基于高密度电阻率法在岩溶勘查中应用_龚良钢.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-02-23修回日期 2020-03-07 第一作者简介 龚良钢 （1995-） ， 男 （汉族） ， 江西南昌人， 东华理工大学在读硕士研究生， 研究方向 测井资料解释评价。 基于高密度电阻率法在岩溶勘查中应用 龚良钢*， 张晓峰， 李红星 （东华理工大学地球物理与测控技术学院， 江西 南昌330013） 摘要 介绍了高密度电阻率法的基本原理及特点， 对池州地区进行了岩溶地质勘查。针对溶洞、 围 岩、 以及水的不同电性参数， 构建地电模型， 利用有限单元法进行正演计算。结合高密度电法正反 演， 对地下电性不均匀的地质体分辨率较高， 较为准确地判断出地下异常体的位置形状和埋深等， 为 后期施工提供了重要的参考价值及指导性意义。 关键词 高密度电法； 岩溶； 数值模拟； 勘察 中图分类号 P59 文献标识码 B 文章编号 1004-5716202011-0158-04 近年来， 随着国家的发展和进步， 工程建设不断发 展和深入， 己经成为关系民生的重要项目， 而不断发生 的工程事故己经严重威胁到人民和财产的安全， 所以 对于工程灾害的预防越发的重要[1]。岩溶作为工程建 设中一种典型的不良地质体， 是引起工程建设灾害的 重要原因。溶洞不仅会导致基岩而起伏很大， 并且会 产生较多的溶蚀带、 溶洞、 土洞等不良地质现象， 对建 筑物的结构安全带来极大的隐患和危险， 因此查明地 下岩溶的发育情况显得尤为重要。在工程建设中， 对 工区进行溶洞和溶蚀不良地质体的勘查， 仅通过钻探 的方法难以达到理想效果。为解决这一问题， 采用高 密度电法探测地下岩溶是一种行之有效的方法。因为 高密度电阻率法其理论基础是依据地下岩土的电性差 异， 通过观测人工电场的地下分布规律来推断不同电 阻率的岩矿体[2]。因其成本低、 数据采集密度大、 效率 高、 显示直观等优点而被广泛应用于岩溶勘察领域， 并 且取得了可观的经济效益。Yaodongping等[3]利用高密 度电法成功地对某高速公路石灰岩地区的各种溶洞进 行了识别。赵光辉等[4]在某高速公路勘查中运用高密 度电法， 并取得了预期效果， 该实例显示了高密度电法 在岩溶洞穴、 地质灾害等探测领域的实用性。吴亚楠[5] 等研究了高密度电法在岩溶地质勘查中的应用； 董浩 斌[6]等研究了高密度电法的应用与发展现状； 诸多学者 在探测岩溶发育时， 都使用到了高密度电阻率法， 并且 也取得了很好的效果。因此， 在前人的实践证明下， 高 密度电阻率法在勘探岩溶发育时是非常可行的。为了 更加真实地反映地下溶洞的分布情况， 本文以池州地 区 为 例 ， 利 用 高 密 度 电 法 进 行 勘 查 ， 并 且 基 于 Res2dmod软件， 针对溶洞、 围岩、 以及水的不同电性参 数， 构建地电模型， 利用有限单元法进行正演计算。并 结合经正演计算后得到的视电阻率断面图与反演视电 阻率断面图进行共同解释分析， 从中总结出不良地质 体的响应特征， 为后续的勘探、 解释溶洞的特征提供可 靠的依据， 并取得了较好的效果。 1高密度电法原理 高密度电法勘探是以地下岩矿石的电性差异为基 础， 通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布 规律来识别目标地质体[7]。本文采用温纳α排列装置， 其工作原理 当A、 B电极在供电时， M、 N电极在测量 电位差， 经过供电电流、 电位差和装置系数的运算， 得 出每测点的视电阻率值。测量时， AMMNNB为一 个电极间距， A、 B、 M、 N逐点同时向右移动， 得到第一 条剖面线； 接着AM、 NB增大一个电极间距， MN始终 为一个电极间距， A、 B、 M、 N逐点同时向右移动， 得到 另一条剖面线； 这样不断扫描测量下去， 得到倒梯形断 面的视电阻率等值线图。然后经过数据处理， 得到二 维反演图进行解释， 如图1所示。 