高密度电阻率法在勘察黄土洞穴及岩溶中的装置适用性研究
赵峰
中铁第一勘察设计院集团 陕西铁道工程勘察有限公司,陕西 宝鸡 721001

作者简介: 赵峰(1967-),男,高级工程师,主要从事铁路工程地球物理勘察工作; E-mail:tyyzf1234@163.com

摘要

为了探究高密度电阻率法各种装置的适用性,基于有限差分法进行高密度电阻率法二级排列、三级排列、温纳装置、偶极装置、微分装置、偶极—偶极装置、斯伦贝谢装置等7种装置高、低阻异常体正演模拟。通过模拟结果可以看出,偶极装置对于低阻异常体和高阻异常体的探测效果均比较好,温纳装置仅适用于高阻异常体的探测以及高低阻异常体分界面的划分,其他装置模拟得到的高、低阻异常体的形态或位置与实际情况有一定偏差。将模拟结果运用于黄土洞穴、岩溶勘察中,取得了较好的探测效果,可供类似工区参考使用。

关键词: 高密度电阻率法; 正演模拟; 黄土洞穴; 岩溶; 装置类型
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1125-06 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.11
High density resistivity method applied to the investigation of the loess cave and karst area
ZHAO Feng
Shaanxi Railway Engineering Exploration Co., Ltd, China Railway First Survey & Design Institute Group, Baoji 721001, China
Abstract

For the purpose of exploring the applicability of various devices of high density resistivity method and according to the finite difference method, the authors conducted forward modeling of high and low resistance abnormal body, which included 7 kinds of devices, i.e., secondary arrangement, tertiary arrangement, Wenner device, dipole device, differential device, dipole-dipole device, and schlumberger device. The simulation results show that the effect of the dipole device for detection of low resistivity anomalous body and high resistivity anomalous body is better, the Wenner device is applicable only to the detection of high resistivity of abnormal body and the boundary between high and low abnormal bodies, and the shapes or positions of the high and low abnormal bodies detected by other devices show certain deviations from the actual situation. The simulations were applied to loess cave and karst investigation, and achieved good detection results. The results obtained by the author provide a reference for the investigation in similar work areas.

Keyword: high density resistivity method; forward modeling; loess cave; karst; device type

一切基础工程的建设均离不开其所依附的工程地质条件, 随着科学技术的全方面发展, 解决工程地质问题的手段和方法日趋完备。高密度电阻率法以其操作简便、无损且勘探成本低、成像快速等特点[1, 2], 能够较直观反映地电、地质信息, 在地形复杂的地区可以代替部分钻探工作, 不仅可以应用于施工前的地质勘察, 也可以用于施工中的病害范围探测, 在解决浅层工程地质问题方面应用广泛[3, 4]

为应用高密度电阻率法解决工程地质问题, 研究人员利用计算机技术进行了电阻率正演模拟和反演计算, 建立基本的资料解译标志和消除地形及地质不均匀性的影响, 目前常用的电阻率正演方法包括有限元法、有限差分法和积分方程法[5, 6]

1 方法特点

高密度电阻率法是基于地下目标体与周围介质之间的电性差异来进行探测的, 由人工建立地下稳定直流电场, 利用布置的若干道电极, 采用预设装置排列形式观测地下电场的分布特点和变化规律, 从而查明地下地质构造、寻找有用矿产和解决相关地质问题[7]

高密度电阻率法实际上是多种排列的常规电阻率法与资料自动反演处理相结合的综合方法, 其主要特点是:①野外采集数据量大, 分辨率高; ②电极布设一次性完成, 减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差; ③能有效地进行多种电极排列方式的测量, 能够获得丰富的地下地质信息; ④自动化数据采集和记录, 工作效率高; ⑤可以实现资料的现场实时处理和脱机处理, 大大提高了电阻率法的智能化程度[8, 9, 10]

2 理论模型及正演模拟

本次工作主要针对地下浅埋人工洞穴及岩溶的探测, 由于测区地表均有黏土覆盖, 接地条件良好, 且地表较平缓, 可以选择高密度电阻率法进行勘探。

高密度电阻率法最初的排列方式主要有3 种:α 、β 和γ , 如今已发展到十几种, 常用的主要有二极AM装置, 三极AMN(或MNB)装置, 四极包括AMNBABMNAMBN装置[12, 13]。本次模拟的装置包括:二极排列装置、三级排列装置、温纳装置、偶极装置、微分装置、偶极— 偶极装置、中间梯度装置以及斯伦贝谢装置。

