高密度電法在水文地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用實(shí)踐研究

吳新泉

（安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠 233000）

高密度電法是一種先進(jìn)的電子勘探技術(shù)，依靠介質(zhì)電性之間的相互差異，對(duì)人工與天然電場(chǎng)進(jìn)行勘探分析。由于高密度電法測(cè)量密度點(diǎn)分布的比較密集，可從中獲得大量信息，目前已被用于水文地質(zhì)勘探研究。在實(shí)際測(cè)量工作中減小電磁帶來的影響，降低事故發(fā)生率，保證水文地質(zhì)勘探結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。

1 高密度電法的工作方法研究

1.1 基本原理

高密度電法基本工作原理和常規(guī)電阻率法基本相同，以巖土體電性差異為基礎(chǔ)，是一種用于勘察水文地質(zhì)情況的電法勘探手段，通過A和B電極向地下供電流I，隨后在M和N極間檢測(cè)電位差，求出M和N間電阻率值，具體如圖1所示。按照實(shí)際測(cè)量得到的電阻率剖面展開計(jì)算，從而了解在不同深度底層下電阻率的實(shí)際分布情況，判斷施加電場(chǎng)的情況下地層傳導(dǎo)電流的大致分布規(guī)律，并以此分析地下不同電阻率的地質(zhì)體實(shí)際賦存狀態(tài)[1]。

圖1 高密度電法示意圖

高密度電法是一種常見的物探電法，以地下巖土體電阻率差異為勘探基礎(chǔ)，通電的時(shí)候會(huì)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)形成電場(chǎng)，儀器可記錄電流大小，按照提前設(shè)置的施工參數(shù)實(shí)現(xiàn)各區(qū)域卡尼亞電阻率的自動(dòng)計(jì)算。高密度電法主要通過室內(nèi)設(shè)計(jì)點(diǎn)線位置，應(yīng)用RTK放樣布置施工所需的電極數(shù)，再通過電纜連接，最后與電機(jī)轉(zhuǎn)換器主機(jī)相連，工作人員可通過儀器接線柱采用不同的接線方式，將電極組合為指定裝置，提前輸入預(yù)設(shè)的電極數(shù)與距離，從而依靠高密度電法儀觀測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)位置的電阻率情況，這種自動(dòng)化處理的工作方式可有效節(jié)約觀測(cè)時(shí)間，降低工作人員的工作壓力，提高觀測(cè)效率。

1.2 優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

分析高密度電法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，具體如下：

（1）高效率。地質(zhì)勘察期間，電極布置操作能一次完成，不僅優(yōu)化了工作流程，也減少了不必要的影響，省略了大量修復(fù)和調(diào)整的時(shí)間，提高了勘探效率。

（2）多樣化。高密度電法的測(cè)量方式和電極排列有一定的關(guān)聯(lián)，由于電極數(shù)量龐大，其排列方式具有多樣化的特點(diǎn)，測(cè)量方式也會(huì)不斷改變，因此高密度電法的應(yīng)用需要從多層次分析結(jié)果。

（3）自動(dòng)化水平較高。當(dāng)前野外采集已經(jīng)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，且人工操作難度下降，人力支出不斷縮減。地球物理反演不斷完善，電阻率成像效果顯著提升，以往的一維跨度向三維跨度轉(zhuǎn)變，高密度電法的應(yīng)用日漸成熟。

1.3 工作方法

對(duì)于高密度電法的實(shí)際工作方法，主要包含以下幾種：

（1）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方式。先布置測(cè)量線和測(cè)量點(diǎn)，選取測(cè)試點(diǎn)后將電極設(shè)置在一定間隔點(diǎn)位上，再利用轉(zhuǎn)換設(shè)備所需的電極將其組合為指定設(shè)備，針對(duì)電極設(shè)備觀察剖面電阻率，同時(shí)完成數(shù)據(jù)處理與圖形繪制，以此在短時(shí)間內(nèi)完成地質(zhì)勘探。

（2）數(shù)據(jù)前處理工作。如果是地形較為復(fù)雜橫截面，海拔坐標(biāo)應(yīng)添加到數(shù)據(jù)文件中，為接下來的反演處理提供參考。

