淺析高密度電阻率成像法的基本原理

石素梅　李風(fēng)順

【摘 要】高密度電阻率成像法是一種以地電差異為基礎(chǔ)的一種較新的地球物理方法。本文通過(guò)文獻(xiàn)追蹤，總結(jié)了高密度電阻率成像法在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并介紹了高密度電阻率成像法的原理。

【關(guān)鍵詞】高密度電阻率成像法；電極排列方式；電極距

1 高密度電阻率成像法簡(jiǎn)介

高密度電阻率成像法是一種勘探式陣列方法，它可以通過(guò)地下巖石的導(dǎo)電性差異來(lái)反映地下介質(zhì)的電阻率分布狀況[1]，進(jìn)而通過(guò)研究介質(zhì)與電阻率之間的關(guān)系獲得研究介質(zhì)的分布。高密度電阻率成像法具有非常多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如：（1）可一次性布設(shè)多個(gè)電極，即可實(shí)現(xiàn)多次連續(xù)測(cè)量；（2）電極排列方式較多，且不同的電極排列方式有各自的優(yōu)點(diǎn)，可以獲得豐富的地電斷面信息；（3）測(cè)量實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化，測(cè)量簡(jiǎn)單方便，而且大大減少了人為失誤；（4）集電剖面法與電測(cè)深法于一體，既可以探測(cè)橫向變化，也可以探測(cè)垂向變化等[2-4]。

2 高密度電阻率成像法國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

高密度電法的應(yīng)用范圍很廣，周啟友等[5-6]利用高密度電法確定了三維空間中輕非水相液體的飽和度分布，并對(duì)基巖中的三維裂隙網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了原位識(shí)別；肖川等[7]利用高密度電法探測(cè)了煤礦采空區(qū)的范圍并確定了隱伏水源的位置；劉庭發(fā)[8]等將ERT的電極插入土柱中，探究常規(guī)物理模型和超重力環(huán)境中土壤三維電阻率分布；S.Garre等[9]使用ERT監(jiān)測(cè)水分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)制定植物的單作和間作系統(tǒng)；John Koestel等[10]將ERT與染色技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于充滿砂土的蒸滲儀中，說(shuō)明了兩者結(jié)合的可行性；B. F. J. Kelly等[11]將ERT用于監(jiān)測(cè)棉田中的水分運(yùn)動(dòng)，提出將ERT用于農(nóng)田水分的管理；Sebastián Dietrich等[12]利用ERT監(jiān)測(cè)入滲和在分布過(guò)程中水分在田間非均質(zhì)土壤中的變化情況。

3 高密度電阻率成像法測(cè)量原理

高密度電阻率成像法主要是通過(guò)布設(shè)多個(gè)電極，利用多芯電纜將其連接到電極轉(zhuǎn)換器，然后電極轉(zhuǎn)換器通過(guò)形成不同的電極排列裝置和不同的電極距，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下介質(zhì)的快速監(jiān)測(cè)[4]。電極距與電極數(shù)量與高密度電阻率成像法的探測(cè)距離和精度息息相關(guān)，電極數(shù)量越多，電極距越大，則探測(cè)的深度越大，精度越低。

高密度電阻率成像法有多種電極排列方式，其中使用較多結(jié)果也較為準(zhǔn)確的分別為溫納裝置（又稱(chēng)為α裝置）、偶極裝置（又稱(chēng)為β裝置）、微分裝置（又稱(chēng)為γ裝置）[13]。這些都是典型的四級(jí)裝置，所有的電極既是供電電極又是測(cè)量電極，其主要差異是供電電極和測(cè)量電極的排列不同。

以溫納裝置為例，假設(shè)A和B分別是供電電極， M和N分別是測(cè)量電極，電極距為a，即AM=MN=NB=a，開(kāi)始測(cè)量時(shí)，四個(gè)電極依次向右測(cè)量，得到第一層電阻率分布圖像。當(dāng)測(cè)量第二層時(shí)，電極距增大一倍，即AM=MN=NB=2a，且電極依次向右移動(dòng)，得到第二層電阻率分布圖像。以此類(lèi)推，當(dāng)測(cè)量第n層時(shí)，AM=MN=NB=na，得到第n層電阻率分布圖像，且其整個(gè)電阻率分布圖像為倒梯形。所以，測(cè)量的深度越深，獲得的地電信息越少，測(cè)量的精度也越小。溫納裝置的電極排列方式為AMNB，偶極裝置的電極排列方式為ABMN，微分裝置的電極排列裝置為AMBN[13]。不同的電極排列方式在橫向和縱向上的探測(cè)精度不同，從而確保了可以獲得較多的地電斷面信息。

4 展望

隨著科技的進(jìn)步和研究的深入，高密度電阻率成像法的應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣泛，且其可以與很多先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合使用，為研究地下介質(zhì)的更多信息提供了新方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]底青云，倪大來(lái)，王若，等.高密度電阻率成像[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18（2）：323-326.

[2]湯浩，謝蒙，許進(jìn)和.高密度電法在水文地質(zhì)和工程地質(zhì)中的應(yīng)用[J].人民珠江，2011增刊.

[3]王鐵崗，于秀璇，劉明，等.高密度電阻率法的原理與野外工作方法[J].科學(xué)技術(shù).

[4]肖宏躍，雷宛，雷行健.高密度電阻率法中幾種裝置實(shí)測(cè)效果比較[J].工程勘察，2007，9：65-69.

[5]劉漢樂(lè)，周啟友，吳華橋.基于高密度電阻率成像法的輕非水相液體飽和度的確定[J].水利學(xué)報(bào)，2008，39（2）：189-195.

[6]王剛，周啟友，吳世艷，等.基于高密度電阻率成像法的基巖裂隙網(wǎng)絡(luò)原位識(shí)別試驗(yàn)研究[J].地質(zhì)評(píng)論，2012，58（1）：165-173.

[7]肖川，張義平，劉超，等.高密度電法在探測(cè)煤礦采空區(qū)賦水情況的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，12（30）：7009-8003.

[8]劉庭發(fā)，聶艷俠，胡黎明，等.基于高密度電阻率法的水分遷移模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2016，38（4）：761-768.

[9]S.Garre，T.Gunther，G Diels，等.Evaluating Experimental Design of ERT for Soil Moisture Monitoring in Contour Hedgerow Intercropping Systems[J].Vadose Zone Journal.

[10]John Koestel，Roy Kasteel，Andreas Kemna，等.Imaging Brilliant Blue Stained Soil by Means of Electrical Resistivity Tomography[J]. Vadose Zone Journal，2009，8（4）：963-975.

[11]B. F. J. Kelly，R. I. Acworth，and A. K. Greve. Better placement of soil moisture point measurements guided by 2D resistivity tomography for improved irrigation scheduling[J]. Soil Research，，2011，49，504-512.

[12]Sebastián Dietrich，Pablo A. Weinzettel，Marcelo Varni. Infltration and Drainage Analysis in a Heterogeneous Soil by Electrical Resistivity Tomography[J].Soil Science Society of America Journal，2014，78：1153-1167.

[13]王愛(ài)國(guó)，馬巍，王大雁.高密度電法不同電極排列方式的探測(cè)效果對(duì)比[J].工程勘察，2007，1：72-75.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]