高密度電法不同裝置的勘探效果對(duì)比觀察

陳 陽

（甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730030）

高密度電法是直流電阻率測(cè)深方法的一種，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，如成本較低、反映信息量大、測(cè)量方式簡(jiǎn)便易行等。高密度電法主要用于煤礦區(qū)調(diào)查、尋找地下水、勘測(cè)涵洞位置、勘測(cè)建筑選址地等方面，在工程地質(zhì)和地球物理探查等領(lǐng)域具有突出的貢獻(xiàn)。高密度電法的原理與普通的電阻率法一致，與其有所不同的是，高密度電法在勘探中高密度觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。作為一種陣列電阻率勘探方法，電剖面和電測(cè)深是高密度電法所具有的特點(diǎn)。近年來，關(guān)于高密度電法的研究也在不斷進(jìn)行。但對(duì)于高密度電法的不同工作裝置類型效果對(duì)比相關(guān)研究較少。本文從這個(gè)角度入手，探究高密度電法不同裝置的勘探效果，得出相關(guān)結(jié)論，為高密度電法實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 高密度電法

1.1 高密度電法的原理

高密度電法的原理是以常規(guī)的電阻率算法為基礎(chǔ)，在對(duì)地電的測(cè)量中設(shè)置高密度觀測(cè)點(diǎn)，通過較高密度的測(cè)量方法進(jìn)行勘探，使得勘探結(jié)果的真實(shí)性有了保證。在高密度電法的應(yīng)用中，進(jìn)行電極布置時(shí)，只需要將其布置都在同樣的測(cè)點(diǎn)上，供電極和接收電極就能夠自動(dòng)地被主機(jī)控制，主機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制，進(jìn)而地質(zhì)斷面能夠得到連續(xù)不斷的全面勘探。在設(shè)計(jì)和技術(shù)上，因高密度電法使用大規(guī)模集成電路和自動(dòng)化控制系統(tǒng)，電極可以被任意組合，故實(shí)際勘探中，地質(zhì)信息能夠被收集的更全面，高密度電法的準(zhǔn)確度得到提升，高密度電法的應(yīng)用達(dá)到了更好的測(cè)量效果。

1.2 高密度電法的特點(diǎn)

第一，減少測(cè)量誤差。電極的多次布射會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的干擾，從而影響測(cè)量結(jié)果。而高密度電法的方法是對(duì)電極進(jìn)行一次性布射，進(jìn)而可以減少對(duì)測(cè)量造成的干擾，從而減少測(cè)量誤差。

第二，全面分析地質(zhì)信息。高密度電法能夠?qū)㈦姌O進(jìn)行任意的組合，這種電極的隨意組合有助于地質(zhì)信息分析的全面性，全面的地質(zhì)信息能夠?yàn)楹罄m(xù)的工作奠定良好基礎(chǔ)。

第三，提升電阻率法智能化程度。高密度電法的自動(dòng)化能夠使其在實(shí)際的地質(zhì)勘探中，對(duì)資料和數(shù)據(jù)的收集進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和脫機(jī)處理。這能夠在一定程度上提高電阻率法的智能化程度。

第四，保障數(shù)據(jù)真實(shí)性。與以往的人工測(cè)量不同，高密度電法利用自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)和數(shù)據(jù)的采集，智能化的勘探能夠提高探測(cè)效率和數(shù)據(jù)的采集速度，并且不會(huì)出現(xiàn)人工測(cè)量所造成的誤差，保障了探測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

第五，全面呈現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)。高密度電法在測(cè)量過程中，在不一樣的測(cè)量段當(dāng)中，可以多點(diǎn)電阻率觀測(cè)，進(jìn)行多參數(shù)測(cè)量，進(jìn)而獲得更全面的地點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的精細(xì)描述，使地下結(jié)構(gòu)更全面的呈現(xiàn)。

根據(jù)這些特點(diǎn)可以看出，相對(duì)于常規(guī)電法來說，高密度電法的測(cè)量效率更高，成本較低，測(cè)量速度更快，收集的數(shù)據(jù)更加全面豐富，是一種高效的測(cè)量方法。

1.3 高密度電法的裝置類型

由于高密度電法的電極能夠任意組合，因此高密度電法具有多種不同的電極排列形式。但在這之中，溫納α 裝置、溫納β裝置、溫納γ 裝置、復(fù)合對(duì)稱四極裝置和三極裝置這五種觀測(cè)系統(tǒng)是高密度電法應(yīng)用中較為常見的裝置類型。本次實(shí)驗(yàn)中采用了溫納α 裝置、溫納β 裝置、溫納γ 裝置、復(fù)合對(duì)稱四極裝置和三極裝置。

