基于高密度電法勘探技術(shù)及其應(yīng)用研究

陸春慧

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越完善，大量工程正在如火如荼的進(jìn)行，同時(shí)對(duì)工程地質(zhì)勘察的精度也越來越高，勘察工作也要越做越全面和詳細(xì)。而高密度電法以其數(shù)據(jù)采集量大、工作效率高、成本低、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點(diǎn)在水利工程地質(zhì)勘探中得到了廣泛的應(yīng)用。但高密度電法仍存在一定的局限性，仍然是從事物探工作要逐步解決、多加研究的課題。

高密度電法相對(duì)于其他勘探技術(shù)而言，具有更簡(jiǎn)便的操作，擁有先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，且是一種直流電法勘探技術(shù)。高密度電法勘探目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、石油勘查、地?zé)豳Y源勘查、不良地質(zhì)現(xiàn)象勘查等領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)的勘探技術(shù)而言高密度電法勘探技術(shù)具有信息量大，對(duì)探測(cè)對(duì)象所造成的損傷小，測(cè)點(diǎn)密度高等特點(diǎn)。利用這種勘探方法所得到的數(shù)據(jù)直觀且準(zhǔn)確，勘探成果高效，其在我國(guó)工程勘查的運(yùn)用已經(jīng)越來越廣泛。

1 最大密度電法檢測(cè)技術(shù)的基本原理

1.1 高密度電法勘探的特點(diǎn)

高密度電阻率法實(shí)際上是一個(gè)陣列式探測(cè)方案。在野外勘測(cè)時(shí)，只需把所有的高壓電極（幾十至上百根）都放在測(cè)點(diǎn)上，然后充分運(yùn)用程控電極變換開關(guān)和微機(jī)工程電測(cè)儀，便能完成對(duì)各種數(shù)據(jù)信息的高速手動(dòng)搜集。反演程序使用的二維模型由一系列矩形格子構(gòu)成，矩形格子的排列受擬斷面圖數(shù)據(jù)點(diǎn)分布的松散約束，格子的大小和貢獻(xiàn)由程序自動(dòng)產(chǎn)生，格子的數(shù)量一般不超過數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，程序設(shè)置了一個(gè)選項(xiàng)，允許用戶使用格子數(shù)超過數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型，最底排的格子設(shè)置深度近似等于最大電極距的等效勘查深度。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果輸入微機(jī)后，還能對(duì)數(shù)值加以處理，從而得出有關(guān)電斷面分布的某種物理解釋的結(jié)論。很顯然，隨著高密度電阻率探測(cè)技術(shù)的廣泛運(yùn)用和發(fā)展，使電法勘探的自動(dòng)化程度往前發(fā)展了一大步。而相比于常規(guī)電阻率法而言，高密度電阻率法還具備著如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）電極布設(shè)通常是一次進(jìn)行的。這樣一來不但降低了由于電極設(shè)定方式所產(chǎn)生的故障和影響，同時(shí)也為對(duì)野外各種數(shù)據(jù)的高速手動(dòng)監(jiān)測(cè)打下了基石。

（2）能夠較高效地完成對(duì)各種電極排列形式的數(shù)字化掃描測(cè)定，從而能夠獲取到較大量的有關(guān)的電斷面及結(jié)構(gòu)性特征的地質(zhì)信息。

（3）自動(dòng)或半自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，不僅加快了采集的速度（每測(cè)點(diǎn)約2s～5s），而且減少了人工操作帶來的誤差。

（4）可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和顯示剖面，形成曲線輪廓，在脫機(jī)處理之后還可以自動(dòng)繪制和打印各種結(jié)果圖。

