高密度電法物探技術(shù)在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

王 帝

（北京東方新星勘察設(shè)計(jì)有限公司，北京 100000）

當(dāng)今社會(huì)，地質(zhì)勘察工作所面臨的形勢(shì)日新月異，對(duì)高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用提出了更高要求，使該技術(shù)方法的運(yùn)用實(shí)施過程面臨著挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。當(dāng)前形勢(shì)下，有必要立足地質(zhì)勘察工作實(shí)際需求，靈活運(yùn)用高密度電法物探技術(shù)的核心方法，提高勘察工作效率，優(yōu)化勘察工作成效。本文就此展開了探討。

1 研究背景

在現(xiàn)代地質(zhì)勘察工作中，高密度電法物探技術(shù)所展現(xiàn)出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)與價(jià)值愈發(fā)突出，在地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取與處理等方面的準(zhǔn)確性不斷提高，使傳統(tǒng)技術(shù)條件下難以完成的地質(zhì)勘察任務(wù)更具可執(zhí)行性。通過運(yùn)用高密度電法物探技術(shù)，可充分利用地下介質(zhì)的電學(xué)特性，對(duì)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性獲取與搜集，并運(yùn)用特定的數(shù)據(jù)處理與分析方法，構(gòu)造形成直觀的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)模型，以準(zhǔn)確全面地反映地質(zhì)勘察狀態(tài)的空間分布情況。長期以來，廣大勘察設(shè)計(jì)單位不斷創(chuàng)新與總結(jié)高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，細(xì)化分解地質(zhì)勘察工作的具體流程等方面進(jìn)行了積極探索與研究，對(duì)含磁性、介電性、導(dǎo)電性等介質(zhì)電學(xué)特性進(jìn)行了充分整合，構(gòu)建形成了基于基礎(chǔ)電法理論的地質(zhì)勘察技術(shù)體系，為新時(shí)期高密度電法物探技術(shù)的高效運(yùn)用注入了源源不斷的動(dòng)力與活力，使其適用場景與環(huán)境更為寬泛，所彰顯出的現(xiàn)實(shí)價(jià)值愈發(fā)重要。實(shí)踐表明，在地質(zhì)勘察中深入運(yùn)用高密度電法物探技術(shù)方法，可深度整合多樣化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)方式，大大提高地質(zhì)勘察效率，確保地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，有效優(yōu)化提升地質(zhì)勘察整體工作成效[1]。

2 高密度電法的基本理論

2.1 高密度電法的基本原理

高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用需要以巖土電性差異為主要載體，通過采用地下電極轉(zhuǎn)換儀等儀器，對(duì)巖土層數(shù)據(jù)信息進(jìn)行測量、收集、存儲(chǔ)與處理，并根據(jù)有效數(shù)據(jù)的客觀實(shí)際狀態(tài)，構(gòu)造形成地下視電阻率剖面圖，進(jìn)而對(duì)地下環(huán)境的構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行分析研判，完成地質(zhì)勘察的整個(gè)過程。通常情況下，高密度法物探技術(shù)需要將電極預(yù)先埋設(shè)在特定區(qū)域和位置內(nèi)，然后通過電極轉(zhuǎn)換開關(guān)對(duì)其進(jìn)行控制，根據(jù)不同的電極裝置形式獲取不同的電極信號(hào)轉(zhuǎn)換效果。在獲得數(shù)據(jù)的同時(shí)，電極信號(hào)同通過電極轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)入測量主機(jī)。測量主機(jī)根據(jù)電極信號(hào)強(qiáng)度、類型與大小等，進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，然后通過相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行繪圖，形成直觀形象的剖面圖。高密度電法工作流程如圖1所示。