2 高密度電法正反演理論

有限單元法，有限差分法和邊界單元法是在電阻率的正演模擬中常用的方法。其中有限差分法和有限單元法是一種類型的計(jì)算方法，屬于區(qū)域型計(jì)算方法。它們的適應(yīng)性較好，利用對(duì)區(qū)域的離散，能夠比較精確的對(duì)地墊結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的正演問題進(jìn)行計(jì)算。將地電模型剖分為正方形或長(zhǎng)方形的網(wǎng)格是它們的二維數(shù)值模型。為了使模型能夠模擬復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)網(wǎng)格都被賦予了不同的電阻率值。在模型中網(wǎng)格劃分時(shí)，水平方向應(yīng)使各個(gè)電極之間的節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，而在深度方向上，間距小的網(wǎng)格用在接近地表處的深度，隨著深度的加大，網(wǎng)格的間距不斷增大。在二維高密度電法的正演模擬中，有限差分法和有限單元法的差別不大。在本次高密度電法正演模擬中，采用了有限差分法。

高密度電法的反演是有在地面上采集到的數(shù)據(jù)推測(cè)地下異常體具體的參數(shù)。高密度電法反演具體過程是通過對(duì)建立的電阻率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行正演計(jì)算，得到數(shù)據(jù)，再計(jì)算預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差，若誤差不滿足要求，就要對(duì)模型進(jìn)行修正，再重復(fù)反演過程，若滿足要求，則表明建立的模型符合真實(shí)的地下情況。在本次高密度電法反演模擬中，反演輸入是通過對(duì)正演模擬的結(jié)果加入隨機(jī)噪聲，再進(jìn)行反演。在實(shí)際的反演過程中常常會(huì)出現(xiàn)“異常擴(kuò)展效應(yīng)”，即實(shí)際目標(biāo)的尺寸比電阻率異常范圍要小。同時(shí)，確定反演深度的算法具有一定的缺陷，其結(jié)果并不一定符合實(shí)際情況。因此，在反演中，異常解釋常常作為半定量解釋。

3 勘探效果對(duì)比

3.1 高阻異常體模型

建立一個(gè)高阻異常體模型，模擬低阻覆蓋層下的基巖介質(zhì)中存在高阻異常體的地質(zhì)情況。對(duì)高速異常體在不同裝置下進(jìn)行二維高密度電法正、反演。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行正演模擬，發(fā)現(xiàn)在對(duì)目標(biāo)勘探中，各實(shí)驗(yàn)裝置都發(fā)生了一定的電阻率異常響應(yīng)，但正演的結(jié)果并不能顯示目標(biāo)異常體的具體特征。而在反演的實(shí)驗(yàn)中，可以看到溫納α 裝置、溫納β 裝置和溫納γ 裝置能夠較好地揭示地下的覆蓋層與基巖分界面，同時(shí)，它們?cè)谀繕?biāo)異常體的位置處都出現(xiàn)了明顯的高阻異常。在這三種裝置中，溫納γ裝置對(duì)于異常體的位置和形態(tài)的揭示最為準(zhǔn)確。而溫納α 裝置和溫納β 裝置顯示在異常體的右側(cè)有一個(gè)假高阻異常，應(yīng)是由高阻異常體導(dǎo)致的。單邊三極裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電性分界面起伏較大，使得其雖然在目標(biāo)異常體的位置上存在高阻異常，但并不明顯，不利于對(duì)異常體的判斷。相較于溫納α 裝置、溫納β裝置和溫納γ 裝置，復(fù)合對(duì)稱四級(jí)裝置對(duì)于覆蓋層的探測(cè)效果較差，且其實(shí)驗(yàn)的結(jié)果雖然在異常體的位置顯示了高阻異常，但同時(shí)在此高阻異常的左側(cè)具有一個(gè)較高的假高度異常，容易造成異常解釋的干擾。因此在進(jìn)行高阻異常體探測(cè)時(shí)，溫納α 裝置、溫納β 裝置和溫納γ 裝置探測(cè)效果更好。

