介绍两种实用的直流电法探测技术

摘要：文中介绍了三维直流电法测试技术和岩土体电阻率测试技术的现场施工方法、资料处理及其解释的技术路线，据试验研究结果来看在城市建设和水利电力工程勘测中具有广泛的应用前景。

关键词：地球物理勘探 实用测试技术 三维直流电法 岩土体电阻率
1 前言
物探——地球物理勘探的简称，它是以地下岩土层（或地质体）的物性差异为基础，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围（大小、形状、埋深等）并可测定岩土体的物性参数，达到解决地质问题的一种物理勘探方法。
按照勘探对象的不同，物探技术又分为三大分支，即石油物探、固体矿物探和水工环物探（简称工程物探），我们使用的为工程物探。
工程物探技术方法门类众多，它们依据的原理和使用的仪器设备也各有不同，随着科学技术的进步，物探技术的发展日趋成熟，而且新的方法技术不断涌现，几年前还认为无法解决的问题，几年后由于某种新方法、新技术、新仪器的出现迎刃而解的实例是常见的。它是地质科学中一门新兴的、十分活跃、发展很快的学科，它又是城市建设和水利电力岩土工程勘察的重要方法之一，在某种程度上讲，它的应用与发展已成为衡量地质勘察现代化水平的重要标志。
下面介绍两种实用的直流电法勘探技术——三维直流电法探测技术和岩土体电阻率测试技术，供广大物探同仁工作时参考。
三维直流电法探测技术

　　三维直流电法探测就是应用现有的直流电法仪器和勘探方法，在施工方法上优化改进，进行加密采样数据以取得三维数据体，然后采取电阻率层析成像技术进行资料处理和成图。该方法是传统直流电法的三维化，可使勘探精度得到很大提高，在原有仪器设备条件下提高了传统直流电法勘探的能力，但野外测试工作量较大，是以“时间换取空间上的高分辨率”。把它应用到工程与环境地球物理勘探中，不失为一种较理想的方法。三维直流电法勘探施工采取一次布极，多极距测量技术，通常采用的装置形式有两极装置、单极——偶极装置和偶极——偶极装置等。
　　本文主要介绍两极装置形式，把供电电极Ｂ和测量电极Ｎ置于无穷远处，在勘探区域布置m条测线，每条测线布置n个测点（电极），测网密度根据探测对象及其探测深度而定，在城市建设和水利电力工程勘测中，一般选取测线距L=2～10米、测点距D=2～5米即可满足勘探要求。外业工作时将m×n个电极一次布置完毕（详见图1），其中单一测点（电极）的编号为aij（i=1，2，3……m；j=1，2，3……n）。
对于两极装置，理论上OB=∞，ON=∞，视电阻率计算公式为：

式中：ρs—视电祖率(Ω.m)；rAM—供电电极A与测量电极M之间的距离(m)；UAM—测量电极M的观测电位(mV)；I—供电电极A的电流强度(mA)。
　　外业施工过程为：选择a11点为供电点，逐点测量a12，a13，a14，…，a1j，…，a1n各点的电位和供电电流强度，代入(1)式可求得各测量点的视电阻率值。然后再以a12点为供电点，逐点测量a13，a14，a15，…，a1j，…，a1n各点的电位和供电电流强度，依此类推，直到供电点移到a1n-1点为止，即完成其中一条测线a1j的测试任务。其它测线a2j、a3j、a4j……amj的电位和供电电流强度测试按照上述方法和顺序进行，便可获得全测区内各测点不同电极距的视电阻率参数。
　　资料处理与解释主要目的是便于研究勘查区内地电异常体的空间赋存规律和变化特征。一般程序为：由外业观测数据分别绘制极距d=D，2D，3D，4D，5D，6D……米的视电阻率水平切片，再把它们按对应的水平位置并依电极距大小叠放在一起便可形成倒梯形的三维视电阻率图，据此进行推断解释。根据试验研究和工程实测结果得出：该法的勘探深度一般为(0.6～0.8)d。


