高密度电阻率法在工程勘察中的应用.PDF

第 3卷 第 2期 2 0 0 6年 4月 工 往 球才 勿 理普 孑 艮 CHI NES E J 0URNAL 0F ENGI NEE RI NG GE0PHYS I C S V0 1 ． 3， No ． 2 Ap r ． ，2 0 0 6 文章编号 1 6 7 2 7 9 4 O 2 0 0 6 O 2 一O 1 1 9 一O 6 高密度电阻率法在工程勘察中的应用 李 富， 刘树才， 曹 军， 曾先贵 中国矿业大学资源学院 ， 江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 从高密度电阻率法的基本原理出发， 结合野外数据采集过程中装置形式的选择、 极距的确定和数据 质量 的保 证措施 ， 以及资料处 理解释过程 ， 可看 出高密度 电阻率明显 地优于其 它直 流电法 。结 合高密 度电 阻 率法 在工程勘察 中的实例 ， 验证 了高密度 电阻率法在 工程 勘察中的可行性 、 有 效性 和实用性 。 关键 词 高密度； 电阻率法； 勘察 ； 应用 中图分类号 P 6 3 1 ． 3 文献标识码 A 收稿 日期 2 o o 6 ～o 3 一o 9 APPLI CATI ON oF HI GH DENS I TY RES I S TI VI TY M ETHOD I N ENGI NEERI NG PROS PECTI NG LI Fu， LI U S h u - c a i ，C AO J u n， Z ENG Xi a n g u i Re s o u r c e s Sc h o o l ，C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 8 ， C hi n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e b a s i c p r i n c i p l e o f t h e h i g h d e n s i t y r e s i s t i v i t y me t h o d ，c o mb i n e d wi t h t h e c h o i c e o f t h e d e v i c e ，t h e s e t t i n g o f t h e p o l e d i s t a n c e ，t h e q u a l i t y o f t h e d a t a i n t h e o u t s i d e f i e l d a n d t h e d a t a p r o c e s s i n t e r p r e t a t i o n，we c a n s e e t h a t t h e h i g h d e n s i t y r e s i s t i v i t y me t h o d i s mu c h b e t t e r t h a n t h e o t h e r r e s i s t i v i t y me t h o d s ．Th r o u g h t h e e x a mp l e s o f h i g h d e n s i t y r e s i s t i v i t y me t h o d i n e n g i n e e r i n g p r o s p e c t i n g ，i t h a s v e r i f i e d i t s f e a s i b i l i t y，v a l i d i t y a n d p r a c t i c a l i t y ． Ke y wo r d s h i g h d e n s i t y； r e s i s t i v i t y； p r o s p e c t i n g； a p p l i c a t i o n 1 引 言 在工程与环境地质勘查 中， 常常 由于现场 问 题的复杂性 ， 造成常规的电法勘探很难满 足现场 实际工作的需要 。