組合三維與真三維高密度電法探測(cè)對(duì)比分析

趙楊杉， 姜 杰， 晏 雁， 王 潔

(湖北煤炭地質(zhì)物探測(cè)量隊(duì)，武漢 430200)

0 引言

三維高密度電阻率法是在二維電法勘探基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種較新的勘探方法。該方法是在勘探區(qū)內(nèi)一次布極多極距測(cè)量，可以觀測(cè)到豐富的地下電阻率信息，通過采用三維可視化軟件對(duì)處理得到的三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行多角度切片、形體渲染等綜合分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體的準(zhǔn)確定位、全面透視[1-2]。其克服了二維高密度電法不能直觀地展示目標(biāo)異常體走向、空間位置與形態(tài)展布的不足[3]，能夠真正實(shí)現(xiàn)地電體的三維空間探測(cè)，具有二維高密度電法不能比擬的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)高密度電法工程應(yīng)用中，大多數(shù)是采用二維數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，然后通過三維成圖軟件把多個(gè)二維視電阻率剖面連續(xù)成三維視電阻率分布的立體成果圖進(jìn)行展示，少部分則是將二維數(shù)據(jù)拼接成三維數(shù)據(jù)體(通常稱為組合三維方法)，再進(jìn)行三維反演獲得三維成果。近年來，隨著儀器設(shè)備的不斷進(jìn)步，一次性布設(shè)大量電極在一個(gè)矩形網(wǎng)格上，并采用三維陣列方式多極距測(cè)量的真三維測(cè)量方法逐漸嶄露頭角[4-5]。

本文通過野外實(shí)驗(yàn)，采用二極裝置觀測(cè)方式，獲取了組合三維及真三維高密度電法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)同網(wǎng)格排列下組合三維與真三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)體結(jié)構(gòu)特征及其三維反演可視化成果進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比研究，綜合分析認(rèn)為三維高密度電法探測(cè)分辨率優(yōu)于組合三維高密度電法。

1 場(chǎng)地布置及數(shù)據(jù)處理

1.1 基本原理

三維高密度電法的基本原理與二維高密度電阻率法相似，均是以地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理前提，用直流電阻率法的陣列形式，進(jìn)行地電斷面測(cè)量的電阻率層析成像勘查技術(shù)[6-8]。與傳統(tǒng)高密度電法勘探的區(qū)別在于三維高密度電法采集到的數(shù)據(jù)量更大，是一個(gè)龐大的三維數(shù)據(jù)體，對(duì)儀器設(shè)備有著非常高的要求，反映的地層信息也更加豐富。

1.2 野外工作布置

試驗(yàn)場(chǎng)地位于江夏區(qū)某水庫(kù)堤壩南側(cè)，為已完成秋收的水稻田，地勢(shì)平坦開闊，接地條件良好。野外試驗(yàn)先完成一次8×64網(wǎng)格排列5m電極距野外數(shù)據(jù)采集工作(圖1)，然后在8×64網(wǎng)格排列電極距5m的原測(cè)線(Y方向)上分別完成8條二維測(cè)線野外數(shù)據(jù)采集工作，均采用二極裝置(AM排列)，為二維測(cè)線組合反演三維可視化及真三維可視化對(duì)比分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)線布設(shè)Figure 1 Test line layout

1.3 數(shù)據(jù)處理與三維可視化

本次三維數(shù)據(jù)處理及反演主要為成果對(duì)比分析服務(wù)，均采用Res3dinv三維反演軟件進(jìn)行反演。三維數(shù)據(jù)反演前，先將8條二維二極裝置的剖面數(shù)據(jù)按照三維反演軟件能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式處理整合為三維數(shù)據(jù)。然后分別對(duì)二維組合成的三維數(shù)據(jù)及直接采集得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)編輯處理。為了保證成果對(duì)比的可靠性及準(zhǔn)確性，兩組三維數(shù)據(jù)反演時(shí)均采用相同的反演參數(shù)，3次迭代后輸出到Voxler三維顯示軟件進(jìn)行反演成果三維可視化展示。

