高密度电法岩溶探测数值模拟正反演研究及应用

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岩溶是非常复杂的不良地质体,其存在具有隐蔽性和不确定性,往往难以发现和查清,对土木工程而言,岩溶发育往往是不利因素之一,岩溶区也是地质灾害事故的多发区。现阶段高密度电阻率法在西南地区岩溶勘探工程上运用的较多,但由于此地区的地形地貌较复杂、第四系覆盖层厚度不均及岩溶发育位置形态不规则等情况,导致高密度电法勘探难度剧增,其反演结果复杂多变,而且实际勘探过程中,各种参数的不同选择也会对探测及成图的分辨率产生较大的影响,其探测分辨率的效果还有待提高。本文综合考虑装置类型、岩溶类型、规模效应、电极排列影响、干扰影响及反演参数等因素,进行高密度电法正反演数值模拟研究,并结合岩溶探测工程实例,进行应用效果分析,对影响高密度电法探测各类岩溶的可靠性和精度的因素进行了总结,为今后在岩溶地区开展高分辨率探测提供有效的参考建议。主要研究成果如下:(1)温纳α装置对于低阻溶洞、浅层水平溶蚀裂隙或高随机噪声情况下的溶洞反演分辨率相对较好;温纳β装置对于半充填型溶洞、无充填型溶洞、埋藏较深的高阻溶洞或覆盖层较厚的情况下反演分辨率相对较好;温纳γ装置在探测全充填溶洞时分辨率相对会稍好;偶极装置对于浅层或裂隙型岩溶探测反演分辨率最高,但其探测深度较浅;二极装置虽然探测深度范围大,但其整体精度会较其它装置稍低;三极装置整体表现相对较好也较稳定。(2)对于全充填型溶洞,相同规模,异常体电阻率越低,六种装置反演后,其体积效应都越大,且规模越小越明显;对于半充填型溶洞,只有温纳β装置对于异常体半充填的形态具有较好的分辨率;对于无充填型溶洞,相同规模,异常体电阻率越高,六种装置反演的分辨率提升越高,异常体的体积效应越小;对于溶蚀裂隙,六种装置反演低阻时的分辨率相对高阻较好;对于溶沟,偶极及三极装置对其形态的反演分辨率相对较好。使用六种装置探测溶洞及溶沟的分辨率相对于溶蚀裂隙而言更高;探测低阻异常体的分辨率相对于高阻而言更高。岩溶异常体电阻率过低或过高时都会更容易在其周围形成假异常。(3)覆盖层厚度的增加或异常体埋深的增大,对高阻异常体的反演影响相比低阻而言更大。(4)三维探测对于异常体的形态、规模及位置探测反演上具有更好的分辨率,二维探测则在深度范围上分辨较好。二维探测方法中随着电极距的增加,低阻异常体相对高阻异常体而言分辨率下降更多,尤其是深部低阻异常体。实际工程中,选择3-5 m电极距时性价比较高。(5)随机噪声对高阻岩溶的影响相对低阻而言更高,对溶蚀裂隙的影响相对溶洞而言更高,对深层的影响相对浅层而言更高。电极断电所引起的部分视电阻率呈现为极大值对整个剖面的反演影响较大,通过剔除异常数值虽然也可以还原异常体的正确位置,但其分辨率会降低,且断电电极越多,分辨率越低。(6)当随机噪声较小时,设置相对较小的阻尼系数,反演的分辨率则相对较高;反之,则应设置相对较大的阻尼系数。当阻尼系数变化时,低阻异常体相对于高阻而言,其反演分辨率更加稳定;浅层异常体相对于深层而言,其反演分辨率更加稳定。使用最低阻尼系数或Rubst约束虽然整体分辨率降低,但对分辨异常体的形态规模及深度范围有所帮助。综合数值模拟研究成果,应用于高密度电法探测岩溶的工程实例,解释成果与钻孔验证和已有地质资料较为相符,表明论文数值模拟研究成果及其总结的探测工作参数与反演参数选择方法具有较好的实际可行性,为今后在岩溶地区开展高分辨率探测提供了有效的参考建议。
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