梁志宇，张玉池

基于不同装置的高密度电法对低阻填充溶洞探测的对比

梁志宇1，张玉池2

（1.桂林理工大学地球科学学院，桂林 541001；2.桂林矿产地质研究院工程公司，桂林 541004）

高密度电法勘探中，不同条件下的溶洞起反演电阻率特征有差异，溶洞为空洞时反演电阻率表现为高阻，充满低阻物质时表现为低阻，而当低阻物质含量不同时各个装置的探测效果会有不同。为了比较高密度电法不同装置对低阻填充溶洞的探测效果，构建低阻物质含量不同的低阻溶洞，正演计算了不同装置下的视电阻率，利用最小二乘法对模型的地电断面进行反演。

高密度电法；不同装置；数值模拟；低阻填充溶洞

岩溶是石灰岩地区常见的不良地质现象，在岩溶发育区，溶洞的存在会严重影响工程的正常开展，引起地基变形、不均匀沉降、滑动和地面塌陷等多种地质问题（胡树林等，2011）。所以在进行工程建设之前，必须了解清楚工区内的岩溶发育情况。由于溶洞发育具有不确定性、隐蔽性的特点，只依靠钻探、槽探等方法不容易取得理想的效果，还有可能造成定向钻穿越过程中漏浆、卡钻、掉钻等事故。因此，将物探技术运用在溶洞的探测中，不仅能减少事故的发生，还可以减少资金支出，得到不错的勘探效果。

目前探查隐伏溶洞的技术方法有很多，其中应用较多的有电阻率法、电磁法和地震法等。而在这几种方法当中，高密度电法由于其操作简单，识别溶洞的分辨率高，从而得到广泛的应用（谭磊等，2015）。前人在利用高密度电法探测溶洞过程中已经取得的很大的进展，例如祝卫东等利用高密度电法得到了地下采空区的范围（祝卫东等，2006），郑智杰等确定了岩溶管道的反演特征（郑智杰等，2015）。王志鹏等确定了带破碎状溶壳溶洞的反演特征（王志鹏等，2019）。郭清石对溶洞高密度电法勘探的理论进行研究（郭清石，2013），为高密度电法探测岩溶地区野外工作提供了重要的指导。前辈们的工作为以后高密度电法的运用和发展提供了非常重要的指导意义。

高密度电法在探测不含填充物的溶洞（或纯低阻溶洞）时，因溶洞的电阻率值较大（较小），与围岩存在明显的电阻率差异，比较容易识别出来。但是在实际中，溶洞内部时常会填充一定量的低阻体，例如水、泥沙等。当探测半低阻填充溶洞时，在低阻体与空气交接处的参数反演特征受到低阻体和高阻的空洞共同影响，会对高密度电法的不同装置的探测产生一些影响，因而，造成对地下溶洞探测的分析解译出现误判或漏判等现象，严重影响工程建设的开展。同时，选择一个效果较好的装置也有利于加快工程进度。因此，在特定条件下，理论上分析高密度电法的各个装置在低阻填充溶洞探测时正反演特征有望能够解决这一类地质问题，对以后高密度探测溶洞的研究以及对实际生产实践提供一定的指导意义。

1 高密度电法

高密度电法理论基础与常规电阻率法相同，它们都是以地下介质（岩层）的导电性差异为基础的一种物探方法，在人工施加电场的情况下，研究地下电流的分布规律来寻找地质目标体。所不同的是方法技术,它实际上是一种阵列勘探方法（刘国兴，2011）。与常规方法相比，高密度电法具有以下特点：①电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差；②能有效地进行多种电极排列方式的测量，从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息；③数据的采集和收录全部实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误；④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，大大提高了电阻率法的智能化程度；⑤可以实现多参数测量，同时观测电阻率、极化率和自然电位，能获取地下丰富的地电参数，从不同电性角度对地下结构进行刻画。由此可见，高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的勘探方法（董浩斌等，2003）。

在高密度电法当中，不同的装置有不同的特点，当排列实测总电极数为ｍ，电极距为ａ，隔离系数为ｎ，供电电流为Ｉ，测量电压为ΔＵ，视电阻率为ρs时，各种装置的对应关系如表１所示。