（5）開發(fā)成本低，效率高，信息豐富，理論解釋簡(jiǎn)單，勘探潛力明顯增強(qiáng)。

1.2 高密度電法測(cè)量方式

泥盆系下統(tǒng)北礦組（D1b）分布于礦區(qū)西北部，為一套海相細(xì)碎屑巖沉積，出露主要巖性為粉砂質(zhì)泥巖、含粉砂絹云板巖、生物碎屑灰?guī)r、硅質(zhì)巖夾石英砂巖，硅質(zhì)巖內(nèi)夾有晶屑火山灰凝灰?guī)r和含礫粗砂巖扁豆體，且內(nèi)含珊瑚、苔蘚蟲和海百合等化石。高密度電法的排列方法也從原來的A.B和C三種，發(fā)展到了現(xiàn)在的十幾種。不過經(jīng)過認(rèn)真研究也可以看出，各種順序其實(shí)都由對(duì)稱的四極體（Schlumberger）、偶極－偶極（dipoledipole）、單極－偶極（pole-diple）、單極－單極（pole-pole）演化而來。例如：當(dāng)AM=MN=NB時(shí)，Schlumberger排列也為A排；當(dāng)AB=BM=MN時(shí)，偶極－偶極排就成為了B排列；至于單極－偶極方式，就有AMN、MNB、AM=MN和AM=MN等四種。而至于所說的滾動(dòng)排列裝置，其電極排列形式上也基本不變，只不過是其排列方法更有利剖面的銜接罷了。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析主要涉及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提供、反演、圖像加工等領(lǐng)域。信息收集完畢并進(jìn)入計(jì)算機(jī)后要做好相應(yīng)的預(yù)處理，如數(shù)據(jù)格式變更、清除壞點(diǎn)、地形修正等。

二維逆演程式，是一個(gè)圓滑約束最小化二乘（deGroot-Hedlin and Constable 1990，Sasaki 1992）的計(jì)算機(jī)反演計(jì)算程式，采用了一個(gè)準(zhǔn)牛頓最優(yōu)化非線性最小化二乘新算子（Loke and Barker，1996），所以在大信息量下的運(yùn)算速率可以比常規(guī)最小化二乘快十倍之上，并且耗費(fèi)的內(nèi)存也較小。圓滑約束的最小化二乘法通過下列方程式：（J′J+LF）d=J′g。

并且，F(xiàn)=fxfx′+fzfz′；fx=水平曲線光滑濾波器系數(shù)矩陣；fz=垂直于線性圓滑濾波器系數(shù)矩陣；J=偏導(dǎo)量矩陣；J′=J的轉(zhuǎn)置矩陣；L=阻尼系數(shù)；d=模型參數(shù)或修改的矢量；g=殘差向量。

這個(gè)計(jì)算的另一大好處就是能夠調(diào)整阻尼系數(shù)和平滑濾波，能夠滿足各種類型的資料。

反演程序所使用的二維模式將地下空間分成多個(gè)模擬子塊。進(jìn)而決定每一個(gè)子塊的電阻比，從而使真正演算出的視電阻比模擬截面和實(shí)際擬截面相吻合。對(duì)每一子塊的厚度和高壓電極距不同，給以相應(yīng)的比例系數(shù)。而最優(yōu)化方案則主要是靠調(diào)整模型子塊的阻值率來縮小正演值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)電阻率值相互之間的差別。而這個(gè)差值也有用均方誤差（RMS）來衡量。但是，有時(shí)最小化均方誤差值的模式也表現(xiàn)出了模型電阻率值極大和不切實(shí)用的變異情況，從地理勘察視角來看，這也不是最佳的模式。一般來說，最謹(jǐn)慎的方法是選擇一個(gè)在迭代后均方誤差不再明顯變化的模型。

北西向斷裂構(gòu)造以伊敏河北西向斷裂為主干，在礦區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列相互平行的次級(jí)斷裂系統(tǒng)。河流斷裂主要發(fā)育在古生代巖層中，長(zhǎng)40km，截切奧陶系多寶山組地層。該斷裂與伊敏河谷相吻合，沿?cái)嗔褍蓚?cè)的古生代地層內(nèi)發(fā)育與主斷裂面相平行的劈理和次級(jí)斷裂。斷裂具壓扭性特征，與其伴生有北東和近南北向羽狀裂隙。

高密度電阻率剖面，通常通過擬截面等值線圖形、彩色圖像或灰度圖形來描述，因?yàn)樗憩F(xiàn)了地電截面中每一個(gè)測(cè)點(diǎn)視電阻比的相對(duì)變化規(guī)律，所以，該圖形所表現(xiàn)的地電結(jié)構(gòu)特征方面，有著比較直接和形象的特征。

