肖秀明

（核工業二九○研究所，韶關 512026）

1 高密度電法的原理及特征綜述

高密度電法是一種成熟而先進的直流電法勘探方法和技術，它主要是通過比較巖溶與圍巖在電性上的差異性表現，人為建構地下穩定直流電場，在預先布設的多密度的電法之中，依照排列的順序，對特殊地質結構進行掃描探測，從而實現對巖溶地質結構的勘探，更好地了解巖溶地質結構的縱橫向生長發育狀態，并對特殊地質結構區域范圍內的大量空間電阻率變化，進行細致而全面的分析，在較小的區域范圍內實現對隱蔽性、隨機性存在的巖溶的全面而準確的詳查。這是常規鉆探方法和技術所無法比擬的，它具有測點密度高、成本低廉、信息充足、對勘探對象沒有損傷的應用優勢特點，并且廣泛應用于水文地質、特殊地質構造、考古研究、巖溶洞穴的勘探。

1.1 高密度電法的工作原理

高密度電法的本質也即陣列勘探方法，它主要是以水文條件、地質環境、工程建設的實際狀況為基礎，采用的一種電阻率法，它在勘探數據采集的過程中，運用了電阻率剖面觀測系統和電阻率測深觀測系統，可以獲得極為豐富的地質工程結構相關數據信息，尤其是在電性不均勻體的勘探過程中，具有觀測精度高的優點，可以較好地反映出特殊巖溶地質結構的分布狀態。

高密度電法是在二維空間的范圍內，實現對地下穩定電流場的分布的勘探和研究，工作人員在野外量測的勘探實踐過程中，需要一次性地布設若干個電極，并借助于程控式多路電極轉換器，使這些若干個電極具有不同的極距間隔，實現不同方法的電極組合，快速實現野外勘探數據的采集。高密度電法采用滾動式的掃描量測方式，可以快速地獲取大量的地下穩定電流場的信息數據，也可以極大地提升對不同電性的差異分辨能力，避免人工測量所產生的誤差。在與計算機智能化技術相鏈接的過程中，還可以智能化地分析和處理相關數據，獲得地電斷面的分布解釋結果。這種電阻率層析成像的技術運用，極大地提升了高密度電法的應用效果。它的工作原理包涵以下三個內容：（1）垂直方向直流電的勘探原理。這主要是對特定地域范圍內的巖層的電阻率加以勘探，并隨著巖層的深度而變化。它是以地面的測點為中心，呈輻射狀地實現勘探和測量，隨著電阻率極距的變化，劃分出差異化的電性層，由此可以獲得特定地域巖層的垂直方向的分布狀態、埋深情況以及厚度等信息數據。（2）電測剖面原理。這主要是在供電和測量電極之間，形成一定的間距，基于一定的勘探深度，進行沿著測線方向的逐點勘探和觀測，由此獲取電阻率曲線，反映出不同電性地層的變化狀態。由此可見，電阻率剖面法主要是針對一定深度范圍內的水平方向的電阻率勘探方法。（3）電阻率層析成像原理。這主要是通過對地層多維度的投影數據的采集，依據地下介質的不均一性特征和規律性，反映出地層結構內部的物性值分布狀態。如：二維電阻率成像測量技術的應用，就可以快速精準地獲得地下介質結構的狀態。

由上可知，高密度電法是在上述原理的前提下，運用高密度電法測量軟件，控制同一條多芯電纜上的電極，生成不同深度的、多個垂直方向的勘探剖面，在對電極的排列組合之下，實現電極的自動布點、跑極、供電、勘探、計算、存儲等，在借助于數據傳輸軟件，建構二維或三維的介質電阻率分布圖像，極大地提升勘探的適用性、可靠性和精準度。

由下圖所示，如果將地面的A點和B點作為供電測點，向地下輸入電流強度為I的電流，形成地下穩定電場E，在A點和B點的中點O之中，處于A1B1的三分之一長度的范圍之內，都呈現出均勻電場狀態，在這個區域范圍內布設勘探電極M、N，可以勘探得知電位差ΔU，同時，考慮到不同勘探裝置設備的系數不盡相同，還必須考慮不同勘探裝置設備的裝置系數k，這樣，就可以通過下述公式，獲得電阻率的計算值：

