高密度电法在湖北省地质灾害调查中的应用

董晴DONG Qing；左啸ZUO Xiao；刘帅LIU Shuai；余伟林YU Wei-lin；孟陈MENG Chen；陈琨CHEN Kun；彭慧PENG Hui

（①湖北省地质环境总站，武汉 430022；②资源与生态环境地质湖北省重点实验室，武汉 430034；③武汉市测绘研究院，武汉 430022）

0 引言

随着经济条件的发展，人类与自然环境的接触也日益密切，发生地质灾害的频率也越来越高。地质灾害有着突发性强和破坏性大的特点，对人类造成的经济财产和生命安全损失巨大[1]。在灾害隐患区和易发区进行调勘查任务，或将避免地质灾害对人类经济财产和生命安全造成的损失，在灾害的防护与治理，人民生命财产安全的保护有着重要的意义[2]。

地球物理勘探方法是当前广泛应用于地质灾害调（勘）查工作中的一种现代化勘查技术[3]。它有着检测速度快，勘察范围广，反演结果准确，经济省时等特点，在一些较敏感的区域，可以做到无损检测[4]。充分发挥物探工作在地质灾害勘查与治理过程中的作用，是当今灾害防治工作中的一项重要课题，近年来湖北省地质环境总站关于地质灾害的项目基本上涵盖了岩溶、地面塌陷、滑坡等，成果颇丰。为相关单位的防灾减灾救灾工作提供了有重要的参考资料。根据不同的原理，应用于地质灾害调查的物探方法有很多，本文主要分析总结了高密度电法在湖北省地质灾害中的应用。

1 高密度电法原理介绍

高密度电法实际上是集中揉合了电剖面法和电测深法，原理与普通电阻率法相同，都是利用电极（A，B）作为供电电极向地下传送电流，使用另外两个电极M，N 测量他们之间电位差△V 能够求出M，N 点之间的视电阻率的值，用测得的视电阻率进行计算，从而可以得到地层电阻率的变化情况，进而反应出相关地质灾害存在与否[5]。不同的是，高密度电法是一种阵列排列方式[4]。

高密度电法的工作前提是被探目标与周围岩体间存在电性差异，地质灾害发生处由于岩体的变形，其岩体的电阻率将产生明显变化，介于其电性与围岩电性的差异，高密度电法的应用完全可以辨识地质灾害的存在与否[2]。高度电法实现了自动化采集，测量电极切换由多路电极转换器通过电缆控制，采集的大量数据自动存入主机，然后由专门软件进行处理解释，整个过程快速高效[6]。

2 高密度电法数据采集

二级装置，（温纳装置）α 排列、（偶极装置）β 排列、（微分装置）γ 排列是高密度电法常用的排列方式[7]。每种排列都有其优缺点：在有效最大探测深度上来讲，二级装置更有优势，但是二级装置分辨率很低；从分辨率角度上分析，α 排列纵向分辨率高，β 排列横向分辨率高[5]。不同装置对不同类型的地质问题探测适应性是不同的[5]。针对不同的地质灾害勘察环境，最优化选择电极排列方式，从而最大化的达到勘查目的[6]。

本文分析的地质灾害调勘查的事例中，均采用高密电法的温纳（α）装置进行测量。高密度电法仪器为重庆奔腾数控仪器厂生产的WGMD-9 超级电阻率测量系统，通过选配WDZJ-120 多路电极转换器、集中式高密度电缆、电极，实现集中式二维高密度电阻率测量。数据的处理采用瑞典的Res2Dinv 高密度电法处理软件进行处理。

表1 分析了高密度电法测量过程中，点距与最大勘查深度，最短测线长度的关系。实际工作中应该根据具体项目要求，合理选择点距的大小，点距过大，会造成横向分辨率降低，不适合较小目标体的勘查，点距过小，会造成最大勘探深度降低，不适合较深目标体的勘查。

表1 点距与勘探深度测线长度的关系

3 高密度电法数据处理

3.1 数据合并

高密度电法在野外实际操作中，勘探区域范围较大，测线不能一次布设完成较长区域的测量时，可以采取分段测量的方法，同时要保证勘探的精度即可。后期处理过行汇总解释，便可以得到地下岩体的电阻率分布特征。这样就会避免数据多次处理出现的误差，从而能够使得反演图色调一致，具有更好的可解释性，把控整个数据处理的质量。

3.2 坏点剔除

数据处理第一步是将所测得的原始数据中的奇异点删除。地表不均匀或电极接触不良等因素，会造成原始数据中出现奇异点。如果原始数据中的奇异点不被删除直接反演，反演图中会出现假象[8]。

3.3 地形改正

物探野外工作大多数是在山区等一些有地形起伏的地区中进行，当测线跨越这些地表起伏的地区时，需要通过GPS 定位获得各测点位置坐标，把坐标文件导入后期数据处理软件，达到消除起伏地形对探测结果影响的目的。人工电流场在经过凸地形时，电流由于相互排斥作用变得稀疏，测得电阻率偏大；同理，凹地形会使得测量电阻率值偏小。甚至会造成采集数据信息异常，因此有必要对地形进行校正[8]。

