摘要：
本文簡(jiǎn)要介紹了高密度電法的原理及該方法在喀斯特地區(qū)巖溶探測(cè)中的應(yīng)用案例。
方法簡(jiǎn)介：
高密度電阻率法是集電測(cè)深和電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)行多種裝置數(shù)據(jù)采集以及通過(guò)求取比值參數(shù)而能突出異常信息的地球物理方法，具有信息量大、觀測(cè)精度高、速度快以及探測(cè)深度靈活等特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō)，高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。
圖1 高密度電法成果圖
電法勘探的物理基礎(chǔ)是地下不同介質(zhì)之間存在電性（電阻率）差異。在人工電場(chǎng)激勵(lì)下，不同電性的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生不同的電場(chǎng)響應(yīng)。從地表可以測(cè)量到這些響應(yīng)（電位差），通過(guò)計(jì)算出地下介質(zhì)的視電阻率分布，推測(cè)地下的地質(zhì)情況?？ㄋ固氐貐^(qū)的空洞或空隙，根據(jù)其內(nèi)部充填物的性質(zhì)，可表現(xiàn)出與圍巖明顯的電性差異。
圖2&3是電阻率模型正演：建立巖溶地區(qū)的電阻率模型（圖2），經(jīng)正演模擬并反演后，得到地下視電阻率斷面圖（圖3）。結(jié)果表明原模型中的地質(zhì)情況可由反演結(jié)果很好地反映出來(lái)。
圖2 巖溶區(qū)域電阻率地質(zhì)模型
圖3 基于圖2模型的模擬探測(cè)反演模型
案例簡(jiǎn)介：
實(shí)踐中已充分證明高密度電法對(duì)探查溶洞的準(zhǔn)確性。
某高速公路穿越灰?guī)r發(fā)育區(qū)，已知一溶洞的存在（圖4），在其上方開(kāi)展高密度電法調(diào)查，從擬斷面圖結(jié)果（圖5）中可以清楚地觀察到該溶洞的高阻異常響應(yīng)。
圖4 場(chǎng)地已知溶洞方位
圖5 高密度電法反演成果
此外，相比其他常規(guī)電法，高密度電法效率高、直觀?；趲r溶空洞的外形、尺度，以及由于大孔隙度差異造成的與圍巖的強(qiáng)烈電性差異，高密度電法特別適合被應(yīng)用于卡斯特地區(qū)的地質(zhì)情況探查。
圖 6 高密度電法探測(cè)成果與地下實(shí)際情況對(duì)比
圖6為某地在探測(cè)后根據(jù)成果進(jìn)行了實(shí)地開(kāi)挖，現(xiàn)場(chǎng)采用偶極-偶極排列，28電極，間隔2米?？稍跀M斷面圖上清楚的看到空洞的存在，位置與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖可以很好對(duì)比。 因?yàn)榭斩磧?nèi)僅被空氣充填，故在電阻率斷面圖上表現(xiàn)為高阻異常（紅色）。
若溶洞中充填有低阻介質(zhì)（例如水、濕黏土等），則在高密度電法擬斷面圖中呈現(xiàn)低阻異常。圖為河南某溶洞發(fā)育地區(qū)的高密度電法探測(cè)結(jié)果，藍(lán)色的低阻異常指示溶洞的存在，如圖7所示。
圖 7 低阻溶洞在高密度電法探測(cè)成果中的顯示
類似地，若高孔滲性區(qū)域被流體充填，可采用高密度電法調(diào)查。在變質(zhì)巖發(fā)育區(qū)開(kāi)展地下水調(diào)查。測(cè)線長(zhǎng)250米，探測(cè)成果如圖8所示，在圖像中央探測(cè)到低阻區(qū)，被解釋為可能含水的裂隙千枚巖。
圖8 某變質(zhì)巖發(fā)育地區(qū)地下水調(diào)查成果
高密度電法用于空洞探查的應(yīng)用方法并不局限于常規(guī)的測(cè)量：例如，在同一工區(qū)同一位置，分布于干、濕兩種環(huán)境下實(shí)施高密度電法，而后將兩次的視電阻率值相減并成圖。因?yàn)榭斩粗械臐穸茸兓c圍巖存在較大差異，這種方法可以得到如下圖所示的結(jié)果。
圖9為某工區(qū)高密度電法測(cè)量場(chǎng)地的布設(shè)示意圖，共6條測(cè)線，依次為P1-P6，巖溶可能走向區(qū)域測(cè)點(diǎn)適當(dāng)加密，每條測(cè)線分別在干、濕兩種自然環(huán)境下測(cè)量，并將測(cè)量成果的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)矩陣相減，得到如圖10所示成果圖。由于空洞無(wú)論干濕環(huán)境（不考慮水淹溶洞的情況，干濕只是影響圍巖含水飽和度）其電阻率基本不變，因此大片空白區(qū)域即可判斷為巖溶范圍。
圖9 某工區(qū)高密度電法測(cè)線布設(shè)
圖10 高密度電法干-濕測(cè)量數(shù)據(jù)差值成果圖
為更加突出巖溶地區(qū)的地球物理特征，可以結(jié)合多種地球物理方法。例如，將高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合應(yīng)用。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)的分層結(jié)果（圖11）和高密度電法的視電阻率分布（圖12），利用更全面的信息推測(cè)地下的情況。
圖11 某場(chǎng)地地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果及推斷構(gòu)造分布
圖12 某場(chǎng)地高密度電法探測(cè)成果及推斷構(gòu)造分布
