高密度電法-新

1、n高密度電阻率法高密度電阻率法 常規(guī)電阻率剖面法由于其觀測(cè)方式的 限制，不僅測(cè)點(diǎn)密度較低，而且也難以通 過電極排列的多種組合來(lái)研究地電斷面的 結(jié)構(gòu)與分布，因此一般電剖面法所提供的 地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息較為貧乏， 故無(wú)法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行綜合處理和對(duì)比解釋。 所以在城市工程地質(zhì)調(diào)查中，常規(guī)電 阻率剖面法難以滿足實(shí)際工作需要。 高密度電阻率法是日本地質(zhì)株式會(huì)社提出的，由于高密度電阻率法是日本地質(zhì)株式會(huì)社提出的，由于 高密度電阻率法可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集，并在現(xiàn)場(chǎng)高密度電阻率法可以實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集，并在現(xiàn)場(chǎng) 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從而改變了電法勘探傳統(tǒng)的工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從而改變了電法勘探傳統(tǒng)的

2、工作模式， 使其和地震勘探的野外工作方式類似，提高了工作效率，使其和地震勘探的野外工作方式類似，提高了工作效率， 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。高密度電阻率法在原理上仍屬電減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。高密度電阻率法在原理上仍屬電 率法的范疇，但與常規(guī)電阻率法相比布置了較高的測(cè)點(diǎn)率法的范疇，但與常規(guī)電阻率法相比布置了較高的測(cè)點(diǎn) 密度，一次可以完成縱橫二維勘探過程，所以觀測(cè)精度密度，一次可以完成縱橫二維勘探過程，所以觀測(cè)精度 較高，數(shù)據(jù)采集可靠，獲得地質(zhì)信息豐富。較高，數(shù)據(jù)采集可靠，獲得地質(zhì)信息豐富。 隨著電法勘探在水文地質(zhì)和工程地 質(zhì)勘察應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)技術(shù)方 法提出了超淺層、超密度等一系列高難 要求。 要求電法勘

3、探解決的問題，不僅有 第四系地質(zhì)研究問題，也有基巖地質(zhì)以 及近代和古代人文活動(dòng)遺跡勘察等各個(gè) 方面的問題。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究和開展了 高密度電阻率剖面法勘探技術(shù)，該 方法具有較高的分辨力，可探測(cè)埋 深與直徑之比大于10：1的地下洞穴， 在調(diào)查地下洞穴(高阻或低阻的)及 礦山廢坑道等方面取得了較好的效 果。 高密度電阻率法是根據(jù)水文、工程及環(huán)境 地質(zhì)調(diào)查的實(shí)際需要而研制的一種電阻率法觀 測(cè)系統(tǒng)。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率 法在野外信息采集過程中可組合使用多種裝置 形式，因而采集的信息量大，數(shù)據(jù)觀測(cè)精度高， 在電性不均勻體的探測(cè)中取得了良好的地質(zhì)效 果。 該觀測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集和資料處理

4、兩 部分，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，只需將全部電極設(shè)置在一 定間隔的測(cè)點(diǎn)上，測(cè)點(diǎn)密度遠(yuǎn)較常規(guī)電阻率法 大，一般從110m。然后用多芯電纜將其連接 到程控式多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)上，電極轉(zhuǎn)換開關(guān) 是一種由單片機(jī)控制的電極自動(dòng)換接裝置，它 可以根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行電極裝置形式、極距及 測(cè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。測(cè)量信號(hào)用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)送入微 機(jī)工程電測(cè)儀，并將測(cè)量結(jié)果依次存入隨機(jī)存 儲(chǔ)器。將數(shù)據(jù)回放送入微機(jī)，便可按給定程序 對(duì)原始資料進(jìn)行處理。 由于高密度電阻率 法可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的 快速采集和微機(jī)處 理，從而改變了電 阻率法勘探傳統(tǒng)的 工作模式，大大地 提高了工作效率， 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度， 使電法勘探的智能 化程度大大地向前 邁進(jìn)了一步。圖

5、為 高密度電阻率法勘 探系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 一、高密度電阻率剖面法的一、高密度電阻率剖面法的 電極排列和測(cè)量方法電極排列和測(cè)量方法 高密度電阻率剖面法的基本原理與 常規(guī)的電阻率法完全相同，仍是以巖土 體的導(dǎo)電性差異為物理依據(jù)的一類電法 勘探方法。 高密度電阻率法實(shí)質(zhì)上仍屬直流電阻率法，基本原理與直流電 阻率法相同，不同的是它的裝置排列是一種組合式的電極排列， 通常以多電位測(cè)量為主，即：溫納四極裝里、偶極裝置、微分 裝置和聯(lián)剖裝置測(cè)量；各種裝置測(cè)量的電極排列如圖所示。 上述電極排上述電極排 列即可聯(lián)合列即可聯(lián)合 使用，也可使用，也可 根據(jù)需要單根據(jù)需要單 獨(dú)使用獨(dú)使用 為了討論方便，用 分別表示溫