此时 ， 被称为地学 中 C T的高 密度电阻率法表现 出很大的优点 。高密度电阻率 法 又称电阻率影像法 是 日本地质计测株式会社 在 2 O世纪 8 O年代 中期首先提 出的 ， 并利用手动 转换实现 了野外 数据 采集[ 1 ] 。2 0世 纪 8 O年代 末 ， 我 国对该方法技 术和仪器设备进行 了开发研 究。进入 2 O世纪 9 O年代 ， 地矿部研制成高密度 电阻率 自动测量系统 ， 并逐步应用于工程勘探之 中。研究高密度电法的方法技术和仪器的主要有 中国地质大学 、 中国矿业大学等 ， 生产仪器 的还有 吉林大学 、 重庆地质仪器厂等有关单位 。相对于 常规电阻率法而言 ， 它具备 以下特点L 2 ] 1 电极布设是一次完成的， 这不仅减少 因电 极设置而引起 的故障和干扰 ， 而且 为野外数据 的 快速和 自动测量奠定 了基础 。 2 能有效地进行多种 电极排列方式的扫描测 量 ， 因而可以获得较 丰富的关于地电断面结 构特 作者 简介 李 富 1 9 8 0 一 ， 男 ， 汉族 ， 中国矿业大学资 源学 院 2 0 0 4级在读硕士研究生。E - ma i l l i f u 8 0 0 9 1 2 6 ． c o rn 维普资讯 1 2 0 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 3卷 征的地质信息。 3 野外数据采集 实现 了自动化或半 自动化 ， 不仅采集速度快 ， 而且避免了由于手工操作所 出 现的错误 。 4 可以对资料进行预处理并显示剖面曲线状 态 ， 脱机处理后还可 以自动绘制和打印各种成果 图件 。 5 与传统的电阻率法相 比， 成本低 、 效率 高、 信息丰富、 解释方便 、 勘探能力显著提高 。 目前 ， 高密度电阻率法主要应用有 基岩面调 查 、 隧道渗漏探测 、 断层探测 、 管线探测 、 城市地下 埋藏物探测、 路面塌 陷调查、 岩溶探测、 注浆效果 检测等。 2 高密度电阻率法的基本原理 高密度电阻率法 与常规直流 电法一样 ， 是利 用天然或人工 电场 ， 对不同岩层的电性差异引起 的电场异常 ， 查 明岩层和构造等问题 。 高密度电阻率法首先采用三电位 电极系 即 口 、 、 y装置 ， 在地面上进行二维测量 。后来 ， 研 究提出阵列电探系统 ， 它不仅增加了装置序列 ， 而 且可在井孔 中实现 C T 成像 。2 O世 纪 9 O年代 后 ， 阵列电探系统开始往三维 电阻率测量方面发 展 ， 并成功地实现了少量电极 、 小网格的正反演理 论计算 ， 研制 出了各种 各样的处理 软件 。三电位 电极系是将温纳 四极 、 偶极及微分装置按一定方 式组合所构成的一种统一测量系统 ， 该 系统在实 测 中， 只须利用电极转换开关 ， 便可将每四个相邻 对 称 四极 装置 We n n e r 微舯 装置 W- y 电极进行一次组合 ， 从 而在一个测点便可获得多 种电极 排列 的测量参 数 图 1 。当点距设 为 时 ， 三电位电系统 的电极距为 a z ” 一1 ， 2 ， 3 ， ⋯， 1 5 ， ”为隔离系数。根据三种 电极排列 的 电场分布 ， 可得出视电阻率的关系式[ 2 ] 告 知 式中 I。 ； ， ， I 。 分别为 a ， ， y三种装置形式 的视电 阻率表达式 ， 可以看出三者之间的联系， 因此当已 知任意两种装置的视 参数 时， 便可 以通过 以上关 系计算另一个视参数。 3 野外工作方法 3 ． 1 装置形式的选择 高密度电阻率法有多种装置形式 ， 如 Ge o P e r t 公司 的 E 6 0 B N 高 密度 电法 仪 的装 置 形式 有 P o l e P o l e 、P P o l e P o l e 、P o l e Di p o l e 、Di p o l e - Di p o l e 、 S c h l u mb e r g e r 、 We n n e r 、 P s D e 1 t V等。