基于不同裝置的高密度電法對低阻填充溶洞探測的對比

梁志宇，張玉池

基于不同裝置的高密度電法對低阻填充溶洞探測的對比

梁志宇1，張玉池2

（1.桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，桂林 541001；2.桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院工程公司，桂林 541004）

高密度電法勘探中，不同條件下的溶洞起反演電阻率特征有差異，溶洞為空洞時反演電阻率表現(xiàn)為高阻，充滿低阻物質(zhì)時表現(xiàn)為低阻，而當(dāng)?shù)妥栉镔|(zhì)含量不同時各個裝置的探測效果會有不同。為了比較高密度電法不同裝置對低阻填充溶洞的探測效果，構(gòu)建低阻物質(zhì)含量不同的低阻溶洞，正演計算了不同裝置下的視電阻率，利用最小二乘法對模型的地電斷面進(jìn)行反演。

高密度電法；不同裝置；數(shù)值模擬；低阻填充溶洞

巖溶是石灰?guī)r地區(qū)常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，在巖溶發(fā)育區(qū)，溶洞的存在會嚴(yán)重影響工程的正常開展，引起地基變形、不均勻沉降、滑動和地面塌陷等多種地質(zhì)問題（胡樹林等，2011）。所以在進(jìn)行工程建設(shè)之前，必須了解清楚工區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育情況。由于溶洞發(fā)育具有不確定性、隱蔽性的特點，只依靠鉆探、槽探等方法不容易取得理想的效果，還有可能造成定向鉆穿越過程中漏漿、卡鉆、掉鉆等事故。因此，將物探技術(shù)運用在溶洞的探測中，不僅能減少事故的發(fā)生，還可以減少資金支出，得到不錯的勘探效果。

目前探查隱伏溶洞的技術(shù)方法有很多，其中應(yīng)用較多的有電阻率法、電磁法和地震法等。而在這幾種方法當(dāng)中，高密度電法由于其操作簡單，識別溶洞的分辨率高，從而得到廣泛的應(yīng)用（譚磊等，2015）。前人在利用高密度電法探測溶洞過程中已經(jīng)取得的很大的進(jìn)展，例如祝衛(wèi)東等利用高密度電法得到了地下采空區(qū)的范圍（祝衛(wèi)東等，2006），鄭智杰等確定了巖溶管道的反演特征（鄭智杰等，2015）。王志鵬等確定了帶破碎狀溶殼溶洞的反演特征（王志鵬等，2019）。郭清石對溶洞高密度電法勘探的理論進(jìn)行研究（郭清石，2013），為高密度電法探測巖溶地區(qū)野外工作提供了重要的指導(dǎo)。前輩們的工作為以后高密度電法的運用和發(fā)展提供了非常重要的指導(dǎo)意義。

高密度電法在探測不含填充物的溶洞（或純低阻溶洞）時，因溶洞的電阻率值較大（較小），與圍巖存在明顯的電阻率差異，比較容易識別出來。但是在實際中，溶洞內(nèi)部時常會填充一定量的低阻體，例如水、泥沙等。當(dāng)探測半低阻填充溶洞時，在低阻體與空氣交接處的參數(shù)反演特征受到低阻體和高阻的空洞共同影響，會對高密度電法的不同裝置的探測產(chǎn)生一些影響，因而，造成對地下溶洞探測的分析解譯出現(xiàn)誤判或漏判等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的開展。同時，選擇一個效果較好的裝置也有利于加快工程進(jìn)度。因此，在特定條件下，理論上分析高密度電法的各個裝置在低阻填充溶洞探測時正反演特征有望能夠解決這一類地質(zhì)問題，對以后高密度探測溶洞的研究以及對實際生產(chǎn)實踐提供一定的指導(dǎo)意義。

1 高密度電法

高密度電法理論基礎(chǔ)與常規(guī)電阻率法相同，它們都是以地下介質(zhì)（巖層）的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)的一種物探方法，在人工施加電場的情況下，研究地下電流的分布規(guī)律來尋找地質(zhì)目標(biāo)體。所不同的是方法技術(shù),它實際上是一種陣列勘探方法（劉國興，2011）。與常規(guī)方法相比，高密度電法具有以下特點：①電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來的測量誤差；②能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的測量，從而可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息；③數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實現(xiàn)了自動化或半自動化，不僅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯誤；④可以實現(xiàn)資料的現(xiàn)場實時處理和脫機(jī)處理，大大提高了電阻率法的智能化程度；⑤可以實現(xiàn)多參數(shù)測量，同時觀測電阻率、極化率和自然電位，能獲取地下豐富的地電參數(shù)，從不同電性角度對地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫。由此可見，高密度電阻率法是一種成本低、效率高、信息豐富、解釋方便且勘探能力顯著提高的勘探方法（董浩斌等，2003）。

