高密度電法在侵入巖發育地區的應用實例及分析

陳鳳閣

中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300131

根據當前我國經濟社會的發展趨勢，城鎮化進程的加快，山區邊緣地帶的建設比以往都更迫切[1]。更精準的勘察是我國山區建設水平和速度的保障。為勘察服務的眾多物探方法中，高密度電法的應用是行之有效的解決方案之一。

河北武安地區位于太行山東麓，區內煤礦、鐵礦分布較多。歷經幾十年的開采，部分礦井關閉，處于資源枯竭狀態。除了資源礦產的開發，區內灰巖、侵入巖發育豐富，灰巖中空洞的存在和侵入過程導致巖性的變化及結合處破碎變質帶的存在，也都對建筑安全產生一定的影響。勘察前期通過物探方法將區域內地質條件基本摸清，避免盲目的勘察，有利于減少不必要的投入并提高工作效率。

1 高密度電法原理

1.1 過往研究

高密度電法是地球物理電法勘探眾多方法中的一種[2]。理論基礎已經相當成熟，應用實踐也較為廣泛。本次提供的實例，充分考慮了勘察中的需求，以尋找采空區和灰巖空洞為主要目標，同時分清區內主要侵入巖的界面、形態和分布范圍。不同地質體具有一定的物性差異，是物探方法應用的基礎[3-4]。根據過往研究顯示，大部分石灰巖的電阻率略小于侵入巖的電阻率，當然也因為灰巖內是否有空洞以及含水率等因素的影響而不同[5]。本次高密度電法的應用通過后期勘察鉆探的驗證，明確地區分出了兩者的差異。

1.2 基本原理

1.3 裝置原理

根據以往收集資料分析，本區域內的物探高密度電法采用了溫納裝置[8-9]。所謂裝置指的是工作時電極之間的相對位置分布狀態以及采集的移動方式。溫納裝置(WN)也叫對稱四極剖面法[2]，如圖1所示。其中，A、B為供電電極，M、N為測量電極。A、M、N、B電極按照等距離的順序排列，即AM=MN=NB。它們之間的距離稱為電極距。采集過程中，電極距從小到大逐步增加，這意味著四個電極的距離按照同一倍數同步增大。

圖1 溫納裝置示意圖Fig.1 Wenner array

2 工作概況

物探高密度電法的實施是根據前期初步物探勘測結果所布置的。前期物探已經基本摸清了地下地質體的雛形，接下來對重點區域進行詳細勘探，對該區域內重點區域進行加密加深探查。。在前期物探工作的基礎上，對280米標高電阻率圖上顯示的兩塊異常區域進行進一步測量。異常區域測線間距加密至10米，異常區域中心的勘測深度加大到了90米。測線布置的角度根據兩異常區中心連線確定，因此測線方向與建筑邊界線框呈一定角度，如圖2所示。最南端測線與線框交叉范圍最小，最北端則最大。測線中點為西側異常區域中心。測線布置長度為600米，具體實施狀態根據地形和場地實際情況進行了調整，如圖3所示。

圖2 測線布置原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of line layout

地球物理探測共布置高密度電法測線9條，為方便記錄測線間距，測線編號為001～011，002和010為空編號，沒有實際測線。其中003～009測線間距為10 m；001～003間距為20 m，009～011間距為20 m。結合場地地形條件，每條測線自西向東布置電極90～120個，電極距5 m。實際測線位置，如圖3所示。

圖3 物探高密度電法實際測線布置示意圖Fig.3 actual line layout of geophysical high density electrical method

高密度電法數據采集使用重慶頂峰地質勘探儀器有限公司生產的EDJD-1A多功能電法儀，儀器自動跑級采集數據，現場采用高密度電法溫納四極裝置，供電時間500 ms，采樣間隔50 ms。

