物探課件-第四章高密度電法

第四章高密度電阻率法

是一種重要的工程物探方法以地下巖土介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)主要是觀測(cè)研究人工建立的地下穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律主要用于水文、工程和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查HighDensityResistivityMethod

高密度電阻率法是集電測(cè)深和剖面法于一體的一種多裝置，多極距的組合方法。它具有一次布極即可進(jìn)行的裝置數(shù)據(jù)采集以及通過求取比值參數(shù)而能突出異常信息，信息多并且觀察精度高，速度快，探測(cè)深度靈活等特點(diǎn)。

電極布設(shè)一次性完成，減少因電極布置而產(chǎn)生的故障和干擾；可進(jìn)行有效的多種電極排列方式采集，或獲得豐富的地電斷面；野外數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，避免手工操作出現(xiàn)的錯(cuò)誤；4.1高密度電阻率法的特點(diǎn)（相對(duì)常規(guī)的電阻率法）4.2高密度電阻率勘探系統(tǒng)：

采集及處理（電極系、程控式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)、電測(cè)儀）將全部電極按一定的間距布置在測(cè)點(diǎn)上（1-10m），利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，將每四個(gè)相鄰電極進(jìn)行一次組合，實(shí)現(xiàn)多種電極排列的測(cè)量參數(shù)。快速采集，提高工作效率、智能化，溫納四極（等間距的對(duì)稱四極）溫納偶極溫納微分01234567890123456789IIUU0123456789IU一次組合，獲得三種電極排列的測(cè)量參數(shù)4.3高密度電阻率的裝置及工作原理：

溫納四極裝置(三電位電極裝置)三種排列測(cè)得的視電阻率關(guān)系如下：可形成各種視參數(shù)的的等值線斷面圖

單獨(dú)的比值參數(shù)相鄰兩點(diǎn)的視電阻率值的比值（能夠更為直觀地反映地電斷面的特征）聯(lián)合三極裝置高密度電阻率的裝置及工作原理：

∞←AU0123456789U0123456789B→∞溫納三極裝置（W-A）溫納三極裝置（W-B）兩種排列與對(duì)稱四極裝置測(cè)得的視電阻率關(guān)系如下：4.4高密度電法野外工作方法技術(shù)地表面剖面法井中電阻率成像單孔跨孔1.數(shù)據(jù)采集方式：2.電極距的確定：n為隔離系數(shù)，x點(diǎn)距0345678912IUn=13.測(cè)點(diǎn)分布0345678912IUN=1U9012345678IN=2U0123456789IN=3U0123456789I101112N=4nx地面每一層的測(cè)點(diǎn)數(shù)計(jì)算式：呈倒梯形4.野外工作示意圖0111223243536474859程控開關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)理論圖示ABMNE電流I等位面電力線ρ=KU/Iρ—視電阻率，單位(Ω·m)K—裝置系數(shù)U—電位差，單位（mV)I—電流強(qiáng)度，單位（mI)s5.測(cè)量系統(tǒng)DUK-1探測(cè)系統(tǒng)測(cè)試記錄儀DUK-1探測(cè)系統(tǒng)電極控制儀DUK-1探測(cè)系統(tǒng)工作站測(cè)量電極示意圖

電纜抽頭

拔插卡

電極

高密度電法野外觀測(cè)示意圖4.5基本的資料處理方法1.統(tǒng)計(jì)處理：視電阻率參數(shù)斷面圖或灰度圖取滑動(dòng)平均；計(jì)算均值、方差；視參數(shù)分級(jí)2.比值換算法：等值線斷面圖或灰度圖

λ

參數(shù)對(duì)局部低阻體

T參數(shù)對(duì)局部高阻體有較強(qiáng)的分辨能力。3.濾波處理視電阻率曲線隨極距的增大由單峰變?yōu)殡p峰，繪制斷面后除了主異常外，一般還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)的伴隨異常，應(yīng)消除這種成分的影響。