（3）反演處理，創(chuàng)建二維模型，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，確定反演參數(shù)，如阻尼因子和迭代次數(shù)等，再應(yīng)用最小二乘法開始反演計(jì)算，通過地形校正得出地電斷面，可用于地質(zhì)解釋中。

2 高密度電法在水文地質(zhì)調(diào)查中的實(shí)踐應(yīng)用分析

2.1 基巖探測(cè)分析

在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中應(yīng)用高密度電法，可隨機(jī)選取一個(gè)大壩作為測(cè)量對(duì)象，了解淤泥、淤泥夾薄層細(xì)粉、含泥細(xì)沙等基巖情況。并且，高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)基巖探測(cè)的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)基巖深度以及斷截面形態(tài)有針對(duì)性的選擇高密度電法實(shí)施方案[2]。具體如下：

（1）在高密度電法實(shí)施的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程軸線位置及基巖橫截?cái)嗝嫘螒B(tài)，布設(shè)測(cè)量密度，設(shè)置測(cè)量線間距離，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（2）高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)應(yīng)用的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行分析計(jì)算，例如：在某工程地質(zhì)施工的過程中，巖石的測(cè)量拋物線設(shè)置為40Ω～60Ω，將填土、淤泥、淤泥夾薄層細(xì)粉、含泥細(xì)沙進(jìn)行相應(yīng)的劃分，其設(shè)置的數(shù)據(jù)不能大于10Ω。通過利用相應(yīng)的公式計(jì)算，砌石層的厚度為7.0m，填土的厚度為3.0m，－5.0以下均為填土、淤泥、淤泥夾薄層細(xì)粉、含泥細(xì)沙等，這樣可充分地掌握基巖的分布情況，從而保證水文知識(shí)和工程地質(zhì)工作的展開，避免安全事故的發(fā)生。

2.2 滑坡體分界面與地層劃分應(yīng)用

在滑坡體分界面處應(yīng)用高密度電法對(duì)滑坡體勘測(cè)分析，繪制反演色譜圖。由于色譜自身沒有規(guī)律層次，整體來看，低阻帶多數(shù)分布在中上部地區(qū)，且并不連續(xù)。高阻有兩個(gè)凸起點(diǎn)，表層有高阻反應(yīng)。17m以內(nèi)的下埋深度范圍內(nèi)，電阻率保持在120Ω·m。鉆探被測(cè)試區(qū)域，發(fā)現(xiàn)該處確實(shí)有滑坡體出現(xiàn)，可見高密度電法應(yīng)用的可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需要將全部電機(jī)設(shè)置在帶有一定間隔的觀測(cè)點(diǎn)位置上，通過儀器開始觀測(cè)。對(duì)高密度電法的測(cè)量方法與儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度和抗干擾能力，以便設(shè)備獲得更豐富可靠的地質(zhì)信息。高密度電法在完成橫向與縱向二維觀測(cè)時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)電測(cè)剖面與電測(cè)深兩種不同形式的測(cè)量，資料分析期間需要結(jié)合多參數(shù)進(jìn)行綜合分析，高密度電法集中了常規(guī)電阻率方法的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，也彌補(bǔ)了以往電阻率法觀測(cè)存在的不足。野外工作期間，應(yīng)用EDJD-1直流電法儀根據(jù)地層劃分一次性布設(shè)60個(gè)電極，同時(shí)將電極轉(zhuǎn)換開關(guān)按照裝置的實(shí)際情況組合，自動(dòng)計(jì)算電阻率，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)在設(shè)備中。一個(gè)排列完成之后，向前滾動(dòng)多個(gè)電極，隨后重復(fù)上述操作，直到整個(gè)剖面全部測(cè)量完成，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)上傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并應(yīng)用專用軟件進(jìn)行處理，實(shí)施二維反演計(jì)算。接著，按照計(jì)算結(jié)果繪制等值線，擬出斷面圖，測(cè)量結(jié)果就是地層二維電阻率斷面，這是綜合應(yīng)用了常規(guī)電阻率法與反演處理方法的結(jié)果，電極可一次性布設(shè)完成，經(jīng)過高密度電法的應(yīng)用即可獲得地質(zhì)信息。