在高密度電法當(dāng)中，不同的裝置有不同的特點，當(dāng)排列實測總電極數(shù)為ｍ，電極距為ａ，隔離系數(shù)為ｎ，供電電流為Ｉ，測量電壓為ΔＵ，視電阻率為ρs時，各種裝置的對應(yīng)關(guān)系如表１所示。

表1 各種裝置測量斷面參數(shù)

圖1 高密度電法不同裝置示意圖

目前，高密度電法常用的裝置有溫納α、溫納β、溫納γ、復(fù)合對稱四級、三級裝置和偶極裝置六種（王愛國等，2007），不同裝置按照圖1所示的電極排列方式逐點滾動掃面測量，測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)斷面。其中，C1、C2為供電電極，P1、P2為測量電極，a為電極距，n為電極系數(shù)。

2 數(shù)值模擬

表2 溶洞模型參數(shù)

電阻率正演模擬常用的方法有三種，為有限差分法、有限單元法和邊界單元法三種。其中，徐世浙等利用有限單元法和邊界單元法成功的解決了包括二維和三維地電斷面的正演計算問題（徐世浙，1994）。而瑞典的M.H.Loke制作的高密度電法正演程序適用性好（王東明和徐國元，2016），獲得廣泛的應(yīng)用。本文正演模擬應(yīng)用的是瑞典M.H.Loke博士研發(fā)的高密度數(shù)值模擬軟件RES2DMOD，該程序的正演算法包中包括了有限差分法和有限單元法，本文主要運用當(dāng)中的有限差分法進(jìn)行高密度正演。，有限差分法屬于區(qū)域型計算方法，通過離散整個區(qū)域，可對復(fù)雜地電結(jié)構(gòu)的正演問題進(jìn)行較為精確的計算，適應(yīng)性好。

完成正演計算過后，在正演結(jié)果中加入隨機(jī)噪聲作為反演輸入，利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，計算出模型的反演視電阻率斷面圖，對比不同裝置在溶洞填充低阻物質(zhì)時的探測效果，為野外異常地質(zhì)體探測提供參考。

圖2 溶洞模型示意圖

3 模型建立及效果分析

模型建立在理想二維條件下（圖2），地表高程無變化，水平寬度為120m，異常體位于水平56～62m處，埋深為4～12m，常見圍巖的電阻率都在幾百到幾千的范圍內(nèi)，所以圍巖電阻率1000Ω·m，空洞中為空氣填充，所以電阻率設(shè)為20 000Ω·m，常見的低阻填充體如粘土、卵石、礫石夾粘土等的電阻率都在幾十到幾百之間不等，所以將低阻體的電阻率設(shè)為30Ω·m，空洞底部與低阻體相接，模擬不同填充程度的溶洞。所設(shè)模型見表2。各模型分別采用溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、三級裝置和復(fù)合對稱四級裝置進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)采集電極為60根，電極距為2m。

取模型1經(jīng)過正演計算獲得視電阻率之后，在其結(jié)果當(dāng)中加入5%隨機(jī)噪聲后，進(jìn)行電阻率二維最小二乘反演，得到溶洞反演視電阻率斷面圖（圖3）。

圖3 模型1各裝置反演圖

a、b、c、d、e、f分別為溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、偶極裝置、復(fù)合對稱四級裝置和三級裝置的反演斷面圖

通過不同裝置正演模擬可以知道，各個裝置對目標(biāo)異常體的探測都有一定程度的響應(yīng)，但是無法揭視異常體的特征。對比模型2不同裝置的反演結(jié)果，可以看出在低阻1/4填充溶洞時，六個裝置的反演都能獲得較好的結(jié)果，所有反演圖對應(yīng)異常體位置的在上方都存在著一個高阻異常，在高阻異常下方存在一個大的低阻異常，與模型設(shè)置較為吻合。溫納α裝置和溫納γ裝置低阻異常向外擴(kuò)散范圍較大，溫納β裝置、偶極裝置和復(fù)合對稱四級裝置的低阻異常擴(kuò)散較小，三級裝置反演深度最深。溫納β、偶極裝置、和復(fù)合對稱四級裝置反演異常體位置與實際模型位置較吻合，異常分層位置明顯且準(zhǔn)確，探測效果較好。溫納α裝置對異常的顯示也較好，但其顯示出的異常尺寸偏大，底部低阻異常向外擴(kuò)散較大，異常分層位置與模型較符合。溫納γ裝置和三級裝置也對異常有一個較好的揭視，但是這兩個裝置顯示的異常深度偏淺，相較于模型有所上移。其中，三級裝置在異常分層位置與模型較為吻合，溫納γ裝置底部低阻異常向外擴(kuò)散較大，分層位置與模型位置對比比溫納α裝置要好一些。

