高密度電法在巖溶地區勘察中的應用

梁源珠, 葉 臻, 李 楊, 劉 坤

(安徽省地質調查院,安徽 合肥 230001)

灰巖是一種較為特殊的巖石,為可溶性碳酸鹽巖。在灰巖分布的地區,通常發育有溶溝、溶槽等溶蝕帶及溶洞等。灰巖巖溶、土洞發育的地段,地下水條件發生變化時易發生地面塌陷等地質災害[1]。

高密度電法在數據采集過程中結合了電阻率剖面和電阻率測深2種方法的觀測過程,采集數據量大,觀測精度高,對電性不均勻體有良好的探測效果[2]。利用該方法能夠獲得擬建場地巖溶發育情況、隱伏構造、構造破碎帶、巖溶、土洞等不良地質現象的分布和發育程度等,為設計、施工提供物探依據[3]。

某變電站備選場地位于安徽宣城地區,區內主要分布三疊紀南陵湖組地層,該地層以灰色薄層灰巖、泥質灰巖為主。根據以往的地質、工勘資料,巖溶較發育。為了探測場地內巖溶的空間分布特征,給鉆孔及后期施工提供有效的地球物理信息,因此對場地開展高密度電法測量。

1 高密度電法的原理

高密度電法又稱高密度電阻率法,是以地殼中巖石的電阻率差異為物性前提條件,通過觀測和研究人工電場的變化和分布規律,進而解決地質問題的一種勘探方法[4]。

和常規電法一樣,高密度電法通過A、B電極向地下供電(電流為I),然后測量M、N極電位差ΔU,從而求得該記錄點的視電阻率值ρs=K×ΔU/I。根據實測的視電阻率剖面進行計算、處理、分析,便可獲得地層中的電阻率分布情況,從而解決相應的工程地質問題。

工程勘察中最常用的高密度電法裝置是溫納裝置(圖1)。測量時,AM=MN=NB=AB/3為一個電極間距,探測深度為 AB/3,A、B、M、N逐點同時向右移動,得到第一層剖面線;接著 AM、MN、NB增大一個電極間距,A、B、M、N逐點同時向右移動,得到另一層剖面數據;如此不斷掃描測量下去,得到倒梯形斷面[5]。

圖1 高密度電法工作系統示意圖Fig.1 Sketch map of work system about high density electrical method

2 場地概況

2.1 工程地質概況

備選場地地表為第四紀所覆蓋,主要是褐黃、棕黃色粉質粘土、粘土,局部地段見灰黃色含礫砂。

基巖層為三疊紀南陵湖組地層,分為上下兩部。下部:灰、淺灰色薄—中薄層純灰巖,偏下夾數層綠色、紫色微層鈣質泥巖及泥灰巖,厚110 m左右。上部:灰、紅灰色中薄—薄層似條帶狀灰巖、灰巖,偏上夾含泥質灰巖及鈣質泥巖。似條帶狀灰巖由含泥質灰巖與灰巖呈韻律互層組成,每一韻律厚10～30 cm,風化后前者凹下,后者凸出,形成肋條狀條帶,厚120 m左右[6]。

圖2 LS1線視電阻率反演地電斷面Fig.2 LS1 line apparent resistivity inversion geoelectric profile

圖3 LS2線視電阻率反演地電斷面Fig.3 LS2 line apparent resistivity inversion geoelectric profile

2.2 地球物理特征

灰巖電阻率比較高,在2 000～8 000 Ω·m之間,但是隨著巖石節理裂隙發育程度、破碎程度、巖溶發育程度的增強,填充物含量的增加,電阻率呈急劇下降趨勢,最低可降至100 Ω·m以下,使得巖溶局部發育的地方與基巖本身存在較大的電性差異;此外第四紀松散覆蓋層和下伏基巖的不同風化程度,也造成了地下介質存在明顯的電阻率差異。這些差異,為利用高密度電法進行巖溶勘察提供了必要的物性前提。區內主要的地層、巖性的電阻率范圍見表1。

表1 地層、巖性電阻率統計表Table 1 Stratigraphic and lithologic resistivity statistics

3 野外工作方法與技術

本次高密度電法使用的是DUK-2A高密度電法測量系統。該儀器操作便捷,觀測精度高,采集數據可靠,獲取信息豐富。

考慮到場地內的地層走向以北西向為主,根據垂直于探測目標的原則及場地的客觀條件,布設了4條北北東向的平行測線,線間距5 m,方位角均為17°,點距2 m,排列長度均為224 m,測線號LS1-LS4。

施工時一次性布設所有電極,經試驗選用溫納裝置進行觀測,其基本觀測參數為:有效電極數113,最小隔離系數 1,最大隔離系數30,收斂系數1。設置好之后,儀器便可測量和存儲。