各种 装置在观测时有不同的侧重点 ， 应 根据不同的地 质任务来选择不同的装置形式 ， 同时也可以多种 装置联合使用 ， 以达到最佳的勘探效果 。 3 ． 2极距 的确 定 极距的选择取决于地质对象的埋藏深度和勘 探的精度 。地质对象的埋藏深度决定供电电极距 AB的大小 ， 一般应按照 AB≥3 H H 为探测深 度 。探测精度主要 由测量 电极 MN 来确定 ， 要 提高探测精度， 就必须减少 电极距 MN。但在工 作中， 其供电电极与测量 电极是一次性布设的 ， 电 偶极 装 置 Di p o l e Dip o l e 三 极 装 置 B - MN 图 l 电极排列 方式示意图 F i g ． 1 Th e a r r a y o f t h e p o l e M N 三极 装置 一 MN 维普资讯 第 2期 李富等 高密度 电阻率法在工 程勘察中 的应用 1 2 1 极由转换开关控制 ， 排列中的某两根电极既作为供 1 数据转换 电电极 AB， 下一测点 又作测量 电极 MN。所 以勘 该仪器 自带 的软件 由 Hx l d f f i l e ． e x e 、 B a s e a l 1 ． 探精度与探测深度是相互影响的， 在电极距 布设d l l 、 B a s e d l 1 ． d l l 三部分组成。打开 GP E MS ， 进入 时， 既要考虑探测深度 ， 又要兼顾勘探精度口 ] 。 主界面后 ， 打开文件 以 e ms 为后缀的文件 。如欲 3 ． 3 数据采集质量的保证措施 进行数据拼接 采集的图形为矩形或平行 四边形的 1 仪器本身的性能完好 ； 数据文件 ， 则选择“ Me r g e ” ， 而后按提示进行 数据 2 尽量减少金属 物的接触 ， 减少地形条件 的 拼接。然后点“ S a v e ” ， 将文件 分别保存 为一个 *． 影响 ；t x t 和 一个 *． d a t文件 ， 以备 在用 S u r f e r 软 件 和 3 无穷远电极布置要合理 ； R e s 2 D i n v 软件对文件进行处理时使用。 4 尽可能的改善电极的接地条件 ； 2 数据处理 5 尽可能的把仪 器和导线放在干燥 的地方 ， 首先 ， 应用 S u r f e r软件进行处理 ， 打开 上 面 以防止漏电情况发生 ； 保存的 *． t x t文件， 进 行 网格化 常选用 克里格 6 最好采取方波 比较读 数法 ， 并多次读数取 法 ， 生成一个 *． g r d文件 ， 然后进行等值线 的绘 平均 ， 降低观测 的偶然误差和随机干扰 。 制， 生成所需要的 *． s r f 文件 。如需要 白化 ， 还要 3 ． 4 E 6 0 B N仪器介绍 编写 *． b l n文件 ， 然后在先打开 *． g r d的基 础上 随着电子技术的发展， 高密度电阻率法的仪器 打开 *． b l n文件 ， 形成一个 *． o u t 文件 。详见 越来越先进 ， 提高了野外 的数据采集效率和质量。 参考文献[ - 4 - 1 。 现对 G e o P e n公司的 E 6 0 B N系统做如下介绍 其次 ， 应用 R e s 2 Di n v软件 ， 先读上面保存 的 1 通道数 最大可接 6 5 5 2 5个电极开关 *． d a t 文件 ， 再选取反演参 数， 进行反演 ， 最后保 2 采样精度 1 F V 存图形 。同时该软件提供“ 非值” 的去除 、 大 数据 3 装置形式 三 电位电极系各种装置可供选择 拼接 、 改变起始电极位置等处理 。详见 R e s 2 D i n v 4 最大输 出峰 值功率 4 0 0 V／ 0 ． 5 A 内置 ， 说明书 。 l O O O V／ 6 A t [ - 接 3 成像与解释 5 脉冲类型 方波 ， 脉 冲长度 1 S 、 2 s 、 4 s和 8 s 对处理后 的图形进行打印 ， 结合地质构造、 钻 程控可选 孑 L 资料和 目标体与周围介质 的物性差异特点来进 6 数据采集 全 自动 行综合分析判断 ， 得出推断解释的结果 。 