圖4 模型2各裝置反演圖

a、b、c、d、e、f分別為溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、偶極裝置、復(fù)合對稱四級裝置和三級裝置的反演斷面

同樣的，取模型3經(jīng)過正演計算獲得視電阻率之后，在其結(jié)果當(dāng)中加入5%隨機(jī)噪聲后，進(jìn)行電阻率二維最小二乘反演，得到溶洞反演視電阻率斷面圖（圖5）。

取模型2經(jīng)過正演計算獲得視電阻率之后，在其結(jié)果當(dāng)中加入5%隨機(jī)噪聲后，進(jìn)行電阻率二維最小二乘反演，得到溶洞反演視電阻率斷面圖（圖4）。

圖5 模型3各裝置反演圖

a、b、c、d、e、f分別為溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、偶極裝置、復(fù)合對稱四級裝置和三級裝置的反演斷面圖

通過不同裝置正演模擬可以知道，各個裝置對目標(biāo)異常體的探測都有一定程度的響應(yīng)，但是無法揭視異常體的特征。對比模型3不同裝置的反演結(jié)果，可以看出在低阻1/2填充溶洞時，六個裝置的反演都能獲得較好的結(jié)果，所有反演圖在對應(yīng)異常體位置的上方都存在著一個高阻異常，在高阻異常下方存在一個大的低阻異常，與模型設(shè)置較為吻合。溫納α裝置和低阻異常向外擴(kuò)散范圍較大，溫納β裝置、溫納γ裝置、三級裝置和復(fù)合對稱四級裝置的低阻異常擴(kuò)散較小。溫納β裝置、三級裝置和復(fù)合對稱四級裝置反演異常體位置與實際模型位置較吻合，異常分層位置明顯且準(zhǔn)確，探測效果較好。溫納α裝置對異常的顯示也較好，底部低阻異常向外擴(kuò)散較大，異常分層位置與模型對比較準(zhǔn)確，但在高阻異常之上出現(xiàn)了兩個低阻假異常，影響異常解釋。偶極裝置和溫納γ裝置也對異常有一個較好的顯示，分層位置較準(zhǔn)確。其中，溫納γ裝置顯示的異常深度偏淺，相較于模型有所上移，兩個裝置在高阻異常之上還有一個相連的高阻假異常，推斷是由目標(biāo)體導(dǎo)致，影響結(jié)果解釋。同樣的，取模型4經(jīng)過正演計算獲得視電阻率之后，在其結(jié)果當(dāng)中加入5%隨機(jī)噪聲后，進(jìn)行電阻率二維最小二乘反演，得到溶洞反演視電阻率斷面圖（圖6）。

本夾具是由緊固螺桿調(diào)節(jié)以達(dá)到夾緊的目的，所以我們選擇了φ20mm的通用螺桿和彈簧墊片與夾具主體配合滿足我們的夾緊要求。

圖6 模型4各裝置反演圖

a、b、c、d、e、f分別為溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、偶極裝置、復(fù)合對稱四級裝置和三級裝置的反演斷面圖

圖7 模型5各裝置反演圖

a、b、c、d、e、f分別為溫納α裝置、溫納β裝置、溫納γ裝置、偶極裝置、復(fù)合對稱四級裝置和三級裝置的反演斷面圖

通過不同裝置正演模擬可以知道，各個裝置對目標(biāo)異常體的探測都有一定程度的響應(yīng)，但是仍然無法揭視異常體的特征。對比模型4不同裝置的反演結(jié)果，可以看出在低阻3/4填充溶洞時，六個裝置的反演都能獲得一定的效果，所有反演圖在對應(yīng)異常體位置的上方都存在著一個高阻異常，在高阻異常下方存在一個大的低阻異常，與模型設(shè)置較為吻合，但總體反演異常深度較模型都有所上移。溫納β裝置、偶極裝置和三級裝置反演異常體位置與實際模型位置較吻合，沒有出現(xiàn)其他的假異常，異常分層位置明顯且準(zhǔn)確，探測效果較好。溫納α裝置、溫納γ裝置和復(fù)合對稱四級裝置反演的效果也較好，但是溫納α裝置在高阻異常之上貼近地面處還存在一個高阻假異常，溫納γ裝置在低阻異常左邊出現(xiàn)了一個高阻假異常，復(fù)合對稱四級裝置在模型上方出現(xiàn)了三個高阻假異常，推斷是由目標(biāo)體導(dǎo)致，這些假異常都呈閉合圈形態(tài)，不利于異常解釋。

