王士鹏(冶金工业部勘察研究总院,河北保定 071067)
摘要:高密度电法具有测点密度高,信息量大,在寻找地下水,查明采空区,探测岩溶发育带和划分地层诸方面得到了应用。本文论述了其原理、技术方法及数据处理推断解释并通过两个工程实例,详细介绍了高密度电法在花岗岩地区寻找基岩裂隙水和在拟建水库区内划分N 2红粘土缺失范围中的应用。最后对高密度电法的仪器设备和方法技术存在的问题提出了看法。
关键词:高密度电法;视电阻率;等级分布;构造裂隙;N 2红粘土
中图分类号:P 631.3 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2000)01-0052-05
Abstract :T he high-density electr ical metho d,with the high density of measur ing points and lar ge amo unt of infor mation ,is widely used in the fields like g ro undw ater sear ching ,making clear o f m ined ar eas ,explor atio n o f kar stic zone and classificatio n o f strat a.T his paper elucidate it s principle,technical met ho ds and the data pro cessing ,inference and int erpret atio n and,thr oug h tw o practical cases,int ro duces in det ail the application o f high-density electrical method in the sear ching of bedro ck fissur e w ater in g r anite area and the discr imina tio n of the hiatal area o f N 2r ed clay .F inally ,
some v iew s co ncer ning t he pr oblems o n the equipment and inst allation and techniques in high -density electrical metho ds ar e put fo rw ar d.
Key words :high-density electr ical method;apparent r esistiv ity ;distr ibutio n o f gr ades;tectonic fr actures;N 2red clay
收稿日期:1999-02-08
1 前言
80年代初,日本地质计测株式会社研究成功了高密度电阻率探查法(简称高密度电法),并且广泛应用于工程地质及水文地质中。在日本,高密度电法主要用来解决如下的地质问题:火山口的“基岩”形状调查,局部地质构造和空洞调查,断层构造调查,滑坡及地下水流调查,隧道落顶预测,寻找地下水等等。其中断层构造调查应用较多。
1987年,我院从地质计测株式会社引进了该项方法技术;1988年又引进了GER -300AD 型交直流电法探测仪。多年来,我院使用该项方法技术在寻找地下水;探测采空区:查明岩溶发育和划分地层中得到了应用,并且收到了较好的地质应用效果。
近年来,国内不少单位开展了该项方法技术,并且取得了较好效果。随着勘察科学技术的不断发展和国民经济建设的需要,高密度电法做为一种新的物探方法技术,一定会在工程地质和水文地质以及其它相关领域中得到广泛应用。
