冉 云
(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院,山西 太原 030012)
高密度直流電法是電測(cè)與電剖面法的結(jié)合,是一種陣列式電法勘探方法。野外施工時(shí),一次布設(shè)電極可達(dá)幾百個(gè),采用智能化采集系統(tǒng),提高工作效率的同時(shí)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。原理與常規(guī)電法相同,仍以地層導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ),研究外加電場(chǎng)下,傳導(dǎo)電流分布規(guī)律,但采集的數(shù)據(jù)量成倍加大,可以在一個(gè)裝置排列上一次完成橫縱向二維勘探。既能顯示地層巖性在某一埋深水平方向上的變化,又能提供巖層視電阻率縱向上的變化特征。因此,對(duì)于公路勘察中的斷層、煤層采空區(qū)、巖溶等局部視電阻率異常都有很好的效果。
高密度電法常用的裝置包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置、溫納-施倫貝爾裝置等十多種??辈煅b置類型主要依據(jù)勘察精度要求、場(chǎng)地大小等來選擇。
不同的裝置,對(duì)異常的靈敏度不同。一般地,溫納α裝置對(duì)電阻率的垂向變化比較敏感,用來探測(cè)水平目標(biāo)體的垂向變化比較有利;施倫貝爾1裝置對(duì)目標(biāo)體在水平方向上的變化反應(yīng)較為靈敏,一般用來進(jìn)行水平方向上的異常區(qū)勘察;三極裝置有更高的靈敏度和分辨率,但同時(shí)也帶來一些假異常,給數(shù)據(jù)的解釋帶來困難。
場(chǎng)地的大小也是裝置選擇必須考慮的因素之一。對(duì)于溫納α、偶極等裝置來說,當(dāng)極距擴(kuò)大時(shí),反映不同勘探深度的測(cè)點(diǎn)數(shù)將依次減少,斷面上測(cè)點(diǎn)呈倒梯形分布,實(shí)際勘查中測(cè)線長度一般為探測(cè)深度的5~6倍,對(duì)場(chǎng)地的要求較高;采用三極連續(xù)滾動(dòng)測(cè)深裝置則對(duì)場(chǎng)地的要求可降低為一半大小,這對(duì)于工程勘查中場(chǎng)地緊張,難以鋪線時(shí)有很大優(yōu)勢(shì)。但它需要布設(shè)無窮遠(yuǎn)電極,無疑增加了工作量。因此,在野外施工中,要根據(jù)勘察任務(wù)的要求和實(shí)際情況作出合理選擇。
最小電極距取決于探測(cè)目標(biāo)體的尺寸大小。一般地,應(yīng)當(dāng)保證探測(cè)目標(biāo)體上至少分布有2個(gè)電極,以保證橫向分辨率。
測(cè)線排列長度與目標(biāo)埋深有關(guān)。勘查中,排列長度應(yīng)不小于埋深的5倍大小。同時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮讓異常區(qū)盡可能遠(yuǎn)離斷面圖邊緣,讓異常區(qū)與圍巖能夠同時(shí)顯示,利于異常區(qū)圈定。
判別野外施工采集數(shù)據(jù)是否真實(shí)反映地層的變化,是勘察工作成敗的關(guān)鍵。野外施工環(huán)境千差萬別,測(cè)量數(shù)據(jù)中不可避免含有干擾因素,有時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)畸變,影響分析解釋。
圖1 高密度勘察的地形異常(單位:m)
如圖1所示,測(cè)線在16 150處的淺部高阻異常區(qū)很明顯。如果解釋為地層存在高阻異常,則和實(shí)際地層巖性相差甚遠(yuǎn)。此處地形上是條較窄的深溝,巖性為黃土覆蓋層下基本為砂泥巖。16 150處的高阻異常是地形引起的,與巖體無關(guān)。在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理中,可以根據(jù)采用的裝置類型,利用模型正演,計(jì)算出對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的純地形視電阻率值ρs地,用經(jīng)驗(yàn)公式Ρs改=ρs/ρs地/ρ0來作地形改正[1]。
因此,在施工中,測(cè)線經(jīng)過區(qū)域地形局部隆起或下凹時(shí),應(yīng)當(dāng)記錄對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)號(hào),對(duì)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后方能用于地質(zhì)解釋。
圖2 高密度勘察的電極接地條件干擾
圖2的21 100處視電阻率明顯偏高,視電阻率曲線被“拉高”,這是由于21 100附近某個(gè)電極接地電阻過大,引起“八”字異常。一般通過改善電極接地條件就可以解決。因此,野外采集數(shù)據(jù)過程中,注意觀察避免此類干擾,否則,室內(nèi)很難處理。
圖3 斷層構(gòu)造勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖3是山西西北某高速公路某橋臺(tái)附近勘察視電阻率斷面圖?,F(xiàn)場(chǎng)采用溫納α裝置,最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進(jìn)行反演。地層主要為更新統(tǒng)沖洪積物、石炭系本溪組鐵鋁巖及奧陶系上馬家溝組灰?guī)r,灰?guī)r、沖洪積物、鐵鋁巖電阻率差異明顯。在測(cè)線的110 m處,斜向右下方存在1條視電阻率分界線,左右兩邊的視電阻率值明顯不同。綜合分析認(rèn)為視電阻率分界線即為斷層位置,破碎帶上部局部充水。后來分別在兩邊布設(shè)鉆孔,左邊鉆孔揭示O2s泥質(zhì)灰?guī)r,右邊鉆孔揭示C2b鐵鋁巖。這說明高密度電法在構(gòu)造勘查中結(jié)果較為直觀,對(duì)于斷層的位置,傾向等產(chǎn)狀要素能夠進(jìn)行半定量解釋。當(dāng)然,這主要適用于剖面類裝置。對(duì)于測(cè)深類裝置,由于測(cè)線相鄰測(cè)點(diǎn)視電阻率跳躍相對(duì)較大,解釋起來難度相對(duì)要大。