表1 各种装置测量断面参数

图1 高密度电法不同装置示意图

目前，高密度电法常用的装置有温纳α、温纳β、温纳γ、复合对称四级、三级装置和偶极装置六种（王爱国等，2007），不同装置按照图1所示的电极排列方式逐点滚动扫面测量，测得相应的数据断面。其中，C1、C2为供电电极，P1、P2为测量电极，a为电极距，n为电极系数。

2 数值模拟

表2 溶洞模型参数

电阻率正演模拟常用的方法有三种，为有限差分法、有限单元法和边界单元法三种。其中，徐世浙等利用有限单元法和边界单元法成功的解决了包括二维和三维地电断面的正演计算问题（徐世浙，1994）。而瑞典的M.H.Loke制作的高密度电法正演程序适用性好（王东明和徐国元，2016），获得广泛的应用。本文正演模拟应用的是瑞典M.H.Loke博士研发的高密度数值模拟软件RES2DMOD，该程序的正演算法包中包括了有限差分法和有限单元法，本文主要运用当中的有限差分法进行高密度正演。，有限差分法属于区域型计算方法，通过离散整个区域，可对复杂地电结构的正演问题进行较为精确的计算，适应性好。

完成正演计算过后，在正演结果中加入随机噪声作为反演输入，利用最小二乘法对数据进行反演，计算出模型的反演视电阻率断面图，对比不同装置在溶洞填充低阻物质时的探测效果，为野外异常地质体探测提供参考。

图2 溶洞模型示意图

3 模型建立及效果分析

模型建立在理想二维条件下（图2），地表高程无变化，水平宽度为120m，异常体位于水平56～62m处，埋深为4～12m，常见围岩的电阻率都在几百到几千的范围内，所以围岩电阻率1000Ω·m，空洞中为空气填充，所以电阻率设为20 000Ω·m，常见的低阻填充体如粘土、卵石、砾石夹粘土等的电阻率都在几十到几百之间不等，所以将低阻体的电阻率设为30Ω·m，空洞底部与低阻体相接，模拟不同填充程度的溶洞。所设模型见表2。各模型分别采用温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、三级装置和复合对称四级装置进行模拟，数据采集电极为60根，电极距为2m。

取模型1经过正演计算获得视电阻率之后，在其结果当中加入5%随机噪声后，进行电阻率二维最小二乘反演，得到溶洞反演视电阻率断面图（图3）。

图3 模型1各装置反演图

a、b、c、d、e、f分别为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、偶极装置、复合对称四级装置和三级装置的反演断面图

通过不同装置正演模拟可以知道，各个装置对目标异常体的探测都有一定程度的响应，但是无法揭视异常体的特征。对比模型2不同装置的反演结果，可以看出在低阻1/4填充溶洞时，六个装置的反演都能获得较好的结果，所有反演图对应异常体位置的在上方都存在着一个高阻异常，在高阻异常下方存在一个大的低阻异常，与模型设置较为吻合。温纳α装置和温纳γ装置低阻异常向外扩散范围较大，温纳β装置、偶极装置和复合对称四级装置的低阻异常扩散较小，三级装置反演深度最深。温纳β、偶极装置、和复合对称四级装置反演异常体位置与实际模型位置较吻合，异常分层位置明显且准确，探测效果较好。温纳α装置对异常的显示也较好，但其显示出的异常尺寸偏大，底部低阻异常向外扩散较大，异常分层位置与模型较符合。温纳γ装置和三级装置也对异常有一个较好的揭视，但是这两个装置显示的异常深度偏浅，相较于模型有所上移。其中，三级装置在异常分层位置与模型较为吻合，温纳γ装置底部低阻异常向外扩散较大，分层位置与模型位置对比比温纳α装置要好一些。

图4 模型2各装置反演图

a、b、c、d、e、f分别为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、偶极装置、复合对称四级装置和三级装置的反演断面

