高密度電法在西嶺雪山蓄水池穩(wěn)定性探測(cè)中的應(yīng)用

譚大龍，庹先國(guó)，趙思維

(成都理工大學(xué) 先達(dá)工作室，四川成都610059)

高密度電法在西嶺雪山蓄水池穩(wěn)定性探測(cè)中的應(yīng)用

譚大龍，庹先國(guó)，趙思維

(成都理工大學(xué) 先達(dá)工作室，四川成都610059)

通過(guò)對(duì)待建西嶺雪山蓄水池工區(qū)進(jìn)行的淺層勘測(cè)，對(duì)工區(qū)覆蓋層與基巖電性差異和裂隙異常特征研究，并與鉆孔資料進(jìn)行比對(duì)、校正。結(jié)果表明，工區(qū)范圍內(nèi)的覆蓋層與基巖，以及裂隙與圍巖存在明顯電性差異。經(jīng)過(guò)軟件反演后的測(cè)線視電阻率異常特征和斷面，清晰地反映出地下基巖起伏和裂隙地下延展分布、地下埋深情況，進(jìn)而可圈定不良地質(zhì)體規(guī)模，為待建蓄水池提供了地質(zhì)依據(jù)。

高密度電法;覆蓋層厚度;裂隙

0 前言

高密度電阻率法是工程地球物理勘探的主要方法，作為輕便、快捷、經(jīng)濟(jì)有效的工程地質(zhì)勘探與地下工程質(zhì)量檢測(cè)手段，高密度電阻率法已被國(guó)內(nèi)、外工程界所共識(shí)。由于它是一種以研究地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理基礎(chǔ)，集電剖面和電測(cè)深為一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量的一種電阻率勘查技術(shù)。同時(shí)加上計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理與成像技術(shù)，又把大量煩瑣的數(shù)據(jù)計(jì)算，成像處理變得快速準(zhǔn)確，大大提高了探測(cè)效率和成功率，因此該方法與其它物探方法相比，具有更強(qiáng)的優(yōu)越性。目前在金屬與非金屬礦產(chǎn)、地質(zhì)、構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)災(zāi)害、考古、巖溶洞穴景觀資源調(diào)查等各領(lǐng)域中，該方法都得到了廣泛地推廣應(yīng)用，解決了諸多實(shí)際問(wèn)題，產(chǎn)生了很大的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

1 高密度電法的工作原理及方法

1．1 工作原理

高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法的一個(gè)變種，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同，仍然以巖石、礦石的電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律，來(lái)解決礦產(chǎn)資源、環(huán)境和工程地質(zhì)問(wèn)題。當(dāng)人工向地下加載直流電流時(shí)，在地表利用相應(yīng)儀器觀測(cè)其電場(chǎng)分布，通過(guò)研究這種人工施加電場(chǎng)的分布規(guī)律，來(lái)達(dá)到要解決地質(zhì)問(wèn)題的目的，研究在施加電場(chǎng)的作用下，地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。在求解其電場(chǎng)分布時(shí)，理論上一般采用解析法，其電場(chǎng)分布滿(mǎn)足式(1)的偏微分方程:

其中x0、y0、z0為電場(chǎng)點(diǎn)坐標(biāo);x1、y1、z1為源點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)x0≠x1、y0≠y1、z0≠z1時(shí)，即只考慮無(wú)源空間時(shí)，式(1)變?yōu)槔绽狗匠?▽2U。但是在復(fù)雜條件下，無(wú)法求得拉氏方程的解析解，因此主要是采用各種數(shù)值模擬方法。例如:二維地電模型使用點(diǎn)源二維有限元法，三維地電模型則使用有限差分法等來(lái)解決上述問(wèn)題。

高密度電阻率法在工作時(shí)，與常規(guī)電阻率方法在原理上是一樣的。電阻率的求取通過(guò)給AB極供電I，利用MN測(cè)量電位差▽V而獲得。在實(shí)際中，通*過(guò)式(2)可以求得測(cè)點(diǎn)x處的視電阻率值。