4 數據處理

高密度電法的數據處理主要分為數據預處理和數據反演兩個過程。數據預處理就是將原始數據導入電腦,然后對原始數據進行數據編輯和合成,剔除異常點等;剔除異常點主要是根據電場的平穩過渡原則來進行,對一些造成電場突變的數據點進行剔除。數據預處理后就要進行地形改正、二維反演,導入地形文件后軟件即可自動地形改正;而反演參數設定較為復雜,需要根據經驗和以往的地質鉆孔資料進行多次修改,反復對比試驗,最終才確定合理的反演參數,之后便可進行自動反演。本次數據處理工作使用高密度電法專業軟件Geogiga RImager 5.0完成。

5 工作成果解譯推斷

根據反演結果,以電性差異為基礎,結合已知的基礎地質資料,對每個地電斷面進行電性分層及劃分低阻異常區。圖2-圖5是高密度電法探測剖面視電阻率反演斷面圖,圖6為高密度電法剖面成果立體圖。

由圖2-圖5可以看出,各測線斷面形態基本一致,視電阻率分層很明顯,地層起伏變化小。高、低阻體分布邊界清晰,電阻率由上到下分布規律為“高—低—高”。斷面劃分為3層:表層為高阻層,電阻率70～400 Ω·m,厚度較薄,在1～5 m之間,為耕植土、第四紀粘土層,其高阻值與地表干燥有關;中層為低阻層,電阻率<50 Ω·m,厚度較厚,在10～30 m之間,為基巖風化層,以南陵湖組灰巖為主,是主要巖溶發育層位,各剖面在場地范圍內(均為60～180 m區間)均劃分出2～4個低阻異常區,推斷低阻異常區為溶蝕裂隙或溶洞;底層為相對高阻層,電阻率50～300 Ω·m,是以灰巖為主的基巖層,該層位存在一個低阻異常,電阻率50～80 Ω·m,可能是深部基巖局部風化較嚴重引起的。

圖4 LS3線視電阻率反演地電斷面Fig.4 LS3 line apparent resistivity inversion geoelectric profile

圖5 LS4線視電阻率反演地電斷面Fig.5 LS4 line apparent resistivity inversion geoelectric profile

圖6 高密度電法剖面推斷成果立體圖Fig.6 Stereogram of high density electrical profiling inference results

本次測量區域較小,所布設的平行測線間距小,不僅可以得到縱向上的電阻率信息,還可以將測線進行聯合分析,得到“橫向”上的電阻率信息,達到三維立體的探測效果。4條測線的低阻異常并不是獨立存在的,當異常范圍較大時,與之相鄰的測線的相對位置存在異常。通過聯合解譯共劃分出淺部4個、深部1個共5個異常區(圖6)。

根據異常位置,設計了4個鉆孔。鉆孔ZK-1位于LS3線上,以驗證Ⅰ異常;ZK-2、ZK-3均位于LS2線上,ZK-2驗證Ⅱ異常,ZK-3同時驗證Ⅲ、Ⅴ淺深二處異常;ZK-4位于LS1,驗證Ⅳ異常。鉆孔結果表明,高密度電法反演推斷的地質分層、厚度與實際情況基本吻合;鉆孔并未發現大型危害性溶洞,與低阻異常區相對應的主要為溶蝕裂隙和小型含水孔洞。對于這些小型的裂隙和孔洞,工程施工前采取相應的處理措施即可消除隱患。

6 結論

通過以往及本次高密度電法的勘察工作,筆者可以得出以下結論。

(1) 高密度電法是一種快速、高效、經濟的巖溶勘察手段,其測量成果具有直觀、分辨率高的特點。根據其探測成果,給后期的鉆孔及工程建設提供物探依據和指導意義,以達到排除和規避巖溶災害隱患的效果。

(2) 高密度電法資料解釋受解釋人員主觀及經驗的影響,其異常形態不能和具體某種巖溶空間形態完全等同,因此需要根據后期鉆孔結果不斷調整認識,以指導未鉆區域的布鉆工作。

(3) 通常高密度電法剖面工作只能獲悉剖面下部二維的電阻率分布情況,通過將多條剖面進行分析對比,既相互驗證,又能得到立體的電阻率分布情況,其效果更直觀和真實,進而可以擇優布置鉆孔,以最小的成本求取最有效的勘察效果。

參考文獻：

[1] 劉曉東,張虎生,黃笑春,等.高密度電法在宜春市巖溶地質調查中的應用[J].中國地質災害與防治學報,2002,13(1)：72-75.

[2] 葛如冰,黃偉義,張玉明.高密度電阻率法在灰巖地區的應用研究[J].物探與化探,1999,23(1):28-32.

[3] 李樹瓊,蔣叢林,馬志斌.高密度電法在巖溶地區勘查中的應用[J].礦物學報,2013,33(4):540-544.

[4] 李金銘.地電場與電法勘探[M].第2版.北京:地質出版社,2009:197-210.

[5] 藍星,張煒,王堃鵬,等.淺層地震和高密度電法在漢旺地區勘查中的應用[J].工程地球物理學報,2012，9(6)：654-658.

[6] 安徽省地質調查院.宣城柳橋110 kV變電站工程地質災害危險性評估報告[R].合肥:安徽省地質調查院,2014.