第五章高密度电法教材课件.ppt

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1、第五章 高密度电阻率法,是一种重要的工程物探方法以地下岩土介质的电性差异为基础主要是观测研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律主要用于水文、工程和环境地质调查,High Density Resistivity Method,高密度电阻率法是集电测深和剖面法于一体的一种多装置，多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行的装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息，信息多并且观察精度高，速度快，探测深度灵活等特点。,电极布设一次性完成，减少因电极布置而产生的故障和干扰；可进行有效的多种电极排列方式采集，或获得丰富的地电断面；野外数据采集自动化，避免手工操作出现的错误；,5.1 高密度电阻率法的

2、特点（相对常规的电阻率法）,5.2 高密度电阻率勘探系统：,采集及处理（电极系、程控式电极转换开关、电测仪） 将全部电极按一定的间距布置在测点上（1-10m），利用电极转换开关，将每四个相邻电极进行一次组合，实现多种电极排列的测量参数。快速采集，提高工作效率、智能化，,一、需要了解的一些基本知识：电阻率或导电率影响因素： 成份 含水量（潜水面） 矿化度（咸、淡水层位） 温度（地热）,二、如何测定大地的电阻率？,在地下半空间中建立人工的电流场，研究由于地质对象的存在而产生的电场的变化（探测对象与周围介质之间的电阻率差异是前提条件）。 将直流电通过电极向地下供电以形成人工直流电场，由于直流电场中电

3、荷的分布不随时间改变，这是一种稳定的电流场。,（一） 两个点源的电场特征：,电位差表达式地下均匀介质的电阻率,（二） 测定地下介质的电阻率： 在AB两点供电、任意M/N点测量其间的电位差，来反算地下介质的电阻率,K为电极排列系数（联合剖面、对称四极排列、温纳四极排列）,均匀大地电阻率的概念： 实际上相当于将本来不均匀的的地电断面用某一等效的均匀断面来代替，按上式计算的电阻率不应当是地下介质的真实值，而是在电场分布范围内、各种地下介质电阻率综合影响的结果，视电阻率。,温纳四极（等间距的对称四极）温纳偶极温纳微分,一次组合，获得三种电极排列的测量参数,5.3 高密度电阻率的装置及工作原理：,温纳四

4、极装置(三电位电极装置),三种排列测得的视电阻率关系如下：,可形成各种视参数的的等值线断面图 单独的 比值参数 相邻两点的视电阻率值的比值,（能够更为直观地反映地电断面的特征）,联合三极装置,高密度电阻率的装置及工作原理：, A,U,两种排列与对称四极装置测得的视电阻率关系如下：,5.4 高密度电法野外工作方法技术,1.数据采集方式：,2.电极距的确定：,n为隔离系数，x点距,3. 测点分布,nx,地面,每一层的测点数计算式：,呈倒梯形,4. 野外工作示意图,理论图示,5. 测量系统,DUK-1探测系统测试记录仪,DUK-1探测系统电极控制仪,DUK-1探测系统工作站,测量电极示意图,高密度电

5、法野外观测示意图,5.5 基本的资料处理方法,1.统计处理：视电阻率参数断面图或灰度图取滑动平均；计算均值、方差；视参数分级2.比值换算法：等值线断面图或灰度图 参数对局部低阻体 T 参数对局部高阻体有较强的分辨能力。3. 滤波处理 视电阻率曲线随极距的增大由单峰变为双峰，绘制断面后除了主异常外，一般还会出现强的伴随异常，应消除这种成分的影响。,4. 结合正演资料进行分析地下断面的分布特征。,高密度电法数据处理中几个比值参数：,1、首先根据所测地电阻率的结果评价地电阻率的分布特征；2、利用比值参数Gs和的平面图和拟断面图，研究观测剖面横向电阻率的变化特征，并根据此确定断层和裂隙发育带的位置、含

6、水性及倾斜方向； 3、比值参数TS的分布变化特征既包含了垂向电阻率变化的信息，又反映了横向电阻率的变化。因此利用TS的平面剖面图和拟断面图研究地电断面的异常性质，要综合Gs和的异常信息。4、如果以单对数坐标系绘制的法和法视电阻率平面剖面图上，两组剖面曲线之间存在固定间距，即比值参数TS是一个常数，那么介质电阻率只存在垂向变化。若TS小于1则说明介质电阻率随深度的变化而增大；否则减小；,资料解释的基本原则,5、如果沿观测点剖面方向有相邻三个测点 和 值相同，即TS等于1那么可以认为对应勘探范围内的介质是均匀的。6、由于比值参数Gs和是以联合三极装置的测量结果为基础的，因而通过求取比值参数可有效地