3 高密度電法勘探在工程勘察中的誤差分析

3.1 誤差分析原理

在數(shù)據(jù)收集過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量可能會(huì)發(fā)生一定程度的偏差，錯(cuò)誤分析方法允許對(duì)重復(fù)觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、減少、消除數(shù)據(jù)偏差因素以及最大限度地減少錯(cuò)誤。在高密度電氣勘探操作中，將重復(fù)收集的數(shù)據(jù)（表觀電阻）的平均值取為true值，這些true值也是相對(duì)true。接地不好或設(shè)備工作不正常，重復(fù)收集的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)異常、扭曲或虛假事實(shí)值。但是，由于接地不好，并且在裝置故障時(shí)數(shù)據(jù)失真具有不同的特性，因此可以相應(yīng)地執(zhí)行錯(cuò)誤分析以控制數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)工作中，收集數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)確的問題，接地條件差，收集的數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)失真。通過使用誤差分析方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)相對(duì)誤差大，隨機(jī)性強(qiáng)，因此重復(fù)的比較測(cè)試結(jié)果是相同的。之前在同一接地條件下收集的數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤分析表明，單個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)也存在失真。但是，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差非常小。也就是說，前后兩次收集數(shù)據(jù)匹配，相對(duì)誤差分布區(qū)域是固定的。迭代實(shí)驗(yàn)比較分析推斷是由于設(shè)備故障。調(diào)換機(jī)構(gòu)，對(duì)新舊進(jìn)行比較考證，證明判斷是正確的。用兩臺(tái)儀器（同型號(hào)的舊裝置和新裝置）觀察60m的相同排列，共排列30個(gè)電極、電極間距2m。分析了4個(gè)排序的數(shù)據(jù)，結(jié)果是因?yàn)閿?shù)據(jù)很多，所以僅列出前兩層數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如下：如果測(cè)量線不移動(dòng)，并且閾值為5%的情況下收集數(shù)據(jù)，則可以看到，如果舊的儀表錯(cuò)誤超過了15個(gè)，并且新儀表中的所有數(shù)據(jù)都沒有超載，則這些失真數(shù)據(jù)是裝置錯(cuò)誤造成的。

4 高密度電法勘探在工程勘察中的運(yùn)用方法

4.1 現(xiàn)場(chǎng)勘探

在實(shí)質(zhì)上，由于高密度電法的基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法基本相同，其主要區(qū)別就是高密度電法在觀測(cè)中設(shè)置了較高的密度測(cè)點(diǎn)。而高密度電法的測(cè)量系統(tǒng)，使用了多電位電極系的處理方式，可以方便地進(jìn)行多種電極排列，也可以進(jìn)行多種裝置類型、且多種組合的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了快速自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，也能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的微機(jī)處理，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了測(cè)量精度和工作人員的工作效率。在利用高密度電法進(jìn)行工程勘察時(shí)，需要人工向地下加載直流電流，并在地表利用相應(yīng)儀器觀測(cè)記錄其電場(chǎng)分布，然后通過研究這種人工施加電場(chǎng)的分布規(guī)律，來分析地質(zhì)所存在的問題，從而方便尋找相應(yīng)的解決方案。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量時(shí)，需要將全部電極設(shè)置在間隔一般為1m～10m的測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)。

4.2 數(shù)據(jù)資料收集與分析

高密度電法原理最主要、最核心的技術(shù)關(guān)鍵就是在施加電場(chǎng)的作用下，要對(duì)電流所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的觀測(cè)和分析，通常情況下，所采集數(shù)據(jù)量越大，所達(dá)到的精度就越高。在高密度電法在數(shù)據(jù)采集過程中，主要使用組合電阻率剖面和電阻率測(cè)深兩種方法。在電性不均勻體的探測(cè)過程中，要對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)進(jìn)行多層次、多方位的探測(cè)，這樣所獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果更加精確有效。一般而言，在求解其電場(chǎng)分布時(shí)，所采用的理論方法是解析法，以求得拉氏方程解析解。有時(shí)候在情況較為復(fù)雜，且地質(zhì)復(fù)雜時(shí)，沒有方法求得拉氏方程解析解的時(shí)候，在實(shí)踐中也可以采用二維地電模型，使用點(diǎn)源二維有限法或者三維地電模型，并通過有限差分法等數(shù)值模擬來解決上述問題。

5 高密度電法檢測(cè)的技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方式

5.1 極化補(bǔ)償、供電時(shí)間問題

電法探測(cè)中，金屬電極的極化電勢(shì)成分大致有如下幾類：①金屬電極深入大地，金屬電極表層與土地相互之間的相接觸電勢(shì)；②由大地自身所形成的自然電勢(shì)；③在經(jīng)過特定電壓時(shí)，陰極與環(huán)境中間、環(huán)境內(nèi)層（尤其是較濕環(huán)境）進(jìn)行離子遷移，停電后分子進(jìn)一步擴(kuò)展，這一連串過程產(chǎn)生的各類電位。而且，這類電位是隨時(shí)刻、環(huán)境溫度發(fā)生變化的，其改變區(qū)域在毫伏（mV）的量級(jí)之上。從這點(diǎn)來說，對(duì)于分辨率太高的儀表起到不到效果。

