高密度电阻率法
3.3.6.1 方法简介高密度电阻率法，是近几年才开发使用的一种新装置，是一种阵列式勘探方法。具有成本低、效率高、信息量丰富、分辨率高、解释方便等优点。3.3.6.1.1 基本原理是以地下岩(矿)石的电阻率差异为基础，研究在供电电场作用下地下传导电流的分布规律，从而达到勘探地质体的目的。野外测量时将全部电极(几十至上百根)一次性布设于测点上，然后通过程控多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，从而完成野外数据的快速采集，测量结果送入微机后，即可对数据进行处理并给出关于地电断面的各种图示结果。3.3.6.1.2 应用范围及适用条件常用于探查洞穴、岩溶破碎带、隐伏断层、地下暗河通道及基底起伏情况。被探测的目标体与围岩电性差异明显并有一定的宽度和延伸长度，视电阻率异常能从干扰背景中分辨。覆盖层薄，地形无剧烈变化。目的层上方无极低、极高的电阻率屏蔽层，无严重的工业游散电流和大地电流干扰。3.3.6.1.3 工作布置原则与观测方法测线应尽量垂直于勘查对象的走向，并尽可能避免或减小地形影响和其他干扰因素的影响。极距的选择要保证最大隔离系数AB/2大于勘探目标埋深的1.5倍。常采用的电位电极系有温纳四极(α)、偶极(β)、微分(γ)、联合三级四种排列装置。3.3.6.1.4 资料整理及成果解释通过微机对输入的观测结果进行统计、滤波、正反演模拟计算后，形成视电阻率参数的等值线断面图及灰度图，结合水文地质条件，编制推断解释成果图。成果解释时，要了解当地的地质及物性特征，充分研究已知点异常特征，从已知到未知进行解释。以定性解释为主，正确区分正常场和异常场，确定异常性质，阐明异常的地质因素，最终作出地质推断解释。3.3.6.2 试验情况实验工作布置在天然出露的岩溶水源地皮家寨工区，目的是探查皮家寨泉点与北部坝心泉点岩溶地下水径流管道位置，了解工区内盖层结构、土洞发育情况，盖层与基底界面起伏情况等，共布置了12条剖面，总长7995m，工作布置见图3-16。工作结果经16个钻孔的验证，推测的地表粘土层厚度与钻孔验证的厚度相接近，推断的岩溶发育带均已见水，吻合性较好。本次试验使用WDJD-2型多功能数字激电仪、WDZJ-1多路电极转换器，装置选择温纳装置α和α2排列，点距5～10m，电极距10m。3.3.6.3 主要成果根据测区内地层岩性特征及以往电性测定结果，水体 ρS=12～20Ω·m，平均15Ω·m；红土(干燥)ρS=80～150Ω·m，平均120Ω·m；红土(潮湿)ρS=15～30Ω·m，平均20Ω·m；白云岩(完整)ρS=2400～4200Ω·m，平均3620Ω·m。可见地表粘土层、岩溶破碎带及粉砂质泥岩均为低阻体，完整灰岩为高阻体。施测结果，以皮家寨泉点南部18线为界，南北电性层差异明显(图3-17)，南部视电阻率断面成层状分布，电性层结构稳定，推断岩溶不发育、岩石较完整；北部视电阻率断面横向变化大，高低阻相间排列，显示出电性层结构变化复杂、不稳定，岩溶较为发育。经钻孔验证，北部岩溶发育强烈，岩心破碎，RQD小于40%，以溶隙、溶孔、溶洞为主，钻孔遇洞率76.9%，溶洞直径一般0.2～1.5m，最大4.7m，粘土半充填，并且越向上游岩溶的成层性越明显；大泉南段岩溶发育相对较弱，岩心完整，RQD 为63%～77%，以溶隙为主，部分为粘土充填，钻孔遇洞率66.7%，溶洞少而小，一般直径0.2m左右，最大0.6m，形成一条弱透水的隔水带。图3-16 泸西小江流域皮家寨工区高密度电法工作布置及物探推断成果图1—电法剖面及测线号；2—推断地下水径流管道；3—验证钻孔；4—上升泉，流量(L/s)图3-17 泸西小江流域皮家寨工区高密度电法视电阻率剖面图综合分析认为皮家寨工区，盆地覆盖层厚度中部深，东西两侧逐渐变浅，无局部突变现象，结构均一，浅部无洞穴发育。泉点附近存在多个强径流带，可分为南北向四条，大致沿90、120、140、160号点附近，东侧管道向南延伸，其他三条均向皮家寨大泉汇集，强径流带埋深约10～30m。该区实施了16个验证钻孔，推测的地表粘土层厚度与钻孔验证的厚度相接近，最大误差4.2m，最小仅0.1m。推断的岩溶发育带经钻孔验证均已见水，如38线100号点附近推测地下2～40m为强岩溶发育带，经99号点ZK6号钻孔验证，0～2.1m为红粘土；2.1～20.8m为灰岩，其中6.8～7.2m为粘土充填的溶洞，12m见无充填的溶洞，27～35m见溶孔；35.1m以下为白云岩，多见溶孔及溶蚀面。2.1～40.1m，岩溶发育，富水性强，与推断结果吻合。综合分析研究视电阻率剖面成果及钻孔资料得出：浅部粘土、砂质层，视电阻率值ρS小于70Ω·m，破碎含水的灰岩层，视电阻率值在50～400Ω·m之间。当溶洞、溶孔由粘土充填或由水充填时，电性特征是一致的，如ZK13号，粘土层厚13.79m，视电阻率断面图中反映的是ρS小于50Ω·m的低阻带，13.79～30.12m为泥质充填的灰岩破碎带，富水性差，对应的视电阻率剖面ρS值为50～200Ω·m。3.3.6.4 结论综上所述，高密度视电阻率测深，基本查明了该区70m以内电性层分布情况，划分了岩溶发育带，推断了岩溶管道位置，提出18线以南岩体相对较完整，是束流调压壅水工程较为理想之地，为该工程的实施提供了重要依据。根据测区实测剖面反演的视电阻率结果，结合验证钻孔资料，得出了不同岩层的视电阻率参数值的变化范围，地表粘土、砂质层视电阻率值ρS=10～70Ω·m，破碎含水的灰岩层，视电阻率值一般在100～400Ω·m之间。当溶洞、溶孔由粘土充填或由水充填时，均反映为低阻电性特征。高密度电阻率法对埋深不大的岩溶地下水探测效果较好，工作效率高，但同样无法区分泥质或水充填的岩溶低阻层，与核磁共振方法配合可有效地解决岩溶的富水性。