2 方法概述
高密度电法本质属直流电阻率法。但是,实际供电
电流为低频交流电。其供电频率固定不变,一般选在20～30Hz 之间。高密度电法测点密度高,点距小到1～2m ,并具有测深和剖面的双重性能。一般情况下,高密度电法的信息量为普通电阻率法的百倍以上。
因高密度电法的供电频率较低,且固定不变,所以将其视为直流电阻率法,遵从直流电阻率法的一般原理。
2.1 测定方法
高密度电法的测定方法以温奈尔装置为例说明。如图1所示,C 1、C 2为供电电极,P 1、P 2为测量电极,电极间距为a ,$A BC 为等腰直角三角形,角B 为直角,A 、C 分别为电极C 1、P 1和电极P 2、C 2的中点,B 点表示所观测视电阻率值的位置。若沿测线方向一次打入N 个电极,每次观测后装置移动距离a ,逐个观测视电
阻率值,可得B 1a 、B 2a ……B (N -3)
a 一系列值。改变电极间
距为2a 、3a ……观测视电阻率,同样可得一系列值。最终所测视电阻率断面为一倒梯形形状。将这些视电阻率值经过一系列数据处理,便可绘制成视电阻率分布断面图。该图则能反映出地下地层分布,地质构造以及其它地质情况。2.2 解释方法
高密度电法的解释成图由计算机完成。为提高信噪比,高密度电法必须进行如下数据处理:
输入原始数据
计算视电阻率
地形补正处理
数值平滑处理
垂直或水平异常突出处理
视电阻率等级划分
绘制断面图
结 束
垂直或水平异常突出处理,用于所查明目的体分布状态不同时选择进行,如目的体为垂直向分布的断裂构造,则进行垂直异常突出处理;如目的体为水平分布的地层,则进行水平异常突出处理。
一般情况下,将视电阻率进行5个等级划分。各个等级数值处理表示式如下:
1等级 3 <3等级 3 ; m+R 3<4等级 其中,m为全测区视电阻率的平均值;R为标准偏差。 从1等级到5等级由低至高,分别用不同的5种颜色表示,计算机则用这5种颜色绘制成视电阻率等级分布断面图。该图清晰、美观且直观性强。 如果高密度电法的仪器设备都用计算机控制,则数据的采集、处理、解析、成图均可实现自动化。地质计测株式会社于1985年研制成功了电极自动“切换装置”,使高密度电法实现了全面自动化。 3 工程实例剖析 下面仅举两例说明高密度电法在水文地质和工程地质中的应用。这两项工程皆为我院和地质计测株式会社合作完成。3.1 高密度电法寻找地下水 3.1.1 任务与目的 山东省招远县某村,地处花岗岩地区,因工业污染严重,浅层水不能饮用。为解决饮水问题,需打深井,提取基岩裂隙水。要求单井出水量Q>5m3/h,水质符合TJ20-76饮用水标准。为完成此项任务,采用高密度电法。 3.1.2 测区概况 测区属低山丘陵,地层简单,分布有第四系地层和玲珑花岗岩。第四系地层岩性以粉土、砂、卵石为主,厚度一般为数米,主要分布于沟谷中和山脚下。玲珑花岗岩在测区普遍分布,且大面积出露,只在沟谷中和山脚下被第四系所覆盖。测区内无断裂构造,从区域性构造来看,断裂以NNE向为主。测区地下水位推测大于100m。 测区岩石的电阻率大致变化如下:第四系地层一般为30～2508õm;风化破碎花岗岩为500～10008õm;完整花岗岩大于15008õm。从电性上来看,风化破碎花岗岩和完整花岗岩有一定差异,地球物理前提基本具备。 3.1.3 外业工作 根据地形、地貌选择较为平坦的地方大致垂直NNE向布置两条测线。测线长均为500m。a为5m,点距为5m,一个排列使用电极101根。测试深度从1a到33a。采用温奈尔装置。电极切换为手工操作。 3.1.4 解释推断 为突出纵向构造裂隙的异常,断面图进行了垂向构造突出处理。 图2为A测线视电阻率垂直构造突出断面图。从该图中可以明显看出,断面320～350m之间有一宽约30m垂向发育的低阻异常,相对视电阻率为低或较低等级。该异常垂向发育较深,超过100m。