高密度電法在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用分析

黃正發(fā)

摘要：針對高密度電法在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用現(xiàn)狀，進(jìn)行科學(xué)量化分析，并簡要介紹了高密度電法原理、高密度電法的特點，如運用多種電極排列方法進(jìn)行準(zhǔn)確測量、電極布設(shè)更加便捷、野外數(shù)據(jù)采集自動化程度比較高、測量更多的地電參數(shù)等，提出巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中高密度電法的具體應(yīng)用，希望能夠為調(diào)查人員提供良好借鑒。

關(guān)鍵詞：高密度電法；巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害

在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，通過科學(xué)應(yīng)用高密度電法，可以提高地質(zhì)災(zāi)害勘察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。高密度電法主要由常規(guī)電法發(fā)展而來，由電測儀器與電極轉(zhuǎn)換開關(guān)構(gòu)成，在初始階段，電極轉(zhuǎn)換需要人工來操作，伴隨微型計算機(jī)的快速發(fā)展，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)自動化控制。在高密度電法測量體系當(dāng)中，包含了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理兩部分，能夠顯著提升各項勘察數(shù)據(jù)的處理效率?；诖?，本文深入研究巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中高密度電法的應(yīng)用要點。

1.高密度電法原理

高密度電法和直流電法原理相似，利用勘察地質(zhì)體和圍巖之間的電性差異，分析該地區(qū)的電場分布特點，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況，達(dá)到探測地下目標(biāo)體性狀的目的。

電法勘探時，測線越長（極距越大），探測深度越深，點距越小，精度越高。

在開展常規(guī)電法野外工作時，根據(jù)探測深度及目標(biāo)體尺度布設(shè)測線、電極，采用“控制變量法”達(dá)到“掃面”與“測深”的目的，即保持極距不變，然后通過人為移動測點MN，達(dá)到“掃面”的目的；不斷增加極距，移動MN，達(dá)到測深的目的。因工作時需要頻繁通過人工移動MN及改變測線長度達(dá)到“掃描”與測深，因此其工作效率較低。隨著微電路及集成電路的發(fā)展，產(chǎn)生了高密度電法。

一般來說，高密度電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是主機(jī)、電極系與多路電極轉(zhuǎn)換器等。在實際工作中根據(jù)探測目標(biāo)體所需最大深度，一次完成布極；主機(jī)及多電路轉(zhuǎn)換器代替常規(guī)電法中的人，對各個電極進(jìn)行“開關(guān)”達(dá)到移動MN和增加極距的目的，完成掃面與測深的工作。

2.高密度電法的特點

2.1點距、剖面長度與測深之間的關(guān)系

假設(shè)測線長度為L ，目標(biāo)段長度為L0，探測深度H ，對稱四極裝置三者之間的關(guān)系滿足公式（1），三極裝置滿足公式（2）。

式中，各長度單位均相同；（2）式中，AO為A與MN中點的距離。

通過上式可簡單計算出測線長度，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)計點距即可計算出本次測量所需要的大線數(shù)量，達(dá)到節(jié)約成本的目的。通過各種裝置的野外工作，對稱四級裝置具有抗分辨力較高、抗干擾力較強(qiáng)特點，因而相對其他裝置其應(yīng)用范圍較廣。

2.2測量更加便捷高效

因一次性完成布極工作，通過主機(jī)及多電路轉(zhuǎn)換器協(xié)同工作，完成掃描與測深工作；避免了人工反復(fù)移動電極的繁復(fù)工作，極大地提高了工作效率、減輕勘察人員工作強(qiáng)度，同時避免因電極設(shè)置不當(dāng)而引起的干擾問題，減少地質(zhì)勘查誤差的出現(xiàn)。

2.3現(xiàn)場資料處理更加及時

配套的采集系統(tǒng)軟件可以對高密度電法采集到的數(shù)據(jù)實時繪制其等值線并根據(jù)視電阻率繪制原則（一般為綠低紅高）實時填充，根據(jù)現(xiàn)場情況對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的分析、校核，使采集數(shù)據(jù)真實、可靠。

