高密度电法在某工区溶岩探测中的应用研究.doc

题目：高密度电法在某工区溶岩探测中的应用研究摘要随着我国国民经济的发展，交通枢纽的不断完善，山区地形地貌、地质条件复杂 , 是滑坡、崩塌堆积、岩溶塌陷、隧道冒顶等地质灾害频发地区 , 如何快速准确地查明这些地质灾害的空间特征 , 对于指导地质灾害治理设计和施工尤为重要；高密度电法勘探则可以弥补传统钻探方法的不足，对山区地质问题勘察具有明显的效果。本文就某工区岩溶探测对高密度电法勘探的应用进行研究。剖面长度300米，里程DK493+000DK493+300，DK497+150DK497+450，通过数据收集，分析数据成图显示：DK493+000DK493+300段的覆盖层较厚，下伏基岩界面起伏较小；炭岩内部有小规模溶蚀育发；DK497+150DK497+450段，灰岩起伏较大，覆盖层厚度不均。DK497+245处存在溶洞，埋深5m，直径约为4米，通过该区研究，进一步证实高密度电法在解决地质问题中具有明显效果。关键字：高密度电法；溶蚀；溶洞目录绪论. 11.1高密度电法勘探的发展与现状. 11.2高密度电法的发展趋向. 22.野外工作布置. 32.1测区的选择. 32.2测线布设. 32.3测网的布设. 33.高密度电法的原理及技术. 43.1高密度电法介绍. 43.1.1高密度电法的定义及特点. 43.1.2仪器介绍. 43.2高密度电法工作原理. 63.3工作方法和技术. 73.3.1装置的选择. 73.3.2极距的选择及导线敷设. 93.3.3小结. 94.资解释料处理及成果. 104.1资料解释方法. 104.1.1处理方法. 104.1.2数据成图. 114.2资料处理. 124.3资料解释. 16结论. 18致谢. 19参考文献. 20绪论 对深部地质问题的研究，电法勘探是重要的地球物理勘探方法，由于它是利用矿石的电性特征(包括电磁和电化学特征)进行深层矿体的研究，从而解决地质问题，具有方法种类多，探测深度大，成本低和效果好的优点，其中高密度电法通过电阻率的变化找出地层溶蚀发育以及溶洞，因此在探测交通道路建设方面起到非常重要的作用。但是电法勘探也受到地形不平、导电性不均匀的影响。该区测试地层溶蚀、断层等地址情况，解决高铁能否在此修建问题。因此选择了高密度电法勘探。1.1高密度电法勘探的发展与现状高密度电阻率法是一种阵列方法，研究高密度电阻率法的发展，必然牵出阵列的发展。关于高密度电法勘探的思想在 20 世纪70 年代末期就有人开始考虑实施，英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电法的最初模式，80 年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集，只是由于整体设计的不完善性，这套设备没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。80年代后期，我国原地质矿产部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究，从理论与实际结合的角度，进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题，也研制成了几种类型的仪器。目前，研究高密度电法的方法技术和仪器的主要有中国地质大学等， 近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。高密度电阻率法是目前普通电法勘探发展的高级阶段，它具有数据量大、信息多、观测精度高、速度快、纵向与横向分辨率高等优点，广泛应用于水利水电工程、矿产、环境及工程地质等诸多领域。由于该法从属于电法勘探的范畴，在地面半空间范围探测取得了令人满意的效果，使高密度电法在半空间的探测方法及解释理论已经较为成熟。随着地下工程的不断发展，而高密度电法在煤矿、隧道中探测是全空间还是半空间的问题尚未完全解决。由于巷道、隧道的特殊性，探测时电流不仅在底板流动，而且在侧壁和顶板也有分布，使探测和资料解释更加复杂化。就普通电法勘探而言，理论上全空间与半空间的视电阻率差异是二倍的关系，而实际结果并非如此。因此，开展全空间高密度电阻率法模拟试验及应用研究，具有重要的理论及实际意义。1.2高密度电法的发展趋向不同的厂家在不断推出新功能的电法仪器，随着电子技术的发展，实现了电子电极转换，部分厂家把电极转换部分分布在各个电极 ,甚至把信号转换部分转换分布在各个电极。