4.結(jié)合正演資料進(jìn)行分析地下斷面的分布特征。

高密度電法數(shù)據(jù)處理中幾個(gè)比值參數(shù)：1、首先根據(jù)所測(cè)地電阻率的結(jié)果評(píng)價(jià)地電阻率的分布特征；2、利用比值參數(shù)Gs和λ的平面圖和擬斷面圖，研究觀測(cè)剖面橫向電阻率的變化特征，并根據(jù)此確定斷層和裂隙發(fā)育帶的位置、含水性及傾斜方向；3、比值參數(shù)TS的分布變化特征既包含了垂向電阻率變化的信息，又反映了橫向電阻率的變化。因此利用TS研究地電斷面的異常性質(zhì)，要綜合Gs和λ的異常信息。4、如果以單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系繪制的α法和β法視電阻率平面剖面圖上，兩組剖面曲線之間存在固定間距，即比值參數(shù)TS是一個(gè)常數(shù)，那么介質(zhì)電阻率只存在垂向變化。TS<1,介質(zhì)電阻率隨深度的增加而增大；TS>1,減??；資料解釋的基本原則5、若沿觀測(cè)點(diǎn)剖面方向有相鄰三個(gè)測(cè)點(diǎn)和值相同，即TS等于1那么可以認(rèn)為對(duì)應(yīng)勘探范圍內(nèi)的介質(zhì)是均勻的。6、比值參數(shù)Gs和λ以聯(lián)合三極裝置的測(cè)量結(jié)果為基礎(chǔ)的，通過求取比值參數(shù)可有效地抑制所測(cè)區(qū)域的空間效應(yīng)。7、綜合分析各類視參數(shù)和幾何參數(shù)的信息，并結(jié)合已知區(qū)域的礦井地質(zhì)、水文地質(zhì)資料以及其他地球物理勘探資料，建立該區(qū)域的地電斷面圖，并選擇一些有意義的地段進(jìn)行正演模擬等，以驗(yàn)證地電模型的建立是否符合實(shí)際。8、選擇部分構(gòu)造影響較小的測(cè)點(diǎn)，由不同極距的視電阻率剖面曲線轉(zhuǎn)換出垂向電測(cè)深曲線，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)反演解釋。4.6高密度電阻率資料的反演基于電磁測(cè)深曲線的佐迪反演的方法最小二乘優(yōu)化法，通過不斷調(diào)整初始模型直至使實(shí)際測(cè)深曲線和模型測(cè)深曲線之差達(dá)到最小，最終的模型參數(shù)即作為反演的結(jié)果。高密度電阻率資料的層析成像，方法類同于此初始模型正演計(jì)算反演分析網(wǎng)格化2.5維有限元法理論與實(shí)測(cè)斷面的比較4.7應(yīng)用范圍廣泛應(yīng)用于堤防隱患探測(cè)（如對(duì)江河大堤的蟻穴，鼠洞和軟弱夾層及裂縫的高分辨率探測(cè)）用于水文、工程、環(huán)境的地質(zhì)勘探及高分辨率電阻率法工程地質(zhì)勘探；用于煤礦采空區(qū)、人防工程及喀斯特地區(qū)的溶洞等勘探；廠房地基、高速公路、橋梁、鐵路、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害勘探；用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探地?zé)峥碧?。某河堤土工膜完整性探測(cè)

土工膜河床河堤

破裂處底部深度變化完整處認(rèn)識(shí)一下高密度電阻率成果圖像某地區(qū)巖性界線探測(cè)

混合花崗巖巖性界線凝灰?guī)r

某廠房基礎(chǔ)溶洞探測(cè)

溶洞溶洞大理巖

某地區(qū)含金石英脈探測(cè)含金石英脈沈陽怪坡含水?dāng)嗔烟綔y(cè)

石英砂巖含水?dāng)嗔寻采綆r

設(shè)計(jì)鉆孔某金屬礦探測(cè)

地形線古采坑硅化帶礦體

點(diǎn)距：3M某金礦脈探測(cè)點(diǎn)距：5M采礦坑道金礦脈侵入巖體

應(yīng)用實(shí)例一：云南某水庫高密度電法對(duì)水庫壩體狀況進(jìn)行高密度電阻率法勘探。水庫壩型為粘土心墻風(fēng)化料壩，壩高48米（壩底高程1985米，壩頂高程2033米），壩頂長(zhǎng)154米，壩頂寬7米，總庫容433萬立方米。