2.4野外數(shù)據(jù)采集自動化程度比較高

此項方法的運用，能夠提升野外數(shù)據(jù)采集效率，自動化水平較高。對于地質(zhì)勘察人員來說，高密度電法的良好運用，不但能夠顯著提升數(shù)據(jù)采集速度，而且減少人工操作失誤。通常來講，野外各個測點的采集速度在2S到5S之間[1]。

2.5測量更多的地電參數(shù)

將高密度電法應(yīng)用到巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查當(dāng)中，能夠幫助調(diào)查人員獲得多項參數(shù)，比如電阻率、極化率與自然電位等參數(shù)，地電參數(shù)的準(zhǔn)確測量，幫助調(diào)查人員更好的了解地質(zhì)體特點，從多個電性角度進(jìn)行性分析，提升地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)的精確性。

3.高密度電法在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的具體運用

巖溶是較為常見的地質(zhì)現(xiàn)象，其形成原因特別復(fù)雜，水對可溶性巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕，包括物質(zhì)的轉(zhuǎn)移與攜出等作用的總稱[2]。本文主要以某區(qū)域為例，該地區(qū)的石灰?guī)r發(fā)育速度快，已經(jīng)勘察到的溶洞規(guī)模大小不一，數(shù)量較多，而且分布不夠均勻，所以，在項目施工環(huán)節(jié)，此種不良地質(zhì)作用，對項目的安全威脅較大，容易出現(xiàn)巖溶水害與隧道涌水等現(xiàn)象。

3.1勘察區(qū)域地球物理特征

在該勘察區(qū)域，露出的地層由老到新順序如下：泥盆系石英砂巖、侏羅系灰白色砂礫巖，該區(qū)域礦物質(zhì)形成原因復(fù)雜，和石炭系與灰?guī)r聯(lián)系緊密。結(jié)合該地區(qū)的實地勘察數(shù)據(jù)得知，該地區(qū)地表分布大量的腐蝕質(zhì)土，相當(dāng)于比較低的電阻率電性層，下部為灰?guī)r，因為干燥性比較大，降低其導(dǎo)電性，提高電阻率。如果礦體中的巖溶發(fā)育速度過快，再加上勘察區(qū)域的地下水位比較淺，溶洞處于地下水位以下，經(jīng)常被軟塑粉質(zhì)粘土和水等一系列低阻體全部填充，降低了電阻率，和周圍的巖石電阻率差異較大，為高密度電法勘探提供良好的勘探條件。

高密度電法作為巖溶勘探的主要方法，利用巖體、充泥溶洞和充水，包括空洞之間的導(dǎo)電性差異，進(jìn)行科學(xué)的勘測，幫助調(diào)查人員了解地下穩(wěn)定電流場的具體分布規(guī)律，進(jìn)而保證該地區(qū)的地質(zhì)問題得到良好解決。高密度電法將電測探測和剖面法有效結(jié)合，能夠顯著提升數(shù)據(jù)信息的采集密度，將測量得到的各項數(shù)據(jù)，運用先進(jìn)反演技術(shù)，直觀的反演為視電阻率剖面圖，幫助調(diào)查人員更好的確定巖體異常具體位置，包括巖土的大小與埋深等。

3.2巖溶區(qū)探測要點

3.2.1科學(xué)布設(shè)各項測量儀器

在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與物探勘察工作當(dāng)中，調(diào)查人員找到三處巖溶發(fā)育區(qū)域，1號溶洞包含地下暗河，走向為300°，通過進(jìn)行走訪得知，1號溶洞和2號溶洞保持暢通狀態(tài)，1號溶洞在2號溶洞方位的330°。物探人員結(jié)合溶洞具體分布位置，包括溶洞內(nèi)部地下水具體流向，在實際的勘察范圍之內(nèi)，總共布設(shè)8條探測剖面，測線長度為5230m。為了保證各項測量數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，調(diào)查人員針對測線進(jìn)行多次測量[3]。