圖1 高密度電法工作流程示意圖

2.2 高密度電法的常用裝置

現(xiàn)代基礎(chǔ)理論與硬件裝置技術(shù)的發(fā)展，使高密度電法物探技術(shù)的常用裝置類型更加豐富，可針對(duì)不同的地質(zhì)勘察任務(wù)靈活采用各具優(yōu)勢(shì)的裝置儀器設(shè)備等，以完成差異化的地質(zhì)勘察任務(wù)。一般而言，高密度電法物探技術(shù)的常用裝置主要包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置及溫納-斯倫貝謝裝置等。上述不同類型的勘察裝置在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方法過程與性能條件等方面存在顯著差異，以根據(jù)地質(zhì)勘察工作的客觀實(shí)際需求，予以靈活配置。注重溫納裝置和微分裝置等在跑極方式方面的不同，這對(duì)高密度電法物探技術(shù)的整個(gè)實(shí)施流程與規(guī)則具有直接影響，應(yīng)對(duì)其適用環(huán)境進(jìn)行有效區(qū)分[2]。

2.3 高密度點(diǎn)法野外數(shù)據(jù)采集

2.3.1 野外工作準(zhǔn)備階段

一方面，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察目標(biāo)區(qū)域的實(shí)際特點(diǎn)，確定符合實(shí)際的布線條件，將電極間距控制在合理范圍內(nèi)，避免間距過大或過小而導(dǎo)致的勘察效率降低，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的異常波動(dòng)起伏。另一方面，對(duì)探測對(duì)象進(jìn)行深入分析，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境的分布形態(tài)等對(duì)勘察方案的可行性做出論斷分析，為野外探測工作有序推進(jìn)提供可靠保障。此外，在準(zhǔn)備階段還應(yīng)對(duì)相關(guān)儀器設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)，收集相關(guān)資料，對(duì)顆粒電阻率、孔隙度和含水量等技術(shù)參數(shù)作出初步研判。最后，確定觀測裝置及電極極距，并確定勘察深度和測線長度等，使其能夠與探測深度、儀器分辨率等有序銜接。

2.3.2 野外工作測試階段

在高密度電法野外數(shù)據(jù)采集中，測試階段的重要性同樣不容忽視，這直接關(guān)系到后續(xù)數(shù)據(jù)采集階段的效率性。在此階段，應(yīng)制定詳細(xì)可行的測試方案，對(duì)電極電阻值等數(shù)據(jù)參數(shù)的客觀狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測，防止因電路短路等要素而對(duì)測試結(jié)果造成的干擾。對(duì)測量儀器測得的電極電阻數(shù)據(jù)信息進(jìn)行密切監(jiān)測，對(duì)于監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行及時(shí)處理，以充分保證野外數(shù)據(jù)信息的客觀性。

2.3.3 野外數(shù)據(jù)采集階段

在排除各類潛在影響因素的干擾基礎(chǔ)上，野外數(shù)據(jù)采集階段可具有更高的平順性與穩(wěn)定性，使數(shù)據(jù)采集效果更趨穩(wěn)定。在此階段，還應(yīng)格外注重現(xiàn)場安全問題，防止地層數(shù)十到幾百毫安電流通過而對(duì)技術(shù)人員造成的安全威脅。通過野外數(shù)據(jù)采集，獲取地層原始數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息類型的不同與客觀差異，予以分類存儲(chǔ)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理及模型構(gòu)造提供依據(jù)[3]。

3 高密度電法數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 剔除壞點(diǎn)

剔除壞點(diǎn)的主要作用在于排除存?zhèn)螖?shù)據(jù)對(duì)地質(zhì)勘察結(jié)果的影響，提高勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。在高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中，對(duì)壞點(diǎn)的有效剔除可從源頭上防止電阻率模擬斷面的虛假或異常狀況。導(dǎo)致壞點(diǎn)存在的原因主要是相鄰點(diǎn)電阻率差異較大，測量電極或供電電極不穩(wěn)定，地下不良接地條件，等等。在壞點(diǎn)剔除中，應(yīng)結(jié)合目標(biāo)測區(qū)的客觀實(shí)際特點(diǎn)，對(duì)存在明顯突變的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行去除，使最終形成的成像圖更加清晰，符合數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本邏輯要求。