1.基本情況2.壩址區(qū)水文地質(zhì)條件

1)地下水類型壩址區(qū)地下水類型較為單一。根據(jù)各含水層巖性、地下水賦存條件及水力特征等，可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類。2)各含水層透水性能右岸山體殘坡積、紅粘土和砂壤土：微弱透水；全強(qiáng)風(fēng)化巖體、砂及砂土夾碎塊：微弱、弱透水；弱至新鮮巖體：中等透水。左岸山體殘坡積、紅粘土和砂壤土：微弱透水；全強(qiáng)風(fēng)化巖體、砂及砂土夾碎塊：弱透水；弱至新鮮巖體：極微透水。河中河床沖積砂碎石：弱透水；斷層破碎帶及強(qiáng)弱風(fēng)化巖體：微弱透水；新鮮巖體：極微透水。3.電法勘探電極裝置類型選擇

本次采用溫納四極排列，60路電極，勘探工作使用的電極間距測(cè)線1、測(cè)線2、測(cè)線3為3.5米，測(cè)線4和測(cè)線5為3米。4.測(cè)線布設(shè)

共計(jì)布設(shè)了5條測(cè)線8條剖面測(cè)線1位于壩體頂部，與防浪墻相距1m。測(cè)線從溢洪道內(nèi)邊緣開始，過輸水隧洞上部，至水庫管理所門口路邊結(jié)束，總長(zhǎng)206.5米。

測(cè)線2位于壩體后坡上，與測(cè)線1平行，距壩頂斜距為17米。起點(diǎn)位于測(cè)線1的54.5米處下方，總長(zhǎng)206.5米

測(cè)線3位于壩體后坡上，與測(cè)線2平行，距測(cè)線2斜距為20.4米。起點(diǎn)與測(cè)線2的起點(diǎn)對(duì)齊，總長(zhǎng)206.5米測(cè)線4（剖面7）位于壩體后坡上，與測(cè)線3平行，距測(cè)線3斜距為15.5米。起點(diǎn)位于測(cè)線3的6米處下方，總長(zhǎng)177米。測(cè)線5（剖面8）位于壩體后坡上，與測(cè)線4平行，距測(cè)線4斜距為29.4米。起點(diǎn)位于測(cè)線4起點(diǎn)前21.5米處下方，總長(zhǎng)177米

①輸水隧洞②地表浸水區(qū)域測(cè)線1剖面圖

①點(diǎn)位151～155米，深度32～34.1米處有一2～40ohm-m的明顯低阻異常體（藍(lán)色），電阻率值圈閉且變化大，推斷為水庫的輸水隧洞，因其充水較多而成為良導(dǎo)體。②壩頂?shù)牡妥璺植迹ㄋ{(lán)色），是下雨形成的潛水區(qū)。

④地表浸水區(qū)②浸潤(rùn)區(qū)③浸潤(rùn)區(qū)①浸潤(rùn)區(qū)①點(diǎn)位132～136米，深度45.5米處有一150ohm-m左右的低阻異常體（藍(lán)色），是浸潤(rùn)區(qū)。②點(diǎn)位78～85米，深度52.5米處有一150ohm-m左右低阻異常（藍(lán)色），是浸潤(rùn)區(qū)。③點(diǎn)位160～164.5米，深度21.1～28.1米處有一低阻異常（藍(lán)色），是浸潤(rùn)區(qū)。④點(diǎn)位110米處有一低阻異常（藍(lán)色），是下雨形成的潛水區(qū)。測(cè)線2剖面圖

②嚴(yán)重滲水區(qū)③滲水區(qū)①嚴(yán)重滲水區(qū)①點(diǎn)位141～147米，深度38.5～44米處有一24～40ohm-m的明顯低阻體（藍(lán)色），是嚴(yán)重滲水區(qū)。②點(diǎn)位129～134米，深度45～49米處有一24～40ohm-m的明顯低阻異常體（藍(lán)色），是嚴(yán)重滲水區(qū)。③點(diǎn)位126～154米，深度32～58米范圍內(nèi)有一40～140ohm-m的大面積低阻體（淺藍(lán)色），是滲水區(qū)域。