目前的高密度電阻率法，實(shí)際上是多種排列的常規(guī)電阻率法與資料自動(dòng)處理相結(jié)合的一種綜合方法。

1．2 工作方法

高密度觀測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集和資料處理二部份，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只需要將全部電極設(shè)置在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上，觀測(cè)密度遠(yuǎn)比常規(guī)的電阻率法大，一般從1 m～10 m。采用多芯電纜連接到程控式多路電極開(kāi)關(guān)上，電極開(kāi)關(guān)是一種由單片機(jī)控制的電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，可以根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行電極裝置形式、極距及測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。其野外采集示意圖如圖1所示。

圖1 高密度電阻率法勘探系統(tǒng)示意圖Fig．1 High-density resistivity prospecting system diagram

溫納α裝置:根據(jù)電極排列特點(diǎn)是A、M、N、B(其中A、B為供電電極，M、N為測(cè)量電極)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、M、N、B逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面;接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極距，A、M、N、B逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面。這樣不斷掃描測(cè)量下去，可以得到倒梯形斷面，數(shù)據(jù)圖形的排列方式為倒梯形(見(jiàn)圖2)。

高密度原始數(shù)據(jù)格式經(jīng)轉(zhuǎn)換后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括剔除壞數(shù)據(jù)，并對(duì)發(fā)生嚴(yán)重畸變的數(shù)據(jù)采用內(nèi)插值方法處理;然后建立地形模型進(jìn)行地形校正。正演計(jì)算時(shí)采用三種不同的方法進(jìn)行正演，對(duì)比三種效果，選擇最優(yōu)正演結(jié)果，采用圓滑約束最小二乘法反演迭代生成反演圖像。

2 工區(qū)勘探

2．1 勘察背景

西嶺雪山蓄水池位于大邑縣西嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，距西嶺鎮(zhèn)22 km，距大邑縣城約45 km，屬于龍門(mén)山南端。在地貌上屬中山區(qū)～高中山區(qū)，地勢(shì)南西高，北東低，起伏較大，地貌形態(tài)主要為高山及陡坡，山脊和溝谷相間發(fā)育，在地表徑流侵蝕作用下，沖溝快速、強(qiáng)烈下切，多為“V”字型，海拔高程1 350 m～1 700 m，高差約350.00 m。為了查清工區(qū)范圍內(nèi)在5·12震后圍巖構(gòu)造發(fā)育情況，查明基巖埋深以及斷層或裂隙的情況，作者對(duì)該工區(qū)開(kāi)展了高密度電法勘探，取得了較好的效果，為工區(qū)修建蓄水池提供了指導(dǎo)依據(jù)。根據(jù)實(shí)際勘測(cè)，測(cè)得工區(qū)范圍內(nèi)各介質(zhì)電阻率參數(shù)范圍，為高密度電法勘測(cè)奠定了基礎(chǔ)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 工區(qū)內(nèi)各介質(zhì)的電阻率參數(shù)表Tab．1 The resistivity of the variousmedia in working area

2．2 測(cè)線布置

圖2 溫吶α數(shù)據(jù)采集圖Fig．2 WNαdata collection chart

為了查明工區(qū)地下地質(zhì)體的狀況，結(jié)合實(shí)際情況，作者采用了溫納α裝置，按由南向北的方向平行地布置了四條測(cè)線，其中間距為20m，點(diǎn)距為2m。對(duì)每個(gè)裝置數(shù)據(jù)采集多次，并取效果比較好的一次作為最終的結(jié)果，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。具體測(cè)線布置情況如圖3所示。

2．3 勘察效果及解譯

從圖4中可以清晰地反映出所測(cè)斷面電性的變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結(jié)合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

