Question

高密度电阻率法

Answer 1

高密度电阻率法的理论基础与常规电阻率法相同，所不同的是方法技术。该方法实际 上是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极（几十根至上百根）置于观测剖面的 各测点上，然后利用程控电极转换装置和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采 集，当把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图示 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向前大大迈 进了一步。

高密度电阻率法的主要优点有：电极布设是一次完成，为野外数据的快速采集和自动 或半自动化测量奠定了基础；能自动进行多种电极排列方式的扫描测量，从而获得较丰富 的地电断面结构特征和地质信息；野外可对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，还可自 动绘制和打印各种成果图件；与传统的电阻率法相比，具有成本低、效率高、信息丰富以 及解释方便等优点。

我国在20世纪80年代后期，地矿部系统率先开展了高密度电阻率法的应用与研究，从理论与实际相结合的角度，进一步探讨并完善了该方法的理论及有关技术问题，研制成了约3～5种类型的仪器。近年来，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查领域取得了明显的地质效果和显著的社 会经济效益。

（一）高密度电阻率法的装置

1. 三电位电极系

三电位电极系是将温纳四级（即当AM＝MN＝NB＝a时的对称四极装置）、偶极及微分装置按一定方式组合后所构成的一种测量系统。该系统在实际测量时，只需利用电极 转换装置将每相邻的四个电极进行一次组合，从而可在一个测点便可获得三种电极排列的 测量参数。三电位的电极排列方式如图4-20所示。为了方便，将上述三种电极排列方式 依次称为α排列、β排列和γ排列。

根据三电位电极系的特点，视电阻率参数的计算公式依次为

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图4-20 三电位电极系排列方式 点距x＝1m，极距a＝2x，隔离系数n＝2

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式中：a为三电位电极系的电极距。当点距为x时，a＝nx（n＝1，2，3，…，15）。显然，由于一条剖面地表测点总数是固定的，因此，当极距扩大时，反应不同勘探深度 的测点数将依次减少。若将三电位电极系的测量结果显示于测点下方深度为a的位置 上，于是整条剖面的测量结果便可以表示成一种倒三角形的二维断面的电性分布（图4-21）。

三电位电极系的野外观测结果除了可以绘制相应电极排列的视电阻率断面图外，根据需要还可以换算比值参数λ和T，并可绘制这两种比值参数的断面图。λ参数的换算是以 联合三极的观测结果为基础的。表达式为

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式中：ρ_S（i）及ρ_S（i＋1）分别表示剖面上相邻两点的视电阻率值。

另一个比值参数是直接利用三电位电极系的测量结果，并将其加以组合而构成的，其计算公式

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式中： 分别为β和γ电极排列的视电阻率值。

图4-21 高密度电阻率法测点分布示意图

图4-22是同一地电模型上视电阻率参数和比值参数（λ）的计算结果。从图可以看出，在该地电模型上，视电阻率断面图只反映了基底的起伏变化，基岩中的低阻体反应得 并不清楚，而比值参数（λ）断面图不但反映了基底的起伏，同时也反映了基岩中的低阻 体。由此可见，比值参数（λ）对低阻体比视电阻率参数反应灵敏。

图4-22 在同一地电模型上方视电阻率参数 及视比值参数λ的断面等值线图

图4-23是一高阻地电模型上视电阻率断面的比值参数（T）断面的正演计算结果。由图可看出，视电阻率参数对高阻凸起的地电模型反应得并不明显，而T参数却反应得 十分清楚。由此说明，比值参数（T）对高阻体反应灵敏。

图4-23 在同一模型上方视电阻率参数及 及视比值参数T断面等值线图

2. 温纳—施伦贝尔热装置（DUK—2测量系统）

高密度电阻率法除采用三电位电极系外，原则上讲电阻率剖面法中所采用的装置形式都可以用于高密度电阻率法，但考虑到高密度电阻率法的特点和工作方便，采用较多的还 是以四极为基础的方法。

（1）温纳—施伦贝尔热装置

此种装置是温纳装置和施伦贝尔热装置的结合，即在整条剖面测量中MN要由小 到大变化几次，但在MN为某一固定值时，A，B按施伦贝尔热(1)方式移动。这种装置 适用于固定断面扫描测量，测量断面为倒阶梯形。其电极排列和测量分布如图4-24 所示。

图4-24 温纳—施伦贝尔装置测量断面示意图

（2）施伦贝尔热(1)

该装置适用于变断面连续扫描测量，测量时，M与N先不动，A逐点向左、B向右移动固定距离，然后M与N向右移动一个电极距并固定，A与B逐点向左、右移 动，移动的距离与第一个M与N位置所移动的距离相同。该种测量方式即相当于测深 剖面测量。整个剖面结束后得到矩形断面。其电极排列和测量分布如图4-25（a）所示。