且不同厂家推出的电法仪及其转换开关种类繁多、性能各异各有千秋。其中分布式智能电极是近些年来推出的新型高密度电法勘探仪器 ,正在不断发展和改进之中。2.野外工作布置2.1测区的选择地球物理工作的测区一般是由测区的地质任务决定的，测区选择应遵循的原则大体上都是一样的，但是对于主要应用于工程与环境地质调查中的高密度电阻率法而一言，按地质任务所给出的测区往往是限定的，只能在需要解决工程问题的有限范围内来选择测区和布置测网，可供选择的余地往往是很少的。2.2测线布设根据项目工作要求和野外现场踏勘、深测实验，发现地下各电性层存在明显的电阻率和激化率差异，故选用高密度电法作为本次工作的勘探方法。测量网度按物化探测量工作规范有关要求执行，原则上在一个工区测线不能少于5条，测线长度，依据所需的探测深度而定，测线方向与特路走向垂直或斜交；测点间距不大于为20m，在测量过程中如发现异常，则根据情况加密测点，原则上在异常区不能少于3个（测线布设见图4）。本次工作采用温纳装置，偶极-偶极装置，测线7条，测线长度300米，5米点间距。2.3测网的布设测网布设除了建立测区的坐标系统外，还包含了技术人员试图以多大的网度和怎样的工作模式去解决所给出的工程地质问题，在这里，经验和技巧往往是非常重要的。对于高密度电阻率法而言，野外数据采集的方式主要有两种，一种是地表剖面数据采集方式，一种是井中电阻率成像的数据采集方式。本次的数据采集方式是第一种，即地表剖面数据采集。3.高密度电法的原理及技术3.1高密度电法介绍高密度电法（High-density Resistivity Method）指的是直流高密度电阻率法，但由于从中发展出直流激发极化法，所以统称高密度电法。3.1.1高密度电法的定义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）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。（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。（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 25 s），而且避免了由于手工操作所出现的错误。（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。（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。3.1.2仪器介绍采用重庆地质仪器厂DUK-2A多功能直流激电仪。该仪器具有高分辨、高效率、轻便、操作灵活，可以进行时间域直流电阻率和激发极化法测量，提供的信息直观、解释方便。工作原理：DUK-2A高密度电法测量系统是在常规直流电法仪器工作原理的基础上，利用微机控制多路转换器的方式，实现一次性布极，从而观测地下不同深度范围内的电性参数分布的情况。图2.1 DUK-2A多功能直流激电仪应用：该系统广泛用于堤防隐患探测、水文、工程、环境的地质勘探及高分辨率电阻率法工程地质勘探、煤矿采空区、人防工程及卡斯特地区的溶洞等勘探、厂房地基、高速公路、桥梁、铁路、山体滑坡等地质灾害勘探以及金属与非金属矿产资源勘探及地热勘探等工程。3.2高密度电法工作原理电阻率法是一种传统的地球物理方法，它是基于静电场理论，以探测目标体的电性差异为前提进行的。当探测对象和周围介质存在差异时，利用该方法便可能确定探测对象的分布空间。高密度电法本质属直流电阻率法范畴，是以介质电性差异为基础，研究在人为施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律。高密度电法与普通电阻率法相比，高密度电法设置了较高的测点密度，点距可以小到1m，所以高密度电法的信息量远远超过普通电阻率法的信息量，并具有测深和测剖面功能，所提供的是二维信息，而且一定数量的二维剖面还可以组成一个拟三维图像，它是电剖面和电测深法的结合。高密度电法的数据采集系统由主机、电极转换器电缆等组成，主机通过电极转换器控制各电极的高压供电与测量状态。主机通过电极转换器发出工作指令、向电极供电、加压并接收、存贮测量数据。野外工作时，将多个电极按一定的间隔布置，观测过程中电极按一定规律组合，一次布置电极可实现不同的观测装置。