同样,B测线断面图中也有一类似的低阻异常。若将A、B两测线的低阻异常相连,其走向约NE15°。这一走向和区域性构造走向NNE向完全一致。据此,推断该低阻异常带为构造裂隙发育带。若在该范围内布井,成井可能性较大。 3.1.5 应用效果 根据上述勘探成果,经水文地质人员结合地质资料和施工条件等,在A测线330m处确定井位钻探。孔深为214.22m,其中110～140m和180～190m岩芯破碎,裂隙发育。经抽水试验,单井出水量Q= 6.35m3/ h;经分析水质完全符合TJ20-76饮用水标准。该井完 全满足了委托方要求, 受到好评。 图2 Fig .2 3.2 高密度电法划分地层3.2.1 任务与目的 某拟建水库,以奥陶系灰岩为基底,以第三系红粘土为隔水底板,但是,第三系红粘土并非在库区普遍分布,且厚度并不均匀,故必须查明第三系红粘土的厚度及缺失范围,为后期处理提供依据。为此,我们采用高密度电法完成该项任务。3.2.2 测区概况 测区地形属黄土丘陵,地貌单元属剥蚀堆积型地貌,地表多为黄土覆盖。测区地层分布有第四系、第三系和奥陶系地层。第四系地层岩性以粉质粘土,黄土状粉状土、粉细砂、卵石为主,厚度一般为10～30m ,最大厚度可达50m 。该层在测区普遍分布。第三系N 2红粘土,岩性以红粘土含砾夹泥质卵砾石层或透镜体为主,结构致密,含铁锰质薄膜及少量钙质结核。该层主要分布于洼地及山坡底部,厚度一般为数米至数十米,最大可达八十余米。但在局部该层缺失或很薄。奥陶系灰岩,岩性以中厚层灰岩和白云质灰岩为主,结构致密,坚硬,风化浅,有小的溶孔、溶隙。该地层在测区普遍分布,且厚。 测区内无较大断裂构造,只有小的错动。测区地下水位很深。 测区岩石的电阻率大致变化如下:第四系地层一般为20～3008m ;第三系N 2红粘土小于208õm ;奥陶系灰岩大于5008õm 。从电性上来看,除第四系中的亚粘土和第三系红粘土差异较小外,其它岩石和红粘土的电性差异都较大。 3.2.3 外业工作 测区原有少量钻孔,本次测网布置让测线都穿过钻孔,目的是和钻孔资料进行对比。测线长500～ 750m ,a 为5m ,点距5m ,500m 测线为一个排列观测;750m 测线第二个排列,为76个测点,两个排列重叠25个测点。测试深度从1a 到25a 。采用温奈尔装置。3.2.4 解释推断 解释推断以视电阻率等级分布断面图为依据,密切结合地质和钻探资料,先易后难,先定性后定量进行综合解释推断。3.2.4.1 定性解释推断 图3为O 测线视电阻率等级分布断面图。钻孔87-9和88-4都揭露有较厚的N 2红粘土。从断面图中可以看出,这两个钻孔都位于测线50～365m 范围的第一等级27～548õm 的低阻异常内,此低阻异常区域形象地表明,N 2红粘土由近及远,埋深由深变浅,而且其厚度是中间厚两头薄,365m 以后尖灭。 图4是另一测线视电阻率等级分布断面图钻孔ZKK 8揭露为缺失N 2红粘土,断面图中相应显示为高视电阻区域,而0～300m 却都分布有第一等级32～548õm 的低阻异常区,390m 以后低阻异常又出现,其埋深加大,视电阻率异常值因埋深加大而变小,这些变化同样应属N 2红粘土。 纵观其它测线断面图,同样具有上述现象,因此根据断面图和钻孔资料解释推断:视电阻率等级分布断面图中,高阻异常反映为地层缺失N 2红粘土;反之低阻异常反映为地层存在N 2红粘土。 4.2 定量解释推断 欲客观,正确划分红粘土的缺失范围,必须搞清高阻异常和红粘土缺失的关系,以及低阻异常和红粘土分布的相关关系。因此,横向的定量解释是问题的关 键。测区原有的少量钻孔为横向定量解释提供了重要 依据。 图5中钻孔87-13揭露为缺失红粘土。从图中看出,该钻孔位于第二等级54～698õm 分布区内的边缘部分。由此推断,该测线红粘土缺失范围应包括第二等 级视电阻率的边缘部分。 