2 采集裝置及觀測(cè)方式

2.1 采集裝置

高密度電法的工作裝置多達(dá)十余種，目前三維高密度電法常用的觀測(cè)方法為單極-單極、單極-偶極和偶極-偶極三種陣列方式。其它陣列方式暫時(shí)還無法為完整的三維反演提供足夠的數(shù)據(jù)覆蓋范圍。本次試驗(yàn)工作裝置均采用二極裝置(圖2)，二極裝置的特點(diǎn)為，供電電極B和測(cè)量電極N均放置于遠(yuǎn)離測(cè)量區(qū)域的“無窮遠(yuǎn)”處(一般置于垂直AM，大于5倍AM處)。由于單極供電和單極測(cè)量，因此該裝置有較寬的測(cè)量寬度和較大的探測(cè)深度，不利之處則是要布設(shè)遠(yuǎn)極，且要求兩根遠(yuǎn)電極距離測(cè)網(wǎng)足夠遠(yuǎn)[9]。

圖2 二維高密度電法二極裝置觀測(cè)示意圖Figure 2 Schematic diagram of observation of 2D HDEM with pole-pole array

2.2 觀測(cè)方式

2.2.1 組合三維高密度電法觀測(cè)方式

組合三維高密度電法原始數(shù)據(jù)由8條二維高密度電法剖面數(shù)據(jù)整理組合而來，觀測(cè)方式如圖2所示。測(cè)量時(shí)，供電電極A不動(dòng)，測(cè)量電極M逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到一條滾動(dòng)線；接著A、M同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，A不動(dòng)，M逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到另一條滾動(dòng)線；這樣不斷滾動(dòng)測(cè)量下去，最終得到一個(gè)倒三角形斷面[10-11]。

2.2.2 真三維高密度電法觀測(cè)方式

三維二極裝置觀測(cè)，其布極和測(cè)量方式與上述二維高密度電法相似，但并不是二維觀測(cè)剖面的簡(jiǎn)單疊加。三維觀測(cè)是在整個(gè)勘探區(qū)或勘探區(qū)的一部分一次性完成布極，電極在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)呈網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)狀分布，由計(jì)算機(jī)軟件按照設(shè)定的跑極方式自動(dòng)選取相應(yīng)位置的電極完成各種電極距排列在各個(gè)方位的電阻率數(shù)據(jù)采集[12-13]。以二極裝置為例，主要包括三種測(cè)量方式：Γ測(cè)量方式、十字交叉測(cè)量方式和全測(cè)量方式。Γ測(cè)量方式是每個(gè)電極依次作為供電電極，分別沿該電極X、Y方向的電極作為測(cè)量電極，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；十字交叉測(cè)量方式是每個(gè)電極依次作為供電電極，分別沿X、Y方向和與過供電電極與X、Y成45°夾角方向的電極作為測(cè)量電極，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)；全測(cè)量方式(圖3)是每個(gè)電極依次為供電電極，其它電極按照順序依次作為測(cè)量電極，這種測(cè)量方式采集數(shù)據(jù)量多，準(zhǔn)確度更高[2]。本次真三維成果數(shù)據(jù)采用全測(cè)量方式采集獲得。

圖3 三維高密度電法二極裝置全測(cè)量方式數(shù)據(jù)采集示意圖Figure 3 Schematic diagram of data acquisition in full measurement mode of 3D HDEM with pole-pole array

3 數(shù)據(jù)體結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)于二極裝置而言，采集的數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)的平面位置為供電電極A和測(cè)量電極M的中點(diǎn)，深度一般為供電電極A和測(cè)量電極M之間的距離。組合三維高密度電法與真三維高密度電法網(wǎng)格排列相同(8×64)，但其獲得的數(shù)據(jù)不管是在數(shù)據(jù)體量還是在數(shù)據(jù)體結(jié)構(gòu)方面差別均較大。其原始數(shù)據(jù)體量及數(shù)據(jù)體的結(jié)構(gòu)體特征如下：