　　图2为文献⑶在城市工程勘查中的应用实例：该测区由于地下人防工程充水、坍塌而呈现低阻电性特征。图2⑴可以看出NE—SW向有一低阻条带，根据本区地质特征和钻孔资料可知，低阻带为地下人防工程上部反映，埋深在1.4～1.6ｍ左右，图右下角的高阻为墙基影响造成；图2⑵因完全充水，低阻带电阻率较d=2ｍ时低，埋深应在2.8～3.0ｍ左右；图2⑶的等值线形态与图2⑵基本一致，为人防工程的完全充水部分，深度在4.2～4.4ｍ左右；图2⑷为人防工程基底反映，深度在5.6～6.0ｍ左右。据以上分析，人防工程平面位置为图2⑴虚线圈定区域，人防工程呈NE—SW走向贯穿勘探区域，深度在2～6ｍ左右。据报道该测区解释成果经开挖验证完全符合客观实际。
　　该法较传统直流电法勘探具有信息量大、精度高的优点，在工程勘察中有较好的应用效果，同时又拓展了老式电法仪的应用范围，延长了老式仪器的经济使用寿命；但又具有施工量大的缺点，性价比决定其适合于小区域的工程勘察。
岩土体电阻率测试技术
　　对岩土体电阻率的测试，可以采用多种方法。下面主要介绍直流电测深中的温纳装置在岩土体电阻率测试中的具体应用。根据试验研究和工程实测结果可知该法具有快速、准确地测定岩土体电阻率，并对不同岩性层划分做出客观解释。
　　实际工作中，根据测试场地的大小，可选用对称四极装置或三极装置进行测量。由于温纳装置是等比装置，且MN/AB=1/3，所以视电阻率与电位差及电流强度的关系式为：

式中：ρs—视电祖率(Ω.m)；△UMN—测量电极MN观测电位差(mV)；I—供电电极AB之间的电流强度(mA)；k为装置系数：

由此可分别得到四极和三极的装置系数：
(四极装置适用)
(三极装置适用)
在现场观测过程中，将AB供电极距逐渐加大，以增加勘探深度，可以测得不同电极距下的视电阻率ρs。实用的供电极距及测量极距见表1。
表1 供电极距和测量极距 单位：m
AB1.82.43.04.25.77.810.213.217.422.830425778102…
AB/20.91.21.52.12.853.95.16.68.711.4152128.53951…
MN0.60.81.01.41.92.63.44.45.87.61014192634…



　　数据处理与解释采用现场作图的方式，可快速测定电阻率及划分岩性层位。以MN为横坐标，计算MN/ρs，并以MN/ρs为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制MN/ρs与MN的关系图，详见图3。对图中不同极距的测试值，找出不同深度、相同斜率的点，对这些点进行连线，使其均匀地分布在直线上或直线两侧。求直线段斜率的倒数，可获得测点处各层的电阻率ρij。

　　式中：i为层位序号(i=1，2，3，…)；j为测深点编号(j=1，2，3，…)。对各测深点依次作图解释，可求得各测点处分层的电阻率值，对获得的各层电阻率值进行数理统计，便可获得地层的平均电阻率值。计算公式为：

