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1、高密度电阻率方法在地下空洞探测和铜镍矿勘察中的高密度电阻率方法在地下空洞探测和铜镍矿勘察中的应用效果应用效果梁光河 张宝林 蔡新平 徐兴旺 中国科学院地质与地球物理研究所 010-62007331 摘要摘要高密度电法具有小点距、数据采集密度大、施工效率高和分辨率高的特点， 在工程地质、管线探测、物探找水、岩溶及地质灾害调查等工程物探中已逐渐 成为常用的方法。本文首先介绍了高密度电法的基本原理，并对常用的、比较 稳健的温纳装置的跑极方式进行详细的剖析，然后从两个剥露的已知小剖面的 洞穴和采空区的探测入手，验证了高密度电法的有效性，同时给出了三个实际 的隐伏剖面的高密度电法探测结果，并对该剖面的异
2、常部位进行了钻探验证。 接着介绍了高密度电法在新疆哈密的一个与超基性岩有关的铜镍矿中的应用实 例，最后从野外采集到资料的处理解释给出了一些可以借鉴的经验。 关键词：高密度电法；空洞；采空区；超基性岩；铜镍矿；电阻率一、前言一、前言探测地下空洞或采空区的方法很多，常用的主要是探地雷达（或地质雷达） 、 高密度电法和人工地震方法。探地雷达对极浅部（通常小于 10 米）具有较好的 效果，对较深的空洞（大于 20 米）难以胜任。人工地震勘探方法是根据地震波 的振幅变化和绕射情况对空洞进行推断，难以对洞体的规模进行很准确的推断。 高密度电法是从 80 年代中期开始发展起来的一种电阻率阵列探测方法，与常规
3、 电阻率法相比，其特点是设置了较高的测点密度，仪器利用多路电极转换装置， 自动实现多种电极排列和多参数测量，可快速准确地测量地下二维或三维地质 体在横向和纵向的电阻率变化。该方法由于能够获取丰富详实的地下地质信息， 且探测精度高，因此在管线调查、物探找水、考古、采空区、岩溶、滑坡等灾 害物探调查等方面得到了广泛的应用。 高密度电法在我国应用的比较多，领域也很广1-21，比如刘晓东等(2001) 在管线探测、物探找水、岩溶及地质灾害调查等工程物探中使用了高密度电法， 取得了良好的效果。林厚龙等（2001）用高密度电阻率法在阿联酋进行了地下 溶洞的勘察，效果显著。王玉清等(2001)在高层建筑选址
4、中应用高密度电法， 对区内浅层溶洞的平面分布情况和空间展布形态，对工程选址及地基处理提出 了合理的建议。杨湘生(2001)在湘西北岩溶石山区找水中应用高密度电法，在 确定最佳井位方面发挥了重要作用等。 在国外，从美国 AGI 公司公布的资料来看，高密度电法在国外也被广泛应 用，如进行堤坝隐患探测、地下水探测、堤坝探测、隧道开挖方案确定、岩溶 探测等等方面。 国外生产高密度电法仪的主要有日本的 OYO 公司、瑞典的 ABEM 公司、 法国的 IRIS 公司、美国的 AGI 公司。国内也已有几个单位研制生产，如重庆地质仪器厂、中国地质大学、吉林大学等，他们的仪器各有特色。高密度电法 软件的研制方面
5、，在国外有著名的 M.H.Loke 开发起来的 RES2DINV 反演软件， 在国内主要有吉林大学李晓芹开发的高密度电阻率成像系统（RT）和图示系统 （RTMAPPER） 。这些仪器和软件的开发，为高密度电法的广泛应用铺平了道 路。 总的看来，高密度电法在我国的主要应用领域是工程地质勘察和水文地质 勘察。但在对已知剥露区或采空区进行实际验证的机会还不是很多。而且在矿 床勘察中，它的应用极其有限，公开发表的资料也很少22-23。分析其原因， 我们认为高密度电法主要是针对工程勘察发展起来的，因此在过去，其仪器的 设计主要考虑浅部（如 50 米之内）的勘察，在供电功率、电极距的大小等方面 都设计的比