6、納裝置(AMNB)、 偶極裝置(ABMN)和微分裝置(AMBN)的視電視率。多電位測(cè)量 中，通過供電電極AB向地下供以I安培的電流，在測(cè)量電極MN 之間便可測(cè)量電位差，由電位差可計(jì)算其視電阻率。 裝置的選取受場(chǎng)地大小、地形起伏、探測(cè)任務(wù)以及探測(cè)精 度等因素的影響： （1）溫納四極在開闊地使用能獲得最大的測(cè)量電位，并節(jié)省 外接電源，壓制干擾，增強(qiáng)有效信號(hào)，它是公認(rèn)的最穩(wěn)妥的裝 置；如果場(chǎng)地不允許，最好使用三極裝置。三極裝置比四極裝 置將節(jié)省一半的場(chǎng)地。 （2）在眾多裝置中，偶極裝置受地形影響最為劇烈，其次是 三極裝置，四極裝置受地形的影響較小，電測(cè)剖面形態(tài)比較好 判別。 （3）偶極排列靈敏度最高

7、，溫納四極排列次之，微分排列最 次。 根據(jù)工作任務(wù)的要求、工地的地質(zhì)條件及各種裝置的特點(diǎn)， 將采用以溫納四極為主，其它三種為輔的排列裝置對(duì)工區(qū)進(jìn)行 勘查。 地表A點(diǎn)供電，在M、N點(diǎn)處的電位表達(dá)式，和地表B點(diǎn)供電在M、N點(diǎn)處的電位表達(dá)式： MN間的電位差為 由此可得，對(duì)于非均勾大地溫納裝置有 為溫納裝置系數(shù)。 同理可得 點(diǎn)距為X，極距anX(n為電極隔離系數(shù)) 高密度電阻率勘探系統(tǒng)，以地質(zhì)礦產(chǎn)部機(jī)械電子研究所產(chǎn) 的儀器為例，由MIRlc多功能直流電測(cè)儀和MIS-2程控多 路電極轉(zhuǎn)換儀組成。該系統(tǒng)一條剖面可設(shè)60根電極，電極 隔離系數(shù)n從l到16，記錄剖面為梯形斷面，如圖所示。 為了使高密度電阻率

8、法能夠獲得關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的豐富信息，且 考慮到提高工作效率，參數(shù)間可以互相轉(zhuǎn)換，獲得不同裝置系統(tǒng)的地電斷面 數(shù)據(jù)，我們以下可推導(dǎo)出不同裝置視電阻率間的關(guān)系式。 當(dāng)采用溫納四極(AMNB)，偶極(ABMN)及微分(AMBN)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)， 由供電電極在測(cè)量電極間所產(chǎn)生的電位差有以下關(guān)系： 顯然，當(dāng)供電電流一定時(shí)，三者間的阻抗關(guān)系為： 當(dāng)引入視電阻率和裝置系數(shù)后式后可以寫成 從而有 對(duì)于三種電極距排列，其裝置系數(shù)依次為 下標(biāo)中一個(gè)是供下標(biāo)中一個(gè)是供 電電極的位置，電電極的位置， 一個(gè)是測(cè)量電極一個(gè)是測(cè)量電極 的位置的位置 聯(lián)合三極測(cè)深剖面裝置實(shí)際上采用兩個(gè)三極排列AMN和 MNB，另一

9、共用電極c置于無(wú)窮遠(yuǎn)處。兩個(gè)三極排列分別稱為 A(AMN)排列和B(MNB)排列。 由此可知，高密度電阻率法實(shí)質(zhì)上是上述五種裝置組合 而成的一種統(tǒng)一測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，只需利用電極轉(zhuǎn) 換開關(guān)依次將A、B、M、N及C五個(gè)電極進(jìn)行五種組合，這樣在 一個(gè)測(cè)點(diǎn)上便可獲得這五種裝置的視電阻率測(cè)量參數(shù)。 二、高密度電阻率剖面法資料整理與圖示 (一)視電阻率參數(shù)及其計(jì)算 由于高密度電阻率法包括五種裝置，故視電阻率參數(shù) 的計(jì)算包括 (二)比值參數(shù)及其計(jì)算 這里介紹兩類比值參數(shù)：一類是直接利用三電位 電極系的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合；另一類則是用聯(lián)合三極 的觀測(cè)數(shù)據(jù)組合而成的。兩種比值參數(shù)不僅具有以某 種更為醒目的