2数值模拟 正演模拟是高密度电法理论中的重要内容， 高密 度电法正演模拟不仅能清晰地了解不同地电模型的电 性响应特征， 还能在实际应用中指导反演， 使资料解释 更加的符合实际情况， 提高准确性[8]。其过程如下 首 先根据野外采集的实际数据得到二维反演视电阻率断 面图； 其次利用实测二维反演视电阻率断面图建立初 158 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 始模型， 对初始模型进行正演计算， 得到正演计算后的 视电阻率断面图； 然后对比正演计算后的视电阻率断 面图和反演得到的二维视电阻率断面图。如果理论计 算与反演结果一致， 则认为当前构建的模型就符合实 际情况， 若不一致， 则需要修改模型重新进行正演计 算。如此反复地进行， 直到正演计算后的二维视电阻 率断面图和反演二维视电阻率断面图的相似度在一定 范围内， 这样就可以根据所建立的模型进行地质解释。 本次正演模型为一个由水填充后的低阻溶洞模 型， 假设其在理想状况下， 设立水平层状结构 （图2） 。 正演模拟采用的数值方法为有限单元法， 排列装置为 温纳α装置。测线总长为195m； 排列电极距为5m； 电 极数为60根； 层状模型的上部为一个厚度为5m， 电阻率 为90Ωm的覆盖层， 深度为0～5m； 深度5～25m电阻率 设为140Ωm， 深度25～45m电阻率设为220Ωm， 其最 后一层电阻率设为300Ωm。在这个水平层状模型中有 一个低阻异常体， 电阻率为30Ωm， 低阻异常体在地表 70～90m处， 异常体中心埋深为7m。通过有限单元正 演计算合成的视电阻率数据的断面图如图3所示。温纳 α装置的水平模型的响应视电阻率断面图表现出视电阻 率从浅部到深部逐渐增大， 其中对低阻异常体有着明显 地反映， 响应特征趋势上与设定的模型基本一致， 即证 实高密度电法正演数值模拟的可行性和有效性。 图1高密度电法工作示意图 图2正演模型 图3正演模拟视电阻率断面图 3应用实例 3.1工区概况及物性 场区位于贵池市开发区， 贵池区区政府办公区北 侧。原场地东侧、 南侧是耕地， 其余是山地， 现场地已 平整。工区内普遍存在积水， 并且深浅不一， 积水最深 20～30cm。场地覆盖层主要属第四纪全新世形成的一 般堆积土和新近堆积土， 为河流相冲洪积形成的二级 阶地地貌单元。根据研究区地质调查表明， 地下地层 主要分为五层。第一层多为耕土以及回填土； 第二层 为粘土 （Q4alpl） ； 第三层为中风化角砾岩 （K2x） ； 第四层 为中风化粉砂岩 （K2x） ； 第五层为中风化灰岩 （T1n） 。 研究区各介质的电阻率如表1所示， 而当溶洞充填水 159 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 时， 其电阻率为10～30Ωm， 与上述各介质之间都在明 显的电性差异， 即工区具备开展高密度电阻率的方法 进行溶洞探测的地球物理条件。 岩性 水 耕地和回填土 粘土 中风化角砾岩 中风化粉砂岩 中风化灰岩 电阻率 ＜50 50～100 80～180 100～220 100～300 ≥400 表1研究区各介质的电阻率（Ωm） 3.2数据处理 高密度电法 在工作中， 采用提高仪器供电电压方 法压制工业、 人工离散电流的干扰， 在资料整理时， 对 个别突变数据进行剔除， 如果突变数据个数超过规范 要求， 则进行现场改进并复测， 如果仍达不到要求， 则 该剖面数据作废处理。本次高密度电法工作时前后排 列重复30个电极， 作为质量观测检查。通过对质量观 测的300组数据进行统计， 并按如下公式进行均方相对 误差计算。 M 1 2n∑ i1 n m2i mi ||ρai-ρ′ai ρaiρ′ai 2 100 式中 M某个质量检查点 （站） 的均方相对误差； n某测点 （站） 的数据个数； mi第i个参加评定的单个极距的相对误差； ρai第i个数据的基本观测值； ρ′ai第i个数据的基本检查值。 