高密度電阻率法和瞬變電磁電阻率法在工程場地中的應用特點

肖寧 康健 趙斌

摘 要：文章利用高密度電阻率法和瞬變電磁法，通過工程實例展示了兩種物探方法的特點。通過兩種方法在同一場地進行的對比，顯示了兩種方法的優缺點。文章對高密度電法與瞬變電磁法在不同場地的應用效果及相同場地資料的對比，并作了初步分析，對這兩種方法的異同性及在工程中的應用進行了初步探討。

關鍵詞：高密度電阻率法；瞬變電磁電阻率法；共性與異性

中圖分類號：P631.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0026-03

Abstract： Using high-density resistivity method and transient electromagnetic method， the characteristics of the two geophysical prospecting methods are demonstrated by engineering examples. The comparison of the two methods in the same site shows the advantages and disadvantages of the two methods. In this paper， the application effect of high-density electrical method and transient electromagnetic method in different sites and the comparison of the data of the same site are compared， and the similarities and differences of the two methods and their application in engineering are preliminarily discussed.

Keywords： high-density resistivity method； transient electromagnetic resistivity method； commonness and anisotropy

引言

近年來，電磁法及電法儀器設備和軟件進展迅速，新一代儀器設備集多功能、低功耗、分辨率高、頻帶寬等優點被廣泛應用。電磁法和電法的應用領域已涵蓋地下探測的各個方面。電磁法和電法雖然種類繁多，但發展最快、應用最普遍的應屬大地電磁法、瞬變電磁法和高密度電法[1]。本文重點研究高密度電法和瞬變電磁法的異同。

1 高密度電阻率法

工作原理與常規電法原理相同，即以巖土體導電性差異為基礎，研究在施加電場作用下，地中傳導電流分布規律。高密度電阻率法是電剖面與電測深的結合。現我們已采用三極測深裝置結合覆蓋電纜技術實現野外連續滾動式探測，數據密度是原來剖面裝置的2.07倍，數據斷面為矩形[2]。野外測量時，只需將全部電極置于測點上，通過測量裝置系統和主機便可實現數據的快速自動采集。儀器使用WGMD-2型高密度勘探系統。該系統支持α排列、β排列、γ排列等多種測量裝置[3]。

高密度電阻率法在工程中的應用實例：一般來說水平向每層電阻率隨深度變化而變化基本是由于地層沉積物不同、密度不同而造成的正常現象，而垂直向低阻帶的出現是因為空隙度的加大和含水而引起的，而這種局部突變多數是由于斷裂造成的。在平原地區，電阻率水平相變化不大且一般較均勻，層位清晰；在山區，電阻率變化則較平原地區復雜多變。

1.1 平原地區

如圖1，是哈爾濱某工程場地的電法反演圖，哈爾濱地區處在在松嫩沖積平原上，地層層序清晰，圖中可以清楚看出地層平緩、連續、均勻，分層明顯清晰。

1.2 山地地區

圖2是雞西某工程場地的電法反演圖，可以直觀的看出覆蓋層厚度及基巖起伏的形態。

2 瞬變電磁法

2.1 成像參數的計算

對于重疊回線裝置，在均勻半空間地電條件下，感應電壓V（t）表達式為：

V（t）=V（t）=f（x）

f（x）=

X=

式中L為發送回線的邊長；μ0為空氣的磁導率；ρ為均勻大地的電阻率。

上述公式可見瞬變場強與ρ、t之間存在復雜的函數關系。

感應渦流場在地表引起的磁場為整個“環帶”各個渦流層的總效應。圖3表示電流切斷后的等效電流環分布略圖。

2.2 成像主要過程

WDC-2B型瞬變電磁系統野外觀測的參量為發送電流歸一的感應電壓值V（t）/I，單位uV/A。所有資料都由計算機完成，步驟如下：數據回放、資料編輯、重要參數計算、網格等級劃分、網格加密處理、計算繪制定性-定量解釋圖件或色譜圖。

2.3 瞬變電磁法在工程中的應用實例

如圖4，是哈爾濱東南郊20公里處工程場地的瞬變電磁反演圖，采集的數據反演結果顯示：該測區地層平坦、各層連續均勻，沒有構造異常顯示。在該場地同時布設了兩個揭穿第四系的鉆孔zk1、zk2，由鉆探可知巖土性自上而下分別為：耕土、粉質粘土、中砂、泥巖（見圖5）。從圖中可以推測基巖面在70-80米左右。這與鉆孔實際勘測情況近乎一致。

3 兩種方法在同種環境的比較

3.1 哈爾濱群力某工程場地（平原類型）

如圖6，反演顯示地層平坦，水平連續、均勻，無異常現象。在斷面的190m處與鉆孔zk15的位置很近相距不到十米。我們將反演結果與鉆孔資料結合分析，電阻率反演圖大體上可分為三層，表層耕土厚約半米，①層0.5～9米左右為粉質粘土電阻率在40～50歐姆之間。②層9～27米左右由粗砂、細砂、礫砂組成，電阻率在50～80歐姆之間。③層27～39米左右，由粉質粘土、粘土組成，電阻率一般小于50歐姆。由此可見高密度電法對勘測場地地下結構具體情況反演比較細致，但由于勘測深度有限，未揭穿第四系地層。

在幾乎相同的位置我們又平行的做了一條400米長的瞬變電磁的測線。如圖7是瞬變電磁的電阻率剖面圖，從圖中看出，視電阻率等值線均勻平緩，表示地下地質體介質均一，，無不均勻異常存在，由反演結果推測基巖面在45-50米左右，而通過在該場地數十個鉆孔資料可知，該場地覆蓋層實際厚度在47-55之間，可見反演結果與實際情況基本吻合。