图3 Fig .3 图4 Fig .4 图5 Fig .5 根据有关参考文献分析推断,及水槽模拟试验证实,红粘土缺失边界应为第一、二等级分界线。但这仅适于下列情况:¹在N 2红粘土具有一定厚度且埋深不太深时;º当N 2红粘土厚度较薄或者其埋深较大时。故在此种情况下缺失边界应向第二等级外缘方向移动。以图5为例,缺失边界为第二等级异常明显变窄段为界即290m 处。 同理,如红粘土埋深较大,可能没有第一等级的视电阻率分布,而只有第二等级的低阻异常分布,这时就应将第二等级视电阻率视为第一等级考虑。 红粘土缺失边界的定量解释推断,是一个较复杂的问题,应综合分析判断。 3.2.5 存在的问题 高阻异常反映为地层缺失红粘土;低阻异常反映 为地层存在红粘土这一定性规律,一般情况下是正确的。但是,在个别测线的部分地段,则另当别论。图6断面图中,钻孔87-9揭露有红粘土,钻孔ZKK9揭露缺失红粘土,钻孔WZ2揭露有较厚的红粘土,其埋深为31.4～41.4m ,厚达10m 。但是,断面图中,WZ 2钻孔位置并没有低阻异常反映,反而呈高阻反映,比缺失红粘土的ZKK9钻孔还高一个等级。经分析认为原因有二, 其一红粘土埋深较深,异常值自然减小;其二第四系中分布有较厚的卵石层,起到了高阻屏蔽作用,致使下部的红粘土被掩盖而无低阻反映。显然后者卵石层的高阻屏蔽作用应是决定性的。这一推论可从地貌分析即 河床及冲沟分布有较厚的卵石层;WZ 2钻孔正位于沟边上, 故第四系中有较厚的卵石层得到证实。 图6 Fig .6 由于当第四系中分布有较厚的卵石层时,红粘土的划分就受到很大干扰而无法划分,这时就必须依靠钻孔和地质资料综合分析推断,不可贸然下结论。 4 结语 通过以上2个工程实例的分析和多年来的实践,我们对高密度电法有如下体会: (1)高密度电法同其它物探方法一样,当满足一定 的地球物理前提,特别是探测目的体与围岩存在一定的电性差异,且干扰因素较小时,将会取得令人满意的地质应用效果,可以广泛应用于工程地质和水文地质以及其它相关领域,发挥其信息量大,探测精度高,速度快,自动化程度高等优点; (2)高密度电法的定性解释和定量解释,必须结合地质和钻探资料进行综合分析、对比,从中寻找规律性的东西。在有条件的时候,可进行室内水槽模拟试验,以便寻找解释依据; (3)高密度电法的仪器设备还有待进一步改进。供电频率可改为可变频率或直流,提高对干扰因素的应变能力。因观测系统节点较多,故障率会增加,电极越多,电缆芯越多,其重量必然加大。因此,电缆需向单芯多极观测系统发展。电极装置也可灵活应用,采用反映灵敏,观测深度大,抗干扰能力强的装置; (4)资料的处理解释功能尚需进一步优化,最终实 现断面图的反演成像。 本文的工程实例,日本地质计测株式会社社长三泽政次郎先生均亲临我院指导,并深入现场,在此,仅以我个人的名义向三泽政次郎先生表示衷心感谢。 参考文献 [1] 高密度比抵抗电气探查法[R ].地质计测株式会社, 1981年1月 [2] 高密度比抵抗电气探查N 实例[R ].地质计测株式会 社,1984年6月 [3] 中西博次.电气探查K N p 空洞探查实施例[C].应 用地质株式会社,物理探查学会第77回(昭和62年度秋季)学术讲演会议演论文集,1987年10月[4] 岛裕雅,数值实验K h k 比抵抗¨Â ɵ }N 精度分解能N 检讨,应用地质株式会社,物理探查学会第77回(昭和62年度秋季)学术议演会议演论文集,1987年10月 [5] 岛裕雅、坂山利彦.比抵抗¨Â ɵ }N 关9k 数值实验结果K µ$F [C].应用地质学会,应用地质株式会社,昭和62年度研究发表会议演论文集,1987年10月 [6] G ER-300AD 交直流电气探查机取报说明书[R ].地 质计测株式会计,1988年7月 编辑:李善峰下载本文