結(jié)合二者結(jié)果（圖13），可直觀的觀察到地下雷達(dá)信號(hào)異常區(qū)與視電阻率異常區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中，雷達(dá)圖中的強(qiáng)反射區(qū)域?qū)?yīng)視電阻率斷面圖中的低阻區(qū)域，指示這些區(qū)域可能有更高的孔滲性。
圖13 高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合應(yīng)用探測(cè)成果
典型設(shè)備推薦：
日本應(yīng)用地質(zhì)株式會(huì)社（OYO）是世界的老牌地球物理儀器制造商，擁有60年歷史，旗下有多型號(hào)業(yè)內(nèi)的地球物理儀器。上世紀(jì)80年代，OYO公司實(shí)現(xiàn)了高密度電法儀的程控技術(shù)，大大推進(jìn)了設(shè)備行業(yè)和工程技術(shù)的發(fā)展。
2018年，OYO公司推出了新一代Profiler 8i高密度電法儀（圖14-17）。
圖14 Profiler 8i高密度電法儀主機(jī)
圖15 Profiler 8i高密度電法儀32道典型配置，最大可擴(kuò)展至192道
圖16 Profiler 8i電法儀測(cè)量界面與相關(guān)參數(shù)
圖17 Profiler 8i電法儀成果顯示
McOHM Profiler 8i是一款8通道數(shù)字化高密度電法探測(cè)儀器。在McOHM Profiler 4i的基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面改進(jìn)，儀器性能大幅提升。McOHM Profiler 8i是日本OYO公司臺(tái)加入IoT物聯(lián)網(wǎng)兼容模塊的高密度電法探測(cè)儀器，可配合云系統(tǒng)使用云分析服務(wù)，是未來(lái)電法探測(cè)自動(dòng)化、智能化、信息化的先驅(qū)，領(lǐng)新的高密度電法發(fā)展方向。
McOHM Profiler 8i使用新的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，配有高度整合的接收裝置，結(jié)合具有電極開(kāi)關(guān)功能的Scanner-32 ，可以進(jìn)行二維電阻率勘探，采用配置10.1英寸高亮度液晶顯示器和USB端口的平板電腦作為控制面板，具有高清晰度和便于操作的優(yōu)點(diǎn)，體積小、重量輕、可外接USB 存儲(chǔ)器。儀器控制器可顯示電流波形、電位波形和衰減曲線。
其性能指標(biāo)包括:
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使用Windows 10 Pro 64位 操作系統(tǒng)，操作性能強(qiáng);
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電極排列多樣，可選POLE - POLE，POLE - DIPOLE，DIPOLE - DIPOLE，WENNER - 2 D，STAGGERD - 2 D和ELTRAN - 2 D等;
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8通道同步測(cè)量，提高測(cè)量效率;
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可外接Scanner-32，電極數(shù)量可擴(kuò)充到192個(gè);
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配置Power Booster，輸出電流最大可達(dá)1A;
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借助控制工具和內(nèi)置時(shí)鐘自動(dòng)測(cè)量;
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利用衰減曲線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)控制等功能。
該電法儀采用RES2DINV二維電阻率快速反演軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其流程包括:
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數(shù)據(jù)文件編輯，通過(guò)人工觀察辨識(shí)，刪除異常值;
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數(shù)據(jù)反演，通過(guò)實(shí)測(cè)值與反演視電阻率值之間的均方根誤差統(tǒng)計(jì)計(jì)算，形成二維反演單元模型;
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視電阻率二維成像處理，成像顯示兩部分內(nèi)容，一部分為原始視電阻率剖面圖，另一部分是反演后的視電阻率剖面圖。測(cè)量數(shù)據(jù)的反演，以平滑約束最小二乘為基礎(chǔ)、以擬牛頓反演為準(zhǔn)則的最小二乘法實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)若干次迭代，均方誤差一般不大于10% 的反演結(jié)果即為地下巖土介質(zhì)視電阻率分布的二維剖面圖。