同样的，取模型3经过正演计算获得视电阻率之后，在其结果当中加入5%随机噪声后，进行电阻率二维最小二乘反演，得到溶洞反演视电阻率断面图（图5）。

取模型2经过正演计算获得视电阻率之后，在其结果当中加入5%随机噪声后，进行电阻率二维最小二乘反演，得到溶洞反演视电阻率断面图（图4）。

图5 模型3各装置反演图

a、b、c、d、e、f分别为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、偶极装置、复合对称四级装置和三级装置的反演断面图

通过不同装置正演模拟可以知道，各个装置对目标异常体的探测都有一定程度的响应，但是无法揭视异常体的特征。对比模型3不同装置的反演结果，可以看出在低阻1/2填充溶洞时，六个装置的反演都能获得较好的结果，所有反演图在对应异常体位置的上方都存在着一个高阻异常，在高阻异常下方存在一个大的低阻异常，与模型设置较为吻合。温纳α装置和低阻异常向外扩散范围较大，温纳β装置、温纳γ装置、三级装置和复合对称四级装置的低阻异常扩散较小。温纳β装置、三级装置和复合对称四级装置反演异常体位置与实际模型位置较吻合，异常分层位置明显且准确，探测效果较好。温纳α装置对异常的显示也较好，底部低阻异常向外扩散较大，异常分层位置与模型对比较准确，但在高阻异常之上出现了两个低阻假异常，影响异常解释。偶极装置和温纳γ装置也对异常有一个较好的显示，分层位置较准确。其中，温纳γ装置显示的异常深度偏浅，相较于模型有所上移，两个装置在高阻异常之上还有一个相连的高阻假异常，推断是由目标体导致，影响结果解释。同样的，取模型4经过正演计算获得视电阻率之后，在其结果当中加入5%随机噪声后，进行电阻率二维最小二乘反演，得到溶洞反演视电阻率断面图（图6）。

本夹具是由紧固螺杆调节以达到夹紧的目的，所以我们选择了φ20mm的通用螺杆和弹簧垫片与夹具主体配合满足我们的夹紧要求。

图6 模型4各装置反演图

a、b、c、d、e、f分别为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、偶极装置、复合对称四级装置和三级装置的反演断面图

图7 模型5各装置反演图

a、b、c、d、e、f分别为温纳α装置、温纳β装置、温纳γ装置、偶极装置、复合对称四级装置和三级装置的反演断面图

通过不同装置正演模拟可以知道，各个装置对目标异常体的探测都有一定程度的响应，但是仍然无法揭视异常体的特征。对比模型4不同装置的反演结果，可以看出在低阻3/4填充溶洞时，六个装置的反演都能获得一定的效果，所有反演图在对应异常体位置的上方都存在着一个高阻异常，在高阻异常下方存在一个大的低阻异常，与模型设置较为吻合，但总体反演异常深度较模型都有所上移。温纳β装置、偶极装置和三级装置反演异常体位置与实际模型位置较吻合，没有出现其他的假异常，异常分层位置明显且准确，探测效果较好。温纳α装置、温纳γ装置和复合对称四级装置反演的效果也较好，但是温纳α装置在高阻异常之上贴近地面处还存在一个高阻假异常，温纳γ装置在低阻异常左边出现了一个高阻假异常，复合对称四级装置在模型上方出现了三个高阻假异常，推断是由目标体导致，这些假异常都呈闭合圈形态，不利于异常解释。

取模型5经过正演计算获得视电阻率之后，在其结果当中加入5%随机噪声后，进行电阻率二维最小二乘反演，得到溶洞反演视电阻率断面图（图7）。

通过不同装置正演模拟可以知道，各个装置对目标异常体的探测都有一定程度的响应，但是无法揭视异常体的特征。对比模型5不同装置的反演结果，可以看出在低阻物体充满溶洞时，六个装置的反演都能获得较好的结果，所有反演图的中对应异常体的位置都存在着一个高阻异常，且位置和大小都与模型设置较为吻合。可见在充满了低阻体的溶洞探测时使用任合一个高密度电阻率法装置都可以取得一个很好的效果。

