張建鋒，王雯璐

(河南工程學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191)

含導(dǎo)水構(gòu)造與圍巖之間通常存在明顯的導(dǎo)電性差異，該差異為探測含導(dǎo)水構(gòu)造時采用電探方法提供了物理上的可能性.就地球物理的原理而言，高密度電阻率法與傳統(tǒng)的電阻率法(電剖面法和電測深法)完全相同，它們都是研究在人工穩(wěn)定電場作用下地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律[1].由于高密度電法同時具備剖面和測深的功能，并且可以實現(xiàn)一次布極多種裝置測量，所以該方法具有工作效率高、成本低的特性，在水文地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2-5].正如前面所述，高密度電法有多種電極裝置可供選擇，如溫納(對稱四極)、偶極、微分和聯(lián)剖排列等，這就造成在實際工作中存在電極裝置選擇的問題.以往的相關(guān)應(yīng)用往往缺少裝置選擇問題的討論，甚至回避該問題[6-7].由于不同電極裝置的電場分布存在差異，對異常體的空間分辨率也不同，所以為了得到清晰的異常結(jié)果，根據(jù)野外實際情況選擇合適的裝置是十分必要的.此外，在結(jié)果的顯示方式即數(shù)據(jù)的處理方法上，高密度電法有電阻率直接顯示[8]和比值參數(shù)顯示[9]兩種，這些顯示方法對異常的反映也存在較大差異.因此，有必要選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法以突出結(jié)果的精度[10].通過實測剖面對常用的溫納(α)、偶極(β)和微分(γ)3種電極裝置進行了對比分析，采用不同的數(shù)據(jù)處理方法，來研究它們對異常地質(zhì)體的刻畫效果.

1 方法及研究區(qū)

高密度電阻率法是20世紀八十年代從美國和日本開始發(fā)展起來的一種電阻率方法[11].高密度電阻率法是在測線上同時布置多道電極(通常是幾十個)，由人工電源向地下水發(fā)射電流建立穩(wěn)定的電流場，然后通過自動控制電極轉(zhuǎn)換開關(guān)對所布設(shè)的剖面自動進行觀測和記錄，最后通過主機自動處理后顯示出來,如圖1所示.每個剖面都是以一定的電極間隔系數(shù)將每4個相鄰電極進行組合，間隔系數(shù)越大則探測的深度越大.當(dāng)固定間隔系數(shù)時，高密度電法得到的是電剖面的數(shù)據(jù)，而當(dāng)間隔系數(shù)依次增大時，則得到了電測深的電阻率值.因此，高密度電法同時具備電剖面和電測深的功能.在進行電阻率法勘探時，需要通過兩個供電電極(如C1,C2)向地下發(fā)送電流I，在測量電極(如P1,P2)間測量它們之間的電位差(V)，從而得到視電阻率

ρs=KV/I,

(1)

式中，K是與4個工作電極排列方式有關(guān)的裝置系數(shù)，計算公式為

(2)

圖1 高密度電法工作示意圖Fig.1 High density resistivity working procedure

根據(jù)實測的視電阻率剖面進行計算和分析，可獲得地層的電阻率分布特征，進而達到地層劃分和巖土體含水性分析的目的.

相對于常規(guī)電阻率法(例如電測深法和聯(lián)合剖面法)來說，高密度電法具有很多優(yōu)點[12-13]：①由于電極的布設(shè)是一次完成的，測量過程中無需跑極，故可防止因電極移動而引起的故障和干擾；②在一條觀測剖面上，通過電極變換或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以獲得多種裝置的視電阻率斷面等值線圖；③可進行資料的現(xiàn)場實時處理與成圖解釋；④成本低、效率高.

(3)

比值參數(shù)T并不直接表示視電阻率的大小，但是它能夠以更清晰的方式再現(xiàn)原有異常體的特點及分布，同時它還具有抑制干擾和分解復(fù)合異常的能力，從而大大提高了電阻率法反映地質(zhì)賦存狀況的能力.

本研究中的高密度電阻率法工作站位于河南工程學(xué)院校園內(nèi)，表層巖性為粉砂和粉土,剖面測線呈近東西方向布設(shè).其中，測線的西側(cè)地表相對干燥，東側(cè)地表存在積水.測線剖面所處的區(qū)域地形平坦，無需對電阻率進行地形改正.根據(jù)附近的水井情況，潛水面埋深大約為20 m.

