高密度電阻率成像法在水文地質中的運用

張立松

摘要：高密度電阻率成像法（ERT）作為一種準確且高效的物探方法，被廣泛應用于水文地質領域。本文通過對某礦沖溝的隱患及裂隙探測進行分析，探討高密度電阻率層析成像法在探測方面所具有的效果，從而為工程施工或礦產開采提供安全保障和理論支撐。

關鍵詞：高密度電阻率層析成像法；水文地質；應用

上個世紀80年代，日本地質計測株式會社首次就高密度電阻率探查法研制成功。其工作原理即基于常規直流電阻率法，將多個電極同時布置在探測剖面上，通過人工方式將電流發送至地下，促使地下形成較為穩定的電流層，利用自動控制轉換裝置，自動觀測和記錄所布設的剖面的物探方法。該方法可實施二維地電斷面測量，此外，還具有測深法及剖面法功能，不僅點距小，且在采樣密度方面也較高。當將導線敷設一次后，可觀測數千個記錄點的實時數據，不僅在施工效率方面較高且信息量大，是一種對地質滑坡體、巖溶空洞及隱伏斷層構造等進行探測的有效方法。

1. 高密度電法原理分析

1.1 基本原理

所謂高密度電法實質為電阻率法，是一種將電測深法和剖面法進行組合式運用的剖面裝置，其相比于傳統的電阻率法，所存在的不同點在于可一次對多個測試電極進行設置，通過一次勘探過程，便能對縱橫2維的相應測試給與完成，針對地電結構來講，其同樣具有一定的成像能力。所以，介質不同，則在探測成果圖方面都具有比較直觀的體現和反應。同一介質或者不同介質在具體成分及結構方面存在較大差異，則其所具有的電阻率也不相同。如果將介質假定為均質各向同性，可通過以下公式對地下介質視電阻率進行計算：

ρ=KΔV/I

在公式當中，ρ所代表的是巖土層視電阻率（Ω·m）；△V則表示為電位差（V）；I則表示為供電電流（A）；K表示為裝置系數。

1.2 數據采集原理

首先將一系列電極在固定點距x沿測線進行布置，用x表示相鄰電極距，將裝置電極間距設置為a=nx （n=1， 2，3，……，n+1），將電極間距為a的1組連接到儀器上，并且還應經過轉換開關，利用轉換開關將裝置類型進行改變，就該測試點相應各種裝置的視電阻率觀測予以一次性完成（將記錄點設置在電極排列重點），當將一個測點觀測完畢之后，利用轉換開關便可實現向下一組電極進行自動轉換的目的（即將點距x自動向前推移）然后采用同樣的方法，對該點實施對應觀測，直至將整條剖面相應電極間距為a觀測完成即可。然后對其余不同間距裝置進行選擇，諸如a=2x，a=3x，……，a=（n+1）x，并對上述觀測進行重復操作。

1.3 資料處理與解釋

可利用高密度電阻率成像處理系統，對數據處理和解釋數據進行相應處理。該方法通過實施佐迪反演，以此實現橫向分辨率及縱向分辨率提高的目的，促使電性剖面對于地下介質能夠真實的進行反應。

可依據高密度電法電阻率成像斷面圖當中所存在的電阻率分布狀況，可將地質異常狀況進行相應劃分。通常情況下，第四系土層在電阻率方面普遍較低，一般情況下其區間為10～208Ω·m；如果第四系砂層內不存在水分狀況即處于干燥使，則其電阻率相對較高，可達到100Ω·m，如果其存在含水狀況，其電阻率與土層中相應含水量和含沙量之間存在密切關系，即第四系砂層在含水量方面越強，則其電阻率就會越低，此外，其含砂量越大，則同樣電阻率越高，通常情況下數值為10～50Ω·m。一般情況下煤系地層當中的砂頁巖及砂巖所具有的電阻率為30～80Ω·m，其煤層電阻率通常為200～500Ω·m。比如當煤炭經過開采之后，其相應冒裂帶及采空區上部的覆巖層則會出現程度不一的坍塌和裂隙，致使電阻率值出現增大狀況。針對地下所具有的空洞來講，其所存在的電性會隨著空洞充填物的性質而發生相應變化，如果空洞處于充滿水的狀況，則其在電阻率方面就會極低，通常情況下<20Ω·m；如果空洞處于干燥狀態，則其電阻率就會非常高通常>200Ω·m。因此，針對地下采空區、異常地質體的位置及空洞解釋，便可運用上述規律落實此內容。

2. 工程應用

張莊沖溝作為該地區重要的沖溝形式，其位置處于張莊井田的西部。該沖溝字南部開始經過水流匯集向北流動，并穿過煤系露頭流入到小汶河當中。在七十年代中期在張莊沖擊溝的西部位置，以及在磁萊鐵路橋北部大約30～50m處，十一層采空區保留巖柱距離沖溝底部為5.6m，當雨季時，溝底就會出現突然塌陷并發生相應透水事故，以此對其進行及時搶修，并在塌陷坑當中將大量的農作物填充其中。通過對其進行大致推算可知，經過近三十幾年的填充操作，其原始填充物則可能出現活化狀況，因此，其就預示著該地區還將可能發生塌陷現象，進而發生透水事故，所以，所以，必須地質探測該區域的裂隙通道及隱患，在治理方面還要有針對性，從而以保證礦井安全為最終目標。

通過高密度探測沖溝，并就運用高密度電阻率成像處理系統所獲取的具體數據，利用計算機進行相應處理，最終便可得到高密度電阻率成像圖。如圖1所示。

通過圖1可知，在電阻率剖面當中，電性異常區出現3個，分別為1個高阻區和2個低阻區。針對異常區1來講，其實質為低阻區，其相應平面位置則在樁號25～50m位置處，則可將其斷定為為十一層淺部塌陷區或者采空區，并且在其內部還含有水；針對異常2來講，其實質為為高阻區，其位置具體在樁號55～120m處，因此，則可將其判定為十一層淺部采空區，還有可能是十三層開采影響區，其中不存在水；針對異常3來講，其為低阻區，其位置在于于樁號135～155m位置處，其存在較大異常范圍，且深度大致為10～30m，則可將其判定為十一層淺部采空區，或者是煤覆巖裂隙發育帶，該異常區具有較強的含水性，并且在頂部位置上還具有高阻異常，并與地面直接連通，因此，可斷定為裂隙通道的反映。上述三個異常區域之間可能會存在局部煤柱間隔。

3. 結語

高密度電法具有與其它探測方法相同點，均需要對一定地球物理予以滿足，尤其是圍巖和探測目的體之間所存在的電性差異，對其造成困擾的因素較小時，其地質效果則會令人滿意，可在許多地質工程及水文地質當中進行運用。

參考文獻：

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