圖4 采空區(qū)勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖4是高密度電法進(jìn)行采空區(qū)勘察的視電阻率斷面圖。測(cè)區(qū)為本溪組泥巖及奧陶系泥灰?guī)r,在測(cè)線前半段區(qū)域可能有個(gè)體鐵礦開采活動(dòng),但規(guī)模很小。勘察采用溫納α裝置,最小電極距3 m,目的在于不漏掉開采巷道。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進(jìn)行反演。物探結(jié)果顯示測(cè)線前半段存在3處高阻異常區(qū),綜合分析地層巖性資料,推測(cè)3處高阻異常區(qū)為鐵礦開采引起;71 280~71 360段高阻區(qū)是灰?guī)r地層的反映。后來在71 150處開挖,發(fā)現(xiàn)巷道、坑木,驗(yàn)證了勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性。山西公路勘查中,由于歷史上采煤活動(dòng)頻繁,個(gè)體小窯回采率低,開采規(guī)模小,勘察不易。對(duì)于埋深較淺的小窯采煤,采用小極距高密度電法勘察,施工方便,并能最大程度避免遺漏巷道采空。
圖5 巖溶勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖5是山西北部高速公路某隧道巖溶勘察高密度電法視電阻率斷面圖。在測(cè)線經(jīng)過區(qū),前半段地表有薄層覆蓋,下伏強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r;后半段為黃土山坡,未見灰?guī)r出露。野外施工采用溫納α裝置,最小電極距5 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖。高密度電法視電阻率斷面圖能夠直觀地看出在39 800附近,埋深30~40 m間存在低阻異常區(qū),視電阻率曲線呈典型圈閉狀,疑似巖溶發(fā)育,碎石土充填。如果巖溶規(guī)模較大,未填充,則出現(xiàn)高阻異常區(qū)。
巖溶勘察野外施工中,盡量采用小極距多電極剖面類裝置,一方面電極間距大,則易漏掉小規(guī)模巖溶(平面延伸5~10 m),影響勘察工作質(zhì)量;另一方面,剖面類裝置的視電阻率曲線在橫向上較為平緩,有利于巖溶異常的判別。
圖6 某二級(jí)路路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
圖6為山西東南某二級(jí)路路基高密度電法視電阻率斷面圖。地層由上更新統(tǒng)(Q3)坡洪積物、中更新統(tǒng)(Q2)洪積物構(gòu)成。Q3地層巖性為濕陷性黃土(粉土Q3),Q2地層巖性為粉質(zhì)黏土、粉土互層。野外施工采用溫納α裝置,最小電極距2 m。數(shù)據(jù)處理采用剔除個(gè)別異常值后的原始實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Surfer成圖,未進(jìn)行反演。從斷面圖可以看出,在30~35 m間,埋深8~10 m存在一局部低阻異常區(qū)。推斷為地基土層不密實(shí),地表水下滲局部聚集,引起低阻異常,后開挖處置發(fā)現(xiàn)局部土體含水量較大。
本次勘察的地層為Q3粉土及Q2粉質(zhì)黏土、粉土,上下土層視電阻率幾乎一致。若土層局部壓實(shí)度不夠,地表水體下滲聚集,會(huì)引起局部低阻。但土體表層基本密實(shí),水體下滲不會(huì)太多,因此,視電阻率差異不明顯。若數(shù)據(jù)處理粗略(如圖7),則不易劃定異常位置,只能大概圈定異常影響段落,因?yàn)楸韺铀聺B至深部土體后,水量很小,所引起的視電阻率變化值也不大。我們?cè)谑┕ぶ幸话悴捎? m電極間距采集數(shù)據(jù),盡可能避免各種干擾因素;室內(nèi)處理時(shí),需要對(duì)斷面測(cè)點(diǎn)的視電阻率值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、細(xì)化分級(jí),選定可能的異常值界限,有利于將數(shù)據(jù)中的細(xì)微異常表現(xiàn)出來。
圖7 路基土層勘察-高密度電法視電阻率斷面圖(單位:m)
a)高密度直流電法數(shù)據(jù)采集密度大,分辨率較高,能夠直觀地反映電性異常體的位置、形態(tài)特征。對(duì)于公路勘察中的淺部勘查(一般不超過100 m),具有很好的效果。
b)高密度電法對(duì)于構(gòu)造、采空區(qū)、巖溶等電性異常體反映較為靈敏,能夠?yàn)楣房辈焯峁┹^為準(zhǔn)確的異常區(qū)信息。
c)高密度電法對(duì)路基土層的勘察是建立在地表水下滲后,引起局部視電阻率變化的基礎(chǔ)上。否則,難以保證勘察效果。
d)工區(qū)施工前,應(yīng)當(dāng)根據(jù)目的任務(wù)進(jìn)行試驗(yàn)來確定合理的裝置形式及電極距。
e)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理中,盡可能少用平滑、反演處理,尤其是地基土層勘查。應(yīng)當(dāng)結(jié)合測(cè)區(qū)的地層水文資料及巖性物性資料,仔細(xì)分析曲線的形態(tài)、拐點(diǎn)等,來圈定電性異常體。