3.4 二维视电阻率反演

电阻率反演就是通过我们采集到的人工电场在地层中分布的数据，去推测地下岩体的结构和分布特征。高密度电法的反演结果一般用色谱来表示，反演成果图中以冷暖来表示低高阻，从而可以反应岩体电阻率的分布特征。此外，反演过程中，可以通过迭代误差来把控整个反演的质量，通常迭代误差与反演的质量成反比。高密度电法反演最常用的反演方法有：最小二乘法、平滑约束小最小二乘反演法。

4 高密度在地质灾害调勘查中的实例分析

4.1 滑坡调查

滑坡是指在特殊地貌条件下，岩土体由于地下水、自然降水、人为切坡、河流冲刷等原因，在重力作用下沿着一定的软弱面整体或分散地向下滑移的自然现象。

图1 为某地质灾害调勘查项目中高密度电法测量剖面图。

图1 HP4 线剖面解释成果图

剖面地表浅部0-5m 左右电阻率相对较低且有起伏，推测为第四系覆盖层，成分主要为粉质粘土和碎石土；覆盖层与基岩接触面明显，覆盖层下方基岩电阻率呈高阻反应，推测为灰岩。从剖面上看覆盖层较薄且厚度均匀，没有明显滑落现象，整个斜坡目前较稳定。

此外HP4 测线距离ZK1 号和ZK2 号钻孔较近，ZK1钻孔岩性为：0-0.8m，碎石土，主要为泥质灰岩碎块；0.8-8m，灰岩，强风化；8-15.26m，泥质灰岩，中风化。

ZK2 钻孔岩性为：0-2.1m，坡积土粉质粘土夹碎石；2.1-28.4m，泥质灰岩，强风化；28.4-30m，炭质页岩，中风化。物探成果与钻探岩性分层整体相吻合，钻探28.4-30m处的炭质页岩在物探剖面上无法划分。

4.2 岩溶塌陷

岩溶塌陷是岩溶洞穴、上覆沉积物及地下水，构成固体、液体及气体三相力学平衡体系，地下水位变动达到一定幅度，平衡破坏，上覆松散沉积物突然塌落，形成上大下小的圆锥形塌陷坑。

图2 为某地质灾害调（勘）查项目高密度测量剖面图。

图2 HF5 线剖面解释成果图

HF5 线呈南东向布置，方位角158°，测线点距为5m，线长为595m，有效勘探深度为50m，地形起伏不大，从剖面中可以看出，剖面上第四系覆盖层厚度发生了变化，测线里程0-265m 处覆盖层厚度较薄，推测平均厚度在8m左右，测线里程265m-595m，覆盖层厚度在16m 左右。推测该覆盖层厚度的变化是因为HF5 线首端靠近山体，导致其覆盖层厚度变薄。

结合地面调查，测线处曾发生过塌陷，该塌陷坑位于HF5 线测线里程255-265m、从剖面上来看，塌陷坑正处于HF5 线覆盖层厚度突变处，塌陷坑所处位置浅部基岩电阻率也相对较低，推测该处岩溶发育，其发育范围为HF5 线里程245-356m，深度在22m 左右。在HF5 线里程155-160m 处同样发生塌陷，从剖面来看，此处有异常反应现象，但异常规模较小，推测该处岩溶较发育。

根据剖面资料，在HF5 线测线里程255m 处布设了ZK6 孔，其岩性情况如下：0-1.43m 为粉质粘土；1.43-5.8m为碎石土；5.8-16.9m 为白云岩，中风化；16.9-21.54m 为溶洞；21.54-36.22m 为白云岩，中风化。物探剖面资料与钻探资料基本吻合。

图3 为某地质灾害调（勘）查项目高密度测量成果图。

图3 JH12 线剖面解释成果图

剖面上部电阻率整体相对较低，结合地质及钻探资料推测为第四系覆盖层，岩性成分主要为粉质粘土、碎石，在测线里程80-210m、270-330m 左右2 处地表附近电阻率呈高阻，推测覆盖层较薄或有基岩出露；覆盖层下方电阻率整体呈高阻，结合地质及钻探资料推测为灰岩，基岩中局部的低阻异常区，推测为溶洞中填充粘土、地下水所引起。在测线里程120-230m、250-350m、410-620m、980-1040m 左右4 处基岩电阻率有降低，结合地质资料推测为岩溶发育区。

JH10 测线距离ZK2、ZK3、ZK4 号三个钻孔较近，ZK2钻孔岩性为：0-9.8m 为粉质粘土，夹少量砾石；9.8-40.1m为灰岩，中风化，岩溶发育，孔内有溶洞；ZK3 钻孔岩性为：0-14.75m 为粉质粘土，夹少量碎石；14.75-40.4m 为灰岩，中风化，岩溶发育，孔内溶洞较多；ZK4 钻孔岩性为：0-15.5m 为粘土，夹少量碎石；15.5-46m 为灰岩，中风化，岩溶发育，孔内溶洞较多。物探成果与钻探岩性分层基本吻合。

5 结束语

本文分析了环境总站近年来使用高密度电法在湖北省地质灾害调勘查中的实际案例，通过对比实际钻孔资料，明确了高密度电法在地质灾害调查中对岩性的划分、岩溶探测，滑坡监测等方面的有效性。在地质灾害防止与治理过程中，我们通过对高密度电法探测到的异常点进行监测，可以有效地预防地灾灾害的发生，减少地质灾害对人类生命财产造成的损失。