高密度電阻率法在物探工作中的應用

摘" 要：為探索高密度電阻率法在巖溶探測中應用的技術要點，以某飾面用石灰石礦為例，在概述工程地質條件的基礎上，對高密度電阻率法物探過程、數據處理等展開分析，通過對視電阻率二維成像形態及高低阻等的反演分析，進行礦區巖溶分布范圍、埋深、大小等解釋，并對異常結果進行述評。結果表明，資料解釋與鉆探結果基本吻合，物探結果可用于礦區巖溶塌陷等地質災害的防治。

關鍵詞：高密度電阻率法；物探；巖溶；勘察；石灰石礦

中圖分類號：P631.322" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0128-04

Abstract： In order to explore the technical key points of the application of high-density resistivity method in karst exploration， taking a limestone mine for decoration as an example， the geophysical process and data processing of high-density resistivity method are analyzed on the basis of summarizing the engineering geological conditions. Through the inversion analysis of the two-dimensional imaging shape of apparent resistivity and high and low resistivity， the karst distribution range， burial depth and size of the mining area are explained， and the abnormal results are reviewed. The results show that the data interpretation is basically consistent with the drilling results， and the geophysical results can be used for the prevention and control of geological disasters such as karst collapse in the mining area.

Keywords： high-density resistivity method; geophysical exploration; karst; exploration; limestone deposit

巖溶是工程建設中典型的不良地質體，也是引發工程建設災害的主要地質原因之一。巖溶必將增大基巖面起伏，造成較多的溶洞、溶蝕帶和土洞，為建筑物結構安全埋下較大隱患。所以，必須在工程建設前，展開地下巖溶發育情況的全面勘察，為設計及施工方案提供可靠依據。就勘察方法而言，高密度電阻率法在探測地下巖溶方面工效高，施測過程簡單，探測結果準確。高密度電阻率法主要依據巖土電性差，通過對人工電地下分布規律的人工觀測，進行巖礦體分布情況推斷。該方法數據采集密度大，施測成本低，圖像可直觀顯示，在巖土工程勘察中應用廣泛，也取得了較為詳實的實踐經驗。

為更加真實地體現地下巖溶分布情況，本文依托工程實例，應用WGMD-3型高密度電阻率儀和反演程序RES2DINV展開飾面用石灰石礦的詳查，為溶洞特征的解釋及施工質量控制提供了可靠依據。

1" 工程概況

本次施工任務為飾面用石灰石礦的詳查。根據區域地質資料和礦區地質填圖資料，測區出露地層簡單，呈單斜層狀產出，構造不發育，巖漿活動強烈，變質作用微弱。測區內及周邊出露地層主要有二疊系中統陽新組（P2y）、二疊系上統峨眉山玄武巖組（Pe），以及第四系（Qdel）殘坡積層。測區內構造不發育，未發現斷層和褶皺，對礦體的形態不構成影響。測區地層為單斜層狀產出，總體產狀270～315°，∠20～31°。測區西測有一條近南北向的斷層通過，對含礦層的影響較小。構造節理主要有2組，產狀分別為：①120～160°，∠45～83°；②30～80°，∠60～85°。節理間距一般為0.5～2.0 m，地表最寬可達3.0 m，深部最寬達4.2 m。局部構造節理密集發育，形成規模不等的巖石破碎帶。

本次勘探主要查明測區內第四系覆蓋層厚度，地層界線，巖溶發育位置、范圍及其分布特征，破碎帶分布位置、形態及其規模，對測區巖溶發育程度和巖體完整性進行定性-半定量評價，為測區礦體質量評價提供必要的依據。

2" 高密度電阻率法工作原理

2.1" 工作原理

高密度電法勘探過程以地下巖礦石電性差異為基礎，通過對人工構建的地下電場分布規律的識別和觀測，得出目標地質體基本參數。該探測方法通常采用溫納裝置，在A、B電級供電的同時，由M、N電級展開電位差測量，經由供電電流、電位差和裝置系數等的運算后得出各測點視電阻率。掃描測量過程完成后，得到倒梯形斷面視電阻率等值線圖，進而對二維反演圖展開解釋。

高密度電法通過正演模擬，既能較好掌握不同地電模型電性響應的屬性，又能展開指導性反演，確保演繹結果與實際情況相吻合，提升物探結果的準確性。具體而言，依據野外實測數據得出二維反演視電阻率斷面圖，基于斷面圖構建初始模型展開正演，得出正演處理后的視電阻率斷面圖；將2種圖像展開比較，如果兩者吻合，則認為所構建的模型符合實際，相反則應展開模型的修正，并重新進行正演計算。重復以上過程，直至二維視電阻率斷面圖正演結果與反演結果的誤差達到一定范圍。根據所得出的模型展開地質解釋。