地下洞穴一般为空洞, 属于相对高阻体, 但当其中充水、冲泥时, 属于相对低阻体。为了选择同时适合相对高阻体或者相对低阻体的探测要求, 在野外探测工作之前, 首先对目前常用的几种装置, 针对高阻异常体和低阻异常体进行基于有限差分法正演模拟。图1所示为二维模型, 剖面长度100 m, 深度40 m, 空洞宽2 m, 高2 m, 中心埋深 5.5 m。低阻正演模型的围岩电阻率为100 Ω · m, 溶洞电阻率为10 Ω · m; 高阻正演模型的围岩电阻率为10 Ω · m, 空洞电阻率为100 Ω · m。各种装置的模拟结果见图2~图8, 模型正演模拟的结果汇总分析见表1

图1 低阻异常体二维正演模型

图2 二级排列装置模拟结果

图3 三级排列装置模拟结果

图4 温纳装置模拟结果

图5 偶极装置模拟结果

图6 微分装置模拟结果

图7 偶极— 偶极装置模拟结果

图8 斯伦贝谢装置模拟结果

表1 正演模型及模拟结果分析

通过以上模拟结果可以看出, 同时适合高阻异常体和低阻异常体探测的最优装置为偶极装置(又名β 装置), 而温纳装置(又名α 装置)适用于探测高阻异常体, 对于低阻异常体的探测效果不佳。基于上述模拟结果选择的装置类型, 结合正演模型及模拟结果, 可以看出:偶极装置对于低阻异常体的模拟结果, 在埋深上与实际模型基本相符, 在宽度上比实际模型偏大, 且两侧会出现一定范围的假异常影响带; 对于高阻异常体, 在埋深上与实际模型基本相符, 宽度上比实际模型稍宽。可见, 模拟结果能较准确地反应实际情况。在资料解释时可以根据以上规律进行一定量的修正, 提高解释精度。

3 应用实例
3.1 黄土洞穴勘探

此次探测的目的主要是为了验证高密度电阻率法探测黄土洞穴的效果。

宝鸡市区北面地表为第四系黄土地层坡地, 坡中有一防空洞, 高2.5 m, 宽2.5 m, 南北向延伸约1 km, 由厚约40 cm的混凝土砌成。洞口上部东西向有宽约8~10 m的平坦地面, 洞顶距地面8 m。

采用骄鹏E60M高密度电阻率法勘探系统, 在防空洞上方平地垂直其走向布置测线, 电极间距为2 m, 剖面总长为110 m, 剖面64 m处正好位于防空洞正上方。使用温纳装置进行观测, 后用RES2DINV反演软件对数据进行处理, 最终得到如图9所示的反演电阻率断面。从图中可以看出, 在剖面64 m、埋深9 m处有一明显的极高阻异常区域, 该区域正好是防空洞与测量纵断面相交的位置。

图9 防空洞探测反演电阻率等值线

此次探测说明高密度电阻率法对防空洞有很好的探测效果。

3.2 岩溶勘探

本次探测主要是为了查明湖南境内某铁路线路的岩溶发育情况。探测时使用骄鹏E60M高密度电阻率法勘探系统, 沿线路布置测线, 电极间距为5 m, 根据工区情况选用偶极装置或温纳装置进行观测。野外数据采集时保证电极接地电阻小于1 000 Ω , 采用大电流供电, 确保野外数据质量。资料处理采用瑞典高密度二维反演软件RES2DINV, 最后将反演数据利用Surfer软件绘制成图。

3.2.1 暗河探测

工区植被茂密, 地形较平缓, 地表出露基岩为三叠系灰岩, 灰岩质纯, 厚度大。调查发现该段距线路20 m左右有一高约5 m、宽约10 m的溶洞穿过, 在线路下方的埋深约10 m, 方向大致与线路垂直。该溶洞在线路的空间位置较好判定; 且线路左侧约100 m处沟谷有一暗河入口, 口较小, 水流呈下陷式流入, 在该里程段线路右侧约200 m处有一暗河出口, 高约8 m, 宽约12 m, 水流仅在洞底分布, 流速较缓。经过贯通实验, 证明该处的暗河进口和出口为同一暗河, 进出口高差约20 m。暗河的空间分布低于溶洞。偶极装置实测反演电阻率等值线见图10。

图10 某铁道线路溶洞、暗河偶极装置探测反演电阻率断面

从图中可以看出:在该剖面460 m、深15 m处有一极高阻闭合圈, 由于空洞显高阻, 推断该处为溶洞; 在剖面455 m、深约50 m处有一极低阻闭合圈, 该低阻区域在空间上的位置与暗河的空间位置高度吻合, 且暗河相对围岩为低阻, 所以推断为暗河。

此次偶极装置探测反演电阻率异常明显, 易解释, 探测效果好。

3.2.2 溶洞、断层探测

工区地表局部覆盖全新统坡积碎石、块石土, 小里程端出露基岩为志留系下统页岩, 大里程端出露基岩为奥陶系下统灰岩, 岩溶发育, 两种岩性为不整合接触。沿线路布置测线进行探测。温纳装置实测反演电阻率断面见图11。