7 数据传输 US B接 口， P a r a l l e l 并 口， S e r i a l 标 准串 口 ， 可 外 接鼠 标 或 标 准 外 置 键 盘 5 应用实例 8 资料处理 软件支持各种操作系统 9 应用领域 各种工程 、 环境的地质勘察 。 5 地施工过程 中， 为不破坏 下水管 4资 料 处 理 与 解 释 萎 高密度电阻率数据处理与成像过程如下 NP o l e D i p o l e 。 从 图像 可以看出 ， 测点4 2 m De p t h I te r a t i o n 3 RMS e r r o r 1 9 ． 3 ％x ／ m O 4 2 ． 3 g 3 ． 6 5 ． 1 7 1 9 ． 6 v e r s e mo d e l r e s i s t i v i t y s e c t i o n W,9 m ■ ■ _0 _5 -圆 圆2 亏， 乒 V - - 1 视 龟 衅 Re s i s t i v i ty ／ Gm 图 2 某下水 管道探测 图 Fi g ． 2 Th e d e t e c t i o n r e s u l t o f t h e s e we r 维普资讯 1 2 2 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 3卷 正下方深部 2 ． 2 m到 4 ． 5 m处 ， 出现椭圆形的高阻 异常 ， 推测为下水管道的位置 ， 后经施工验证所得 结 论正确 。 5 ． 2 岩溶探 测 徐州某地处 于灰 岩区， 该 区地下溶 洞发 育。 图 3为其中一条测线 的高密度 电阻率探测图像 ， 采用上面介绍 的 R e s 2 D i n v软件进 行反演 ， 采用 的装置形式为 We n n e r装置， 电极极 4 m， 设置层 参数为 1 2层。从图像可以看出溶洞表现为低阻， 围岩相对为高阻， 反映非常明显。本结果得到后 续的钻探验证 。 5 ． 3 注 浆效 果检 测 图 4为某地基注浆前后的对比情况 。为 了方 便对 比， 注浆前后采用的是同一装置形式及参数 ， 均为三极装置 ， 电极极距为 3 m， 设置层参数 6层。 采用双边三极装置 AMN 和 MNB 可以避免一 种装置侧重一种地质 问题的缺点 ， 在地质情况不 明确时 ， 采用双边三极装置是最有效 的， 既工作量 小， 又能进行多种地质勘察任务 。图 4 a 出现低 阻异常 ， 是富水区， 需要注浆加固，图 4 b 可以 De p t h I t e r a t i o n 3 RM S e r r o r 4 ． 9 ％x ／ m 0 ． 0 6 4 ． 0 1 2 8 l 9 2 31 ． 0 40． 4 ■● 5 ． 麟 叠 i l 一 ir r Re s i s t i v i t y ／ n‘ m 图 3 某地基岩溶探 测图 Fi g ． 3 Th e d e t e c t i o n r e s u l t o f f o u n d a t i o n k a r s t De p t h I t e r a t i o n 3 RMS e r r o r 3 4 ． 5 ％x ／ m ．1 2 ． 0 0 ． 0 1 2 ． 0 2 4 ． 0 3 6 O 4 8 ． 0 0． 6 1 ． 8 3． 1 目 4 ． 6 6． 1 7 ． 8 9 ． 7 _ l 墨 ■ 一 l 蟹 _ - 。l _ 霞礴 _ I； l j I 圜 i 霾 一■ 一 ■●■●■●■● _■●■●鼹鼹 圈园口譬 二 ] 口口口视 电阻率 1 ． 5 0 2l 8 4 5 ． 4 0 1 0 ． 3 I 9 ． 5 3 7 ． 1 7 0 ． 5 1 3 4 De p th I t e r a t i o n 3 RMS e r r o r 2 4 ． I ％ ／ m -1 2 ． 0 0 ． 0 I 2 ． 0 2 4．0 3 6 ． 0 48 ． 