在圖7中200米處出現的異常，后經過現場核查是由于此處地下大型金屬管道給儀器造成的干擾。

3.2 亞布力某工程場地（山區類型）

本次物探是依山而做的，在高密度電法勘測中0-50米是山坡，傾角大概30度，高差20米。50-300米是山前坡積地，高差相對較小，可近似看做準平原。

通過工程場地現場反演色譜圖解譯（見圖8），可知場地基巖巖性為花崗巖，節理裂縫發育，巖石堅硬，巖體破碎。如圖斷面深紅色部分為花崗巖，而上部淺色部分基本為第四系覆蓋層，經反演顯示該工程場址基巖起伏、覆蓋層厚度基本吻合實際地形情況，但在230米位置上發現地下異常情況。

通過高密度電法反演時發現在230米位置上發現地下約20米處有局部異常。于是在該異常部位補測了一條瞬變電磁測線。具體補測位置是在原高密度電法測線位置上150-270米，補測長度120米。這組瞬變電磁數據是用重慶奔騰公司新出的軟件處理的與以前瞬變電磁得反演形式不同，但原理是一樣的，如圖9。

圖9的上半部分顯示了時間-視電阻率曲線的變化，其中X軸表征各點的坐標，Y軸為時間軸（單位ms），各點的顯示顏色則代表著視電阻率的大小，其數值可參照右部的相應圖譜。由以上各圖的上半部分都可以看出，80米處的測點的時間-視電阻率曲線較其他各測點發生了較明顯的變化，具體現象為：時間在10ms-1ms范圍內，視電阻率偏低。

各圖的下半部分顯示了深度-電阻率曲線在各點的變化，其中X軸仍然表征各點的坐標位置，Y軸顯示的是深度，各個點位上土黃色曲線的變化代表的是各點伴隨著深度的電阻率變化。我們可以看到，在深度大約在8m與16m左右，點0、20、40、60、100的深度-電阻率曲線都發生了類似的變化，而在點80處，則在12與20米處才有相應的變化發生。

結合前面的高密度電法勘測結果，我們可以發現，在相應位置上，高密度電法的勘測結果顯示該處20米深度左右發生了異常的低阻現象，故此，利用瞬變電磁方法和高密度電法方法的勘測結果，我們可以判斷，在高密度電法A斷面60-90米處的20米深度左右，存在著低阻異常帶。

3.3 分析

在平原地區：兩種方法的反演結果都顯示了該場地地層平坦、介質均一，以及電阻率在不同深度、不同土質的正常變化，無異常情況；在山區：兩種方法在相同某一部位都反映出了異常情況。兩種方法在不同的場地類型的勘測都得出了基本相同的結果，證明了兩種方法的準確性與可靠性。

4 結束語

4.1 兩種手段的異性

在勘測所需空間上：高密度電法適用于開闊地帶作業，而瞬變電磁法需要的空間相對較少，可在小范圍內作業。在抗干擾能力方面上：高密度電法在受電磁場干擾方面影響稍小，可應用于市區。而瞬變電磁受干擾影響較大，尤其在市區、電線附近有一定影響。在勘測深度上：正常來講勘測深度取決于測線長度，但在有限的長度內我們使用的高密度電法300米長的測線可勘測深度為40米以內，瞬變電磁法周長為80米長的測線可勘測深度在80米左右。在勘測精度上：高密度電法相對于瞬變電磁法勘測深度較淺，但精度要更高。

4.2 兩種手段的共性

兩種方法都可以實現電阻率的快速測試，提高效率，而且信噪比高，分辨力強，探測深度大，探測速度快。兩者都有局限性和適應性，遠離市中心、避開地下電力、通訊、煤氣管網等干擾電阻率分層反演效果較好。反之，縱向電阻率分層混亂，水平向電阻率差異變化較大，異常極難判別。另外，由于基巖風化程度不同，在貧水地區，風化層中基巖阻值接近完好基巖阻值，反之有一定差距[4]。因此，直接用基巖電性界面埋深來判斷第四系覆蓋層厚度是有一定誤差的，但影響不大[5]。

高密度電法和瞬變電磁法可以互相補充和驗證，取長補短，在結合實際鉆孔資料以及利用地震臺陣觀測獲取的深部構造資料整體反演[6]，將會大大提高探測目標從深部到淺部探測的整體效果的精確度與可信度[7]。另外，兩種手段在工程地質和水文地質勘查中也會有廣泛應用，也為斷層探測提供了一種新思路。

參考文獻：

[1]劉國棟.電磁法及電法儀器的新進展和應用[J].石油地球物理勘探，2004，39（11）：46-51.

[2]冷元寶，何劍.物探新技術在治黃工作中的應用[J].水利水電科技進展，2000，20（2）：64-68.

[3]康健.高密度電法在火山熔巖臺地地質調查中的探討[J].華北地震科學，2008，26（4）：31-35.

[4]王亞會.電阻率層析成像在沈陽地震活斷層探測中的應用[J].防災減災學報，2010，22（2）：15-19.

[5]孫旭麗，鄒本良，劉長生.利用地磁相關系數異常初步判定發震區域[J].防災減災學報，2015，31（1）：75-80.

[6]康健，韋慶海，周琳，等.利用地震臺陣觀測資料研究大慶地區深部構造[J].吉林大學學報（地球科學版），2016，46（3）：900-910.

[7]白登海，王立鳳，孫潔，等.福州八一水庫-尚干斷裂的高密度電法和瞬變電磁法試驗探測[J].地震地質，2002，24（4）：557-564.