图11 某铁道线路溶洞、断层温纳装置探测反演电阻率等值线断面

根据现场地质调查, 结合反演电阻率等值线图, 推断线路里程130+421~130+500段基岩为志留系下统页岩; 线路里程130+500~130+523段为断层破碎带, 断层倾向小里程, 视倾角为79° ; 线路里程130+523~130+750段基岩为奥陶系下统灰岩, 其中在线路里程130+574、高程462 m处有一极高阻闭合圈, 电阻率值高出正常奥陶系灰岩电阻率, 推断线路里程130+560~130+582、高程在455~469的区域发育未填充的溶洞。

后在该剖面布置3个钻孔。Z1布置在130+486.5处, 孔深40 m, 钻孔岩心:0~5 m为块石土, 5~40 m为页岩, 岩体较破碎; 该段解释为志留系下统页岩, 与钻孔资料相应。钻孔Z2布置在130+521.1左4 m处, 孔深45.8 m, 0~5.5 m为块石土, 5.5~15.7 m为页岩, 岩体较破碎, 15.7~45.8 m为灰岩; 该钻孔位于推断的页岩与灰岩不整合接触性断层破碎带内, 这样的判释与钻孔资料是相吻合的。钻孔Z3布置在130+566处, 孔深53.7 m, 0~3.2 m为块石土, 3.2~35.1 m为灰岩, 35.1~41 m为溶洞, 未填充, 41~53.7 m为灰岩; 钻孔正好验证了通过极高阻闭合圈推断的未填充的溶洞。

此次温纳装置探测反演电阻率对断层的反应明显, 也验证了由极高阻闭合圈推断未填充溶洞的方法是正确可行的。

4 结论

1) 高密度电阻率法偶极装置对于低阻异常体和高阻异常体的探测效果均比较好, 适于浅埋型溶洞的探测; 温纳装置在探测高阻异常体时效果较好, 而对于低阻异常体的探测效果不佳, 仅适合于干燥空洞的探测, 同时温纳装置对高低阻岩性分界面的探测也有较好的适用性。

2) 高密度电阻率法的装置类型有数十种, 每种装置都有其优点和适用条件, 要想取得好的探测效果, 在野外实测前有必要根据探测目的进行室内模拟或现场试验, 选择最为有效的装置类型, 同时根据模拟或试验结果总结数据解译准则, 提高探测的准确性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 邓弟平, 王俊杰, 邓文杰, . 高密度电法在玄武岩熔空洞探测中的应用[J]. 重庆交通大学学报: 自然科学版, 2012, 31(1): 98-102. [本文引用:1]
[2] 王玉洲, 贾贵智, 方浩亮, . 高密度电法三维解释在岩溶勘察中的应用[C]//第九届全国工程地质大会论文集, 2012: 782-786. [本文引用:1]
[3] 周锡明, 陈超, 王佩业, . 高密度电法在山区浅表层结构调查中的应用[J]. 物探与化探, 2012, 36(2): 198-201. [本文引用:1]
[4] 燕艳朋, 王运生. 高密度电法地表探测在隧道施工地质预报中的应用. 现代隧道技术, 2011, 48(6): 128-131. [本文引用:1]
[5] 陈军, 杨川, 陈泽元. 地下隐蔽水库的高密度电法探测研究[J]. 地球物理学进展, 2015, 30(2): 934-939. [本文引用:1]
[6] 张永伟. 高密度电法对地下空洞的探测数值模拟研究[D]. 南昌: 华东交通大学, 2014. [本文引用:1]
[7] 李金铭. 电法勘探方法发展概况[J]. 物探与化探, 1996, 20(4): 250-258. [本文引用:1]
[8] 董浩斌, 王传雷. 高密度电法的发展与应用[J]. 地学前缘, 2003, 10(1): 171-176. [本文引用:1]
[9] 曾国, 崔德海, 刘杰, . 地震折射波法和高密度电法在隧道勘察中的应用[J]. 物探与化探, 2009, 33(5): 608-612. [本文引用:1]
[10] 罗有春, 邹俊, 王怀坤, . 高密度电阻率法在防空洞探测中的应用[J]. 重庆工学院学报: 自然科学版, 2008, 22(2): 127-130. [本文引用:1]
[11] 傅良魁. 应用地球物理教程[M]. 北京: 地质出版社, 1991. [本文引用:1]
[12] 严加永, 孟贵祥, 吕庆田, . 高密度电法的进展与展望[J]. 物探与化探, 2012, 36(4): 576-584. [本文引用:1]
[13] 杨振威, 严加永, 刘彦, . 高密度电阻率法研究进展[J]. 地质与勘探, 2012, 48(5): 969-978. [本文引用:1]