7、抑制所测区域的空间效应，同样TS参数的求取也又类似作用。7、综合分析各类视参数所反映的介质电阻率和几何参数的信息，并结合已知区域的矿井地质、水文地质资料以及其他地球物理勘探资料，建立该区域的地电断面图，并选择一些有意义的地段进行正演模拟等，以验证地电模型的建立是否符合实际。8、选择部分构造影响较小的测点，由不同极距的视电阻率剖面曲线转换出垂向电测深曲线，并利用计算机进行自动反演解释。,5.6 高密度电阻率资料的反演,基于电磁测深曲线的佐迪反演的方法,最小二乘优化法，通过不断调整初始模型直至使实际测深曲线和模型测深曲线之差达到最小，最终的模型参数即作为反演的结果。高密度电阻率资料的层析成像，方法

8、类同于此,初始模型,正演计算,反演分析,网格化,2.5维有限元法,理论与实测断面的比较,5.7 应用范围,广泛应用于堤防隐患探测（如对江河大堤的蚁穴，鼠洞和软弱夹层及裂缝的高分辨率探测）用于水文、工程、环境的地质勘探及高分辨率电阻率法工程地质勘探；用于煤矿采空区、人防工程及喀斯特地区的溶洞等勘探；厂房地基、高速公路、桥梁、铁路、山体滑坡等地质灾害勘探；用于金属与非金属矿产资源勘探地热勘探。,认识一下高密度电阻率成果图像,某地区岩性界线探测,某厂房基础溶洞探测,某地区含金石英脉探测,沈阳怪坡含水断裂探测,某金属矿探测,地形线 古采坑 硅化带矿体,点距：3M,某金矿脉探测,应用实例一：云南某水库高

9、密度电法,对水库坝体状况进行高密度电阻率法勘探。水库坝型为粘土心墙风化料坝，坝高48米（坝底高程1985米，坝顶高程2033米），坝顶长154米，坝顶宽7米，总库容433万立方米。,1. 基本情况,2. 坝址区水文地质条件,1) 地下水类型 坝址区地下水类型较为单一。根据各含水层岩性、地下水赋存条件及水力特征等，可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。,2) 各含水层透水性能右岸山体 残坡积、红粘土和砂壤土：微弱透水； 全强风化岩体、砂及砂土夹碎块：微弱、弱透水； 弱至新鲜岩体：中等透水。左岸山体 残坡积、红粘土和砂壤土：微弱透水； 全强风化岩体、砂及砂土夹碎块：弱透水； 弱至新鲜岩体：极微透

10、水。河中河床 冲积砂碎石：弱透水； 断层破碎带及强弱风化岩体：微弱透水； 新鲜岩体：极微透水。,3.电法勘探电极装置类型选择 本次采用温纳四极排列，60路电极，勘探工作使用的电极间距测线1、测线2、测线3为3.5米，测线4和测线5为3.0米。,4.测线布设 共计布设了5条测线8条剖面,测线1位于坝体顶部，与防浪墙相距1m。测线从溢洪道内边缘开始，过输水隧洞上部，至水库管理所门口路边结束，总长206.5米。,测线2位于坝体后坡上，与测线1平行，距坝顶斜距为17米。起点位于测线1的54.5米处下方，总长206.5米,测线3位于坝体后坡上，与测线2平行，距测线2 斜距为20.4米。起点与测线2的起点

11、对齐，总长206.5米,测线4（剖面7）位于坝体后坡上，与测线3平行，距测线3斜距为15.5米。起点位于测线3的6米处下方，总长177米。,测线5（剖面8）位于坝体后坡上，与测线4平行，距测线4斜距为29.4米。起点位于测线4起点前21.5米处下方，总长177米,测线1剖面图,点位151155米，深度3234.1米处有一240ohm-m的明显低阻异常体（蓝色），电阻率值圈闭且变化大，推断为水库的输水隧洞，因其充水较多而成为良导体。坝顶的低阻分布（蓝色），是下雨形成的潜水区。,点位132136米，深度45.5米处有一150ohm-m左右的低阻异常体（蓝色），是浸润区。点位7885米，深度52.5