3 高密度電法結果

通過軟件，對所采集的高密度電法數據進行濾噪處理，剔除干擾引起的異常視電阻率，例如接地異常等，最終形成完整的剖面和切面數據[8]。

3.1 高密度電法電阻率剖面圖

對整理過的數據采用軟件進行二維反演，本次高密度電法共布設9條測線，挑選有代表性的四條剖面進行展示，反演結果及分析如下。

(1)001測線

如圖4，001測線高密度反演剖面長550 m。圖中水平位置278 m對應測區西側邊界，水平位置323 m對應測區東側邊界(圖中粉色線為建筑邊界范圍)。從圖中可以看出本條測線處于勘測區的最南端，由于測線方向與建筑邊界線框存在一定角度，因此交叉范圍較小。探測區域范圍內存在一個電阻率高阻異常區域(圖中用藍色實線圈出)，根據后期鉆孔資料推測為侵入巖。

圖4 001高密度電法測線反演電阻率剖面圖Fig.4 001 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(2)003測線

如圖5，003測線高密度反演剖面長380 m。水平位置280 m對應測區西側邊界，水平位置385 m對應測區東側邊界(粉色線為建筑邊界范圍)。可以看出探測區域范圍內存在一個電阻率高阻異常區域(用藍色實線圈出)，根據后期鉆孔資料推測為侵入巖。

圖5 003高密度電法測線反演電阻率剖面圖Fig.5 003 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(3)004測線

如圖6，004測線高密度反演剖面長550 m。水平位置248 m對應測區西側邊界，水平位置429 m對應測區東側邊界(粉色線為建筑邊界范圍)。可以看出探測區域范圍內存在兩個電阻率高阻異常區域(用藍色實線圈出)，根據后期鉆孔資料推測為侵入巖。

圖6 004高密度電法測線反演電阻率剖面圖Fig.6 004 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

(4)005測線

如圖7，005測線高密度反演剖面長570 m。水平位置275 m對應測區西側邊界，水平位置450 m對應測區東側邊界(粉色線為建筑邊界范圍)。可以看出探測區域范圍內存在兩個電阻率高阻異常區域(用藍色實線圈出)，根據后期鉆孔資料推測為侵入巖。

圖7 005高密度電法測線反演電阻率剖面圖Fig.7 005 profile of resistivity inversion by high density electrical survey line

3.2 高密度電法電阻率切面圖

為了更直觀地表示探測異常的切面位置，本次數據

處理根據001～011共九條測線探測結果制成不同標高的切面圖，本次展示有代表性的標高280 m、300 m切面圖，切面圖中圈出的異常結合剖面圖解釋結果圈定。

如圖8、圖9，分別為280 m、300 m標高電阻率切面圖，從圖中可以看出，探測區域共存在2個電阻率高阻異常區域(圖中用藍色實線圈出)，推測可能為侵入巖。

圖8 280m標高電阻率切面圖Fig.8 280m elevation resistivity section

圖9 300 m標高電阻率切面圖Fig.9 300 m elevation resistivity section

4 結論

本次探測區域內上部覆蓋第四系沖洪積粉質黏土，位于西側沖溝內，最大厚度10.50 m，下伏石灰巖及侵入石灰巖中的片麻巖和輝長巖變質巖，片麻巖和輝長巖主侵入帶位于北側位置、場地中部偏東位置兩處，方向分別為東西和東北至西南。

物探高密度電法切面圖基本與地質勘察鉆探資料相一致。切面圖較好的反應了地下灰巖與侵入巖的界面形態，侵入大小，破碎狀態。根據實測結果顯示，該區域內侵入巖的視電阻率大多數在1 000 Ω·m以上甚至更高，灰巖為1 000 Ω·m左右，第四系等則在700 Ω·m以下甚至更低。

綜上所述，高密度電法在本區域內準確有效區分出了侵入巖、灰巖以及第四系等不同的地質形態。并將其分布的狀態和大小區域較為精確的劃分。為后期地質勘察鉆孔的布置提供了較為準確的依據。通過后期鉆孔驗證，本次高密度電法的準確度較高，不同巖性地質界面較清晰，沒有大的斷裂，較準確地反映了區域內地下地質狀態。數據顯示，該區域內分布的侵入巖電阻率較高，灰巖略小于侵入巖的電阻率。