高密度电法的解释成图由计算机完成，通过计算机将数据经相应畸变点剔除、地形校正、数据平滑等预处理后，最后经过二维反演、处理绘制成断面视电阻率等值图。图2.2高密度电法工作流程3.3工作方法和技术我国堤防隐患的探测方法主要有地质钻探、人工探视和地球物理勘探3 种。前两者均不能满足快捷、精细、准确和无损等要求。而且,探视既费力又难于发现隐患,钻探既具有局部性又具有破坏性。因此,对水利设施的现状进行检测,查明隐患及其存在部位,为水利工程设施的整治和修复方案的制定提供可靠的依据,是现代地球物理方法发挥作用的一个广阔领域。实践证明,对水坝隐患探测效果较好的方法有自然电场法、电阻率剖面法、激发极化法以及近几年发展起来的高密度电法、探地雷达和微波遥感探测等。针对坝体不同的工程地质问题和某些特殊的应用地区,分析研究其可能产生的地球物理异常场而选择有效的探测方法,是物探方法取得成功应用的关键。在野外施工中必须针对具体的场地条件，选择适当的工作方法和技术，才能取得预期的地质效果。根据钻孔地质资料及野外现场踏勘，地下岩石的电性差异是明显存在的，实践表明,与其它物探方法相比较,在进行土坝隐患探测时高密度电法能取得较好的效果。3.3.1装置的选择装置的选择取决于探测精度、场地大小以及地形起伏。探测精度因素:掌握探测精度(灵敏度)与装置的关系，是高密度电阻率法中很重要的环节，在不同的条件下，各装置的探测精度不同。根据高密度电阻率法探测岩溶试验结果， 装置灵敏度最高，r次之，a最次，而据中国地质大学罗延钟教授研究，不等距偶极最灵敏， 次之，a又次之，r最次。场地因素:如果场地开阔，一般都使用四极a装置。因为该方法会获得最大的测量电位，这对于节省外接电源，减少供电电压，特别是压制干扰，增强有效信号，有着重要的意义。如果场地不允许，那么最好使用三极装置（AMN、MNB），三极装置比四极装置将节省一半的场地。a装置对于电性的垂向变化比水平向变化反映灵敏些。一般来说，此装置解决垂向变化(例如水平层状结构)问题比较有利，而去探测水平变化(例如狭窄垂向结构)就相对差一些。不等间距偶极装置对于电阻率变化有着最大的灵敏度。它对垂向电性变化十分灵敏而对水平变化相对不灵敏。a2是最常用的方法之一。这种装置在水平和垂向结构中都有着适度的灵敏度。在希望这两者方面都有好效果的一些地质构造领域中，这种装置往往是a和 之间的一个调和。高密度电阻率法采用三电位电极系，电极排列方式有:温纳四极排列、偶极排列、微分排列和a2排列等。上述电极排列既可联合使用，也可根据需要单独使用。1. a装置的A、M、N、B等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是探测电极，AM=MN=MB为一个电极距。电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开。该测量方式为剖面测量方式,所得断面为倒梯形，如下图：图2.3 a装置跑极方式2. 装置排列方式和a装置的不一样，A、B、M、N等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是探测电极，AM=MN=MB为一个电极距。电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开。排列方式如下图：图2.4 装置跑极方式3.r装置排列方式问A、M、B、N型，A、M、B、N等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是探测电极，AM=MN=MB为一个电极距。电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开。排列方式如下图：图2.5 r装置跑极方式2、场所满足的偏微分方程式高密度电阻率法是以岩土体导电性差异为基础的一类电探方法，研究在施加电场的作用下地中传导电流的分布规律，在求解简单地电条件分布时，通常采取解析法，即根据给定的边界条件解以下偏微分方程:(2-2)x。、y。、z。为源点坐标，x、y、z为场点坐标，当即当只考虑无源空间时，(1)式变为拉氏U=0（2-3）求解(2)，实际上就是寻找一个和该方程所描述的物理过程诸因素有关的场函数。由于坐标系的限制，解析法能够计算的地电模型是非常有限的。