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1前言

物探——地球物理勘探的簡(jiǎn)稱，它是以地下巖土層（或地質(zhì)體）的物性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)儀器觀測(cè)自然或人工物理場(chǎng)的變化，確定地下地質(zhì)體的空間展布范圍（大小、形狀、埋深等）并可測(cè)定巖土體的物性參數(shù)，達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種物理勘探方法。

按照勘探對(duì)象的不同，物探技術(shù)又分為三大分支，即石油物探、固體礦物探和水工環(huán)物探（簡(jiǎn)稱工程物探），我們使用的為工程物探。

工程物探技術(shù)方法門類眾多，它們依據(jù)的原理和使用的儀器設(shè)備也各有不同，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，物探技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，而且新的方法技術(shù)不斷涌現(xiàn)，幾年前還認(rèn)為無(wú)法解決的問題，幾年后由于某種新方法、新技術(shù)、新儀器的出現(xiàn)迎刃而解的實(shí)例是常見的。它是地質(zhì)科學(xué)中一門新興的、十分活躍、發(fā)展很快的學(xué)科，它又是城市建設(shè)和水利電力巖土工程勘察的重要方法之一，在某種程度上講，它的應(yīng)用與發(fā)展已成為衡量地質(zhì)勘察現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。

下面介紹兩種實(shí)用的直流電法勘探技術(shù)——三維直流電法探測(cè)技術(shù)和巖土體電阻率測(cè)試技術(shù)，供廣大物探同仁工作時(shí)參考。

2三維直流電法探測(cè)技術(shù)

三維直流電法探測(cè)就是應(yīng)用現(xiàn)有的直流電法儀器和勘探方法，在施工方法上優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)行加密采樣數(shù)據(jù)以取得三維數(shù)據(jù)體，然后采取電阻率層析成像技術(shù)進(jìn)行資料處理和成圖。該方法是傳統(tǒng)直流電法的三維化，可使勘探精度得到很大提高，在原有儀器設(shè)備條件下提高了傳統(tǒng)直流電法勘探的能力，但野外測(cè)試工作量較大，是以“時(shí)間換取空間上的高分辨率”。把它應(yīng)用到工程與環(huán)境地球物理勘探中，不失為一種較理想的方法。三維直流電法勘探施工采取一次布極，多極距測(cè)量技術(shù)，通常采用的裝置形式有兩極裝置、單極——偶極裝置和偶極——偶極裝置等。

本文主要介紹兩極裝置形式，把供電電極B和測(cè)量電極N置于無(wú)窮遠(yuǎn)處，在勘探區(qū)域布置m條測(cè)線，每條測(cè)線布置n個(gè)測(cè)點(diǎn)（電極），測(cè)網(wǎng)密度根據(jù)探測(cè)對(duì)象及其探測(cè)深度而定，在城市建設(shè)和水利電力工程勘測(cè)中，一般選取測(cè)線距L=2～10米、測(cè)點(diǎn)距D=2～5米即可滿足勘探要求。外業(yè)工作時(shí)將m×n個(gè)電極一次布置完畢（詳見圖1），其中單一測(cè)點(diǎn)（電極）的編號(hào)為aij（i=1，2，3……m；j=1，2，3……n）。

對(duì)于兩極裝置，理論上OB=∞，ON=∞，視電阻率計(jì)算公式為：

式中：ρs—視電祖率(Ω·m)；rAM—供電電極A與測(cè)量電極M之間的距離(m)；UAM—測(cè)量電極M的觀測(cè)電位(mV)；I—供電電極A的電流強(qiáng)度(mA)。

外業(yè)施工過(guò)程為：選擇a11點(diǎn)為供電點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量a12，a13，a14，…，a1j，…，a1n各點(diǎn)的電位和供電電流強(qiáng)度，代入(1)式可求得各測(cè)量點(diǎn)的視電阻率值。然后再以a12點(diǎn)為供電點(diǎn)，逐點(diǎn)測(cè)量a13，a14，a15，…，a1j，…，a1n各點(diǎn)的電位和供電電流強(qiáng)度，依此類推，直到供電點(diǎn)移到a1n-1點(diǎn)為止，即完成其中一條測(cè)線a1j的測(cè)試任務(wù)。其它測(cè)線a2j、a3j、a4j……amj的電位和供電電流強(qiáng)度測(cè)試按照上述方法和順序進(jìn)行，便可獲得全測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)不同電極距的視電阻率參數(shù)。

資料處理與解釋主要目的是便于研究勘查區(qū)內(nèi)地電異常體的空間賦存規(guī)律和變化特征。一般程序?yàn)椋河赏鈽I(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)分別繪制極距d=D，2D，3D，4D，5D，6D……米的視電阻率水平切片，再把它們按對(duì)應(yīng)的水平位置并依電極距大小疊放在一起便可形成倒梯形的三維視電阻率圖，據(jù)此進(jìn)行推斷解釋。根據(jù)試驗(yàn)研究和工程實(shí)測(cè)結(jié)果得出：該法的勘探深度一般為(0.6～0.8)d。