圖3 測(cè)線布置示意圖Fig．3 Schematic layout of suvey line

(1)測(cè)線以高視電阻率為背景值，范圍在40Ω·m～2 000Ω·m之間;在測(cè)線0 m～50 m，埋深在3 m～5 m，在測(cè)線70 m～170 m，埋深在6 m～8 m，視電阻率約為60Ω·m～200Ω·m，推測(cè)可能為素填土、粘土、碎石土等含水的低阻覆蓋層。

(2)因基巖的含水率較低，反應(yīng)出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從圖5中可以清晰地反映出所測(cè)斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結(jié)合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

(1)測(cè)線以高視電阻率為背景值，范圍在30Ω·m～2 000Ω·m之間。從圖5可以看出，覆蓋層厚度增加了，且含水量增大，埋深約為9 m～11 m，視電阻率約為30Ω·m～150Ω·m。

(2)在測(cè)線100 m處，開(kāi)始出現(xiàn)向下延伸的低阻異常條帶，推測(cè)其可能因斷層或裂隙含水所致，視電阻率在50Ω·m～150Ω·m。

(3)埋深在10 m～20 m左右，出現(xiàn)視電阻率在200Ω·m～400Ω·m之間的不連續(xù)區(qū)域，推測(cè)可能為表層的高含水率侵蝕、風(fēng)化基巖，而形成低視電阻率的表層破碎的基巖。

(4)因基巖的含水率較低，反應(yīng)出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從下頁(yè)圖6中可以清晰地反映出所測(cè)斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況。結(jié)合鉆孔揭露，可以分析得出巖性電阻率值和覆蓋層、基巖地下分布情況:

(1)成果圖背景視電阻率值偏低，范圍在30Ω·m～1 000Ω·m左右。從圖6可以看出，覆蓋層厚度進(jìn)一步增加，埋深約為8 m～12 m，視電阻率約為0Ω·m～150Ω·m。

圖4 測(cè)線視電阻率成果圖Fig．4 The results of apparent resistivity survey line

圖5 測(cè)線視電阻率成果圖Fig．5 The results of apparent resistivity survey line

(2)在測(cè)線100 m處開(kāi)始出現(xiàn)向下延伸的低阻異常條帶，推測(cè)其可能為斷層或裂隙含水所致，視電阻率在50Ω·m～150Ω·m。

(3)埋深在10 m～20 m左右，出現(xiàn)視電阻率在200Ω·m～350Ω·m間的不連續(xù)區(qū)域，推測(cè)可能為表層的高含水率侵蝕、風(fēng)化基巖，而形成低視電阻率的表層基巖破碎。

(4)因基巖的含水率較低，反應(yīng)出高電阻率值范圍在200Ω·m～2 000Ω·m左右。

從圖7中可以清晰地反映出所測(cè)斷面電性變化，以及不同巖性的物理特征和它形成的電性分布情況，可以分析得出巖性電阻率參數(shù)和覆蓋層厚度分別為:

(1)測(cè)線以高視電阻率為背景值，范圍在40Ω·m～2 000Ω·m左右。

(2)從圖7可以看出，包含素填土、粘土、碎石土等含水低阻覆蓋層厚度急劇減小，且含水率降低，埋深約為6 m～8 m，視電阻率約為50Ω·m～150Ω·m。

(3)在測(cè)線100 m處的斷層或裂隙已經(jīng)消失。

3 勘測(cè)結(jié)果與鉆孔資料對(duì)比

本次高密度勘探是與鉆探同時(shí)進(jìn)行的。因此，得出了該工區(qū)各巖性視電阻率的對(duì)應(yīng)范圍，根據(jù)鉆孔內(nèi)巖性的深度，對(duì)高密度電法剖面巖性分層情況進(jìn)行了校正，提高了工區(qū)高密度電法勘探的精度。在測(cè)線XL－3上有鉆孔ZK9。根據(jù)鉆孔柱狀圖(見(jiàn)下頁(yè)圖8)可知:覆蓋層厚度在13 m左右，結(jié)果與電法成果圖12 m推斷結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

