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摘要：

本文簡要介紹了高密度電法的原理及該方法在喀斯特地區巖溶探測中的應用案例。

方法簡介：

高密度電阻率法是集電測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行多種裝置數據采集以及通過求取比值參數而能突出異常信息的地球物理方法，具有信息量大、觀測精度高、速度快以及探測深度靈活等特點。具體來說，高密度電阻率法是一種陣列式電法勘探方法，野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根)置于測點上，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現對數據的快速和自動采集。


 
電法勘探的物理基礎是地下不同介質之間存在電性（電阻率）差異。在人工電場激勵下，不同電性的介質會產生不同的電場響應。從地表可以測量到這些響應（電位差），通過計算出地下介質的視電阻率分布，推測地下的地質情況?？ㄋ固氐貐^的空洞或空隙，根據其內部充填物的性質，可表現出與圍巖明顯的電性差異。
 圖2&3是電阻率模型正演：建立巖溶地區的電阻率模型（圖2），經正演模擬并反演后，得到地下視電阻率斷面圖（圖3）。結果表明原模型中的地質情況可由反演結果很好地反映出來。

 
 

案例簡介：

實踐中已充分證明高密度電法對探查溶洞的準確性。
某高速公路穿越灰巖發育區，已知一溶洞的存在（圖4），在其上方開展高密度電法調查，從擬斷面圖結果（圖5）中可以清楚地觀察到該溶洞的高阻異常響應。

此外，相比其他常規電法，高密度電法效率高、直觀。基于巖溶空洞的外形、尺度，以及由于大孔隙度差異造成的與圍巖的強烈電性差異，高密度電法特別適合被應用于卡斯特地區的地質情況探查。

圖6為某地在探測后根據成果進行了實地開挖，現場采用偶極-偶極排列，28電極，間隔2米。可在擬斷面圖上清楚的看到空洞的存在，位置與現場開挖可以很好對比。 因為空洞內僅被空氣充填，故在電阻率斷面圖上表現為高阻異常（紅色）。
若溶洞中充填有低阻介質（例如水、濕黏土等），則在高密度電法擬斷面圖中呈現低阻異常。圖為河南某溶洞發育地區的高密度電法探測結果，藍色的低阻異常指示溶洞的存在，如圖7所示。

 
 類似地，若高孔滲性區域被流體充填，可采用高密度電法調查。在變質巖發育區開展地下水調查。測線長250米，探測成果如圖8所示，在圖像中央探測到低阻區，被解釋為可能含水的裂隙千枚巖。

高密度電法用于空洞探查的應用方法并不局限于常規的測量：例如，在同一工區同一位置，分布于干、濕兩種環境下實施高密度電法，而后將兩次的視電阻率值相減并成圖。因為空洞中的濕度變化與圍巖存在較大差異，這種方法可以得到如下圖所示的結果。
圖9為某工區高密度電法測量場地的布設示意圖，共6條測線，依次為P1-P6，巖溶可能走向區域測點適當加密，每條測線分別在干、濕兩種自然環境下測量，并將測量成果的網格化數據矩陣相減，得到如圖10所示成果圖。由于空洞無論干濕環境（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，因此大片空白區域即可判斷為巖溶范圍。
   為更加突出巖溶地區的地球物理特征，可以結合多種地球物理方法。例如，將高密度電法和地質雷達聯合應用。結合地質雷達的分層結果（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地下的情況。

結合二者結果（圖13），可直觀的觀察到地下雷達信號異常區與視電阻率異常區的對應關系。其中，雷達圖中的強反射區域對應視電阻率斷面圖中的低阻區域，指示這些區域可能有更高的孔滲性。

典型設備推薦：

日本應用地質株式會社（OYO）是世界的老牌地球物理儀器制造商，擁有60年歷史，旗下有多型號業內的地球物理儀器。上世紀80年代，OYO公司實現了高密度電法儀的程控技術，大大推進了設備行業和工程技術的發展。
2018年，OYO公司推出了新一代Profiler 8i高密度電法儀（圖14-17）。   McOHM Profiler 8i是一款8通道數字化高密度電法探測儀器。在McOHM Profiler 4i的基礎上進行了全面改進，儀器性能大幅提升。McOHM Profiler 8i是日本OYO公司臺加入IoT物聯網兼容模塊的高密度電法探測儀器，可配合云系統使用云分析服務，是未來電法探測自動化、智能化、信息化的先驅，領新的高密度電法發展方向。
McOHM Profiler 8i使用新的高分辨率A/D轉換技術，配有高度整合的接收裝置，結合具有電極開關功能的Scanner-32 ，可以進行二維電阻率勘探，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點，體積小、重量輕、可外接USB 存儲器。儀器控制器可顯示電流波形、電位波形和衰減曲線。
其性能指標包括:

• 使用Windows 10 Pro 64位 操作系統，操作性能強;
• 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;
• 8通道同步測量，提高測量效率;
• 可外接Scanner-32，電極數量可擴充到192個;
• 配置Power Booster，輸出電流最大可達1A;
• 借助控制工具和內置時鐘自動測量;
• 利用衰減曲線實現數據質量現場控制等功能。

該電法儀采用RES2DINV二維電阻率快速反演軟件進行數據處理，其流程包括:

• 數據文件編輯，通過人工觀察辨識，刪除異常值;
• 數據反演，通過實測值與反演視電阻率值之間的均方根誤差統計計算，形成二維反演單元模型;
• 視電阻率二維成像處理，成像顯示兩部分內容，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。測量數據的反演，以平滑約束最小二乘為基礎、以擬牛頓反演為準則的最小二乘法實現。經過若干次迭代，均方誤差一般不大于10% 的反演結果即為地下巖土介質視電阻率分布的二維剖面圖。