10、方式再現(xiàn)原有異常特征，而且某些比值 參數(shù)在一定程度上還具有抑制干擾和分解、復(fù)合異常 的能力，從而大大地改善了常規(guī)電阻率剖面法反映地 下地質(zhì)異常體賦存狀況的能力。 1三電位電極系比值參數(shù) 計(jì)算 的表達(dá)式為 s T s T 由于比值參數(shù)綜合了 和 兩種排列視電阻率參數(shù) 在反映同一地電體時(shí)異常的相對(duì)變化關(guān)系，因而 用該參數(shù)所繪制的等值線斷面圖，在反映地電結(jié) 構(gòu)的分布形態(tài)方面要比相應(yīng)排列的視電阻率斷面 圖清晰和明顯得多。 2聯(lián)合三極裝置的比值參數(shù) 和G 1)比值參數(shù) 被稱為歧變法，它是研究歧離帶變化率曲線 的解釋法。其計(jì)算公式為： 通常將計(jì)算結(jié)果示于第i點(diǎn)和第(i+1)點(diǎn)之間，歧離帶變化 率曲線的橫軸

11、以比值參數(shù)1的水平線表示，縱軸既可用算 術(shù)坐標(biāo)也可用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。由式可知，比值參數(shù)實(shí)質(zhì)上是反 映了 沿測(cè)線水平方向的變化率，故也稱其為 比值梯度曲線。 2）比值參數(shù)G 它是以變化率為基礎(chǔ)的比值參數(shù)，又稱為梯度轉(zhuǎn)換法。 其計(jì)算公式為： 通常將計(jì)算結(jié)果示于第i點(diǎn)。 以上兩種參數(shù)( 和G)雖計(jì)算方式不同， 但二者都是從兩條三極曲線視電阻率異常值 的某種組合而獲得的，故其結(jié)果均反映了由 兩條三極曲線所構(gòu)成的聯(lián)合剖面曲線岐離帶 的變化率。因此，二者具有大體相同的分辨 地電體賦存狀況的能力。 在高密度電阻率法的資料處理中，經(jīng)常采用 將電位電極系的測(cè)量結(jié) 果換算成比值參數(shù)的辦法，然后，根據(jù)比值參數(shù)來(lái)繪制斷面等

12、值線圖。 原則上，比值參數(shù)可以從 電位電極系中任意兩種電極排列的 測(cè)量結(jié)果中得到，考慮到三種比值參數(shù)在反映地電面結(jié)構(gòu)特征方面的能 為，主要選取了上述的Ts比值參數(shù)，顯然，它在地電斷面上的分布特性 將取決于兩者視參數(shù)的比。由于 和 電極排列的視參數(shù)曲線在同一剖 面上總是具有相反的變化趨勢(shì)，所以Ts參數(shù)不僅保留了兩者的原有特點(diǎn)， 實(shí)際上還擴(kuò)大異常的幅度，從而使Ts比值斷面圖在反映地電結(jié)構(gòu)的某些 細(xì)節(jié)方面具有一定的優(yōu)越性。 此外，比值斷面圖還可以采用比值參數(shù) lamda(或G)來(lái)繪 制，它在反映地電斷面橫向電性不均勻性方面獨(dú)具特色， 在某些情況下，它甚至能把電阻率橫向變化的一些細(xì)節(jié)反 映的很清楚。當(dāng)

13、然，由于計(jì)算lamda(或G)比值參數(shù)需要利 用聯(lián)合三極測(cè)深的結(jié)果，因此，在野外測(cè)量時(shí)就必須布設(shè) 無(wú)窮遠(yuǎn)極，并對(duì)三電位系統(tǒng)中的溫納排列在接線時(shí)要作一 定的改動(dòng)。 高密度電阻率法由于采用了程控式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微 機(jī)電測(cè)儀，因此，在一條剖面上便可以采集不同裝置及不 同極距的大量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，便可獲得 各種參數(shù)的等級(jí)斷面圖和分級(jí)剖面圖。由于等級(jí)斷面圖更 重視異常的相對(duì)變化，所以當(dāng)將每一測(cè)點(diǎn)的視參數(shù)值按其 等級(jí)的高低采用不同的符號(hào)或灰階表示時(shí)，使得到剖面下 方一定深度范圍內(nèi)電性的相對(duì)變化。該圖在反映地電斷面 的結(jié)構(gòu)特征方面將具有更為直觀和形象的特點(diǎn)。 統(tǒng)計(jì)處理方法原則上適用于 電極系中