12、米处有一150ohm-m左右低阻异常（蓝色），是浸润区。点位160164.5米，深度21.128.1米处有一低阻异常（蓝色），是浸润区。点位110米处有一低阻异常（蓝色），是下雨形成的潜水区。,测线2剖面图,点位141147米，深度38.544米处有一2440ohm-m的明显低阻体（蓝色），是严重渗水区。点位129134米，深度4549米处有一2440ohm-m的明显低阻异常体（蓝色），是严重渗水区。点位126154米，深度3258米范围内有一40140ohm-m的大面积低阻体（浅蓝色），是渗水区域。,测线3剖面图,点位111129米，深度2948米处有一3140ohm-m的大面积低阻异常体（

13、蓝色、浅蓝色），是渗水区域。点位6669米，深度37.141.1米处有一380ohm-m的圈闭低阻异常（蓝色），是严重渗水区。点位148154米，深度13米处有一低阻异常（浅蓝色），是下雨形成的潜水区。,测线4剖面图,点位120132米，深度23.533米处有一5140ohm-m的明显低阻体（蓝色），是严重渗水区。点位6075米，深度38.348.3米处有一5140ohm-m低阻异常区（蓝色），是地下水渗透带。,测线5剖面图,勘探结论：1. 根据电阻率值沿坝体在垂向上的变化趋势，在宏观上由地表至深部，呈层状分布特点：坝顶上部浅层中电阻率分布在401000ohm-m之间，深部的电阻率值多在100

14、0ohm-m以上，呈现相对高阻的特点。电阻率值在横向上连续性好，其变化较小，具有层状地层的电性特征。电性分层较为明显 。, 渗水情况右坝肩 资料结果显示，在深度30-58米的范围内，右坝肩存在严重渗水，而且逐渐靠近坝体。这可能是右坝肩含水层的全强风化岩体、砂及砂土夹碎块是微弱、弱透水，弱至新鲜岩体是中等透水，而施工时未对其进行防渗处理所致。,坝底 在坝体底部，点位99114米（与测线1起始点对齐），距坝轴线81米，深度35-42米范围内，存在一地下水渗透带。,应用实例二：高密度电阻率法在岩溶勘察中的应用,1 前言 云南是溶岩分布较广的省份，各种类型的岩溶地貌及岩溶现象广泛分布于山间、河谷、盆地

15、之中。近年来，随着云南公路建设的快速发展，岩溶作为一种典型的不良地质现象，其在施工建设中的危害越来越明显地显现出来，因此，在公路工程勘察阶段，对岩溶勘察的要求也越来越高。但是，由于岩溶发育的不确定性及隐蔽性，岩溶勘察的难度非常大，仅靠钻探手段已经很难达到要求。一方面，钻孔的布设存在一定的盲目性，局部岩溶发育地段可能会被遗漏；另一方面，发现有岩溶分布的地段，也很难探明其规模、形态及分布规律。因此，非常需要一种快速、高效、经济的勘察手段，对岩溶勘察中的钻探工作进行前期指导和后期补充。,2 岩溶地质及地球物理特征 2.1 地质特征 溶岩在云南主要分布于滇东、滇东南及滇东北地区，其它地区分布相对少些，

16、其岩性基本上都是碳酸盐岩，常见的有灰岩、白云岩、白云质灰岩、泥灰岩等。其上覆地层多为红粘土，很多情况下，基岩可能直接出露或断续出露。同时，岩溶的发育通常与地质构造或地层变化有着紧密的联系，受构造带和地层接触带的影响，岩溶发育区的岩石节理裂隙一般比较密集，地层较破碎。,2.2 地球物理特征 2.2.1 电性特征灰岩、白云岩电阻率通常比较高，一般在20008000m之间，最高可达20000m，泥灰岩电阻率相对较低，但一般也大于600m。随着岩石节理裂隙发育程度、破碎程度、岩溶发育程度的增强，填充物含量的增加，电阻率呈急剧下降趋势，最低可降至100m以下。这种差异，为利用电阻率法进行岩溶勘察提供了必

