基于隔離系數(shù)-比值校正高密度電法淺部不均勻體效應的方法

楊庭偉，盧超波，姜洪亮，潘隆武

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

高密度電法作為工程地質(zhì)勘察常用的物探方法，在眾多學者不斷優(yōu)化發(fā)展下已非常成熟，但淺部不均勻體效應易造成解析結(jié)果失真，導致高密度電法探測深部地質(zhì)體具有較大的難度。理論研究成果指出：位于地表覆蓋層淺部的不均勻體對探測成果有極大的影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：(1)由于深部目標地質(zhì)體反射信號較弱，造成探測接收信號與干擾信號疊加，信號的異常特征不明顯。(2)深部目標體信號被淺部不均勻體所覆蓋，繼而導致儀器接收的信息對深部目標體的分辨能力不足。大量的外業(yè)探測以及室內(nèi)物理模型試驗均表明：在較為簡單的地質(zhì)情況下，淺部不均勻地質(zhì)體會造成視電阻率嚴重畸變，若忽略此影響直接進行反演解釋，對結(jié)論的準確性將造成顯著的影響，甚至可能得到錯誤的解釋結(jié)論。

為消除淺部不均勻體效應對反演解釋結(jié)果的影響，許多學者提出了針對特殊地質(zhì)條件下提高反演解釋結(jié)果準確性的方法，如溫納偏置裝置測深法、圓滑濾波法及三維有限元數(shù)值模擬法等，取得了一些效果，但實際應用的普遍性仍有所不足，如裝置為非常規(guī)形式、難以預估淺部不均勻體的具體尺寸及電性參數(shù)等。

為將觀測數(shù)據(jù)中隱含的信息充分利用，根據(jù)高密度電法中淺部不均勻體具有深度小、信號強、反演分辨率高的特點，結(jié)合隔離系數(shù)n以及地質(zhì)體深度h之間存在的對應關(guān)系，可選取主要反映淺部信息的較小n值情況的視電阻率數(shù)據(jù)，并進行反演獲得淺部不均勻體展布規(guī)模信息；然后根據(jù)“比值法”原理對原始視電阻率數(shù)據(jù)進行校正；將經(jīng)校正后的視電阻率數(shù)據(jù)進行反演解釋，得到的結(jié)果更凸顯深部目標體信息，從而提高了對深部目標體的分辨能力。

1 提出問題

在高密度電法勘察中，偶極-偶極裝置是最常用裝置，其供電偶極子AB和測量偶極子MN一般均位于同一測線上，實際應用中一般采用AB=MN=a。在數(shù)據(jù)采集過程中，通過改變隔離系數(shù)n而使整個排列在測量剖面上不斷滾動，增加探測深度。其工作原理如圖1所示。

圖1 偶極-偶極裝置工作原理示意圖

為更好演示淺部低阻不均勻體效應對反演結(jié)果的影響，以高密度電法偶極-偶極裝置探測為例，采用數(shù)值模擬方法建立如圖2所示的地電模型，設(shè)有2.5維的水平地層，埋深1 m處存在1 m厚的低阻不均勻體，長25 m，電阻率10 Ω·m；深部目標體取正方體，位于低阻不均勻體底部以下2 m，邊長4 m×4 m，電阻率20 Ω·m；低阻不均勻體及深部目標體在測線垂直方向上均無限延伸，地層背景電阻率為100 Ω·m；測線共長46 m，電極數(shù)量為47個，測點距1 m，AB=MN=a=1 m，計算得到圖3所示的視電阻率擬斷面圖。

圖2 模型示意圖

圖3 視電阻率擬斷面圖

圖4 最小二乘法直接反演斷面圖

模型采用最小二乘法對視電阻率觀測數(shù)據(jù)直接反演的結(jié)果如圖4可見，淺部的低阻異常幾乎覆蓋了深部目標體的信息，在淺部低阻不均勻體下方存在閉合低阻異常，電阻率值與背景電阻率值差異較小，分辨較為困難，且目標體的空間位置偏移較大。