（3）施伦贝尔热(2)

测量过程类似于温纳装置，但在整个测量过程中MN固定为一个点距，AM和NB的距离随间隔系数逐次由小到大变化。该种测量方式数据按间隔系数由小到大的顺序分层 存储，断面图为倒梯形。其电极排列和测量分布如图4-25（b）所示。

图4-25 施伦贝尔装置测量断面示意图

（二）高密度电阻率法的应用

对于主要应用于工程与环境地质调查中的高密度电法而言，按地质任务给出的测区往往是有限的，施工者只能在需要解决工程问题的有限范围内布设测网。

高密度电法野外数据采集方式主要有两种。一种是地表剖面数据采集方式；另一种是井中电阻率成像的数据采集方式。而后者又包含有单孔和跨孔式两种。跨孔式采集方式与 测网的布设关系密切，实际工作中应注意。

高密度电法的测点布置是受地表电极总数控制的。对于常规排列，随着隔离系数的增大，测点数便逐渐减少，当n在1～15之间变化时，对于60路电极而言，一条剖面的测 点总数可由下式计算：

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显然，n＝1，N₁＝57，N₁₅＝15，即a＝15△x时，最下层的剖面长度为L₁₅＝15·△x。测 点在断面上的分布呈倒三角形状，见图4-21。

1. 采空区探测

石—太高速公路山西平定境内遇有矾士矿采空区，由于工程治理的需要，在施工前必须查明其空间分布和规模。

探测区段地质情况较为简单，其上部为第四系覆盖层，以黏土为主，电阻率为20～ 30Ω·m，厚度0～10m不等。底部石炭系，以粉砂岩和泥岩为主，电阻率为50～100Ω·m，厚度较大。采空区由于坍塌、充填物松散、潮湿或充水，电阻率与围岩相比差异较大，呈 低阻特征。其中3号采空区采用旁柱式开采，截面积较大，坍塌也更严重，埋深大约为 20m。工区居民建筑稠密，地表条件复杂。

由于地形地物条件复杂，故采用非正规测网，在120m×100m的范围内共布设12 条测点。点距2m，极距a＝（1～16）x。野外测量采用由原长春地质学院研制的 HD—1型高密度工程电测系统。将一条剖面所采集到的552个数据绘制成断面等值线 图，如图4-26所示。该图为3号采空区Ⅰ线、Ⅱ线的高密度测量结果。由图可见，除 地表局部地形和电性不均匀体形成的向上开口的“V”字形干扰异常外，在其深部（39 点下方）有一低阻闭合圈异常，范围较大，相应埋深也较大，与正常背景电阻率相差 仅10Ω·m。不难看出，该异常对应于采空区位置，在相邻测线上连续出现了类似性质 的异常，且深度大同小异。利用高密度测量结果，结合钻探资料，最后圈定了采空区 平面分布。

2. 地裂缝的探测

近年来，在西安地区出现了多条地裂缝，严重破坏了地面及地下各种建筑设施。因 而，查明地裂缝的存在、走向及延伸，对西安地区的城市规划和建设有重要意义。由于地 裂缝具有宽度极小、埋深变化较大、走向延伸较长等特点，要查明其平面分布和产状，常 规物探方法效果不理想。

西安三环路西段地区地层主要为亚黏土和黄土，其电阻率均较低，仅为16Ω·m左 右，地裂缝为高阻空裂带，宽度较小，仅几厘米。

图4-26 山西平定某采区Ⅰ、Ⅱ线高密度ρ_S断面图（单位：Ω·m）

在需要进行地裂缝探测的剖面上，选取点距x＝0.5m，极距a＝n·x（n＝2，3，4，…，19），共选取19个电极距，供电采用了发电机，最大供电电流3A，保证各测点读数大于 10mV。对异常点及突变点均进行重复观测，以确保数据可靠。

图4-27为西安市旅馆村采用高密度电阻率法探测地裂缝的实验结果，该区地层主要 为亚黏土及黄土，其电阻率均较低。由图可见，地裂缝位于24～31号点之间，由主裂缝 F₁和次裂缝F₂组成，主裂缝F1由20Ω·m等值线圈闭，产状近乎直立，裂缝宽仅1cm。裂缝F₂最高电阻率19.6Ω·m，产状直立，略西倾。从上述结果可见，高密度电阻率法 在西安市地裂缝探测中取得令人满意的地质效果。

图4-27 西安市地裂缝高密度电阻率法探测的ρS断面图（据刘国兴，2008）