3.2.2妥善處理各項數(shù)據(jù)信息

在處理各項測量數(shù)據(jù)的過程之中，調(diào)查人員要遵守圓滑性處理原則，根據(jù)多種電極排列情況，對最終的測量結(jié)果進(jìn)行分析。因為偶極排列出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，與地電體間的關(guān)系更加復(fù)雜，所以，調(diào)查人員通常僅處理溫納四極排列的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并遵守圓滑處理原則，圓滑處理主要指的是采取壞點切除與滑動平均方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

在實際的勘察工作之中，調(diào)查人員可以一次性布設(shè)60根電極，每根電極之間的距離保持在10m左右，采取溫納裝置，有序的開展數(shù)據(jù)采集工作，在該測線的南北側(cè)，裝置的布置方位為230°。

由于沿著測線基巖位置的出露比較差，地表全部被礫石粘土層完全覆蓋，結(jié)合視電阻率反演斷面圖得知，此條剖面電阻率呈現(xiàn)層狀分布方式分布，層位較為清晰，和地表相距較近位置，呈現(xiàn)低電阻，深部呈現(xiàn)中電阻。根據(jù)該地區(qū)的地質(zhì)條件得知，地表低阻體是覆蓋層，中電阻與高電阻表示深度的灰?guī)r[4]。此條測線長度在280m～330m之間，埋深為13m～22m之間，調(diào)查人員推測，該區(qū)域很可能屬于巖溶發(fā)育區(qū)域。測線長度在480m～510m之間，埋深在9m～21m之間，屬于低阻區(qū)域，視電阻率在130Ω·m～450Ω·m之間，調(diào)查人員推測該地區(qū)主要是巖溶逐漸侵蝕引起的[5]。

根據(jù)該地區(qū)的視電阻率反演斷面圖得知，測線的中-高電阻率呈現(xiàn)層狀分布狀態(tài)，與地表距離較近的位置，呈現(xiàn)低電阻，由于埋深的逐漸加大，電阻率不斷提高，測線150m～ 190m之間，近地表位置存在低電阻異常區(qū)域，其周圍存在巖溶出水口，調(diào)查人員推測，出現(xiàn)低電阻異?，F(xiàn)象，可能是巖溶水流通道不暢引起的[6]。在測線280m～300m、埋深小于4m的位置，呈現(xiàn)低電阻異常，電阻率數(shù)值在11Ω·m～55Ω·m之間，推斷該區(qū)域?qū)儆谛⌒偷某渌廴?。在測線400m～ 450m之間，埋深30m～40m之間，呈現(xiàn)高電阻異?，F(xiàn)象，推斷該區(qū)域可能是完整灰?guī)r。

在此測線當(dāng)中，電阻率主要呈現(xiàn)層狀分布狀態(tài)，和地表接近的區(qū)域，體現(xiàn)為低電阻，伴隨埋深的不斷增大，電阻率快速增大，在測區(qū)范圍內(nèi)，因為存在覆蓋層，而且覆蓋層的厚度比較大，在160m～460m范圍之內(nèi)，低電阻區(qū)域逐漸向下部延伸，低電阻區(qū)域與高電阻區(qū)域之間的界線比較明顯，而且下部高電阻區(qū)域呈現(xiàn)塊狀分布，故推斷該區(qū)域?qū)儆诨規(guī)r區(qū)域。

和工程勘察相比較來說，高密度電法的妥善應(yīng)用，能夠有效降低勘探成本，而且可獲得比較高的勘探精度，幫助調(diào)查人員進(jìn)一步確定溶洞形狀與大小，掌握巖溶的具體分布情況，包括巖溶通道的走向，確定巖溶發(fā)育區(qū)中可能會出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患，為地質(zhì)災(zāi)害治理工作提供精確數(shù)據(jù)[7]。