3.1.2 數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)拼接的過程即是對(duì)高密度電法物探技術(shù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合與梳理的過程，可完成對(duì)不同類型數(shù)據(jù)的拼接，為形成特定地質(zhì)構(gòu)造對(duì)象提供良好條件。在數(shù)據(jù)拼接中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察的目標(biāo)任務(wù)，將不同數(shù)據(jù)坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換加工，與同類型數(shù)據(jù)組進(jìn)行有效合并，然后對(duì)兩個(gè)合并的數(shù)據(jù)取平均值。通過上述環(huán)節(jié)，考慮到目標(biāo)測區(qū)單獨(dú)剖面的獨(dú)立性特征，可測得各個(gè)不同剖面，并合并成一條大的長剖面，得到數(shù)據(jù)拼接后的反演圖，有助于降低數(shù)據(jù)誤差，更加有效地反映不同斷面之間的邏輯關(guān)系，統(tǒng)一反演圖色調(diào)。

3.1.3 地形校正

受測區(qū)地形起伏等要素影響，高密度電法在數(shù)據(jù)獲取過程中會(huì)發(fā)生一定畸變，若畸變幅值過大，超出技術(shù)條件約束范圍，則極易導(dǎo)致最終勘察效果偏差，因此應(yīng)通過地形校正方法，對(duì)上述問題予以技術(shù)處理。通過對(duì)介質(zhì)電阻率和電流強(qiáng)度等技術(shù)參數(shù)，根據(jù)微分方程分析自然邊界條件和本質(zhì)邊界條件，再經(jīng)過余弦傅立葉變換進(jìn)行偏微分方程關(guān)系式轉(zhuǎn)換，進(jìn)而得到地形矯正后的視電阻率。

3.2 數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)性處理

數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)性處理的過程具有系統(tǒng)性特征，可根據(jù)相關(guān)技術(shù)方法，將該過程細(xì)化分為多個(gè)不同的子階段，通過強(qiáng)化各個(gè)子階段的匹配性，獲得最終數(shù)據(jù)處理的整體效果。在電腦接受采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行存盤、圓滑整理，然后對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換及合并文件，最后編輯斷面數(shù)據(jù)，形成視電阻率斷面圖（如圖2所示）。在此過程中，可充分有效運(yùn)用軟件技術(shù)，將相關(guān)高密度電法技術(shù)探測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行層次化導(dǎo)入，通過其自動(dòng)處理與分析功能，結(jié)合電極排列異常關(guān)系，得到與實(shí)際地質(zhì)勘察狀態(tài)相符的數(shù)據(jù)，使最終構(gòu)建形成的模型更具可信性[4]。

圖2 數(shù)據(jù)處理相關(guān)的流程圖

3.3 數(shù)據(jù)的分析解釋

在數(shù)據(jù)分析解釋中，用重點(diǎn)對(duì)偏導(dǎo)數(shù)矩陣、轉(zhuǎn)置矩陣、阻尼系數(shù)、擾動(dòng)系數(shù)和差異矢量等進(jìn)行方程構(gòu)造，以確保反演準(zhǔn)確有效。對(duì)異常體的定性解釋和定量解釋應(yīng)與高密度電法的實(shí)施全過程密切銜接，遵循數(shù)據(jù)分析解釋的基本原則，大致確定異常體所在的具體位置及分布狀態(tài)等。通常條件下，探測對(duì)象和所選取的地質(zhì)巖層的電阻率情況符合基本技術(shù)要求，通過埋深和位置等參數(shù)資料，可通過二維反演形成地質(zhì)勘察剖面圖，進(jìn)而確定地下空間分布情況。

4 高密度電法正演分析

4.1 高密度電法正演的基本原理

4.1.1 點(diǎn)電流源的基本方程

在電流場穩(wěn)定變化的前提下，可通過點(diǎn)電流源基本方程進(jìn)行高密度電法正演操作，得到以電流強(qiáng)度、電場強(qiáng)度、電流密度、電荷密度與介質(zhì)電阻率等為基礎(chǔ)變量的關(guān)系式，通過求散度得出方程求解結(jié)果。在該環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察實(shí)際環(huán)境的差異性，對(duì)點(diǎn)電流源的基本方程進(jìn)行離散分析，對(duì)部分不符合高密度電法物探技術(shù)規(guī)則的信息予以消除，充分確保點(diǎn)電流源基本方程的可解性。同時(shí)，嚴(yán)格按照高密度電法的具體方法要求，對(duì)前期處理與分析完畢的數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)構(gòu)造，防止高密度電法正演分析出現(xiàn)技術(shù)性偏差。