其中：
—第i岩性层平均电阻率值；ρij—第j测深点处第i岩性层计算电阻率值；n—测深点数。
根据下式确定标准差，以求得第i岩性层电阻率值的变化范围
±si。

　　物性层位的划分可以采用计算机数值模拟计算、量板法或其它手工解释方法，但由于对解释结果的影响因素很多，例如不同时代不同成因的地层、岩性特征、地层倾角、构造特征等，使其垂直方向和水平方向上均存在较为复杂的变化，地下高阻或低阻屏蔽层的影响，实际地层的各向异性等等，都将对岩性层参数的解释结果产生较大影响。由此可知该解释只能是电性层参数，而不是所求目的地质层参数。因此地质层位的划分尚需将电性层参数转化为地质层参数，在实际工作中，必须进行层位厚度校正。具体做法是：首先在已知地层剖面处进行电测深（如钻孔处），通过已知地层剖面确定校正系数，即确定AB/2极距与层位深度的关系。再通过已知地质剖面或钻孔处的电测深数据作视电阻率拟断面等值线图，在视电阻率拟断面等值线图上划分地层，用已知地层深度或钻孔深度h与地质层面对应的AB/2对比，求取不同深度AB/2的校正系数λi：
(i=1，2，3，…)
　　实测工作时，可对每个钻孔进行统计，求取深度校正系数的算术平均值。如在没有钻孔(或已知地层剖面)的测区，可采用工程类比法获得，如采用邻近地质条件相似地区的深度校正系数即可满足工程需要。
　　据文献⑷报道，他们的研究和工作过的测区，其极距与钻孔对比的校正系数为0.66左右。而温纳装置选取MN/AB=1/3，MN≈0.66(AB/2)，因此，以MN作横坐标，以MN/ρs为纵坐标作图，则不同斜率的直线交点处对应的横坐标即为层位顶面的深度(见图3)。
　　同样，在不同的地区还可以AB/2作横坐标，以(AB/2)/ρs作纵坐标，作双对数坐标图，用不同斜率的直线交点处对应的AB/2乘以校正系数，求取地质层位顶面的埋深。图4为某变电站场地电阻率及层位划分实际解释应用图(见文献⑷)。该图是以AB/2作横坐标，以(AB/2)/ρs为纵坐标，作双对数坐标图。从图中可以很好地划分出4个层位并计算直线段斜率的倒数，获得各层的电阻率值。依据实际经验该方法对于电阻率相差不大的相邻地层的划分也有较好的地质效果。


　　该方法较传统的解释方法具有快速(可由记录员现场绘图取得解释成果)、准确的特点，相对于传统的解释方法而言更适合工程物探在解决地层划分和电阻率测试中的应用。另外，场地的岩土电阻率是工程设计接地装置的一个重要参数。它的确定对电流尽快地散入大地，达到足够小的接地电阻及接地装置地下部分的合理布局起到十分重要的作用，它沿地层深度的变化规律是选择接地装置型式设计的主要依据。岩土中含水量和温度的变化，对岩土体电阻率的影响较大。温度降低，岩土电阻率增大；温度升高，岩土电阻率变小。岩土湿度变小，电阻率增大；岩土湿度变大，电阻率变小。但岩土含水量增加较大时，岩土电阻率反而增加；另外，水的矿化度不同，对岩土电阻率的影响也是不一样的。所以，如果条件允许，应在冬天干旱季节，对变电站场地的岩土电阻率进行测定，以获取场地在一年四季中最大的电阻率，供设计接地装置使用。


结束语
　　以上较为详细地介绍了三维直流电法探测技术、岩土体电阻率测试技术的现场施工方法、资料处理及其解释的技术路线，由此可以看出，它们在城市建设和水利电力工程勘测中具有信息量大、准确、直观、经济、快速、便于分析等特点而具有广泛的应用前景。
　　随着电子和数据处理技术的发展，城市建设和水利电力工程物探技术也随之提高和拓宽，许多新技术、新方法在生产实践中显示出强大的生命力而不断的发展完善，应用范围也不断拓展；如地质雷达技术、面波勘探技术、电阻率层析成像和地震(声波)CT技术等都在工程实践中取得了良好地应用效果，发挥着愈来愈重要的作用；同样，常规物探方法的应用范围和应用领域以及数据处理技术也不断进展和创新，在工程建设和实践中发挥着不可替代的作用，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
⑴ 傅良魁.电法勘探教程[M].北京.地质出版社，1990.
⑵ M H Loke. Electrical imaging surveys for environment and engineering studies [EB/OL]. http://www.agiusa.com， 2002，2.
⑶ 许新刚等.三维直流电法勘探在地下人防工程勘察中的应用[J].物探与化探，2004(2).
⑷ 李澎等.变电站场地岩土电阻率测试及层位划分解释的快速方法[J].成都理工大学学报(自然科学版)，2004(4).
⑸ 李志江等.防雷设计中土壤电阻率及其测量[J].辽宁气象，2001(4).

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