組合三維高密度電法原始數(shù)據(jù)由8條二維剖面原始數(shù)據(jù)整合而來，單條剖面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)：N=n(n-1)/2，其中n為單剖面電極數(shù)，n=64，經(jīng)計(jì)算可知8×64網(wǎng)格排列組合三維高密度電法采集的數(shù)據(jù)為16128個(gè)。

真三維高密度電法采用全測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每個(gè)電極依次為供電電極，其它電極按照順序依次作為測(cè)量電極，其測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)總個(gè)數(shù)：Nmax=ne(ne-1)/2，其中ne為總電極數(shù)，ne=512，經(jīng)計(jì)算可知8×64網(wǎng)格排列真三維高密度電法采集的數(shù)據(jù)為130816個(gè)。

由此可見，8×64網(wǎng)格排列真三維數(shù)據(jù)體的數(shù)據(jù)量是組合數(shù)據(jù)體數(shù)據(jù)量的8倍多，數(shù)據(jù)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯。

圖4、圖5分別為組合三維、真三維8×64網(wǎng)格排列數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。圖中紅色實(shí)心球表示電極點(diǎn)，下部藍(lán)綠相間的方塊點(diǎn)均為采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)。如圖4所示，組合三維數(shù)據(jù)體由8條倒三角形剖面數(shù)據(jù)構(gòu)成，數(shù)據(jù)主要集中在Y方向上采集的8條二維剖面上，分別位于X軸0m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m處。X方向能夠參與三維反演的數(shù)據(jù)較少，且主要來源于8條二維剖面。

圖4 組合三維8×64網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure diagram of combined 3D 8×64 grid data points

圖5 真三維8×64網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Real 3D 8×64 grid data point structure diagram

從二極裝置三維全測(cè)量方式來看，當(dāng)每一個(gè)電極作為供電電極時(shí)，比該電極序號(hào)大的電極依次作為測(cè)量電極[14]。這種測(cè)量方式下任意兩個(gè)電極間均能產(chǎn)生一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的深度等同于該供電電極和測(cè)量電極之間的距離。從圖5可以明顯看出，真三維數(shù)據(jù)點(diǎn)比組合三維的數(shù)據(jù)點(diǎn)密集很多，呈“錐體”分布，數(shù)據(jù)點(diǎn)不再局限于Y方向上8條測(cè)線，任意方向均能提取到二維剖面數(shù)據(jù)。

4 三維可視化及解釋成果對(duì)比分析切片對(duì)比

4.1 YZ方向切片對(duì)比分析

圖6、圖7分別為組合三維、真三維YZ方向0m、17.5m、35m切片圖。從兩幅切片圖可以看出，切片顏色均由上而下從藍(lán)、綠色→黃、紅色→藍(lán)色漸變(兩幅成果圖色標(biāo)已統(tǒng)一)，表明探測(cè)區(qū)內(nèi)視電阻率由淺到深呈低阻→中高阻→低阻變化。按照電性變化測(cè)區(qū)地層可分為三大層，即淺部的低阻層、中部的中高阻層、深部大面積的低阻層。通過對(duì)同位置切片對(duì)比分析可以看出，組合三維與真三維切面成果由淺到深電阻率變化趨勢(shì)大體相同，均能較好的反應(yīng)出電阻率變化規(guī)律及電阻率異常，但在細(xì)節(jié)上略有差別。分別針對(duì)三個(gè)電性層位結(jié)合切片成果進(jìn)行對(duì)比說明。

圖6 組合三維YZ切片F(xiàn)igure 6 Combined 3D YZ slice

圖7 真三維YZ切片F(xiàn)igure 7 Real 3D YZ slice

淺部低阻層：橫向上看，低阻層內(nèi)各低阻區(qū)分布范圍基本相同，局部略有不同。其中，真三維0m切片圖Y軸距離20～70m范圍內(nèi)淺部呈高阻反應(yīng)；組合三維35m切片圖Y軸距離150～180 m處范圍內(nèi)中部高阻體一直延伸到地表?？v向上看，各切片低阻層厚度變化基本一致。其中，同位置17.5m切片真三維的縱向分辨率明顯要高一些，真三維該處切片電阻率呈相對(duì)高→低→高變化。