4.1.2 邊界條件

在當(dāng)前高密度電法物探技術(shù)條件下，其邊界條件通?？杉?xì)化分為三類，既第一類邊界條件、第二類邊界條件和第三類邊界條件，上述不同的邊界條件在標(biāo)準(zhǔn)要求與約束范圍等方面存在一定不同，在有效求解過程中的現(xiàn)實(shí)作用同樣存在顯著差異，應(yīng)根據(jù)點(diǎn)源之間的距離和分別密度等進(jìn)行綜合擇定。在邊界條件確定后，需要按照常數(shù)要求和矢量要求等，設(shè)定研究區(qū)域，以更加清晰準(zhǔn)確地排除干擾因素，提高地質(zhì)勘察成果的可靠性。通過邊界條件的優(yōu)化，可更好地輔助地質(zhì)勘察結(jié)果準(zhǔn)確有效，避免正演效果出現(xiàn)偏離[5]。

4.2 點(diǎn)源二維場域的有限差分正演計(jì)算

4.2.1 有限差分法網(wǎng)格剖分

根據(jù)點(diǎn)源二維場域的分布狀況，按照二維有限差分法對(duì)地下半空間區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將其細(xì)化剖分為一個(gè)二維剖面，并通過三維立體平面坐標(biāo)系對(duì)本部分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，設(shè)定每個(gè)網(wǎng)格的邊長，對(duì)不同網(wǎng)格區(qū)域的電位置進(jìn)行求解。通過分析網(wǎng)格中心區(qū)域狀況，可得到離散電位的電位狀況。在當(dāng)前技術(shù)條件下，有限差分法網(wǎng)格剖分應(yīng)注重其變化規(guī)律，將求解整個(gè)區(qū)域的電位置作為關(guān)鍵路徑。通常情況下，平面區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格步長會(huì)保持在相對(duì)恒定狀態(tài)，且網(wǎng)格剖分的過程同樣可根據(jù)步長變化狀態(tài)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4.2.2 有限差分法在二維場域條件下的表現(xiàn)方式

在表現(xiàn)方式方面，有限差分法的應(yīng)用關(guān)鍵在于對(duì)二維場域條件的分類與整合，通過任意選取一個(gè)網(wǎng)格模型，取中心節(jié)點(diǎn)和與其相鄰的四個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，對(duì)有限差分法計(jì)算方法進(jìn)行解釋，得到基于網(wǎng)格中心點(diǎn)及其相鄰節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格圖，以標(biāo)識(shí)中心點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置，形成一行虛構(gòu)的網(wǎng)格單元。在此過程中，應(yīng)注重地質(zhì)勘察實(shí)際環(huán)境的約束條件，按照地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)獲取的整個(gè)方案與流程，對(duì)有限差分法的表現(xiàn)方式進(jìn)行微調(diào)，清晰表示電場空間分布狀態(tài)。

4.2.3 異常場電位和總電場電位的計(jì)算方法

在高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中，如何對(duì)異常場電位進(jìn)行精準(zhǔn)有效處理，向來都是地質(zhì)勘察剖面圖模型構(gòu)造中的難點(diǎn)問題，這關(guān)系到最終剖面圖的直觀性。在總電場電位計(jì)算中，應(yīng)參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)化計(jì)算過程的標(biāo)準(zhǔn)性，防止計(jì)算方法偏離，使計(jì)算獲得的均勻半空間電導(dǎo)率更加符合地質(zhì)狀況實(shí)際。對(duì)異常場電位計(jì)算分析與處理的過程，同時(shí)也是對(duì)有限差分法計(jì)算總電位值改進(jìn)的過程，且不在地表處的電流源的異常場電位邊值，只有在異常體存在的節(jié)點(diǎn)處電位才不為零。

