高密度电法勘探在岩溶查找中的应用

高密度电法勘探在岩溶查找中的应用

作者：吴会敏 孙鑫

来源：《中国新技术新产品》2011年第08期

摘要:高密度电法兼具剖面法和测深的功能，具点距小、数据采集密度大的特点，能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、产状等。在大理岩分布区应用高密度电法了解第四系土洞发育、岩溶、断裂发育情况以及确定大理岩的分布情况，能取得较好的地质效果。 关键词:高密度电法；岩溶；二维模型 中图分类号：X935 文献识别码：A

1 高密度简介及特点

高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。显然，高密度电阻率勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步。由于高密度电阻率法所具备的上述优势，因此相对于常规电阻率法而言，它具有以下特点：

1.1 电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

1.2 能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

1.3 野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快（大约每一测点需2~5s），而且避免了由于手工操作所出现的错误。

1.4 可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可以自动绘制和打印各种成果图件。

1.5 与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便，勘探能力显著提高。

2 方法原理

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高密度电法的物理前提是地下介质间的导电性差异，与常规电法一样，通过AB电极间向地下供电，建立地下人工电场，而后在地面由MN电极测量电位差，并求得各记录点的视电阻率值根据野外实测视电阻率值。经计算机处理分析、解释，最终获得地层划分和异常圈定等地质信息。但高密度电法与常规电法不同，它是一种阵列勘探方法且是在二维空间内研究地下稳定电流场的分布，野外数据采集为一次布设电极避免了电极重复移动的人为干扰，另一重大突破是高密度电法具有多次交叉供电和测量，构成高密度的滚动扫描测量，既丰富了地电信息，提高电性分辨能力，又减少人为影响因素和提高工作效率。

高密度电法野外数据采集包括电极系、多芯电缆、多路电极转换器和测量主机组成。观测时按设计一定间隔的等间距电极，由多芯电缆通过转换器与主机联接，实现了数据采集、存贮、传输等计算机自动控制的全过程。电极装置排列选择包括二极、三极和四极组合的偶极及温纳装置；极距选择根据探测地质对象及目的层埋深，以保证最大有效勘探深度范围内获得最佳电极根数和极距，本次应用采用电极根数为60根，电极距选用5m。 3 高密度电法处理系统软件介绍

高密度电法处理系统软件主要从数据结构模式及考虑节省计算机内存空间，采用基于牛顿最优化非线性最小二乘法进行反演处理，该方法对于大型数据组合的处理比一般最小二乘法速度可提高十倍以上。本次应用使用的是重庆奔腾数控技术研究所WGMD-2高密度电阻率测量系统，并使用2DRES二维高密度电法反演软件，按高密度电阻率数据进行二维反演，获得视电阻率影像断面剖面成果图，自动提供定性和定量解释结果，大大提高分析解释效果及精度。 本软件所使用的反演程序是基于圆滑约束最小二乘法，使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘法的新算法。使得大数据量下的计算速度较常规最小二乘法快10倍以上且占用内存较少。圆滑约束最小二乘法基于以下方程： ( J’J+uF)d=J’g 其中F=fxfx’+fzfz’

fx=水平平滑滤波系数矩阵；fz=垂直平滑滤波系数矩阵；J=偏导数矩阵；J’=J的转置矩阵；u=阻尼系数；d=模型参数修改矢量；g=残差矢量

这种算法的一个优点是可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。 反演程序使用的二维模型由一系列矩形格子构成。矩形格子的排列受拟断面图数据点分布的松散约束。格子的大小和贡献由程序自动产生，格子的数量一般不超过数据点的数量。然而程序设置了一个选项，允许用户使用格子数超过数据点的模型。最底排的格子设置深度近似等于最大电极距的等效勘察深度。

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该软件适用于温纳（α、β、γ）、单极-单极、偶极-偶极、单极-偶极、温纳－施伦贝谢尔、赤道偶极等电法极距排列方式。

高密度电阻率法采用三电位电极系，电极排列方式由本系统可支持9种测量装置中选择固定断面扫描，本次测量电极排列选择温纳-施伦贝谢尔装置。资料处理由2DRES二维高密度电法反演软件，使用快速最小二乘法对电阻率数据进行反演，迭代次数程序通常使用5次，收敛误差值一般不大于5%。 4 工作目与任务

受鸿基集团有限公司委托，物探工作在本工作区内岩溶勘察中的主要任务是查明区内第四系内部土洞发育情况，岩溶及岩溶发育有关的断裂发育情况，高密度电法年来发展起来的物探方法，广泛应用于区域性岩溶灾害调查及工程勘察中。因此，在勘察设计阶段，需查明区内岩溶、土洞等地质体的发育情况，并进行相应的处理。 工作区电性特征

第四系松散地层电阻率一般为n×10Ω·m，砂、卵石成分较高时可达n×l02Ω·m，大理岩的电阻率值较高，一般达n×l02～n×l03Ω·m。大理岩与第四系地层的电阻率存在明显差异。第四系内部土洞发育时，将形成相对高阻异常。大理岩内部发育的岩溶通常充填低电阻率的充填物而形成相对低阻异常。断裂带位置易形成溶蚀，而使得断裂带与上、下盘围岩通常存在电性差异。因此，在大理岩分布区具备应用高密度电法了解大理岩埋深、分布范围、查明土洞、岩溶、断裂发育情况的地球物理前提。高密度电法测量结果为二维电阻率断面，由于第四系与大理岩之间是个差异极大的电性界面，高密度断面中测量结果开始反映大理岩电性时，视电阻率值快速上升，等值线变密。这是判别基岩面埋深的重要标志。在高密度测量断面中，低电性的第四系内部出现相对高阻异常圈闭，往往是第四系内部土洞发育的判别标志。 5 结论与建议

本工作区断面剖面走向为SN向，共七条地电断面。地电断面结构基本为第四系，风化砂，基岩为大理岩，在基线北１０米处有一东西向断裂构造存在，长约六百米，东向没有封闭，宽度大约在３０米左右。属强风化，硬度为中硬。

高密度电法兼具剖面法和测深的功能，具点距小、数据采集密度大的特点，能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、产状等。在大理岩分布区应用高密度电法了解第四系土洞发育、岩溶、断裂发育情况以及确定大理岩的分布情况，能取得较好的地质效果。高密度电法断面结果反映的是大理岩与上覆第四系地层的平均电性反映，当大理岩表面溶蚀发育而呈锯齿状时，断面测量资料能反映大理岩面总体起伏状况。 参考文献

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[1]王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M]北京：地质出版社，1996. [2]刘国兴.电法勘探原理与方法[M]北京：地质出版社，2005.

[3]陈泉霖，陈新奇.高密度电法勘察岩土工程实例[J].中国煤田地质，2004.

[4]王文龙.浅论高密度电阻率法在工程勘测中的应用效果[J].物探与化探，1995，19(3). 作者简介：吴会敏（1984），女，湖北省钟祥市，物探助理工程师，学士学位，从事地球物理勘探。

孙鑫（1972），男，黑龙江省佳木斯市，物探助理工程师，学士学位，从事地球物理勘探。