高密度电阻率法的基本原理和特点
（一）基本原理高密度电阻率法是基于垂向直流电测深与电剖面法两个基本原理的基础上,通过高密度电法测量系统中的软件,控制着在同一条多芯电缆上布置联结的多个（60～120）电极,使其自动组成多个垂向测深点或多个不同深度的探测剖面,根据控制系统中选择的探测装置类型,对电极进行相应的排列组合,按照测深点位置的排列顺序或探测剖面的深度顺序,逐点或逐层探测,实现供电和测量电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储。通过数据传输软件把探测系统中存储的探测数据调入计算机中,经软件对数据处理后,可自动生成各测深点曲线及各剖面层或整体剖面的图像。（二）高密度电阻率法的特点相对于常规电阻率法而言,高密度电阻率法具有以下特点：1）电极布设是一次完成的,这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰,而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础；2）能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量,因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息；3）野外数据采集实现了自动化或半自动化,不仅采集速度快（大约每一测点需2～5s）,而且避免了由于手工操作所出现的错误；4）可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态,脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件；5）与传统的电阻率法相比,成本低,效率高,信息丰富,解释方便。
电阻率法的仪器及装备
根据式（4-1-6），电阻率法测量仪器的任务就是测量电位差ΔVMN和电流I。为适应野外条件，仪器除必须有较高的灵敏度、较好的稳定性、较强的抗干扰能力外，还必须有较高的输入阻抗，以克服测量电极打入地下而产生的“接地电阻”对测量结果的影响。目前，国内常用的直流电法仪有DDC-2B型电子自动补偿仪，ZWD-2型直流数字电测仪，JD-2型自控电位仪，C-2型微测深仪，LZSD-C型自动直流数字电测仪，MIR-IB型多功能直流电测仪以及近年来出现的高密度电法仪等。电阻率法的其他设备还有：作为供电电极用的铁棒、用作测量电极用的铜棒、导线、线架，以及供电电源（45V乙型干电池或小型发电机）等。图4-1-4 WDDS-1数字电阻率仪（重庆奔腾数控技术研究所）
电阻率法的仪器装备
（一）电阻率法的仪器在电阻率法中无论是电剖面法还是电测深法，它们利用的参数都是视电阻率ρs。我们知道ρs的计算表达式为地电场与电法勘探故对电阻率法仪器的基本要求是能准确地测出电位差ΔUMN和供电电流I。为便于观测和保证精度，要求供电电源输出电流稳定，电压连续可调，而对接收机则要求：（1）灵敏度高。仪器灵敏度越高，可测的ΔUMN值越小。在ρs一定的条件下，ΔUMN与I成正比。因此，提高仪器灵敏度可减小供电电流，有利于减轻电源重量和减少供电电极数目，并可用细的供电导线，从而使整个装备轻便。（2）抗干扰能力强。仪器要求对50赫工业干扰信号和各种偶然干扰具有很强的抑制能力，以保证仪器的高灵敏度。（3）稳定性好。野外用的仪器要求能够适应各种气候条件，因此仪器应能在相当大的温度和湿度变化范围内保持性能稳定。（4）输入阻抗高。在野外电极接地条件改变的情况下，仪器仍能保持所需精度。因此要求仪器必须具有较高的输入阻抗。目前国内生产的电阻率测量仪器无论是专用的还是多用的，也无论是带微机的还是不带微机的均能达到上述要求，并且当输入K值后，还可直读ρs。（二）电阻率法的装备电阻率法的主要装备有三种，即电源、电极和导线。1.电源电阻率法的供电电源，一般多采用干电池、蓄电池串联或并联使用。但对供电电极距较大的中梯装置和测深装置而言，有时需用配有整流器的汽油发电机。2.电极在电阻率法中，供电和测量均需要用接地的电极。供电电极A、B一般用棒状铁电极，测量电极M、N一般用棒状铜电极。它们的长度通常为50～60 cm，直径为1.8～2.2 cm。3.导线在电阻率法中，供电电极与电源之间，测量电极与仪器之间，均需用导线连接。对导线的基本要求是，除应具有良好的导电性能和绝缘性能外，还应有足够的机械强度和抗张力。
四探针法测电阻率
四探针测试技术，简称为四探针法，是测量半导体电阻率最常用的一种方法。四探针测试技术，是用4根等间距配置的探针扎在半导体表面上，由恒流源给外侧的两根探针提供一个适当小的电流I，然后测量出中间两根探针之间的电压V，就可以求出半导体的电阻率。对于厚度为W（远小于长和宽）的薄半导体片，得到电阻率为ρ=ηW(V/I)，式中η是修正系数。特别，对于直径比探针间距大得多的薄半导体圆片，得到电阻率为ρ= (π/ln2)W(V/I)= 4.532 W(V/I) [Ω-cm]，其中W用cm作单位。