將高密度電法應(yīng)用在地層劃分中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇有代表性特點(diǎn)的供水線路，對(duì)該處地層使用高密度電法探測(cè)分析。分析反演色譜圖，發(fā)現(xiàn)電阻率曲線能呈現(xiàn)出閉合或半閉合相交兩種狀態(tài)，電阻率為400Ω·m，這是因?yàn)榛靥钌靶酝翆?duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響。下方樁基內(nèi)有倒U型閉合圈，這與淤泥質(zhì)土的存在有關(guān)，其他樁基地層主要為粉質(zhì)粘土。除了以上應(yīng)用，高密度電法還可用在建筑選址、公路橋梁建設(shè)、機(jī)場(chǎng)跑道等工程地質(zhì)勘察工作中。

2.3 尋找礦山地質(zhì)地下水

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)如今人們對(duì)礦山水資源的需求不斷提高。當(dāng)前科學(xué)發(fā)展的今天，人們?cè)趯ふ宜吹耐瑫r(shí)，會(huì)根據(jù)不同礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)地下水類型進(jìn)行分析，多方法結(jié)合探尋水資源，以此科學(xué)處理地下水，提高水資源利用率，實(shí)現(xiàn)大自然水資源的優(yōu)化配置。以高密度電法尋找礦山地下水為例，該礦山研究區(qū)域內(nèi)出露的礦層大致如下：第四系巖性，其中包含礦山邊坡沉積紅黏土、深灰色泥晶灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖與黏土巖等。本次勘察需要探測(cè)100m地層地下水的含水條件，依據(jù)任務(wù)目的，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)條件，選擇高密度電法進(jìn)行勘察，并采用10m極距。在本次找水任務(wù)中，地下水在電阻率曲線內(nèi)會(huì)呈現(xiàn)出低阻異常區(qū)圈閉現(xiàn)象，并在找地質(zhì)構(gòu)造裂隙斷層時(shí)呈現(xiàn)電阻率大幅度變化的橫向異常情況。

沿著勘察區(qū)域以垂直于礦層走向和地下水流向的方向進(jìn)行勘探線布設(shè)，應(yīng)用溫納裝置及時(shí)采集勘探得到的數(shù)據(jù)，查看裂隙發(fā)育帶的具體位置，其測(cè)量長(zhǎng)度設(shè)置為600m，其測(cè)點(diǎn)間距離設(shè)置為10m。野外數(shù)據(jù)采集需要采用WDJD-2多功能數(shù)字直流機(jī)電儀、WDZJ-1多路電機(jī)轉(zhuǎn)換器等儀器聯(lián)合構(gòu)建WGMD-3高密度電阻率測(cè)試系統(tǒng)。圖2是A測(cè)線視電阻率反演斷面圖與B測(cè)線視電阻率反演斷面圖的大致情況，經(jīng)過分析得知，測(cè)線250m～300m段，深度為7m～85m處有一個(gè)倒“V”型的低阻異常現(xiàn)象，ρ值為50Ω·M～150Ω·M。通過對(duì)異常形態(tài)特征研究，可判斷該位置就是裂隙發(fā)育帶。由于B測(cè)線屬于A測(cè)線對(duì)應(yīng)線，兩條測(cè)線可反映同一處地質(zhì)結(jié)構(gòu)的大致情況，能綜合體現(xiàn)該區(qū)域礦山地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)[3]。

圖2 A、B測(cè)線高密度視電阻率反演斷面圖

采用高密度電法，根據(jù)物探效果，在A測(cè)線250m～300m段確定井位開始鉆探，將孔深控制在150m左右，采取抽水試驗(yàn)，得出該處位置的出水量能達(dá)到每天107.4m3。

3 總結(jié)

總而言之，應(yīng)用高密度電法對(duì)地理環(huán)境展開物探勘查工作，通過電阻率探測(cè)點(diǎn)的科學(xué)布置，結(jié)合區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件，結(jié)合物探研究成果，綜合分析該區(qū)域的水文地質(zhì)情況。可將高密度電法用于水庫(kù)大壩滲漏勘察、海堤砌石體深度探測(cè)、滑坡體分界面與地層劃分應(yīng)用中，提高勘察效率。