儀器采用重慶奔騰地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的分布式高密度電法系統(tǒng)WGMD-9，分別采用溫納(α)、偶極(β)和微分(γ)3種電極裝置對同一條測線進行高密度電法工作，測線參數(shù)為電極間距3 m、供電電壓12 V、總電極數(shù)30、剖面層數(shù)8、整條測線長87 m.在對所采集的數(shù)據(jù)進行后期處理時，采用了Surfer軟件成圖.

2 測量結(jié)果

根據(jù)以上測量的結(jié)果，分別繪制了溫納、偶極和微分3種電極裝置的電阻率剖面等值線,見圖2至圖4.

由溫納裝置高密度電阻率圖(見圖2)可知，①隨著深度的增加，電阻率逐漸降低，反映了巖土介質(zhì)的含水性隨著深度的加深而升高的特點；②總體上，地電斷面呈水平層狀展布；③在高阻表層(深度小于20 m)，剖面東部50～80 m的范圍內(nèi)存在相對低阻的異常體；④在深度大于20 m的區(qū)域，視電阻率均小于30 Ω·m，初步判斷該埋深水平為地下潛水面；⑤在水平40～50 m，存在一個延伸深度達十幾米的高阻區(qū).

在淺部高阻區(qū)域，偶極高密度電阻率圖(見圖3)與溫納相似，總體上表現(xiàn)了地電斷面呈層狀分布及東部區(qū)域(50～80 m)相對低阻的特征，在40～50 m也存在一個延伸深度約15 m的高阻體.在深度大于20 m的區(qū)域，視電阻率均小于30 Ω·m，也反映了地下潛水面的位置.不同的是，在測線的東側(cè)深部位置上，高阻區(qū)域有向下延伸的趨勢，說明該位置空間內(nèi)存在相對高阻的異常巖土體,該高阻異常體的埋深及形狀不是十分清晰，有待進一步分析.

對于表層巖土體，微分裝置高密度電阻率斷面(見圖4)與上面兩種裝置類型幾乎是一致的，反映的潛水面也位于約20 m深度上.與溫納和偶極裝置相比，微分裝置高密度電阻率斷面則更清晰地表現(xiàn)了地下導(dǎo)電不均勻體的分布形態(tài).與偶極類似，微分的地電斷面在水平60～80 m及深度15～25 m，也表現(xiàn)出了相對高阻的異常體.

在電阻率的比值參數(shù)T斷面圖(見圖5)中，異常高和異常低阻地質(zhì)體都非常明顯.首先，在淺層的50～80 m出現(xiàn)了3個較大的低阻巖土體.其中，70 m附近的兩個低阻體產(chǎn)狀陡立并向深部延伸至約20 m處.該低阻異常表明地面積水已經(jīng)深入巖土內(nèi)，深度接近潛水面.其次，在水平60～80 m及深度15～25 m出現(xiàn)的相對高阻的異常體呈脈狀，產(chǎn)狀陡立.水平40～50 m的高阻異常體截面呈近似等軸體，埋藏范圍為10～16 m.

圖2 溫納裝置高密度電阻率斷面圖Fig.2 Resistivity section of wenner

圖3 偶極裝置高密度電阻率斷面圖Fig.3 Resistivity section of dipole

圖4 微分裝置高密度電阻率斷面圖Fig.4 Resistivity section of difference

圖5 高密度電阻率T比值斷面圖Fig.5 Resistivity section of T

3 結(jié)論

綜合以上實例分析可得到如下結(jié)論：

(1)比值參數(shù)T具有較好的分解復(fù)合異常體的能力，能更精細地反映高阻和低阻異常體的賦存形態(tài).

(2)溫納裝置更加適合探測電性界面起伏較小的異常體.

(3)偶極和微分裝置對異常體的反映近似.

(4)在含水層勘探中，3種裝置形式均具有良好的刻畫效果.

(5)在探測導(dǎo)水破碎帶和巖溶區(qū)溶洞等時，比值參數(shù)處理方法的效果會更好.

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