4.3 二維正演計(jì)算算例

結(jié)合上文高密度電法正演分析方法，可采用二維正演計(jì)算模型對(duì)高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中存儲(chǔ)與整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模求解，得出模型中電阻率和電位等數(shù)值信息，進(jìn)而對(duì)整個(gè)勘察勘測區(qū)域的節(jié)點(diǎn)電位進(jìn)行計(jì)算，得到分布式電場電位值。由于水平方向和垂直方向下的網(wǎng)格劃分之間分別存在橫向關(guān)聯(lián)和縱向關(guān)聯(lián)，因此可按照兩個(gè)不同方向進(jìn)行二維正演計(jì)算，充分體現(xiàn)其二者之間的正相關(guān)關(guān)系或負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5 高密度電法反演分析

5.1 球體模型

基于高密度電法物探技術(shù)的地質(zhì)勘察過程同時(shí)也是對(duì)地下介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行分析研判的過程，也是對(duì)高密度電法物探數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合并獲得電位值的過程。為完成上述過程，可通過運(yùn)用球體模型對(duì)高密度電法反演進(jìn)行處理。在球體模型中，應(yīng)首先設(shè)定球心在水平方向上的具體位置，并根據(jù)球體頂部的埋設(shè)深度，分別獲取低阻條件和高阻條件下的球體模型。對(duì)于低阻條件下的球體模型將會(huì)在球體反演圖中呈現(xiàn)出低阻圓狀態(tài)，且會(huì)隨著球體半徑的增大而低阻區(qū)域相應(yīng)擴(kuò)大；對(duì)于高阻條件下的球體模型則需要處理球體與地下介質(zhì)之間的明顯電性差異，以形成完全封閉式的高阻體圓[6]。

5.2 水平板狀體模型

在水平板狀體模型中，應(yīng)首先對(duì)水平板狀體結(jié)構(gòu)的長度和寬度進(jìn)行設(shè)定，并同步設(shè)定水平板距離地面深度。為有效提高水平板狀體模型結(jié)構(gòu)的可視化水平，應(yīng)對(duì)正常狀態(tài)下的電阻率進(jìn)行模擬構(gòu)造，并觀察水平板狀體與地下介質(zhì)之間的電性差異。在此狀況下，若均方誤差相對(duì)較小，則說明高密度電法物探所獲取到的數(shù)據(jù)信息相對(duì)可靠，反之則不然。根據(jù)原始數(shù)據(jù)資料，在電阻率差異狀況下，可對(duì)均方誤差進(jìn)行反演，得到水平板狀體反演圖，使所形成的地質(zhì)勘察模型更具直觀性。

5.3 直立板狀體模型

與球體模型與水平板狀模型不同，直立板狀體模型的核心在于在更加縱向的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，這對(duì)于高密度電法物探技術(shù)數(shù)據(jù)獲取過程的一致性具有類似特征。通過對(duì)相對(duì)低阻異常反應(yīng)狀況的分析，可對(duì)直立板狀體模型的細(xì)節(jié)部位進(jìn)行優(yōu)化充實(shí)，對(duì)高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)缺失環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)補(bǔ)充，最大限度上豐富地質(zhì)勘察反演圖的內(nèi)涵。在該模型異常體形態(tài)中，可有效反映測線的地電特征，異常位置結(jié)果與實(shí)際更為相符，表明高密度電法物探技術(shù)測量裝置的整體運(yùn)行效果較好。可以預(yù)見，在未來地質(zhì)勘察中，高密度電法物探技術(shù)對(duì)直立板狀體模型的構(gòu)造要求將更為細(xì)致準(zhǔn)確。

6 結(jié)語

綜上所述，高密度電法物探技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)作用決定了其在地質(zhì)勘察工作中的關(guān)鍵地位。因此，技術(shù)人員應(yīng)從地質(zhì)勘察工作的核心目標(biāo)要求出發(fā)，創(chuàng)新高密度電法物探技術(shù)的運(yùn)用流程與規(guī)則，強(qiáng)化對(duì)相關(guān)設(shè)施設(shè)備與儀器的配置，提高具體技術(shù)人員的實(shí)操技能，通過多樣化的模型構(gòu)造與數(shù)據(jù)處理方法，排除各類偏差數(shù)據(jù)，為全面深入挖掘高密度電法物探技術(shù)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值奠定基礎(chǔ)，為促進(jìn)現(xiàn)代地質(zhì)勘察工作邁向更高層次保駕護(hù)航。