取模型5經(jīng)過正演計算獲得視電阻率之后，在其結(jié)果當(dāng)中加入5%隨機(jī)噪聲后，進(jìn)行電阻率二維最小二乘反演，得到溶洞反演視電阻率斷面圖（圖7）。

通過不同裝置正演模擬可以知道，各個裝置對目標(biāo)異常體的探測都有一定程度的響應(yīng)，但是無法揭視異常體的特征。對比模型5不同裝置的反演結(jié)果，可以看出在低阻物體充滿溶洞時，六個裝置的反演都能獲得較好的結(jié)果，所有反演圖的中對應(yīng)異常體的位置都存在著一個高阻異常，且位置和大小都與模型設(shè)置較為吻合。可見在充滿了低阻體的溶洞探測時使用任合一個高密度電阻率法裝置都可以取得一個很好的效果。

對比上面5組反演斷面圖可以看出，溫納β裝置、偶極裝置和三級裝置在低阻填充溶洞的探測中的效果最好，而溫納α裝置、溫納γ裝置和復(fù)合對稱四級裝置雖然也能獲得較好的探測效果，但是在低阻體含量上升之后會開始出現(xiàn)假異常的現(xiàn)象，會影響最終結(jié)果的解釋。而在野外，三級裝置需要放置無窮遠(yuǎn)極，增加了地電干擾，沒有溫納β裝置和偶極裝置測量便捷，綜合各方面因素，在探測低阻填充溶洞時選擇溫納β裝置和偶極裝置較為合適。

4 結(jié)論

1）高密度電法的各種裝置對于低阻填充溶洞的探測都會有一定的響應(yīng)，但在分辨率、勘探深度及其效果上存在著差別。

2）隨著低阻物填充量的增大，高阻異常逐漸變小，對溫納α裝置、溫納γ裝置和復(fù)合對稱四級裝置的探測產(chǎn)生一定的干擾效果。

3）當(dāng)探測低阻填充溶洞時，溫納β裝置、偶極裝置和三級裝置的效果較好，反演結(jié)果對異常位置和形態(tài)反應(yīng)較好，與實際的異常體的情況最為接近。三級裝置的勘探深度最深，但在野外布置比其他的裝置要麻煩且增加了干擾，綜合來看溫納β裝置和偶極裝置是最理想的裝置。

4）文中建立的異常模型，是在理想狀態(tài)下的二維模型，能夠反映理想狀態(tài)下的電阻率反演斷面特征，為現(xiàn)場探測提供一些依據(jù)。但現(xiàn)場實際情況復(fù)雜，還需根據(jù)現(xiàn)場情況選擇使用的裝置，建議用兩種以上的裝置進(jìn)行探測。

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Correlation of Detection of Karst Caverns with Low-Resistivity Fillings Based on High-Density Electrical Method with Different Devices

LIANG Zhiyu1ZHANG Yuchi2

（1. School of Earth Sciences, Guilin University of Science and Technology, Guilin, Guangxi 541001；2.Guilin Institute of Mineral Geology Engineering Co.,Ltd, Guilin, Guangxi 541004 )

Empty caverns and caverns filled with low-resistivity material are different in inversion of resistivity characteristics from high-density electrical method. Inversion of resistivity characteristics for empty caverns occurs in the form of high resistance, while inversion of resistivity characteristics for caverns filled with low-resistivity material occurs in the form of low resistance. And different devices have different detection effects for different low-resistivity filling material content. This study makes forward calculation for the apparent resistivity of different devices and inversion of the geoelectrical cross section of the model using the least squares.

high-density electrical method; different devices; cavern filled with low-resistivity material; numerical simulation

2020-04-10

梁志宇（1995-），男，廣西昭平人，碩士研究生，主要方向為電法勘探

P319

A

1006-0995（2021）01-0123-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.025