应用案例
高密度电法在喀斯特地区岩溶探测中的应用
发布时间:2020-04-27
 
高密度电法在喀斯特地区岩溶探测中的应用

摘要:

本文简要介绍了高密度电法的原理及该方法在喀斯特地区岩溶探测中的应用案例。

方法简介:

高密度电阻率法是集电测深和电剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法,它具有一次布极即可进行多种装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的地球物理方法,具有信息量大、观测精度高、速度快以及探测深度灵活等特点。具体来说,高密度电阻率法是一种阵列式电法勘探方法,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对数据的快速和自动采集。



图1 高密度电法成果图
 
 
电法勘探的物理基础是地下不同介质之间存在电性(电阻率)差异。在人工电场激励下,不同电性的介质会产生不同的电场响应。从地表可以测量到这些响应(电位差),通过计算出地下介质的视电阻率分布,推测地下的地质情况。卡斯特地区的空洞或空隙,根据其内部充填物的性质,可表现出与围岩明显的电性差异。
 图2&3是电阻率模型正演:建立岩溶地区的电阻率模型(图2),经正演模拟并反演后,得到地下视电阻率断面图(图3)。结果表明原模型中的地质情况可由反演结果很好地反映出来。


图2 岩溶区域电阻率地质模型

 
图3 基于图2模型的模拟探测反演模型
 
 
 

案例简介:

实践中已充分证明高密度电法对探查溶洞的有效性。
某高速公路穿越灰岩发育区,已知一溶洞的存在(图4),在其上方开展高密度电法调查,从拟断面图结果(图5)中可以清楚地观察到该溶洞的高阻异常响应。


图4 场地已知溶洞方位
 
图5 高密度电法反演成果

 
此外,相比其他常规电法,高密度电法高效、直观。基于岩溶空洞的外形、尺度,以及由于大孔隙度差异造成的与围岩的强烈电性差异,高密度电法特别适合被应用于卡斯特地区的地质情况探查。

图 6 高密度电法探测成果与地下实际情况对比

 
图6为某地在探测后根据成果进行了实地开挖,现场采用偶极-偶极排列,28电极,间隔2米。可在拟断面图上清楚的看到空洞的存在,位置与现场开挖可以很好对比。 因为空洞内仅被空气充填,故在电阻率断面图上表现为高阻异常(红色)。
若溶洞中充填有低阻介质(例如水、湿黏土等),则在高密度电法拟断面图中呈现低阻异常。图为河南某溶洞发育地区的高密度电法探测结果,蓝色的低阻异常指示溶洞的存在,如图7所示。


图 7 低阻溶洞在高密度电法探测成果中的显示
 
 
 类似地,若高孔渗性区域被流体充填,可采用高密度电法调查。在变质岩发育区开展地下水调查。测线长250米,探测成果如图8所示,在图像中央探测到低阻区,被解释为可能含水的裂隙千枚岩。


图8 某变质岩发育地区地下水调查成果

 
高密度电法用于空洞探查的应用方法并不局限于常规的测量:例如,在同一工区同一位置,分布于干、湿两种环境下实施高密度电法,而后将两次的视电阻率值相减并成图。因为空洞中的湿度变化与围岩存在较大差异,这种方法可以得到如下图所示的结果。
图9为某工区高密度电法测量场地的布设示意图,共6条测线,依次为P1-P6,岩溶可能走向区域测点适当加密,每条测线分别在干、湿两种自然环境下测量,并将测量成果的网格化数据矩阵相减,得到如图10所示成果图。由于空洞无论干湿环境(不考虑水淹溶洞的情况,干湿只是影响围岩含水饱和度)其电阻率基本不变,因此大片空白区域即可判断为岩溶范围。

图9 某工区高密度电法测线布设

 
 
图10 高密度电法干-湿测量数据差值成果图

 
 为更加突出岩溶地区的地球物理特征,可以结合多种地球物理方法。例如,将高密度电法和地质雷达联合应用。结合地质雷达的分层结果(图11)和高密度电法的视电阻率分布(图12),利用更全面的信息推测地下的情况。

图11 某场地地质雷达探测成果及推断构造分布

 
图12 某场地高密度电法探测成果及推断构造分布

 
结合二者结果(图13),可直观的观察到地下雷达信号异常区与视电阻率异常区的对应关系。其中,雷达图中的强反射区域对应视电阻率断面图中的低阻区域,指示这些区域可能有更高的孔渗性。
图13 高密度电法和地质雷达联合应用探测成果

 

典型设备推荐:

日本应用地质株式会社(OYO)是世界知名的老牌地球物理仪器制造商,拥有60年历史,旗下有多型号业内知名的地球物理仪器。上世纪80年代,OYO公司实现了高密度电法仪的程控技术,大大推进了设备行业和工程技术的发展。
2018年,OYO公司推出了最新一代Profiler 8i高密度电法仪(图14-17)。
图14  Profiler 8i高密度电法仪主机
 
图15  Profiler 8i高密度电法仪32道典型配置,最大可扩展至192道

 
 
图16  Profiler 8i电法仪测量界面与相关参数
 
图17 Profiler 8i电法仪成果显示

 
McOHM Profiler 8i是一款8通道数字化高密度电法探测仪器。在McOHM Profiler 4i的基础上进行了全方位改进,仪器性能大幅提升。McOHM Profiler 8i是日本OYO公司首台加入IoT物联网兼容模块的高密度电法探测仪器,可配合云系统使用云分析服务,是未来电法探测自动化、智能化、高效化、信息化的先驱,引领最新的高密度电法发展方向。
McOHM Profiler 8i使用最新的高分辨率A/D转换技术,配有高度整合的接收装置,结合具有电极开关功能的Scanner-32 ,可以进行有效的二维电阻率勘探,采用配置10.1英寸高亮度液晶显示器和USB端口的平板电脑作为控制面板,具有高清晰度和便于操作的优点,体积小、重量轻、可外接USB 存储器。仪器控制器可显示电流波形、电位波形和衰减曲线。
其性能指标包括:
  • 使用Windows 10 Pro 64位 操作系统,操作性能强;
  • 电极排列多样,可选POLE - POLE,POLE - DIPOLE,DIPOLE - DIPOLE,WENNER - 2 D,STAGGERD - 2 D和ELTRAN - 2 D等;
  • 8通道同步测量,提高测量效率;
  • 可外接Scanner-32,电极数量可扩充到192个;
  • 配置Power Booster,输出电流最大可达1A;
  • 借助控制工具和内置时钟自动测量;
  • 利用衰减曲线实现数据质量现场控制等功能。

该电法仪采用RES2DINV二维电阻率快速反演软件进行数据处理,其流程包括:
  • 数据文件编辑,通过人工观察辨识,删除异常值;
  • 数据反演,通过实测值与反演视电阻率值之间的均方根误差统计计算,形成二维反演单元模型;
  • 视电阻率二维成像处理,成像显示两部分内容,一部分为原始视电阻率剖面图,另一部分是反演后的视电阻率剖面图。测量数据的反演,以平滑约束最小二乘为基础、以拟牛顿反演为准则的最小二乘法实现。经过若干次迭代,均方误差一般不大于10% 的反演结果即为地下岩土介质视电阻率分布的二维剖面图。
 

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