6、较小，而在矿床勘察中往往要求有较大的勘察深度（一般不小于 200 米） ，这限制了其在矿产资源勘察中的应用。但最近几年，无论从仪器设计 和反演软件等方面，已经做了很大的改进，我们利用高密度电法在多个金属矿 区都进行非常有效的勘察。二、高密度电法的基本原理二、高密度电法的基本原理高密度电法是相对与传统电法而言的，其特点是它反映的地电信息量大。 但它更为关键的一点是利用程控高密度电极转换器，由微机控制选择供电电极 和测量电极，实现了电法高效率的数据采集，可以说这是电法勘探的一次飞跃， 该方法抛弃了传统电法的人工跑极，其测量方式达到了高效率和自动化。 高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电
7、极系三部分组成。 多路电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态；主机通过通讯 电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存贮测 量数据。高密度电法野外工作装置形式较多，总电极数与点距可根据场地条件 与勘察深度任意选择（如图 1） ，这些种类众多的排列方式虽然达到十几种（如 温纳法、斯贝法、偶极法等） ，但所有的排列都是从对称四极发展变化而来。经 过大量的实践证明，抗干扰能力比较强的、比较稳健的观测方式是对称四极测 深装置，也称温纳(WENNER)装置。这种装置的特点是两个供电电极（AB 极） 在两个测量电极（MN 极）两侧对称地随着测量深度的增加逐渐等比加大。高
8、密度电法数据处理数据采集结果自动存入主机，然后通过通讯软件把原始数据 传输给计算机，计算机将数据转成处理软件要求的数据格式，经相应的反演处 理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后进行反演计算，最终成图，得到 地下电阻率剖面。图 1 高密度电法勘察原理流程图（据刘晓东，张虎生，2001）三、温纳三、温纳(WENNER)装置跑极方法介绍装置跑极方法介绍在对多种装置观测方式试验的基础上，我们发现只有温纳装置最为稳定可 靠，所得到的结果和实际情况吻合较好。为此我们首先对温纳装置的跑极方法 做一简单介绍： 设电极总数 60，供电电极为 AB 极，测量电极为 MN 极。n（MIN） =1，n（MAX）=
9、16，每步电极转换的规律 (如图 2 所示) 如下所述： 首先，n=n（MIN）=1，测量数据为 57 个： 第一步： A=1#，M=2#，N=3#，B=4#； 第二步： A=2#，M=3#，N=4#，B=5#； 第五十七步： A=57#，M=58#，N=59#，B=60#；接着，n=n+1=2，测量数据为 54 个： 第一步： A=1#，M=3#，N=5#，B=7#； 第二步： A=2#，M=4#，N=6#，B=8#； 第五十四步: A=54#，M=56#，N=58#，B=60#；最后，n=n（MAX）=16，测量数据为 12 个： 第一步： A=1#，M=17#，N=33#，B=49#；
10、第二步： A=2#，M=18#，N=34#，B=50#； 第十二步： A=12#，M=28#，N=44#，B=60#；显然，对应每一层位（n）的测量数据个数=（60-n3） ，如果 n=116，16 个层位全部测量得到的完整的一个剖面，数据总数应该是 552 个。 当实接电极数给定时，每层剖面上的测点数和断面上的总测点数由下式确 定： DnPsum（Pa1）n 其中 n剖面层数；Psum实接电极数（测线上电极总数） ；Pa装置电极数（装置 、 排列 Pa=4） ；Dn剖面 n 上的测点数。图 2 高密度电法温纳(WENNER)装置跑极方式四、高密度电法在已知剖面上的试验四、高密度电法在已知剖面
11、上的试验在 2004 年 10 月，我们在山西阳泉的一个已知小剖面上做了试验。目的是 考察高密度电法的探测精度。观测使用重庆地质仪器厂生产的 DUK-2 高密度电 法测量系统。已知的剖面如图 3 所示，它是一个梯田上的剖面，该剖面当时发 现有两个洞穴，是当地先人的墓穴，如图中的绿色箭头所指。在该剖面上部沿 地边我们布置了一条高密度电法测线，共布设了 30 个电极，按 1 米的间距布设。 以温纳方式进行测量，共测量 8 层，得到的结果如图 4 所示。在该图中，d 是 总剖面的照片，e 是所得到的电阻率反演结果，从电阻率反演结果我们发现了 3 个电阻率明显异常的区域，它们的电阻率都大于 140 欧