3.2.3圖示方法

一般來講，高密度電阻率剖面采取擬斷面等值線圖與彩色圖來表示，因為其能夠表達(dá)地電斷面當(dāng)中各個測點的視電阻率變化情況，所以，高密度電阻率剖面可以幫助調(diào)查人員更好的了解地點結(jié)構(gòu)特征，觀察更加直觀。

3.3高密度電法發(fā)展趨勢

在高密度電阻測量系統(tǒng)當(dāng)中，主要由兩部分構(gòu)成，分別是數(shù)據(jù)收集與資料處理。結(jié)合高密度電法儀器結(jié)構(gòu)特點得知，要想進(jìn)一步提高各項勘察數(shù)據(jù)的精確性，保證測量主機(jī)和多個電極的穩(wěn)定連接特別重要[8]?？梢圆扇∫韵聝煞N方法：常規(guī)的高魔都電法儀器與新型分布式智能高密度電法儀器。先進(jìn)的分布式智能高密度儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，由計算機(jī)、主機(jī)、主電纜與電極連接盒構(gòu)成，主機(jī)通過準(zhǔn)確發(fā)送出具體的控制命令，其核心功能是信號的傳輸，電極連接盒按照主機(jī)命令，將電極進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，而且具備良好的數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。因為系統(tǒng)會共同發(fā)出一個命令，電纜能夠覆蓋測量到的各個剖面，故調(diào)查人員可采用微機(jī)進(jìn)行科學(xué)的管控，保證電極分布更為科學(xué)。

三維高密度電法的廣泛運用，可以減輕地質(zhì)勘察人員的工作強(qiáng)度，雖然三維高密度電法具有眾多優(yōu)點，但是，其測量時間過長，而且反演運算時間也比較長，會影響到最終的應(yīng)用效果[9]。伴隨儀器水平的不斷提升，各項先進(jìn)軟件不斷涌現(xiàn)，三維高密度電法的應(yīng)用范圍越來越廣。

高密度電法視電阻率擬斷面圖當(dāng)中，針對裂縫與空洞等地質(zhì)隱患，表現(xiàn)為相對高阻，針對軟弱層，或者軟弱體等，表現(xiàn)相對低阻。高密度電法也存在一定的局限性，在一些異常區(qū)域，容易出現(xiàn)局部地質(zhì)體突變，故為了獲取更加精確的勘探數(shù)據(jù)，有關(guān)人員要根據(jù)鉆孔資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，必要時開展鉆探驗證。

根據(jù)上述的實踐數(shù)據(jù)得知，在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，針對淺層構(gòu)造，包括不良地質(zhì)勘察，可以獲得較為精確的勘察數(shù)據(jù)，為項目建設(shè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可以降低勘察成本，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。在應(yīng)用高密度電法的過程當(dāng)中，由于沿線各項電力設(shè)施，包括地下管線，使得視電阻率曲線容易出現(xiàn)畸變，對探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響較大，無法幫助勘察人員進(jìn)一步了解該地區(qū)巖土性質(zhì)，勘察人員要配合采用先進(jìn)的鉆探方法進(jìn)行勘察，在提高各項勘察數(shù)據(jù)精確性的同時，為工程設(shè)計提供良好數(shù)據(jù)參考。因此，高密度電法在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具備良好的推廣價值。

4.結(jié)論

綜上所述，通過對高密度電法在巖溶區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查當(dāng)中的具體運用進(jìn)行全方面的分析，例如了解勘察區(qū)域地球物理特征、勘察區(qū)域地球物理特征、妥善處理各項數(shù)據(jù)信息、圖示方法，介紹高密度電法發(fā)展趨勢，能夠保證高密度電法在地質(zhì)災(zāi)害巖溶區(qū)域勘察工作當(dāng)中得到高效利用，減少錯誤勘察數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。

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