2 校正原理與方法

根據(jù)偶極-偶極裝置的工作原理，n增大而其探測深度h增加，對地下深部介質(zhì)的反映能力也隨之增加，在反演解釋中對淺部地質(zhì)體分辨能力較優(yōu)，n與地質(zhì)體深度之間為正相關(guān)關(guān)系。因此，可通過選取主要反映淺部信息的較小n值情況下的視電阻率數(shù)據(jù)進行反演獲得淺部不均勻體展布規(guī)模信息；然后根據(jù)“比值法”原理對原始視電阻率數(shù)據(jù)進行校正；將經(jīng)校正后的視電阻率數(shù)據(jù)進行反演解釋，從而提高了對深部目標體的分辨能力。

采用“比值法”進行校正的計算式為：

(1)

式中：ρs——實測視電阻率；

ρd——淺部不均勻體正演計算視電阻率；

ρ0——背景(圍巖)電阻率；

ρa——經(jīng)校正后的視電阻率。數(shù)據(jù)處理具體步驟如圖5所示。

圖5 校正方法流程圖

3 算例

對圖2所示模型，通過提出的校正方法流程進行數(shù)據(jù)處理，將原始視電阻率數(shù)據(jù)按照不同的n值進行分層排序，并選取n=1～10的數(shù)據(jù)進行首次反演，將反演得到的地電斷面構(gòu)建模型進行正演，得到的結(jié)果通過采用“比值法”對原數(shù)據(jù)進行校正，最后將校正數(shù)據(jù)進行二次反演，得到最終深部目標體的反演結(jié)果如圖6所示。

由圖6反演結(jié)果分析可知：采用提出的方法進行數(shù)據(jù)的處理更顯著凸顯了深部目標體的信息，其深部目標體電阻率值及位置與真實模型相比均較為接近；但是在淺部低阻不均勻體下方出現(xiàn)高阻異常，這是由于比值校正過程中，初次反演的結(jié)果和實際淺部不均勻體模型相比位置存在一定的偏差，模型發(fā)生錯位導致數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)“次生”的假異常。結(jié)果同時顯示n值選取對淺部不均勻體首次反演結(jié)果準確性有較大影響，如選取不當可能會帶來最終反演結(jié)果的虛假異常。

圖6 模型一校正后的反演斷面圖

4 n值篩選

在穩(wěn)恒電場中，任意一處探測到的視電阻率其實是周邊空間介質(zhì)對供電電流引起的反應結(jié)果。供電極距與地質(zhì)體深度之間的對應關(guān)系均較為復雜，其電性結(jié)構(gòu)的深度估計量只能根據(jù)簡單的模型給出，要精確得到實際的對應深度難度較大。主要通過試算結(jié)合現(xiàn)場鉆探對偽深度進行修正，以獲取合適的n值。

下頁圖7為選取不同n值進行校正的反演結(jié)果，當選取(f)n=1～10或(g)n=1～11時，目標體電阻率和空間位置與真實模型比較吻合。與文獻[9]中提出的偽深度約為真實目標深度的1.5倍也較為吻合。

5 結(jié)語

(1)提出利用隔離系數(shù)-比值法對高密度電法進行視電阻率數(shù)據(jù)解釋以提高對深部目標體的分辨能力，利用隔離系數(shù)將原始視電阻率數(shù)據(jù)分為不同深度的若干層，然后結(jié)合鉆探結(jié)果選擇合適的層數(shù)對數(shù)據(jù)進行首次反演，以獲得淺部不均勻地質(zhì)體的地電信息；將得到的地電信息構(gòu)造模型進行正演，結(jié)合“比值法”對視電阻率數(shù)據(jù)進行校正，以消除淺部不均勻體效應引起的影響，最后通過二次反演凸顯深部目標地質(zhì)體的信息。

(a)n=1～5

(b)n=1～6

(c)n=1～7

(d)n=1～8

(e)n=1～9

(f)n=1～10

(g)n=1～11

(h)n=1～12

(i)n=1～15

(j)n=1～20

(2)校正效果的好壞與首次反演中對淺部不均勻體規(guī)模計算的準確性有較大相關(guān)性。選擇合適的隔離系數(shù)對視電阻率數(shù)據(jù)進行校正較為重要，隔離系數(shù)設(shè)置過大或過小均會對處理結(jié)果造成不利的影響。實際工程勘察中應結(jié)合合理鉆探結(jié)果對偽深度進行修正，提高隔離系數(shù)選取的合理性。