3.3资料解释与成果 当岩溶主要发育在基岩顶部， 且延深也不大时， 在 视电阻率ρs等值线断面图上， ρs等值线呈阶梯状或漏斗 状， 有小范围封闭的低值异常区分布。当岩溶发育强 烈， 向下延深很大时， 在ρs等值线断面图上的ρs等值线 密集， 呈阶梯状或漏斗状， 有明显的低值异常区分布。 在ρs等值线平面上， 当异常呈窄条带状， 且异常明显， 幅 度又大时， 这往往反映岩溶发育连续性好但又不宽阔， 一般为管状岩溶通道； 当异常带宽， 异常幅度大时， 则 反映岩溶发育强烈， 范围也较宽阔， 主要为被粘土或淤 泥等物质充填的大溶洞或漏斗。 从图4 （a） 中我们可以推断出测线1表层蓝色区域 主要为地表水低阻所引起， 在70～90m之间， 存在明显 低阻区， 视电阻率远低于周围岩土介质的视电阻率， 其 中心埋深约为地下7m （R1） ， 视电阻率小于60Ωm ， 推 断为溶洞或地表积水侵入所引起； 在130～145m之间， 存在低阻区， 视电阻率低于周围岩土介质的视电阻率， 其中心埋深约为地下7m （R2） ， 视电阻率小于60Ωm ， 推断为溶洞或地表积水侵入所引起； 在170～185m之 间， 中心埋深约为地下7m （R3） ， 视电阻率小于60Ωm ， 推断为溶洞或地表积水侵入所引起； 在195～200m之 间， 中心埋深约为地下6m （R4） ， 视电阻率小于60Ωm， 推断为溶洞或地表积水侵入引起;在224～259m之间， 中心埋深地下10m （R5） ， 视电阻率小于60Ωm, 推断 为溶洞或地表积水侵入引起。其余部分不存在不良的 地质体， 基岩埋深在地下5～15m左右。图4 （b） 则是基 于测线1二维反演视电阻率断面图， 得到最佳的地电模 型， 再进行正演模拟得到的视电阻率断面图。在正演 模拟视电阻率断面图中其异常体的空间位置分布与二 维反演的视电阻率断面图对异常体的响应基本吻合。 从图5 （a） 可推断出测线2从浅至深， 电阻率均由 低至高， 反映上覆耕填土层为相对低阻， 为富水层。该 段耕填土层厚度较大， 耕填土层厚度约为5～15m。地 表250～265m之间， 中心埋深约为地下8m （R6） ， 电阻 率低于60Ωm， 推断为溶洞或地表积水侵入所引起。 地表200～220m之间 （R7） ， 中心埋深约为地下10m， 视 电阻率低于60Ωm， 推断为溶洞或地表积水侵入所引 起。地表180～188m之间， 中心埋深地下3.5m （R8） ， 视电阻率低于60Ωm， 推断为溶洞或地表积水侵入所 引起； 地表160～175m之间， 中心埋深地下2m （R9） ， 视 电阻率低于60Ωm， 推断为溶洞或地表积水侵入所引 起。其余部分不存在不良的地质体， 基岩埋深0～20m 之间。反演推断的结果也与正演模拟对地质异常体的 响应基本吻合， 其中由于R8和R9相隔距离较近， 在正 演模拟中就混在一体。见图5 （b） 。 基于此次高密度电法探测结果， 在9处推断为溶洞 的地方进行钻孔， 结果表明 R2主要为地表积水侵入 所引起， 其余都为溶洞， 这些溶洞均为全充填的状态填 充物主要为水、 岩屑和软土。钻孔结果与高密度电法 解释溶洞的位置基本一致。 4总结 通过数值模拟的技术方法以及在实际勘查中应用 研究， 得出以下几点认识 160 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 （1） 高密度电法对溶洞勘察具有良好的响应效果， 能够较为准确地查明溶洞的分布、 空间形态特征及埋 深， 是地球物理勘察溶洞发育的重要手段。 （2） 根据高密度正反演模拟结果可知， 高密度正演 模拟指导反演能够提高勘查溶洞发育及特征的解释精 度， 以及验证高密度电法反演的可行性。 （3） 高密度数值模拟技术是地球物理数据处理的 基础， 在实际勘探项目中有着明显的指导意义。 参考文献 [1]蒋富鹏, 肖宏跃, 刘垒， 等. 高密度电法在工程岩溶勘探中的 应用[J]. 工程地球物理学报, 2013, 10331-32. 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