中部中高阻體：縱向上看，真三維切片中高阻體的范圍要比組合三維的范圍大，輪廓更為清晰，成層性更好。二者中部中高阻體與下部低阻區(qū)的界面均比較清晰，但組合三維反演結(jié)果的界面呈階梯式平緩過渡，而真三維反演結(jié)果由于有大量觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐界面起伏趨勢(shì)更為真實(shí)。橫向上看，真三維高阻層中電阻率的高低細(xì)節(jié)變化更突出，有利于目標(biāo)體的精準(zhǔn)定位。

下部低阻區(qū)：二者切片成果深部低阻區(qū)范圍均較大，形態(tài)相似。整體上看，組合三維下部低阻區(qū)的電阻率值略低于真三維反演的電阻率，切面成果深部低阻區(qū)呈近似直立向下延伸，而真三維切片成果底部?jī)蓚?cè)則呈收斂趨勢(shì)。

4.2 XZ方向切片對(duì)比分析

圖8、圖9分別為組合三維、真三維XZ方向0m、50m、100m、150m、200m、250m、300m切片圖。從兩幅切片圖可以看到，同位置切片成果電阻率變化形態(tài)基本相似，對(duì)應(yīng)性均較好。整體上看，真三維切片成果的探測(cè)分辨率優(yōu)于組合三維。詳細(xì)對(duì)比分析如下：

圖8 組合三維XZ切片F(xiàn)igure 8 Combined 3D XZ slice

圖9 真三維XZ切片F(xiàn)igure 9 Real 3D XZ slice

縱向上看，兩幅切片成果圖中各切片視電阻率由淺到深均呈低阻→中高阻→低阻變化，變化趨勢(shì)基本相同。其中，淺部低阻層的厚度變化基本一致，但中部中高阻體與下部低阻區(qū)的分界面深度不一。同位置0m、100m、300m切片真三維分界面的深度相對(duì)深一些，200m、250m切片真三維分界面的深度則相對(duì)淺一些。根據(jù)兩者觀測(cè)數(shù)據(jù)的分布情況，認(rèn)為真三維分界面更準(zhǔn)確。深部低阻區(qū)深度200～270m范圍內(nèi)真三維切片均呈現(xiàn)相對(duì)高阻反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的組合三維只有0m、200m、250m切片呈現(xiàn)相對(duì)高阻反應(yīng)，且從色差來看反應(yīng)相對(duì)不明顯。

橫向上看，真三維100～300m切片淺部低阻層X軸10～25m、深度10～25m范圍內(nèi)呈現(xiàn)低阻條帶，組合三維則不明顯。真三維中部中高阻區(qū)內(nèi)局部的高阻或低阻細(xì)小異常也更為突顯。例如：真三維100m切片X軸10～25m、深度30～50m范圍內(nèi)呈封閉的高阻反應(yīng)；50m切片X軸10～30m、深度10～30m范圍內(nèi)的低阻變化則比同位置組合三維的更明顯。

綜上所述，結(jié)合不同方向的切片成果對(duì)比分析情況來看，組合三維高密度電法的探測(cè)成果與真三維的探測(cè)成果具有一定的對(duì)應(yīng)性，但無論是從縱向分辨率，還是橫向分辨率來看，真三維更高，高低阻界限亦更加清晰，細(xì)小異常也更為突顯。

5 結(jié)論

1)在均采用二極裝置的情況下，真三維高密度電法采用全測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)比組合三維高密度電法采集的數(shù)據(jù)更多，反演成果獲得的信息量更大。觀測(cè)數(shù)據(jù)不局限于測(cè)線方向，而是呈“錐體”均勻分布于網(wǎng)格排列下方。

2)從整體探測(cè)效果來看，在采用相同的網(wǎng)格排列情況下，真三維高密度電法的探測(cè)分辨能力明顯優(yōu)于組合三維高密度電法的探測(cè)分辨率。建議將三維高密度電法技術(shù)作為一種精細(xì)化探測(cè)技術(shù)在工程中推廣應(yīng)用。