0 i 8 一 v e r s e m o d e l r e s i s t i v i ty s e c t i o n 一■一 一■一 一■一 ■一 ■一 ■一 圆圆圆口[ 口[] 口视 电阻率 I 7 9 2 8 9 4 6 6 7 5IRe s i s t i 1 2v ．t I t v ／ m 9 5 31． 4 5 0． 6 b 图 4 某地 基注浆效果图 a 注浆前 ； b 注浆 后 F i g ． 4 Th e g r o u t i n g r e s u l t o f a f o u n d a t i o n a b e f o r e g r o u t i ng b a f t e r g r o u t i n g 维普资讯 第 2期 李富 等 高密度 电阻率法在工程勘察 中的应用 1 2 3 De p t h I t e r a t io n 3 RMS e r r o r 3 ． 1 ％ 0 ． 0 32 ．0 v e r s e mo d e l r e s i s t i v i t y s e c t i o n ■一 ■一 一■一 ●■● ■一■一 嘲圆圈四回口[][] 口 4 ． 8 3 5 ． 7 4 6 ． 8 3 8 ． 1 2 9 ．6 6 1 1 ． 5 1 3 ． 7 1 6 ． 3 R e s i s t i v i t y ／ m 图 5 基岩面探测 图一 Fi g ． 5 Th e f i r s t d e t e c t i o n r e s u l t o f a b e d r o c k b a s e De pth I t e r a t i o n 3 R M S e r r o F 1 6 2 ％ 3．3l 7 ．4 7 l 6 ． 8 3 7 ． 9 8 5．4 1 9 2 4 3 4 9 7 7 Re s i s t i v i t y ／ ft． m 图 6 基 岩面探测图二 F i g ． 6 Th e s e c o n d d e t e c t i o n r e s u l t o f a b e d r o c k b a s e 看出， 注浆加固后， 由于水泥浆 的凝固 ， 同时也浸 入到周围的风化基岩中， 所 以形成一 大片的高阻 异常。可以证明注浆效果是非常明显的 。 5 ． 4基岩面 探测 一 基岩面勘察是工程勘 察 中最 重要 的组 成部 分 。图 5 是某工地的基岩 面探测情况 ， 从图中可 看 出从 6 ． 5 m 以下 开始 见 到基 岩 ， 基 岩 略有 起 伏 ， 向左边倾斜 ， 分层十分明显 ， 与钻孔资料相吻合 。 这说明其基岩的岩性不同， 有电性差异 ， 使用高密 度 电阻率法探测能查 明基岩面的情况 。 5 ． 5 基岩 面探 测二 图 6是某工地的基岩面探测情况 ， 该场地的 地层结构为杂填土、 粘土、 中风化石灰岩 、 中风化 泥灰岩和中风化石灰岩 ， 杂填土主要 以开挖基础 爆破的基岩为主， 另外含有砖瓦块等 ， 粘土的土质 尚均 ， 含有 F e 、 Mn质结核 ， 中风化石灰岩块状构 造， 本 次采用双边三级 装置 ， 电极距 为 4 m， 设置 1 3层。从图中可看 出中间出现明显一层低阻层 ， 这正 是粘土 层 含水 和 导 电介 质 的反 映 ， 从 1 5 m 开 始见到基岩 ， 基岩面起伏较 大 中间凸起 ， 分层很 明显 ， 与钻孔资料相吻合 ， 这说明利用高密度 电阻 率法探测查明基岩面是可行 的。如果用电测深或 电剖面进行测量 ， 只能得出其等值线图， 其工作量 大 ， 且分层能力不如高密度电阻率法好 。 6 结论 1 在工程勘察中 ， 高密度 电阻率法集电测深 与电剖面于一体 ， 与其它电法相 比具 有明显 的优 势 。 2 从各种实例可看出， 高密度 电阻率法 的应 用范围广 ， 并且效果显著 ， 其双 三极 装置 P o l e Di p o l e 应用最为普遍 。 