17、要的物性前提。对于无充填的溶洞，一般认为其电阻率比基岩电阻率高，但据经验，虽然空洞本身电阻率较高，但由于溶洞的形成与节理裂隙发育、地下水的活动等因素有关，加上溶洞洞壁通常存在较厚的钙层及钟乳石等低电阻物质，因此，除非是大型、特大型溶洞，大多数空洞由于低阻屏蔽的影响，一般仍然为低阻反应。因此，溶洞的上述电性特征，为电阻率法的应用提供了有利的物性前提。,2.2.2 异常特征根据上述的电性特征分析，不难看出，岩溶最基本的异常类别有低阻异常和高阻异常两大类，其中，主要的是低阻异常。根据岩溶形成过程中地下水的走向，岩溶分为垂直岩溶和水平岩溶两大类，不同的岩溶形态，其异常形态也各自不同。而且，异常形态还受

18、其上覆地层厚薄变化的影响，而有所不同。公路工程地质勘察所研究的岩溶，深度较浅（一般也不超过30米）。在此深度范围内，所遇到的岩溶现象大多数为垂直型岩溶，只有少部分是水平岩溶。而作为不良地质勘察，岩溶勘察主要的勘察对象是岩溶漏斗、落水洞、岩溶竖井和溶洞。,岩溶漏斗的异常特征：倒三角低阻异常落水洞和岩溶竖井：一般为直立或倾斜型带状低阻异常而溶洞则为封闭的或是深部的低阻异常或高阻异常。同时应该看到，任何岩溶现象都不会孤立存在，而通常是相互关联的，比如落水洞局部的水平溶蚀就会形成溶洞。因此，对于工作中发现的异常，不能机械地进行“一对一”的解释。,3 资料成果解释 3.1 定性解释 在电阻率成像剖面图绘

19、制完成后，即可在剖面上圈出异常区和正常区。如上所述，我们研究岩溶，主要是研究低阻异常。所以一但发现低阻异常出现时，就应该对其加以分析、鉴别和解释，以便将非岩溶所致的低阻异常加以排除。在此过程中，必须进行认真的地质调查和研究，在有钻孔资料的情况下，应该仔细对照钻孔资料。如果发现非常明显的高阻异常，则建议钻孔揭露验证，以便确定是大型空洞还是完整基岩。 对已确定的岩溶异常，根据其形态，结合地质调查和分析，对其类别、形态和发育规律作出定性描述。,3.2 异常验证 对发现的异常，建议布设钻孔进行揭露和验证，以便为整个测区的异常解释提供可借鉴的地质依据。对于已有钻孔控制的测区，勘探线应尽可能穿过钻孔位置，

20、以便于异常的对照和解释。,例一 嵩明待补高速公路,2000年8月9月点距：5米，最大隔离系数为10，108个排列,从高密度电阻率成像剖面图上看出，K34+930+960存在明显的直立带状低阻异常，据此推断落水洞存在，并提供了其分布位置，为工程施工提供了依据。,K34+890K35+035,实地K95+530+565一段为凹陷地形，上覆亚粘土。在勘察前，该路段已作过钻探工作，未发现落水洞，但并不能因此确定落水洞不存在。作过高密度电法工作之后，上述地形凹陷地段仅发现倒三角低阻异常，因此推测其下部落水洞不发育，为岩溶漏斗。与此同时，在K95+480+500发现直立低阻异常存在，结合实地情况，推测垂直

21、节理裂隙发育，并可能伴生小规模落水洞。,K95+450K95+585,实地K101+050+100一段灰岩直接出露地表，但电阻率成像剖面上，K101+050090下部却发现明显的低阻异常存在，据此推测，其下部水平岩溶发育强烈。结合实地调查，同时推测上部应该存在地下水向下流动的通道，因此推断上部垂直岩溶发育。施工开挖结果证实，在此路段，存在多处岩溶竖井，最深的超过10米。,K101+010K101+130,例二 昆明石林高速公路,K67+430K67+555,实地在K67+460、K67+520两处有轻微塌陷现象，但无法确定其性质及规模。在电阻率成像剖面上，分别于K67+455+488、K67+

22、520+532发现两处低阻异常，总体上两者均呈直立状，且发育较深，推测为垂直岩溶（落水洞、竖井）发育地段，同时局部及深部伴随水平岩溶发育。,K74+740+835,勘察目的：查明洼地覆盖层以下岩溶发育状况。测量结果：在洼地中央未发现任何异常，而在洼地边缘却发现多处异常，本剖面K74+800+830的异常即是其中之一。该异常为缓倾斜产出，推测为垂直岩溶与水平岩溶混合发育地段。钻探结果：在上K74+805左10米、上K74+815左6.5米发现洞径分别为1.9米和2.5米的溶洞，埋深分别为11.5米和9.5米，与异常位置基本吻合。,洼地,例三 砚山平远街高速公路,观测结果，发现K23+440+47