在研究复杂的地电模型电场分布时，主要还是采用了各种数值模拟方法二维地电模型，选用了点源二维有限元方法，对于三维地电模型，则选用了面积积分方程法。3.3.2 极距的选择及导线敷设极距取决于地质对象的埋藏深度，由于高密度电阻率法实际上是一种二维探测方法，所以在保证最大极距能够探测到主要地质对象的前提下，还要考虑围岩背景也能在二维断面图上得到充分的反映。根据上述考虑，以铺设60路电极为例，三电位电极系的极距设计为:a=n. 故，其中n为隔离系数，可以由1改变到15，也可任选， 为点距。显然a=AB/3它和探测深度之间存在系数关系。目前高密度电阻率法仪器设备，可控制30路、60路、90路及120路等多路电极,一般情况采用60路的。3.3.3小结综合以上内容，根据我们的实践经验，得出这样的认识和结论:四极装置是公认的最稳妥的装置，所以在工作中一般应予以选用。如果探测精度要求高，则采用a2装置，否则，只宜采用a装置、 装置的灵敏度略高于四极装置，但假象增多，电阻率剖面形态复杂。一般不提倡使用。不等距偶极装置灵敏度最高，但引起假象的可能性也同时增大了，并且此装置信号衰减最快，信噪比会随探测深度的加大而迅速降低，以有效信号限制在间隔系数小于8来计算，其勘探深度偏小。对于剖面测量任务，应采用较多种装置，但不主张采用过多装置。一则避免解释复杂，引起混乱，二则避免扩大工作成本、采集耗时。完成上述步骤后，对于局部重点部位显露不完整的部位，应采用三极装置中的MNB装置进行详勘。4.资料处理及成果解释4.1 资料解释方法将数据刺激结果通过计算机软件进行相应畸变点剔除，各断面采集数据拼接，插值等预处理后，经过二维反演，处理绘制成断面视电阻率等值图。4.1.1处理方法1 正演计算正演是反演的基础，而反演的解决又是实现高密度电阻率法层析成像的前提。高密度电阻率法是二维测量，因此核心问题实际上就是直流电法勘探中的二维正、反演问题的广义扩展。但较之常规方法，高密度电阻率法正、反演问题要具有更高的要求，特别是反演问题，实施起来难度大得多。在地球物理中，给定地球模型和初始一边界条件，求地球物理场被称作正问题。提出准确和完备的正问题，并找出快速的算法，是地球物理反演的基础之一。因此，在研究反问题之前必需研究正问题。由于场的复杂性，除了个别十分简单的规则形体具有解析表达式外，其它大多数地电模型很难得到其解析解，只能用数值计算法求其近似数值解。为了解决复杂地电模型的地球物理场的模拟，国内外发展了各种数值模拟方法，主要有有限差分法、有限单元法、积分方程法和边单元法。高密度电阻率法二维正演问题其实就是直流电法中点源二维正演计算问题。纵观国内外所有的最新资料，处理二、三维电法正演计算问题主要是采有限单元法和有限差分法，这两个方法在理论上是成熟的，而高密度电阻率法其装置的特殊设计，所以进行正演计算时必须兼顾速度和精度。2反演计算在地球物理学中，地球物理反演是利用在观测到的地球物理数据推测部介质物理状态的空间变化及物性结构。如果把地球物理问题分为资料采据处理和反演解释三个阶段的话，那么，资料采集是基础，数据处理是手演解释才是地球物理工作的目的。在高密度电阻率法中，仅根据高密度电阻率法的剖面图(视电阻率拟的视电阻率等值线的分布来进行解释显然是很不够的。为了获得地下介质布更为精确的图案，必须进行二维电阻率反演。4.1.2数据成图1.s视电阻率等值线图等值线绘图程序做出等s视电阻率断面图，一般用美国Goldon公司的Surfer软件。使用Surfer软件应注意两点：（1）它的网格系数不能偏小，否则会出现明显锯齿状的边缘。（2）对于具有梯形剖面形态的装置要进行空白处理，否则会出现虚假外延现象。s视电阻率断面图是资料处理的重要分析依据，也是高密度电法勘探主要的定性图件之一。根据断面图中显示的电性分布特征，判断出地质体的视电阻率范围，圈定出电性异常，此时充分应用已知地形、地质资料以及所采用的电极装置，分析引起电性异常的原因，例如地形引起的假异常、局部不均匀体引起的异常和探测目的地质体引起的真异常等，从而剔除干扰留下真实异常，并判断出目的体的位置。在自然界中，地质体的形状是不规则的，由于正演计算复杂，很多正演资料只提供了少数装置下的几个规则体的理论模型。在野外资料的定性分析中，一般用相近的理论模型去近似逼进已知地质体。比如用二维板状近似断层、三维球体近似溶洞等等。如果所取得的野外资料效果好，就可以应用相关理论判断出地质体的倾向等半定量的参数。2.正、反演图高密度电法勘探的定量解释一直是个难题。