12、姆米。与剖面对应， b 和 c（放大图）两个区域是我们先前发现的墓穴，其对应的位置非常好，但反 演深度和真实的深度稍有偏差（真实深度比反演深度大约 40 公分） 。而另一个 区域，所对应的位置 a（放大图）是我们先前没有注意到的另一个墓穴，它被 草丛覆盖，洞口还堆了一些干草。从我们对这个新发现墓穴的角度来看，它印 证了高密度电法的有效性。分析图中 e 下部总体电阻率低的原因，我们认为是 由于高密度电法在这个剖面的下部是真正的无限半空间（符合高密度电法勘察 的物理条件） ，而在这个剖面上是半个无限半空间，因此其地下的总体电阻率会 高一倍。图 3 山西阳泉一个梯田上的剖面，图中的绿色箭头所指的是两
13、个已发现的墓穴图 4 d 是总剖面的照片，e 是电阻率反演结果，与剖面对应的 b 和 c（放大图）是先前发现 的墓穴，位置 a（放大图）是先前没有注意到的另一个墓穴。采用温纳装置，电极距为 1 米。紧接着，我们在该区域的一个已知断面上进行了针对更深异常区的测试， 如图 5 所示，该断面存在若干个已知采空的洞口，离上面的地面高度大致为 5-8 米，在该断面上布置了一条长测线，按温纳装置，电极距为 4 米。测量结果电 阻率的异常高区域与已知的空洞对应良好，图中箭头给出了对应的照片。同时 在该图的左侧 9 号电极和 20 号电极处的下部都显示出了高阻，推测为隐伏的采 空区。图 5 山西阳泉一个已知采
14、空区剖面，图中的黑色箭头所指的是已知的采空区。采用温纳装 置，电极距为 4 米。五、高密度电法在阳煤集团规划水泥厂地基勘察中的应用五、高密度电法在阳煤集团规划水泥厂地基勘察中的应用1、测区基本情况、测区基本情况 测区总体上呈北部高、南部低的地貌，区内最高点海拔标高 778 米，最低 点标高 717 米，最大高差可达 60 米，到处是梯田和人工堆积物，属于复杂地形 区。 测区内主要出露石炭系本溪组地层、Q2Q4以及采矿人工堆积物。Q3厚度 28 米、Q2厚度 0.55.5 米（最大 10 米） 、Q4厚度 28 米。人工堆积物几乎 随处可见，主要为开采铝矾土和铁矿的废弃物。本溪组 C2b最大厚度
15、 60 米，下 伏 O2m灰岩，二者之间为平行不整合关系。C2b底部为层状、似层状山西式铁矿 （透镜状，厚 13 米）和 G 层铝土矿（厚层、块状，厚度 26 米） ，其厚度、 层数及品位与地层沉积厚度、奥灰侵蚀面发育情况有关。铁矿和铝土矿之上为 砂质泥岩夹砂岩、灰岩及煤线。场区出露基岩大部分为含铁粘土岩及高铝粘土 岩。 根据前人调查资料，测区地表已发现斜井 4 个，立井 8 个，平硐 14 个，塌 陷坑 3 个。其中，XY1XY10 为小窑，开采硫铁矿，其余小窑主要开采 粘土矿，开采厚度平均 2.5 米，开采深度 1647 米，手工作业，房柱式。采空 巷道一般宽约 4 米，呈网状不规则分布于
16、井下。 2、野外测量情况、野外测量情况 根据实际野外情况，我们布置的 17 条测线，大致覆盖了所要求勘察的工区。 并根据测量结果初步圈出的物探异常数量及大致的分布规律。根据物探异常和 实地调查结果，拟建厂区内各类黄土的视电阻率一般低于 3050 欧姆米，本 溪组的视电阻率一般为 50400 欧姆米，奥陶系灰岩的视电阻率一般应在 8001000 欧姆米以上。 本次大致以视电阻率 160 欧姆米为下限圈定浅部物探异常区，同时结合异常形态、采空区及不良地质构造可能处于不同环境（即是否充水）的特点圈 定深部的物探异常区。如果异常明显具有向浅部延长的特点，则推断其可能为 采空区巷道。 3、测量异常钻探验证、测量异常钻探验证 图 6 为测线 2 的电阻率剖面及钻井验证结果。图中很明显，分别在 69，79，88，98 号电