從測(cè)線XL－1～XL－4來(lái)看:

(1)通過(guò)視電阻率剖面圖和鉆孔資料的綜合比對(duì)，確定了覆蓋層(包含素填土、粘土、碎石土等含水低阻層)的視電阻率值范圍在0Ω·m～200Ω·m，確定了基巖范圍在200Ω·m～2 000Ω·m。覆蓋層和基巖在成果圖反應(yīng)的視電阻率范圍的差異，是高密度電法能勘察它們的重要基礎(chǔ)。通過(guò)四條測(cè)線覆蓋層的劃分和綜合對(duì)比分析可以看出:待建蓄水池位置處的軟土覆蓋層厚度，是由西向東呈現(xiàn)先增大后減小的凹字形分布。雖然基巖面不平整，但凹字形的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)待建蓄水池項(xiàng)目來(lái)說(shuō)不存在大的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)通過(guò)視電阻率剖面圖，發(fā)現(xiàn)測(cè)線XL－2和XL－3的劃分為基巖層，存在明顯不同周?chē)曤娮杪手档牡鸵曤娮杪蕳l帶，并有向下延伸的趨勢(shì)，其寬度范圍在10 m左右。對(duì)完整的基巖來(lái)說(shuō)，由于孔隙率小和含水量低的特點(diǎn)，所以本應(yīng)呈現(xiàn)高視電阻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了低視電阻率條帶，推測(cè)其可能為小斷層或基巖裂隙含水而形成低視電阻率條帶。這種不良地質(zhì)體使待建的蓄水池存在較大風(fēng)險(xiǎn)，建議在該位置處加鉆孔以確認(rèn)(見(jiàn)圖9)。

圖6 測(cè)線視電阻率成果圖Fig．6 The results of apparent resistivity survey line

圖7 測(cè)線視電阻率成果圖Fig．7 The results of apparent resistivity survey line

圖8 CDZK9鉆孔柱狀圖Fig．8 Drilling colum

圖9 勘測(cè)成果圖Fig．9 Surveying results

通過(guò)高密度電法在西嶺雪山工區(qū)的應(yīng)用研究，可以得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)通過(guò)本次勘察，基本查明了剖面段地表下20 m深度范圍內(nèi)覆蓋層分布、構(gòu)造起伏變化。

(2)通過(guò)高密度電法勘探結(jié)果，在剖面范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一條可疑斷層或基巖裂隙，查明了其大概位置和走向，下延深度超過(guò)20 m，長(zhǎng)度為20 m～60 m，方向?yàn)闁|西向。

(3)高密度電法與其它物探方法一樣，當(dāng)探測(cè)目的體與圍巖存在一定的物性差異，將會(huì)取得滿(mǎn)意的勘探效果。如在本次勘探中，覆蓋層視電阻率值在30Ω·m～200Ω·m，基巖視電阻率在150Ω·m～2 000Ω·m，因其范圍差異較明顯，可以很好地劃分覆蓋層、基巖范圍。

(4)高密度電法探測(cè)所得到的視電阻率斷面等值圖，能夠直觀、形象地反映出巖(土)體的電性分布形態(tài)及結(jié)構(gòu)特征，不僅反映其垂直深度的變化，而且還能反映其水平范圍的變化。所以高密度電法勘探既具有測(cè)深的功能，又具有剖面勘探的功能，應(yīng)用范圍較為廣泛。

(5)高密度電法的定性與定量解釋?zhuān)瑧?yīng)該結(jié)合地質(zhì)資料，特別是鉆探資料進(jìn)行綜合對(duì)比分析，從而不斷提高資料解譯精度。

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A

1001—1749(2011)02—0159—06

2010－10－22改回日期:2010－12－21

譚大龍(1983－)，男，碩士，應(yīng)用地球物理專(zhuān)業(yè)。