3 高密度 电阻率法采 集 的地质 数据 信息 丰 富 ， 这 为电阻率成像提供了数据量 的保障， 增强抗 干扰的能力 ， 还提高了探测精度。 4 使用 R e s 2 Di n v成像 技术 ， 图形直观 ， 算法 稳定 ， 并结合 钻孔资料进行解释 ， 减少了异常存在 的多解 性 问题 。 维普资讯 1 2 4 工 程 地 球 物 理 学 报 C h i n e s e J o u rna l o f E n g i n e e r i n g G e o p h y s i c s 第 3卷 参考文献 [ 1 ]董浩斌， 王传雷． 高密度电法的发展与应用[ J ] ． 地学 前缘， 2 0 0 3 ， 1 0 1 1 7 1 1 7 5 ． [ 2 ] 王兴泰． 工程与环境物探新方法新技术[ M] ． 北京 地 质出版社 ， 1 9 9 6 ． 1 0 8 1 0 9 ． [ 3 ] 李志聘． 煤田电法勘探[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版 社， 1 9 9 0 ． [ 4 ] 王建， 白世彪 ， 陈哗． S u r f e r 8地理信息制图[ M] ． 北 京 中国地图出版社， 2 0 0 4 ． 9 4 1 o 0 ． 工程地球物理学报 征稿简则 本刊是由中国地质大学 武汉 和长江大学联合主办， 国内外公开发行的工程地球物理类专业学术 期刊。为提高刊登论文的代表性， 加强本刊在国内外的学术辐射， 特面向国内外公开征稿。欢迎地球物 理 学界及相关领域的专家、 学人投稿。 1 ． 稿件内容 本刊主要刊登工程、 环境地球物理的新理论、 新方法、 新技术； 重磁、 地震、 电磁法、 地质 雷达、 核磁共振等方法的应用新成果； 工程勘察 尤其是国家重大、 重点3 - 程 和环境勘察中的新技术新 成果 ； G P S 、 G I S 、 R S技术应用新方法新领域 ； 地球物理资料采集、 资料处理和反演方面的新进展 ； 以及适 用于工程和环境领域的地球物理仪器等方面的学术论文， 稿件要求具有较高的学术水平或重要的工程 应 用价值 。 2 ． 稿件要求 来稿应符合科技论文著作要求， 论点明确、 论证严谨、 论据充分、 内容创新、 数据可靠、 方法科学、 结论文字通顺简洁， 字数在 8 0 0 0字以内。来稿应采用法定计量单位， 采用国家有关出版标 准。著录格式参见本刊 投稿须知 。 3 ． 投稿约定 所有来稿应打印清楚， 交磁盘者同时附打印稿， 欢迎电子邮件方式投稿； 不可一稿多 投 ； 一经投稿 ， 视 为作者授权本刊编辑部可作不影响作者论点的必要性 文字加工。 4 ． 编辑部收到来稿后， 立即给作者收稿回执并组织同行专家审阅， 根据审稿情况立即与作者沟通稿 件处理意见 同意刊登或需要修改等 ， 一经刊用， 酌付稿酬。对于投稿两个月后 以收稿邮戳为凭 无 答复者， 作者可以查询或 自行处理。 5 ． 本刊除印刷版外， 同时入编清华大学出版社 出版的 中国学术期刊 光盘版 、 中国期刊网 网 址 h t t p ／ ／ G C D Q． c h i n a j o u ma 1 ．n e t ． e n 、 万方数据 C h i n a I n f o 系统科技期刊群。本刊 所付稿酬包含刊 物上网服务报酬， 其它不再另付。若有异议者， 请提前说明。 6 ． 编辑部地址 武汉市鲁磨路 3 8 8号 ， 中国地质大学 武汉 校 内， 工程地球物理学报 编辑部。 电话 0 2 7 6 7 8 8 3 6 8 2 6 7 8 8 3 6 8 1 传真 0 2 7 6 7 8 8 3 6 8 1 邮编 4 3 0 0 7 4 E m a i l c j e g c u g ． e d u ， e n 网． h t t p ／ ／ u n i t ． c u g ． e d u ． c n ／ g c d q wl ／ h t t p ／ ／ g c d q ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． e n 维普资讯