測(cè)線3剖面圖②嚴(yán)重滲水區(qū)①滲水區(qū)③地表浸水區(qū)①點(diǎn)位111～129米，深度29～48米處有一3～140ohm-m的大面積低阻異常體（藍(lán)色、淺藍(lán)色），是滲水區(qū)域。②點(diǎn)位66～69米，深度37.1～41.1米處有一3～80ohm-m的圈閉低阻異常（藍(lán)色），是嚴(yán)重滲水區(qū)。③點(diǎn)位148～154米，深度1～3米處有一低阻異常（淺藍(lán)色），是下雨形成的潛水區(qū)。測(cè)線4剖面圖②地下水滲透帶①嚴(yán)重滲水區(qū)①點(diǎn)位120～132米，深度23.5～33米處有一5～140ohm-m的明顯低阻體（藍(lán)色），是嚴(yán)重滲水區(qū)。②點(diǎn)位60～75米，深度38.3～48.3米處有一5～140ohm-m低阻異常區(qū)（藍(lán)色），是地下水滲透帶。測(cè)線5剖面圖勘探結(jié)論：1.根據(jù)電阻率值沿壩體在垂向上的變化趨勢(shì)，在宏觀上由地表至深部，呈層狀分布特點(diǎn)：壩頂上部淺層中電阻率分布在40～1000ohm-m之間，深部的電阻率值多在1000ohm-m以上，呈現(xiàn)相對(duì)高阻的特點(diǎn)。電阻率值在橫向上連續(xù)性好，其變化較小，具有層狀地層的電性特征。電性分層較為明顯

。⒉滲水情況右壩肩資料結(jié)果顯示，在深度30-58米的范圍內(nèi)，右壩肩存在嚴(yán)重滲水，而且逐漸靠近壩體。這可能是右壩肩含水層的全強(qiáng)風(fēng)化巖體、砂及砂土夾碎塊是微弱、弱透水，弱至新鮮巖體是中等透水，而施工時(shí)未對(duì)其進(jìn)行防滲處理所致。壩底在壩體底部，點(diǎn)位99～114米（與測(cè)線1起始點(diǎn)對(duì)齊），距壩軸線81米，深度35-42米范圍內(nèi)，存在一地下水滲透帶。

應(yīng)用實(shí)例二：高密度電阻率法在巖溶勘察中的應(yīng)用1前言

云南是溶巖分布較廣的省份，各種類型的巖溶地貌及巖溶現(xiàn)象廣泛分布于山間、河谷、盆地之中。近年來，隨著云南公路建設(shè)的快速發(fā)展，巖溶作為一種典型的不良地質(zhì)現(xiàn)象，其在施工建設(shè)中的危害越來越明顯地顯現(xiàn)出來，因此，在公路工程勘察階段，對(duì)巖溶勘察的要求也越來越高。但是，由于巖溶發(fā)育的不確定性及隱蔽性，巖溶勘察的難度非常大，僅靠鉆探手段已經(jīng)很難達(dá)到要求。一方面，鉆孔的布設(shè)存在一定的盲目性，局部巖溶發(fā)育地段可能會(huì)被遺漏；另一方面，發(fā)現(xiàn)有巖溶分布的地段，也很難探明其規(guī)模、形態(tài)及分布規(guī)律。因此，非常需要一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的勘察手段，對(duì)巖溶勘察中的鉆探工作進(jìn)行前期指導(dǎo)和后期補(bǔ)充。2巖溶地質(zhì)及地球物理特征

2.1地質(zhì)特征

溶巖在云南主要分布于滇東、滇東南及滇東北地區(qū)，其它地區(qū)分布相對(duì)少些，其巖性基本上都是碳酸鹽巖，常見的有灰?guī)r、白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等。其上覆地層多為紅粘土，基巖可能直接出露或斷續(xù)出露。巖溶的發(fā)育通常與地質(zhì)構(gòu)造或地層變化有著緊密的聯(lián)系，受構(gòu)造帶和地層接觸帶的影響，巖溶發(fā)育區(qū)的巖石節(jié)理裂隙一般比較密集，地層較破碎。2.2地球物理特征

