高密度電法在水文地質調查中的應用實踐研究

吳新泉

（安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000）

高密度電法是一種先進的電子勘探技術，依靠介質電性之間的相互差異，對人工與天然電場進行勘探分析。由于高密度電法測量密度點分布的比較密集，可從中獲得大量信息，目前已被用于水文地質勘探研究。在實際測量工作中減小電磁帶來的影響，降低事故發生率，保證水文地質勘探結果的真實性與準確性。

1 高密度電法的工作方法研究

1.1 基本原理

高密度電法基本工作原理和常規電阻率法基本相同，以巖土體電性差異為基礎，是一種用于勘察水文地質情況的電法勘探手段，通過A和B電極向地下供電流I，隨后在M和N極間檢測電位差，求出M和N間電阻率值，具體如圖1所示。按照實際測量得到的電阻率剖面展開計算，從而了解在不同深度底層下電阻率的實際分布情況，判斷施加電場的情況下地層傳導電流的大致分布規律，并以此分析地下不同電阻率的地質體實際賦存狀態[1]。

圖1 高密度電法示意圖

高密度電法是一種常見的物探電法，以地下巖土體電阻率差異為勘探基礎，通電的時候會在測量區域內形成電場，儀器可記錄電流大小，按照提前設置的施工參數實現各區域卡尼亞電阻率的自動計算。高密度電法主要通過室內設計點線位置，應用RTK放樣布置施工所需的電極數，再通過電纜連接，最后與電機轉換器主機相連，工作人員可通過儀器接線柱采用不同的接線方式，將電極組合為指定裝置，提前輸入預設的電極數與距離，從而依靠高密度電法儀觀測斷面測點位置的電阻率情況，這種自動化處理的工作方式可有效節約觀測時間，降低工作人員的工作壓力，提高觀測效率。

1.2 優勢特點

分析高密度電法的應用優勢，具體如下：

（1）高效率。地質勘察期間，電極布置操作能一次完成，不僅優化了工作流程，也減少了不必要的影響，省略了大量修復和調整的時間，提高了勘探效率。

（2）多樣化。高密度電法的測量方式和電極排列有一定的關聯，由于電極數量龐大，其排列方式具有多樣化的特點，測量方式也會不斷改變，因此高密度電法的應用需要從多層次分析結果。

（3）自動化水平較高。當前野外采集已經實現半自動化，且人工操作難度下降，人力支出不斷縮減。地球物理反演不斷完善，電阻率成像效果顯著提升，以往的一維跨度向三維跨度轉變，高密度電法的應用日漸成熟。

1.3 工作方法

對于高密度電法的實際工作方法，主要包含以下幾種：

（1）現場測量方式。先布置測量線和測量點，選取測試點后將電極設置在一定間隔點位上，再利用轉換設備所需的電極將其組合為指定設備，針對電極設備觀察剖面電阻率，同時完成數據處理與圖形繪制，以此在短時間內完成地質勘探。

（2）數據前處理工作。如果是地形較為復雜橫截面，海拔坐標應添加到數據文件中，為接下來的反演處理提供參考。

（3）反演處理，創建二維模型，根據地質勘察資料，確定反演參數，如阻尼因子和迭代次數等，再應用最小二乘法開始反演計算，通過地形校正得出地電斷面，可用于地質解釋中。

2 高密度電法在水文地質調查中的實踐應用分析

2.1 基巖探測分析

在水文地質和工程地質中應用高密度電法，可隨機選取一個大壩作為測量對象，了解淤泥、淤泥夾薄層細粉、含泥細沙等基巖情況。并且，高密度電法在水文地質和工程地質基巖探測的過程中，應當根據基巖深度以及斷截面形態有針對性的選擇高密度電法實施方案[2]。具體如下：

（1）在高密度電法實施的過程中，應當根據工程軸線位置及基巖橫截斷面形態，布設測量密度，設置測量線間距離，以保證測量數據的準確性。

（2）高密度電法在水文地質和工程地質應用的過程中，應當根據地質資料進行分析計算，例如：在某工程地質施工的過程中，巖石的測量拋物線設置為40Ω～60Ω，將填土、淤泥、淤泥夾薄層細粉、含泥細沙進行相應的劃分，其設置的數據不能大于10Ω。通過利用相應的公式計算，砌石層的厚度為7.0m，填土的厚度為3.0m，－5.0以下均為填土、淤泥、淤泥夾薄層細粉、含泥細沙等，這樣可充分地掌握基巖的分布情況，從而保證水文知識和工程地質工作的展開，避免安全事故的發生。