圖2為文獻(xiàn)⑶在城市工程勘查中的應(yīng)用實(shí)例：該測(cè)區(qū)由于地下人防工程充水、坍塌而呈現(xiàn)低阻電性特征。圖2⑴可以看出NE—SW向有一低阻條帶，根據(jù)本區(qū)地質(zhì)特征和鉆孔資料可知，低阻帶為地下人防工程上部反映，埋深在1.4～1.6m左右，圖右下角的高阻為墻基影響造成；圖2⑵因完全充水，低阻帶電阻率較d=2m時(shí)低，埋深應(yīng)在2.8～3.0m左右；圖2⑶的等值線形態(tài)與圖2⑵基本一致，為人防工程的完全充水部分，深度在4.2～4.4m左右；圖2⑷為人防工程基底反映，深度在5.6～6.0m左右。據(jù)以上分析，人防工程平面位置為圖2⑴虛線圈定區(qū)域，人防工程呈NE—SW走向貫穿勘探區(qū)域，深度在2～6m左右。據(jù)報(bào)道該測(cè)區(qū)解釋成果經(jīng)開挖驗(yàn)證完全符合客觀實(shí)際。

該法較傳統(tǒng)直流電法勘探具有信息量大、精度高的優(yōu)點(diǎn)，在工程勘察中有較好的應(yīng)用效果，同時(shí)又拓展了老式電法儀的應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)了老式儀器的經(jīng)濟(jì)使用壽命；但又具有施工量大的缺點(diǎn)，性價(jià)比決定其適合于小區(qū)域的工程勘察。

3巖土體電阻率測(cè)試技術(shù)

對(duì)巖土體電阻率的測(cè)試，可以采用多種方法。下面主要介紹直流電測(cè)深中的溫納裝置在巖土體電阻率測(cè)試中的具體應(yīng)用。根據(jù)試驗(yàn)研究和工程實(shí)測(cè)結(jié)果可知該法具有快速、準(zhǔn)確地測(cè)定巖土體電阻率，并對(duì)不同巖性層劃分做出客觀解釋。

實(shí)際工作中，根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地的大小，可選用對(duì)稱四極裝置或三極裝置進(jìn)行測(cè)量。由于溫納裝置是等比裝置，且MN/AB=1/3，所以視電阻率與電位差及電流強(qiáng)度的關(guān)系式為：

式中：ρs—視電祖率(Ω·m)；△UMN—測(cè)量電極MN觀測(cè)電位差(mV)；I—供電電極AB之間的電流強(qiáng)度(mA)；k為裝置系數(shù)：

由此可分別得到四極和三極的裝置系數(shù)：

(四極裝置適用)

(三極裝置適用)

在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)過(guò)程中，將AB供電極距逐漸加大，以增加勘探深度，可以測(cè)得不同電極距下的視電阻率ρs。實(shí)用的供電極距及測(cè)量極距見表1。

表1供電極距和測(cè)量極距單位：m

AB

1.8

2.4

3.0

4.2

5.7

7.8

10.2

13.2

17.4

22.8

30

42

57

78

102

…

AB/2

0.9

1.2

1.5

2.1

2.85

3.9

5.1

6.6

8.7

11.4

15

21

28.5

39

51

…

MN

0.6

0.8

1.0

1.4

1.9

2.6

3.4

4.4

5.8

7.6

10

14

19

26

34

…

數(shù)據(jù)處理與解釋采用現(xiàn)場(chǎng)作圖的方式，可快速測(cè)定電阻率及劃分巖性層位。以MN為橫坐標(biāo)，計(jì)算MN/ρs，并以MN/ρs為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制MN/ρs與MN的關(guān)系圖，詳見圖3。對(duì)圖中不同極距的測(cè)試值，找出不同深度、相同斜率的點(diǎn)，對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行連線，使其均勻地分布在直線上或直線兩側(cè)。求直線段斜率的倒數(shù)，可獲得測(cè)點(diǎn)處各層的電阻率ρij。

式中：i為層位序號(hào)(i=1，2，3，…)；j為測(cè)深點(diǎn)編號(hào)(j=1，2，3，…)。對(duì)各測(cè)深點(diǎn)依次作圖解釋，可求得各測(cè)點(diǎn)處分層的電阻率值，對(duì)獲得的各層電阻率值進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，便可獲得地層的平均電阻率值。計(jì)算公式為：