2.2" 正演模型

本次正演模型為水體填充后的低阻溶洞模型，采用有限單元法展開正演模擬，并通過溫納裝置開展排列。測線長195 m，電極按照5 m的間距排列，共使用60根電極。層狀模型最上部設置5 m厚、電阻率為90 Ω·m的覆蓋層；模型深度為5～25 m處電阻率為140 Ω·m，深度25～45 m處電阻率為220 Ω·m；最下層電阻率為300 Ω·m。在該水平層狀模型中設置電阻率為30 Ω·m的低阻異常體，距離地表約70～90 m。采用有限單元正演計算該模型合成視電阻率。通過分析溫納裝置水平模型響應視電阻率斷面圖看出，淺處視電阻率值較小，隨著深度的增大，視電阻率值呈增大趨勢；低阻異常體在斷面圖中得到了較好反映，其響應特征趨勢也與模型設定值基本一致，表明高密度電阻率法正演數值模擬過程可行而有效。

3" 高密度電阻率法物探過程

本次工作采用高密度電法，分別采用溫納裝置和偶極裝置進行觀測，測線間距100 m，測線方向與勘探線方向一致，方位角為110°，測點間距10 m（斜距），120根電極，測線長度1 190 m（斜距），觀測39層，最大勘探深度約190 m，最佳勘探深度范圍15～150 m，共布設7條測線。

3.1" 現場數據采集

本次工作使用重慶奔騰數控技術研究所研制的WGMD-3型高密度電阻率儀進行觀測，該儀器設置RS-232串行接口，可直接將存儲數據傳輸至相應軟件，展開物探結果的數字化解釋?，F場工作前對儀器、電纜線、電極和供電電池等展開全面檢查，確保儀器性能穩定，電纜線連接正常，不斷路、不短路，電極性能良好，供電電池性能穩定。待鋪設完現場電纜線，接通電極后，逐點檢查電極接地電阻，將至少80%的電極接地電阻控制在2" kΩ以內，全部電極接地電阻不超出10" kΩ，且電阻值保持穩定[1]。現場觀測時，應實時監測數據變化趨勢，加強各種反常現象排查，確保所采集野外數據的準確性。

本次物探工作于2016年9月15日進場，9月19日—10月3日開展野外觀測工作，10月9日后轉入內業整理，共完成高密度電法7條測線、12個排列的觀測工作，其中溫納裝置觀測7個排列，偶極裝置觀測5個排列，測線總長8 330 m（斜距）。經過點位平差校正處理后各條測線實際長度（平距）見表1。

3.2" 數據處理

通過提高儀器供電電壓，以壓制工業及人工離散電流對物探過程及結果的干擾。在整理資料的過程中，剔除個別突變數據；對于個別突變數據超出規范的情況，必須改進探測參數后復測，如果仍達不到要求，則應將相應剖面數據作廢處理。此次物探期間，前后共重復排列30個電極，將所取得的300組觀測數據展開統計分析，并按照以下公式計算均方相對誤差[2]

式中：M為質量檢測站點均方相對誤差；n為質量檢測站點物探數據個數；mi為參與評定的第i個極距相對誤差；ρ為數據設計值；ρ′i為參與評定的第i個數據檢查值；ρi為參與評定的第i個數據觀測值。

本次工作的數據采用瑞典開發的二維高密度電法反演程序RES2DINV展開數據反演[3]，生成高密度電阻率斷面圖片文件，最后將圖片文件導入CAD，結合地質情況，作出解釋說明?；玖鞒蹋簩祿膬x器導入電腦→數據格式轉換→根據平差結果重新計算并替換數據文件中的點距和點位→在數據文件中加入地形數據→設置反演參數→反演→生成電阻率剖面圖片文件→將圖片文件導入CAD文件→在CAD文件中作出解釋說明。

鑒于本次所測數據變化范圍大，在設置反演參數時將阻尼系數初值設為0.3，最小阻尼系數設為0.1，阻尼系數深度變化系數設為1.2。此外，考慮到測區地層產狀較緩，故將垂直濾波與水平濾波比設為0.5；其余反演參數均采取默認值[4]。

3.3" 資料解釋

對于基巖頂部巖溶發育且延深不大的情況，視電阻率等值線斷面圖上等值線呈漏斗狀或階梯狀，并存在小范圍封閉的低值異常區。而對于巖溶發育強烈且向下延深較大的情況，視電阻率等值線斷面圖上等值線密集，呈漏斗狀或階梯狀，低值異常區分布明顯。對于等值線平面而言，若存在明顯的帶狀窄條異常，且幅度較大時，說明巖溶發育連續但不寬闊，且主要為管狀巖溶通道；而存在明顯的寬帶異常，則說明巖溶發育強烈，范圍寬闊，且主要為淤泥或黏土充填后的漏斗或溶洞。

測區內明顯的高阻區可推測為灰巖、白云質灰巖、白云巖，巖體完整，塊度大。但這并不能完全排除空溶洞存在的可能。在灰巖、白云質灰巖、白云巖中發現的低阻異常區（帶），可推測為巖體破碎、節理裂隙發育、巖溶發育或基性侵入巖，表明礦石塊度和荒料率低，可利用率不高。但低阻異常具體的引發原因必須結合實際地質情況加以區別。同時，由于含礦層與底板的電阻率無明顯差異，故無法確定含礦層與底板的分界線。