ρ=k×

高密度電法勘探系統的地質結構數據采集和處理，如圖1所示。

圖1 高密度電法勘探原理圖

工作人員在野外現場實現工程勘探和測量工作中，要將若干數量的電極，全部布設于測點之中，同時，這些若干個測點是保持一定的間隔的，具有比常規電阻率勘探法更大的密度，通常來說，這些測點的間距要保持在1～10m的范圍之內。要通過程控式多路電極與多芯電纜的連接方式，實現電極裝置形式、電極間距、測點之間的自動轉換，通過對不同裝置的電極的距離增大，逐點向右移動，可以掃描獲得不同的剖面，最終形成一個倒梯形的剖面圖形。如圖2所示：

圖2 高密度數據采集

1.2 特征辨析

由于不同區域的巖層具有獨自的物理特性，這就可以成為地質結構勘探的依據。巖溶工程結構是一種極其典型的不良地質結構現象，是工程建設中極為危險的安全隱患。因而，要對巖溶地質結構的特征進行準確的辨析和識別，要基于巖溶地質結構與周邊圍巖的電性的不一致性，進行特征區分和辨識，具體表現為：如果巖溶地質結構含水，則會呈現出與周邊圍巖的電阻異常的低電阻狀態。如果巖溶地質結構不含水，則會呈現出與周邊圍巖的電阻異常的高電阻狀態。由此可見，通過對巖性特征的差異性比較和分析，可以獲知巖溶地質結構中極其顯著的電性差異數據信息，從而成為高密度電法應用的前提和依據。

2 高密度電法在工程巖溶結構中勘探應用實例

2.1 橋基勘探

（1）勘察任務。在工程建設的橋基勘探過程中，需要全面而準確地探查大橋周邊的地下地質環境狀況，勘探周邊的房屋建筑物分布區域是是否與地質施工條件的安全相契合，不至于發生沖突。同時，還要對地下溶洞的分布狀態進行準確的把握。

（2）施工現場的地質概況及物理特性。在施工作業區域內，地形地勢大多是平地或小丘陵，錯落分布一些農田和居民的住房，地層的深度相對較淺，大約為11米的深度，并且主要是礫石所組成的土層，電阻率為201～1001Ω·M，依照由南到北的順序分布有碎石土泥質砂巖、含鈣質的泥巖、泥巖、泥灰巖等，這些不同的土層結構有不同的物理特性，具體表現為：砂巖的電阻率為10～200Ω·M；泥巖的電阻率為60～1000Ω·M；灰巖的電阻率為300～3000Ω·M；巖溶充填含水時的砂巖電阻率為15～30Ω·M；巖溶的充填物為礫石土質的電阻率為1000～9000Ω·M。由此可見，巖溶結構的電阻率與周邊圍巖的電阻率存在極大的差異性，這也成為了高密度電法勘探工程應用的依據和參考。

（3）準備。在采用高密度電法實施對工程巖溶結構的勘探應用過程中，需要布設好相關的儀器設備，可以采用多功能數字直流激電儀、多路電極轉換器等設備。同時，還要合理地布設測線的準確位置，要沿著橋墩的縱線進行測線的布設，準備兩條長度為1050m長、內設60根電極并保持5m的極距的長剖面。沿著橋墩的橫向跨越布設十條300m長、內設60根電極并保持5m的極距的短剖面。

（4）勘探結果及分析。通過對典型數據的采集，可以看到高密度電法勘探所具備的質量要求，剖面曲線平整、無壞點，具有較高的數據采集質量和效果。通過高密度電法的勘探應用，可知在區域內存在10m左右的礫土層，并且還有幾處填充含水砂巖的溶洞，并準確地圈定工程巖溶結構的位置及埋深狀況等。

圖3 高密度電法視電阻率剖面

隨后經由實地打鉆探知，該區域地段的確有三個深度為10m、直徑為10m的溶洞，與高密度電法的物探結果相一致。

3 結束語

高密度電法是一種適用于針對工程巖溶結構的問題，而采用的勘探應用方法，它是一種間接性測量的物探手段，可以對重點、關鍵的區域進行深入的勘探和測量，能夠較好地彌補和修正物探資料和數據，然而，高密度電法也具有自身的局限性，它會受到勘探區域的局限，對于較小體積的溶洞或者測點布設沒有覆蓋的區域之內的溶洞，不可避免地會存在遺漏，隨著高密度新技術、新方法的開發，必將會有重大進展和良好的應用前景。

[1] 李東林，顏際春，韓金良，劉景儒.高密度電法在公路工程勘察中的應用[J].中外公路，2010（01）.