对比上面5组反演断面图可以看出，温纳β装置、偶极装置和三级装置在低阻填充溶洞的探测中的效果最好，而温纳α装置、温纳γ装置和复合对称四级装置虽然也能获得较好的探测效果，但是在低阻体含量上升之后会开始出现假异常的现象，会影响最终结果的解释。而在野外，三级装置需要放置无穷远极，增加了地电干扰，没有温纳β装置和偶极装置测量便捷，综合各方面因素，在探测低阻填充溶洞时选择温纳β装置和偶极装置较为合适。

4 结论

1）高密度电法的各种装置对于低阻填充溶洞的探测都会有一定的响应，但在分辨率、勘探深度及其效果上存在着差别。

2）随着低阻物填充量的增大，高阻异常逐渐变小，对温纳α装置、温纳γ装置和复合对称四级装置的探测产生一定的干扰效果。

3）当探测低阻填充溶洞时，温纳β装置、偶极装置和三级装置的效果较好，反演结果对异常位置和形态反应较好，与实际的异常体的情况最为接近。三级装置的勘探深度最深，但在野外布置比其他的装置要麻烦且增加了干扰，综合来看温纳β装置和偶极装置是最理想的装置。

4）文中建立的异常模型，是在理想状态下的二维模型，能够反映理想状态下的电阻率反演断面特征，为现场探测提供一些依据。但现场实际情况复杂，还需根据现场情况选择使用的装置，建议用两种以上的装置进行探测。

胡树林，陈恒，帅恩华．2011，超高密度电阻率法在岩溶及破碎带探测中的应用[J]．物探与化探， 35（6）：821-824.

谭磊，张平松，吴荣新．2015，隐伏洞体并行电法探查试验研究[J]．昆明理工大学学报（自然科学版），40（2）：38-43.

祝卫东，钱勇峰，李建华．2006，高密度电阻率法在采空区及岩溶探测中的应用研究[J]．工程勘察，（4）：69-72.

郑智杰，甘伏平，曾洁．2015，不同深度岩溶管道的高密度电阻率法反演特征[J]．中国岩溶， 34（3）：292-297.

王志鹏，刘江平，王鸣谦，等．2019，高密度电法对带破碎状溶壳溶洞探测数值模拟[J]．工程地球物理学报， 16（2）：193-202.

郭清石．2013．高密度电法对溶洞勘探的数值模拟研究[D]．西安：西南交通大学.

刘国兴．2011．电法勘探原理与方法[M]．北京：地质出版社.

董浩斌，王传雷．2003，高密度电法的发展与应用[J]．地学前缘， 10（1）：171-176.

王爱国，马巍，王大燕．2007，高密度电法不同电极排列方法的探测效果对比[J]．工程勘察，（1）：72-75.

徐世浙．1994，地球物理中的有限单元法[M]．北京：科学出版社，：131-197.

王东明，徐国元．2016，路基渗流特性现场监测与数值模拟对比研究[J]．科学技术与工程， 16（33）：262-266.

Correlation of Detection of Karst Caverns with Low-Resistivity Fillings Based on High-Density Electrical Method with Different Devices

LIANG Zhiyu1ZHANG Yuchi2

（1. School of Earth Sciences, Guilin University of Science and Technology, Guilin, Guangxi 541001；2.Guilin Institute of Mineral Geology Engineering Co.,Ltd, Guilin, Guangxi 541004 )

Empty caverns and caverns filled with low-resistivity material are different in inversion of resistivity characteristics from high-density electrical method. Inversion of resistivity characteristics for empty caverns occurs in the form of high resistance, while inversion of resistivity characteristics for caverns filled with low-resistivity material occurs in the form of low resistance. And different devices have different detection effects for different low-resistivity filling material content. This study makes forward calculation for the apparent resistivity of different devices and inversion of the geoelectrical cross section of the model using the least squares.

high-density electrical method; different devices; cavern filled with low-resistivity material; numerical simulation

2020-04-10

梁志宇（1995-），男，广西昭平人，硕士研究生，主要方向为电法勘探

P319

A

1006-0995（2021）01-0123-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.01.025