23、0一段存在明显的倾斜状产出的低阻异常，该异常在左5米的纵剖面上反应尤其明显。通过调查发现，该路段四周落水洞较多，K23+440左10米处就有一个出露，该落水洞与剖面上所见异常产状基本一致。因此推断，异常即为该落水洞的反应。,K23+410K23+490,例四 曲靖胜境关高速公路,K40+600K40+740（左10米）,在剖面K40+600+740发现明显的低阻异常大量分布。结合地表多处有落水洞揭露的情况，推测该路段为岩溶强烈发育地段，上部以垂直岩溶（落水洞）为主，下部主要为水平岩溶，各落水洞、溶洞之间连通性较好。钻探验证结果，与上述推测基本一致。,高阻异常区,勘察工作中，K40+450+55

24、0路段发现明显的高阻异常反应，最高电阻率高达25000m。初步推断该路段或者基岩非常完整，或者存在较大规模的空洞。由于测区地处构造带附近，经过分析，认为基岩非常完整的可能性不大，但也不能完全排除。因此建议以钻孔揭露进行验证。根据钻探的结果，证实该路段为完整基岩路段，未发现任何岩溶迹象。经验：对于高阻异常区，只要进行少量的钻探验证工作，即可查明岩溶分布情况，即或者有大型或特大型溶洞，或者岩溶不发育。,1、高密度电阻率法是一种快速、高效、经济的岩溶勘察手段；2、高密度电阻率法的成果资料定性解释简单、直观、明了，在结合地质调查、钻探资料及其它物探手段的基础上，可作出半定量定量解释；3、研究岩溶异常应

25、以低阻异常为主；4、高密度电阻率法资料所作的解释以宏观解释为主，不能和具体某种岩溶现象完全等同；5、对所发现的异常，应当进行适量的钻孔验证；6、高密度电阻率法可广泛应用于初勘阶段的岩溶勘察，在详勘阶段，该手段则可对钻孔资料起到一种有益的补充和完善作用。,应用实例三： 益阳市永申垸堤防隐患探测,1.绪 言 DUK-1型高密度电法测量系统三极测深方案选定电极距为 1.5米，测量层数为16层,无穷远,sa剖面图,sb剖面图,sab剖面图,1号剖面图,2号剖面图,sa剖面图,sb剖面图,sab剖面图,（1）根据视电阻率值在垂向上的变化趋势，在宏观上由地表至深部，大致可划分为两个电性层，上部浅层中除局部

26、地段因人工设置的预埋物造成电性变化较大之外，通常的视电阻率值多在55 85 .m 之间，呈层状分布特点；深部的视电阻率值多在100.m 以上，呈相对高阻的特点；电阻率值在横向上连续性好，其变化相对浅部变化较小，具有层状地层的电性特征。,（2）在浅部的电性层中，局部视电阻率异常大体上分成三类：一类是明显的高阻体，这类异常占极少数，且埋深很浅；第二类是明显的相对低阻体，这类异常大多具有规模较大，且相对埋深较大；第三类是弱的低阻体，且埋深多数较大。上述三种电阻率异常应与局部的地质体（或人工预埋物）的导电性差异及规模大小密切相关。,sa断面图,sb断面图,1号剖面反演结果图,(1). 在095米之间，

27、堤基粉砂质粘土层与砂砾层的界面深度平均为12米，其界面由小号点向大号点方向缓倾，深度略有增大；在100161米之间，平均深度为13.6米；最大深度在154156米之间，深度达18米左右；由162189米之间深度又变小，深度在1011米左右。 (2).在22.5米、61米分别有一高阻体，这两个高阻体中，前者有可能为一段空心水泥管，其长度较长，埋深在1.5米以内，因而造成电阻率值在其两侧剧变，并形成高阻屏蔽效应；后者有可能为石块充填，其长宽比较前者要小，其深度也在1.5米左右；,探测结论：,sa断面图,sb断面图,2号剖面反演结果图,在99 189 米之间，有七处明显梯度变化的局部低阻异常体，其中在183 184 米之间视电阻率值最小可达2 .m 。由于强的低阻体的存在，从而导致明显的低阻屏蔽效应，推测在地表以下约1米深处有一金属物存在。,