3.2 隱伏直立低阻體模型

為模擬直立斷層或破碎帶等地質(zhì)情況，建立一個(gè)雙層介質(zhì)中含有隱伏直立低阻異常體的模型。從正演模擬的結(jié)果上看，溫納α 裝置、溫納β 裝置、溫納γ 裝置和三極裝置對(duì)于目標(biāo)低阻體都有明顯的電阻率異常響應(yīng)，但沒有辦法確定異常體的特征。而復(fù)合對(duì)稱四級(jí)裝置對(duì)于目標(biāo)低阻體沒有較為明顯的響應(yīng)。從反演結(jié)果上看，溫納β 裝置和三極裝置都顯示了一個(gè)直立狀的低阻異常，對(duì)于異常體的位置和形態(tài)描述較吻合，探測(cè)效果較好。溫納γ 裝置也能夠較好地揭示異常體，但其對(duì)異常體尺寸描述偏大，異常體的底部呈現(xiàn)外擴(kuò)的趨勢(shì)，并且在低阻異常顯示的兩側(cè)還各有一個(gè)假的高組異常顯示，呈現(xiàn)閉合的狀態(tài)，這樣的結(jié)果顯示不利于異常體的解釋。溫納α裝置和復(fù)合對(duì)稱四級(jí)裝置并沒有表現(xiàn)出明顯的低阻異?，F(xiàn)象，沒有分辨出低阻異常體。由結(jié)果來看，溫納β 裝置和三極裝置的效果較好，由于三極裝置在實(shí)際操作過程中，需要正反向測(cè)量，較為繁瑣，又增加了地電干擾，因此，綜合來說，溫納β 裝置探測(cè)效果最好。在對(duì)直立斷層或破碎帶進(jìn)行勘探時(shí)，溫納β 裝置更加合適。

3.3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)利用不同的高密度電法裝置對(duì)模型進(jìn)行正反演，從其得出的結(jié)果可以看出，不同的高密度電法裝置對(duì)于電阻率異常體檢測(cè)的靈敏度不同。溫納α 裝置、溫納β 裝置和溫納γ 裝置對(duì)于電性的變化反應(yīng)較為靈敏，能夠更好的揭示分界面，探測(cè)便捷。同時(shí)，它們對(duì)異常邊界的反應(yīng)靈敏度也較高，在復(fù)雜地質(zhì)條件下的探測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)。其中，溫納α 裝置在勘探橫向電阻率異常時(shí)靈敏度較低，不易對(duì)橫向電性變化體進(jìn)行分辨。溫納β 裝置能較好的分辨電阻率的橫向變化。溫納γ 裝置在目標(biāo)異常體的邊界和形態(tài)方面的揭示效果較為理想。復(fù)合對(duì)稱四極裝置優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在對(duì)零件的異常地質(zhì)體進(jìn)行勘探，其對(duì)于垂向和橫向的電性變化敏感度較高。三極裝置對(duì)橫向的電性變化敏感度較高，但其在測(cè)量中需要正反向測(cè)量，放置無窮遠(yuǎn)極，對(duì)于野外的實(shí)地勘探工作有一定的條件限制。

3.4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)中的高密度電法的不同裝置在探測(cè)異常地質(zhì)體時(shí)，都具有一定的響應(yīng)能力。但其在探測(cè)深度、探測(cè)靈敏度、分辨能力等方面表現(xiàn)不同，具有一定差異性。

（2）不同的裝置應(yīng)用于與其適應(yīng)的地質(zhì)條件中效果更好。當(dāng)勘探高阻異常體時(shí)，應(yīng)采用溫納α 裝置、溫納β 裝置和溫納γ 裝置，他們對(duì)與勘測(cè)異常體的位置和形態(tài)的效果較好。當(dāng)勘探例如直立斷層、破碎帶等的隱伏直立低阻體時(shí)，溫納β 裝置和三極裝置效果最好，其中，三級(jí)裝置對(duì)于地質(zhì)條件要求較高，故溫納β裝置最為理想。

（3）對(duì)于一些特定的地質(zhì)條件，需要根據(jù)探測(cè)的目的和精度等要求對(duì)高密度電法的裝置進(jìn)行選擇，并且可以選擇兩種或兩種以上的裝置類型進(jìn)行探測(cè)，通過其結(jié)果的對(duì)比分析，提升地質(zhì)探測(cè)的效果。

4 結(jié)語

本文主要研究高密度電法不同裝置的勘探效果對(duì)比觀察，通過對(duì)溫納α 裝置、溫納β 裝置、溫納γ 裝置、復(fù)合對(duì)稱四極裝置和三極裝置五種不同的高密度電法裝置進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得出相應(yīng)的結(jié)論。高密度電法是地質(zhì)勘探中常用的一種探測(cè)方法，應(yīng)了解高密度電法不同裝置的特點(diǎn)，根據(jù)地質(zhì)條件選擇相應(yīng)的裝置，以獲得更好的效果。