其中：—第i巖性層平均電阻率值；ρij—第j測(cè)深點(diǎn)處第i巖性層計(jì)算電阻率值；n—測(cè)深點(diǎn)數(shù)。

根據(jù)下式確定標(biāo)準(zhǔn)差，以求得第i巖性層電阻率值的變化范圍±si。

物性層位的劃分可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算、量板法或其它手工解釋方法，但由于對(duì)解釋結(jié)果的影響因素很多，例如不同時(shí)代不同成因的地層、巖性特征、地層傾角、構(gòu)造特征等，使其垂直方向和水平方向上均存在較為復(fù)雜的變化，地下高阻或低阻屏蔽層的影響，實(shí)際地層的各向異性等等，都將對(duì)巖性層參數(shù)的解釋結(jié)果產(chǎn)生較大影響。由此可知該解釋只能是電性層參數(shù)，而不是所求目的地質(zhì)層參數(shù)。因此地質(zhì)層位的劃分尚需將電性層參數(shù)轉(zhuǎn)化為地質(zhì)層參數(shù)，在實(shí)際工作中，必須進(jìn)行層位厚度校正。具體做法是：首先在已知地層剖面處進(jìn)行電測(cè)深（如鉆孔處），通過(guò)已知地層剖面確定校正系數(shù)，即確定AB/2極距與層位深度的關(guān)系。再通過(guò)已知地質(zhì)剖面或鉆孔處的電測(cè)深數(shù)據(jù)作視電阻率擬斷面等值線圖，在視電阻率擬斷面等值線圖上劃分地層，用已知地層深度或鉆孔深度h與地質(zhì)層面對(duì)應(yīng)的AB/2對(duì)比，求取不同深度AB/2的校正系數(shù)λi：

(i=1，2，3，…)

實(shí)測(cè)工作時(shí)，可對(duì)每個(gè)鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求取深度校正系數(shù)的算術(shù)平均值。如在沒有鉆孔(或已知地層剖面)的測(cè)區(qū)，可采用工程類比法獲得，如采用鄰近地質(zhì)條件相似地區(qū)的深度校正系數(shù)即可滿足工程需要。

據(jù)文獻(xiàn)⑷報(bào)道，他們的研究和工作過(guò)的測(cè)區(qū)，其極距與鉆孔對(duì)比的校正系數(shù)為0.66左右。而溫納裝置選取MN/AB=1/3，MN≈0.66(AB/2)，因此，以MN作橫坐標(biāo)，以MN/ρs為縱坐標(biāo)作圖，則不同斜率的直線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即為層位頂面的深度(見圖3)。

同樣，在不同的地區(qū)還可以AB/2作橫坐標(biāo)，以(AB/2)/ρs作縱坐標(biāo)，作雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，用不同斜率的直線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的AB/2乘以校正系數(shù)，求取地質(zhì)層位頂面的埋深。圖4為某變電站場(chǎng)地電阻率及層位劃分實(shí)際解釋應(yīng)用圖(見文獻(xiàn)⑷)。該圖是以AB/2作橫坐標(biāo)，以(AB/2)/ρs為縱坐標(biāo)，作雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖。從圖中可以很好地劃分出4個(gè)層位并計(jì)算直線段斜率的倒數(shù)，獲得各層的電阻率值。依據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)該方法對(duì)于電阻率相差不大的相鄰地層的劃分也有較好的地質(zhì)效果。

該方法較傳統(tǒng)的解釋方法具有快速(可由記錄員現(xiàn)場(chǎng)繪圖取得解釋成果)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)的解釋方法而言更適合工程物探在解決地層劃分和電阻率測(cè)試中的應(yīng)用。另外，場(chǎng)地的巖土電阻率是工程設(shè)計(jì)接地裝置的一個(gè)重要參數(shù)。它的確定對(duì)電流盡快地散入大地，達(dá)到足夠小的接地電阻及接地裝置地下部分的合理布局起到十分重要的作用，它沿地層深度的變化規(guī)律是選擇接地裝置型式設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。巖土中含水量和溫度的變化，對(duì)巖土體電阻率的影響較大。溫度降低，巖土電阻率增大；溫度升高，巖土電阻率變小。巖土濕度變小，電阻率增大；巖土濕度變大，電阻率變小。但巖土含水量增加較大時(shí)，巖土電阻率反而增加；另外，水的礦化度不同，對(duì)巖土電阻率的影響也是不一樣的。所以，如果條件允許，應(yīng)在冬天干旱季節(jié)，對(duì)變電站場(chǎng)地的巖土電阻率進(jìn)行測(cè)定，以獲取場(chǎng)地在一年四季中最大的電阻率，供設(shè)計(jì)接地裝置使用。

4結(jié)束語(yǔ)

以上較為詳細(xì)地介紹了三維直流電法探測(cè)技術(shù)、巖土體電阻率測(cè)試技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)施工方法、資料處理及其解釋的技術(shù)路線，由此可以看出，它們?cè)诔鞘薪ㄔO(shè)和水利電力工程勘測(cè)中具有信息量大、準(zhǔn)確、直觀、經(jīng)濟(jì)、快速、便于分析等特點(diǎn)而具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著電子和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，城市建設(shè)和水利電力工程物探技術(shù)也隨之提高和拓寬，許多新技術(shù)、新方法在生產(chǎn)實(shí)踐中顯示出強(qiáng)大的生命力而不斷的發(fā)展完善，應(yīng)用范圍也不斷拓展；如地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)、面波勘探技術(shù)、電阻率層析成像和地震(聲波)CT技術(shù)等都在工程實(shí)踐中取得了良好地應(yīng)用效果，發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用；同樣，常規(guī)物探方法的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)也不斷進(jìn)展和創(chuàng)新，在工程建設(shè)和實(shí)踐中發(fā)揮著不可替代的作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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