14、各種電極 排列的測(cè)顯結(jié)果，只是在考慮視電阻率參數(shù)時(shí)，由于后兩 種電極排列形式的異常和地電體之間具有較復(fù)雜的對(duì)應(yīng)關(guān) 系，因此，一般只對(duì)前者或經(jīng)過濾波處理后的后兩種排列 的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。統(tǒng)計(jì)處理包含以下步驟： (1)利用滑動(dòng)平均計(jì)算視電阻率的有效值。 (2)計(jì)算整個(gè)測(cè)區(qū)或某一斷面的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。 視參數(shù)的平均值A(chǔ)。 標(biāo)準(zhǔn)差。 (3)計(jì)算裝置調(diào)整系數(shù)。 (4)計(jì)算相對(duì)電阻率。 以各點(diǎn)的有效電阻率乘以相應(yīng)極距的裝置調(diào)整系數(shù)即為不 同極距的相對(duì)電阻率，即： 計(jì)算相對(duì)電阻率，可以在一定程度上消除地電斷面由上到下水 平地層的相對(duì)變化。因此，相對(duì)電阻率斷面圖主要反映了地電 體沿剖面的橫向變化，它和斷面上各

15、點(diǎn)視電阻率的絕對(duì)值無(wú) 關(guān)，從而可以主要地突出局部異常。 (5)視參數(shù)的分級(jí)。 為了對(duì)視參數(shù)進(jìn)行分級(jí)，首先必須按均值和離差的關(guān)系確 定視參數(shù)的分級(jí)間隔。 間隔太小，等級(jí)過密，間隔太大，等級(jí)過稀，都不利于清晰 地反映地電體的分布。經(jīng)大量試算發(fā)現(xiàn)，一般情況下，以采 用五級(jí)制為宜，即用4個(gè)異常間隔來(lái)進(jìn)行擬斷面的視參數(shù)分 級(jí)，我們用DJ代表不同的間隔，于是： 利用上述視參數(shù)的分級(jí)間隔，可以將斷面上各點(diǎn)的A(j)劃分 成不同的等級(jí)，將所劃級(jí)別用一定符號(hào)或灰階(或灰度)表示 時(shí)，使得到視參數(shù)異?；译A圖(等級(jí)斷面圖)。 圖是水文物探中常 見的一種地電模型， 三者均以不同的方 式反映了基底的起 伏和局部透鏡體的

16、 存在，只是異常比 較微弱，或者說(shuō)看 起來(lái)很不直觀。 圖是經(jīng)過濾波處理前后 的比值參數(shù)Ts斷面圖， 前者非常簡(jiǎn)明地反映了 透鏡體的存在，但伴隨 異常還較為復(fù)雜。后者 是經(jīng)過濾波處理后的結(jié) 果，伴隨異常減弱，主 體異常形態(tài)大為簡(jiǎn)化。 由視參數(shù)而繪制的等級(jí) 斷面圖，整個(gè)斷面的視 參數(shù)經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理后被分 成5級(jí)，顯然，等級(jí)斷面 圖也比較形象地反映了 地電斷面的結(jié)構(gòu)與分布。 (三)高密度電阻率法視參數(shù)圖示 綜上所述，高密度電阻率不僅能直接測(cè)量五種裝置的視電 阻率，而且還可以計(jì)算得到三個(gè)比值參數(shù)。因而，它是集測(cè)深 和剖面法于一體、具有高密度測(cè)點(diǎn)的綜合電阻率剖面法。高密 度電阻率剖面法的定性解釋圖有下列幾種

17、： (1)不同極距聯(lián)合剖面曲線及擬斷面圖。 (2)不同極距對(duì)稱四極測(cè)深曲線及擬斷面圖。 (3)微分視電阻率和偶極擬斷面圖。 (4)比值參數(shù) 、 和G剖面曲線及擬斷面圖。 這些圖件的繪制方法與前述電阻率法各種圖件的繪制方法 基本類同，這里不再贅述。 s T 上述八種視參數(shù)斷面等值線圖都是采用一系列不同極距的觀測(cè) 值得到的，各種極距視參數(shù)在地面上的記錄點(diǎn)均按圖4-26所示方式 而設(shè)。 圖為高密度電阻率法數(shù)值模擬等圖為高密度電阻率法數(shù)值模擬等 值線斷面圖。其中值線斷面圖。其中(a)(a)圖下部為圖下部為 水文物探中一種模擬古河道中含水文物探中一種模擬古河道中含 水透鏡體的常見地電模型，上部水透鏡體的常見地電模型，上部 為經(jīng)過濾波處理后的為經(jīng)過濾波處理后的TsTs比值參數(shù)比