3.4" 干擾因素分析

地形影響和深部低阻地層影響，是此次物探工作的主要干擾因素。

測區地形整體緩和，局部較陡，中間高、兩端低，高密度電法視電阻率觀測值存在一定程度的扭曲。測區地形對溫納裝置觀測結果也存在較大影響，即勘探深度較淺時，視電阻率值偏高；隨著勘探深度的增大，視電阻率值呈降低趨勢；反演后的電阻率斷面上部電阻率值偏高、下部電阻率值偏低。地形對不同觀測裝置影響程度不盡相同，通過不同方法的應用和比較，可以排除地形影響所致的“假異?！?。為此，同一斷面應采用不同裝置重復施測，以排除或降低部分地形的影響[5]。此外，還應在資料解釋時，結合地質實際展開綜合分析，確保解釋結果盡可能與地質情況相吻合。

炭質白云巖電阻率相對較低，基性侵入巖為低阻巖。礦區東部所出露的鋁土質頁巖也屬于典型的低阻巖，分布于測線控制范圍以外，但因其向西緩和傾斜，故存在與炭質白云巖基性侵入的可能性，進而對高密度電法深部視電阻率觀測值產生影響，造成深部反演電阻率下降。影響程度受測線、位置的影響較大，部分區域影響明顯，部分區域影響較弱。正是由于這種影響程度的不確定性，資料解釋難度大大增加，在資料解釋時，必須充分結合實際地質展開綜合分析，增強解釋結果的可靠性。

3.5" 鉆孔驗證

為驗證本次物探資料解釋的可靠性，在物探解釋為巖溶的區域鉆孔。結合高密度視電阻率反演結果，淺部視電阻率偏低，可判定為第四系覆蓋層反應，且不同位置第四系厚度不盡相同，東部覆蓋層薄，西部覆蓋層厚；局部區域因富水性差異，數值存在波動，且富水性強的部位視電阻率低。中深部視電阻率較大，判定為下伏灰巖反應，斷面150～420 m深度范圍內均表現出明顯的電性起伏和突變，局部區域視電阻率等值線波動大、基巖明顯破碎。

4" 異常結果評述

每條測線的高密度電法剖面圖上都發現一處明顯的陡傾斜低阻異常帶，電阻率值明顯低于周邊電阻率（第④層）。該異常帶在地表的分布位置分別為：2線625～680 m，3線635～700 m，4線745～780 m，5線775～810 m，6線785～815 m，7線755～825 m，8線830～900 m，傾向南東。根據測區地質、地貌特征，推測該異常帶為基巖破碎帶，巖體破碎或較破碎，局部溶蝕強烈，主要表現為構造節理裂隙發育或較發育。根據不均勻體的規模通常小于異常區規模的一般規律，推測破碎帶寬度約為10～30 m。

每條測線的高密度電法剖面圖上都發現一些低阻異常區（第⑤層）。這些異常區多數為孤立、零星分布，呈近水平或緩傾斜產出，近乎呈“順層”狀，深度一般不超過40 m，多數在10～30 m深度范圍之內，位置及深度詳見表2。

根據測區地質和地球物理特征分析，推測該類異常區（第⑤層）為巖溶發育區（帶），巖體破碎或較破碎，巖溶強烈發育，主要表現為節理裂隙、溶隙、溶洞大量密集發育，有溶洞發育的可能性較大。巖溶發育多數表現為水平、“順層”狀發育，少數呈直立帶狀發育；發育深度多數不超過40 m，少數發育深度超過100 m。其中，4線685～720 m、5線690～745 m、6線470～510 m和8線305～355 m附近，深部巖溶發育的可能性極大。

5" 結束語

綜上所述，物探法是巖溶勘察中行之有效的技術手段，高密度電阻率法因分辨率高、工效高，在淺部巖溶探測中較為常用，該方法能較為準確地探明巖溶發育區位置、埋深，在與鉆探驗證方法配合使用后能得到更為可靠的物探結果。該技術所解釋的溶洞深度及鉆探揭露的深度雖存在差異，但誤差符合要求。本次物探過程未能明確區分石灰石礦層與底板的界線，深部低阻異常區推測為侵入巖體的結論也缺乏有力驗證，有待進一步深入研究與探索。

參考文獻：

[1] 王赟，陳學峰.水利水電工程地質勘察中高密度電法的應用研究[J].陜西水利，2023（4）：110-111，121.

[2] 田必林.高密度電阻率法數據平滑處理的分析研究[J].工程地球物理學報，2022，19（5）：708-715.

[3] 張靜，胡尊平，陶鵬飛，等.高密度電阻率法特點及在地質災害中的應用實例[J].西部探礦工程，2022，34（9）：138-143.

[4] 張成學.高密度電阻率法在水文地質勘察中的應用[J].世界有色金屬，2022（7）：145-147.

[5] 趙楊杉.高密度電法與等值反磁通瞬變電磁法在法泗巖溶塌陷精細探測中的聯合應用[J].工程地球物理學報，2022（3）：348-355.