2.2.1電性特征灰?guī)r、白云巖電阻率通常比較高，一般在2000～8000Ωm之間，最高可達(dá)20000Ωm，泥灰?guī)r電阻率相對(duì)較低，但一般也大于600Ωm。隨著巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度、破碎程度、巖溶發(fā)育程度的增強(qiáng)，填充物含量的增加，電阻率呈急劇下降趨勢(shì)，最低可降至100Ωm以下。這種差異，為利用電阻率法進(jìn)行巖溶勘察提供了必要的物性前提。對(duì)于無充填的溶洞，一般認(rèn)為其電阻率比基巖電阻率高，但據(jù)經(jīng)驗(yàn)，雖然空洞本身電阻率較高，但由于溶洞的形成與節(jié)理裂隙發(fā)育、地下水的活動(dòng)等因素有關(guān)，加上溶洞洞壁通常存在較厚的鈣層及鐘乳石等低電阻物質(zhì)，因此，除非是大型、特大型溶洞，大多數(shù)空洞由于低阻屏蔽的影響，一般仍然為低阻反應(yīng)。因此，溶洞的上述電性特征，為電阻率法的應(yīng)用提供了有利的物性前提。2.2.2異常特征根據(jù)上述的電性特征分析，不難看出，巖溶最基本的異常類別有低阻異常和高阻異常兩大類，其中，主要的是低阻異常。根據(jù)巖溶形成過程中地下水的走向，巖溶分為垂直巖溶和水平巖溶兩大類，不同的巖溶形態(tài)，其異常形態(tài)也各自不同。而且，異常形態(tài)還受其上覆地層厚薄變化的影響，而有所不同。公路工程地質(zhì)勘察所研究的巖溶，深度較淺（一般也不超過30米）。在此深度范圍內(nèi)，所遇到的巖溶現(xiàn)象大多數(shù)為垂直型巖溶，只有少部分是水平巖溶。而作為不良地質(zhì)勘察，巖溶勘察主要的勘察對(duì)象是巖溶漏斗、落水洞、巖溶豎井和溶洞。巖溶漏斗的異常特征：倒三角低阻異常落水洞和巖溶豎井：一般為直立或傾斜型帶狀低阻異常而溶洞則為封閉的或是深部的低阻異?；蚋咦璁惓?。同時(shí)應(yīng)該看到，任何巖溶現(xiàn)象都不會(huì)孤立存在，而通常是相互關(guān)聯(lián)的，比如落水洞局部的水平溶蝕就會(huì)形成溶洞。因此，對(duì)于工作中發(fā)現(xiàn)的異常，不能機(jī)械地進(jìn)行“一對(duì)一”的解釋。3資料成果解釋

3.1定性解釋

在電阻率成像剖面圖繪制完成后，即可在剖面上圈出異常區(qū)和正常區(qū)。如上所述，我們研究巖溶，主要是研究低阻異常。所以一但發(fā)現(xiàn)低阻異常出現(xiàn)時(shí)，就應(yīng)該對(duì)其加以分析、鑒別和解釋，以便將非巖溶所致的低阻異常加以排除。在此過程中，必須進(jìn)行認(rèn)真的地質(zhì)調(diào)查和研究，在有鉆孔資料的情況下，應(yīng)該仔細(xì)對(duì)照鉆孔資料。如果發(fā)現(xiàn)非常明顯的高阻異常，則建議鉆孔揭露驗(yàn)證，以便確定是大型空洞還是完整基巖。對(duì)已確定的巖溶異常，根據(jù)其形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和分析，對(duì)其類別、形態(tài)和發(fā)育規(guī)律作出定性描述。3.2異常驗(yàn)證

對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常，建議布設(shè)鉆孔進(jìn)行揭露和驗(yàn)證，以便為整個(gè)測(cè)區(qū)的異常解釋提供可借鑒的地質(zhì)依據(jù)。對(duì)于已有鉆孔控制的測(cè)區(qū)，勘探線應(yīng)盡可能穿過鉆孔位置，以便于異常的對(duì)照和解釋。例一嵩明～待補(bǔ)高速公路2000年8月～9月點(diǎn)距：5米，最大隔離系數(shù)為10，108個(gè)排列從高密度電阻率成像剖面圖上看出，K34+930～+960存在明顯的直立帶狀低阻異常，據(jù)此推斷落水洞存在，并提供了其分布位置，為工程施工提供了依據(jù)。K34+890～K35+035實(shí)地K95+530～+565一段為凹陷地形，上覆亞粘土。在勘察前，該路段已作過鉆探工作，未發(fā)現(xiàn)落水洞，作過高密度電法工作之后，上述地形凹陷地段僅發(fā)現(xiàn)倒三角低阻異常，因此推測(cè)其下部落水洞不發(fā)育，為巖溶漏斗。與此同時(shí)，在K95+480～+500發(fā)現(xiàn)直立低阻異常存在，推測(cè)垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，并可能伴生小規(guī)模落水洞。凹陷K95+450～K95+585實(shí)地