質黏土中含少量砂質，為弱含水層；標高32～82 m區段為粉質黏土，僅在標高53，69 m附近存在的薄層粗砂中含水。由此可見，鉆孔資料與高密度電法解譯成果基本吻合，后經抽水試驗，單井涌水量均在24.5 m3/h左右。

2.2 采空區勘查

2.2.1 工程概況

山東省乳山市金碃嶺金礦開采歷史悠久，目前礦區已由早先的城郊農村擴充至城市規劃核心區，礦山閉坑后遺留的采空區已成為較大的災害源，影響了城市發展。該區采礦形成的采空區可大致分為2個不同時期：一是早期民采形成的采空區；二是20世紀70年代開采硫鐵礦時形成的采空區；三是20世紀90年代開采金礦時形成的采空區。民采和硫鐵礦開采期間的開采深度較淺，一般不超過30 m，但開采隨意性大，采空區分布無規律，地表采坑和塌陷的采空區已被回填，僅局部遺留有采空區。金礦開采期間采用地下巷道方式，有正規的巷道開拓圖，巷道深度為地表以下30～70 m，該時期的巷道及采空區勘查以巷道及采空區水平投影圖為基礎，輔以物探勘查和鉆探驗證。

勘查區內的地層主要為新生界第四系臨沂組，巖性為灰黃色黏土質粉砂、含礫中細砂。巖漿巖大面積分布，巖性主要為中生代燕山早期垛崮山序列大孤山單元斑狀中細粒含黑云花崗閃長巖，此外，還發育有燕山晚期花崗斑巖脈和煌斑巖脈。區內斷裂構造發育，有4條大致平行分布的斷裂構造蝕變帶，走向2°～10°，傾向NW，傾角80°～85°，斷裂帶沿走向呈舒緩波狀延伸，局部膨大、分枝復合現象明顯。理論上講，當礦體被采空后形成一定的充氣空間，破壞了巖體的完整性和連續性，造成采空區與圍巖有顯著的電性差異，表現出明顯的高阻特征。當經過一段時間后，采空區上覆巖石在重力作用下會發生坍塌變形，致使巖石破碎并出現裂縫，地下水會沿著破碎巖石和裂縫向采空區匯集，采空區充水后，其電阻率會呈低阻反映。該類特性成為應用高密度電阻率法探測地下采空區良好的地球物理前提。

2.2.2 野外數據采集與處理

仍采用E60M型高密度電法儀進行野外數據采集，經現場試驗，以斯隆貝格裝置方式進行測量，點距5 m，個別剖面又選擇2，3 m點距進行了驗證測量，輸入供電電壓為12 V，供電脈沖寬度為2 s，控制深度40～80 m不等。將采集的數據進行預處理后，采用瑞典高密度電法處理軟件RES2DINV進行反演計算并成圖。

2.2.3 數據解譯與驗證

圖線視電阻率等值線斷面

3 結 語

高密度電阻率法以地下介質的電性差異為基礎，具有自動化程度高、工作效率高、信息豐富、解譯方便等特點。結合工程實例，通過數據解譯并輔以鉆探驗證的方式，詳細討論了該方法在地下水探測、采空區勘查等方面的適用性，對于類似工程有一定的借鑒價值。

圖5 ZK27鉆孔巖芯

[1] 劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質出版社，2005.

[2] 劉 斌，張光保.高密度電法在隧道涌水通道勘查中的應用[J].工程地球物理學報，2012，9(6)：750-754.

[3] 馬法成.某鐵礦山隱伏采空區精準探測方法[J].金屬礦山，2016(5)：196-199.

[4] 顏秉超.某礦山采空區探測的高密度電阻率法層析成像技術[J].現代礦業，2017(8)：250-252.

[5] 鄧文超，周孝宇.高密度電法的原理及工程應用[J].西部探礦工程，2006(S)：278-279.

[6] 董浩斌，王傳雷.高密度電法的發展與應用[J].地學前緣，2003，10(1)：171-176.

[7] 呂惠進，劉少華，劉伯根.高密度電阻率法在地面塌陷調查中的應用[J].地球物理學進展，2005，20(2)：381-386.

[8] 張先林，許 強，彭大雷，等.高密度電法在黑方臺地下水探測中的應用[J].地球物理學進展，2017，32(4)：1862-1867.

[9] 朱紫祥，胡俊杰.高密度電法在巖溶地區溶洞勘查中的應用[J].工程地球物理學報，2017，14(3)：290-293.

[10] 李洪嘉，閆紹波，張 超.綜合物探技術在煤礦采空區探測中的應用研究[J].工程地球物理學報，2014，11(5)：714-720.

[11] 王士鵬.高密度電法在水文地質和工程地質中的應用[J].水文地質工程地質，2000(1)：52-56.

[12] 劉曉東，張虎生，朱偉忠.高密度電法在工程物探中的應用[J].工程勘察，2001(4)：64-66.

[13] 劉宏岳.直流高密度電法在淺海工程勘察中的應用[J].物探與化探，2013，37(4)：756-760.

[14] 蘇兆鋒，陳昌彥，肖 敏，等.精細高密度電阻率法在白云巖礦采空區中的應用[J].物探與化探，2012(S)：45-47.

[15] 趙光輝.高密度電法勘探技術及其應用[J].礦產與地質，2006，20(2)：166-168.

[16] 馬志飛，劉鴻福，葉 章，等.高密度電法不同跑極方式的對比及效果分析[J].工程地質計算機應用，2008(3)：11-15.

[17] 嚴加永，孟貴祥，呂慶田，等.高密度電法的進展與展望[J].物探與化探，2012，36(4)：576-584.

[18] 李銀真.高密度電阻率法物探技術及其應用研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2007.

[19] 李學敏，方玉滿，李 爭，等.高密度電阻率法在滑坡體勘探中的應用[J].現代礦業，2012(11)：37-38.