2.2 滑坡體分界面與地層劃分應用

在滑坡體分界面處應用高密度電法對滑坡體勘測分析，繪制反演色譜圖。由于色譜自身沒有規律層次，整體來看，低阻帶多數分布在中上部地區，且并不連續。高阻有兩個凸起點，表層有高阻反應。17m以內的下埋深度范圍內，電阻率保持在120Ω·m。鉆探被測試區域，發現該處確實有滑坡體出現，可見高密度電法應用的可靠性。現場測量時，需要將全部電機設置在帶有一定間隔的觀測點位置上，通過儀器開始觀測。對高密度電法的測量方法與儀器進行設計，提高數據采集系統精度和抗干擾能力，以便設備獲得更豐富可靠的地質信息。高密度電法在完成橫向與縱向二維觀測時，還要實現電測剖面與電測深兩種不同形式的測量，資料分析期間需要結合多參數進行綜合分析，高密度電法集中了常規電阻率方法的應用優勢，也彌補了以往電阻率法觀測存在的不足。野外工作期間，應用EDJD-1直流電法儀根據地層劃分一次性布設60個電極，同時將電極轉換開關按照裝置的實際情況組合，自動計算電阻率，將計算結果存儲在設備中。一個排列完成之后，向前滾動多個電極，隨后重復上述操作，直到整個剖面全部測量完成，數據會自動上傳到計算機系統中，并應用專用軟件進行處理，實施二維反演計算。接著，按照計算結果繪制等值線，擬出斷面圖，測量結果就是地層二維電阻率斷面，這是綜合應用了常規電阻率法與反演處理方法的結果，電極可一次性布設完成，經過高密度電法的應用即可獲得地質信息。

將高密度電法應用在地層劃分中，根據標準選擇有代表性特點的供水線路，對該處地層使用高密度電法探測分析。分析反演色譜圖，發現電阻率曲線能呈現出閉合或半閉合相交兩種狀態，電阻率為400Ω·m，這是因為回填砂性土對地質結構產生了影響。下方樁基內有倒U型閉合圈，這與淤泥質土的存在有關，其他樁基地層主要為粉質粘土。除了以上應用，高密度電法還可用在建筑選址、公路橋梁建設、機場跑道等工程地質勘察工作中。

2.3 尋找礦山地質地下水

隨著社會經濟的快速發展，現如今人們對礦山水資源的需求不斷提高。當前科學發展的今天，人們在尋找水源的同時，會根據不同礦山地質結構對地下水類型進行分析，多方法結合探尋水資源，以此科學處理地下水，提高水資源利用率，實現大自然水資源的優化配置。以高密度電法尋找礦山地下水為例，該礦山研究區域內出露的礦層大致如下：第四系巖性，其中包含礦山邊坡沉積紅黏土、深灰色泥晶灰巖、泥灰巖、白云巖與黏土巖等。本次勘察需要探測100m地層地下水的含水條件，依據任務目的，結合區域地質條件，選擇高密度電法進行勘察，并采用10m極距。在本次找水任務中，地下水在電阻率曲線內會呈現出低阻異常區圈閉現象，并在找地質構造裂隙斷層時呈現電阻率大幅度變化的橫向異常情況。

沿著勘察區域以垂直于礦層走向和地下水流向的方向進行勘探線布設，應用溫納裝置及時采集勘探得到的數據，查看裂隙發育帶的具體位置，其測量長度設置為600m，其測點間距離設置為10m。野外數據采集需要采用WDJD-2多功能數字直流機電儀、WDZJ-1多路電機轉換器等儀器聯合構建WGMD-3高密度電阻率測試系統。圖2是A測線視電阻率反演斷面圖與B測線視電阻率反演斷面圖的大致情況，經過分析得知，測線250m～300m段，深度為7m～85m處有一個倒“V”型的低阻異常現象，ρ值為50Ω·M～150Ω·M。通過對異常形態特征研究，可判斷該位置就是裂隙發育帶。由于B測線屬于A測線對應線，兩條測線可反映同一處地質結構的大致情況，能綜合體現該區域礦山地質構造狀態[3]。

圖2 A、B測線高密度視電阻率反演斷面圖

采用高密度電法，根據物探效果，在A測線250m～300m段確定井位開始鉆探，將孔深控制在150m左右，采取抽水試驗，得出該處位置的出水量能達到每天107.4m3。

3 總結

總而言之，應用高密度電法對地理環境展開物探勘查工作，通過電阻率探測點的科學布置，結合區域內水文地質條件，結合物探研究成果，綜合分析該區域的水文地質情況。可將高密度電法用于水庫大壩滲漏勘察、海堤砌石體深度探測、滑坡體分界面與地層劃分應用中，提高勘察效率。