时至今日，还没有一个完善的、公认的高密度电法反演软件。如何克服多解性，正确地反演出定量的结果一直困扰着电法勘探。大部分生产单位的解释工作也就停留在定性或半定量的阶段。对于规模、埋深等定量参数，行业不同，要求有所不一。象地质矿产部门，这方面的要求要低一些，他们更注重探测目标的平面位置及电性参数，而在水电行业，寻求埋深、规模的实际意义远大于电性参数，故而各行业采取的解释方法差别较大。有的单位靠人工挖掘，有的单位凭地质推断，有的单位避而不提。值得参考的一种方法是依据钻孔资料取得真实深度与相应电极距间的比值关系去推算整个测区。这一比值有些单位直接固定为1/2或1/3的经验值，根据实践经验来看，固定比值法是一种不得已的方法。一些科研单位一直在积极研究此方面的工作，陆陆续续地推出了一些软件。其中比较好的有：国外M.H.Loke工作组开发的“RES2DINV软件”，中国地质大学“2.5维反演软件”和河北廊坊中石油物探所的“电法工作站”。前者已进入商业化阶段，但价格不菲，网上有它的限制版，后两者尚在完善当中。综观其功能，它们共同的缺点是：过于智能化，人工参与性不强，仍未摆脱多解性的限制，还停留在二维反演阶段等。4.2资料处理用Res2dinv软件对所采集的数据进行正演和反演处理，并成图图3.1 CX-2 装置反演图图3.2 CX-2正演图图3.3 CX-3 装置反演图图3.4 CX-3正演图图3.5 CX-4 装置反演图图3.6 CX-4正演图图3.1-3.3为DK497+150DK497+450段数据处理成图图3.7 CX-8图3.8 CX-9反演图图3.9 CX-9正演图图3.10 CX-10图3.11 CX-11反演图图3.12 CX-11正演图图3.4-3.7为DK493+000DK493+300段数据处理成图利用Surfer8软件对数据进行处理，得出电阻率的等值线图，将其和Res2dinv软件所成的正演和反演剖面图相比较，从而对比解释电阻率的异常情况。图3.13电阻率等值线图4.3资料解释从图3.13看出，在离设定原点105米处出现小部分的异常，有部分电阻率增大，延续5米左右又恢复正常；在140米左右电阻率出现明显异常，在接近200米处有出现轻微异常。推测在105和200米处可能是溶洞，而140米处则是断层，且上下盘错动较大，图左边为上盘向下滑动所致。图3.7测线CX-8中分析覆盖层厚度大约8米，下伏基岩较为平缓，起伏不大，电阻率产生异常，推测有较小的溶蚀发育现象。图3.8测线CX-9中分析覆盖层起伏不大，基岩厚度约8米，在110米左右，13.5米左右深处以下有明显电阻率异常变化，推测有溶蚀现象，形成岩溶破碎带。图3.9中在110米发生凹陷。电阻率减小异常，可能是因为溶蚀而使得电阻率的减小。覆盖层起伏不大，基岩厚度约8米。图3.10测线CX-10覆盖层平缓，无较大起伏，基岩厚度约8米，在115米左右产生电阻率变化，推测有溶蚀现象。图3.11测线CX-11覆盖层平缓，基岩厚度约8.5米。图3.1测线CX-2在105处，出现电阻率异常，深度5米，推测有溶洞形成；140米左右，出现电阻率较大异常，推测出现断层，并且上下盘出现较大的错动；195米处出现电阻率异常，深度5米，推测形成了溶洞。覆盖层起伏较大，厚度不均匀。图3.2在110米和200米附近出现电阻率增大的异常：而在130米附近则发生了较大的异常，估计出现了断裂现象。图3.3测线CX-3覆盖层起伏较大，厚度不均匀。在105米处出现电阻率异常，深度5米，推测有溶洞形成；140米左右出现较大的电阻率异常，推测在此处有断层，且上下盘错动较大；195米处出现电阻率异常，深度5米，推测此处有溶洞的形成。图3.4中在110和195米处出现轻微异常；在135米处电阻率相同层几乎垂直断开，出现极大的电阻率异常变化，推测该处为断层所致，且上下两盘具有较大的错动，使得相同层出现断开现象。图3.5测线CX-4覆盖层起伏较大，厚度不均匀。在105米处出现电阻率异常，深度5米，长度约5米，推测有溶洞形成；140米左右出现较大的电阻率异常，推测在此处有断层，且上下盘错动较大；195(DK497+245)米处出现电阻率异常，深度5米，长度约4米，推测此处形成了溶洞。图形解释如下：图3.9 典型图件溶蚀分析图3.10典型图件断层及溶洞分析综合以上探测结果的分析，可以得出一下推断结论：1，DK493+000DK493+300段：该区覆盖层较厚，平均厚度约8m;下伏基岩