激化電極法中，第三種電位是最有用的可測(cè)信息，但在電阻法中，這種信息是干擾。第一和第二電位相對(duì)穩(wěn)定，而離子遷移引起的電位變化與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。因此高密度電法數(shù)據(jù)收集得較快，當(dāng)供電電極在給完電后，立即又轉(zhuǎn)換為測(cè)量電極，但如果變換的時(shí)間較短，而極化電位又下降得緩慢，這就將給檢測(cè)結(jié)果造成很大的偏差，進(jìn)而導(dǎo)致Q值的畸變。

要減小由于極化補(bǔ)償、供電時(shí)間等造成的偏差，就必須注意：①極化補(bǔ)償要有多重方案，通常要求硬件與軟件的雙重補(bǔ)償，在必要時(shí)進(jìn)行多次循環(huán)；②測(cè)量時(shí)間間隔不宜太短（通常應(yīng)〉3s），這有點(diǎn)與實(shí)際效率沖突。

5.2 方法選取而產(chǎn)生的非適宜性

高密度電法應(yīng)用在城市建設(shè)等工程技術(shù)物探中，因?yàn)槭軈^(qū)域、地貌升降等的限制，高密度電法多采用了AMN和MNB的三極裝置，正如常規(guī)電法的三極裝置那樣，在電學(xué)性質(zhì)頁(yè)面周圍，由于Q電流密度發(fā)生了非線性變化，因而產(chǎn)生與MN極的電勢(shì)差的階躍，因而使Q值發(fā)生規(guī)律性地畸變其特點(diǎn)是：在電學(xué)性質(zhì)界面兩側(cè)，曲線呈現(xiàn)階躍形變化，值畸變程度較強(qiáng)，而在地質(zhì)區(qū)域之外的各級(jí)距Q畸變影響嚴(yán)重程度不顯著。

對(duì)于三極裝置化，在工作方法上可參照聯(lián)合剖面的工作方式進(jìn)行，并即將測(cè)得的值作對(duì)稱四極裝置化處理。

5.3 其它電性干擾

高壓輸電線保護(hù)以及埋設(shè)的各類通訊線纜、電纜等是最重要的擾亂源，它的電磁感應(yīng)方法直接影響檢測(cè)結(jié)果，其Q畸變特性是：Q畸值一般按擾亂源的頻譜特點(diǎn)周期性的改變，Q畸變率與測(cè)線至擾亂源距離r的平方的倒數(shù)成正比。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理一般都會(huì)在不同程度地受到不同影響因素的影響，所以，在完成了數(shù)值預(yù)處理之后，就應(yīng)該采用五點(diǎn)或七點(diǎn)等的圓滑方式，再加以反演、成像。

6 結(jié)論建議分析

該區(qū)的激電異常是由黃鐵礦、輝鉬礦、石英脈引起的，其反映為低電阻率高激化率特征，而云英巖化黑云母花崗巖反映為高電阻率、中等極化率。

（1）高密度電法與其他勘探方式相對(duì)比，擁有智能水平程度高。工作效率高、非常形象直接等優(yōu)勢(shì)，在金屬與非金屬礦業(yè)、工程建設(shè)、地理減災(zāi)、巖溶勘探、考古等諸多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）正確地使用高密度電法勘探方法，是減少異常的多解性的關(guān)鍵。所以，在實(shí)際使用中，設(shè)備的選型、電極的布置、地形的改變及數(shù)值的校準(zhǔn)等均需針對(duì)實(shí)際情況正確使用。

（3）其他物探方式的使用都有其局限性。所以，在進(jìn)行大密度的電法勘探時(shí)也應(yīng)該重視各種檢測(cè)方式的合理搭配，如在巖溶洞穴檢測(cè)時(shí)，要結(jié)合淺層地震法進(jìn)行高阻異常的驗(yàn)證，以區(qū)別由高阻脈巖和早洞所引發(fā)的高阻異常。

7 結(jié)語(yǔ)

總之，面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，傳統(tǒng)的地質(zhì)鉆探手段具有一定的不足，而高密度電法具有數(shù)據(jù)量大、工作效率高、觀測(cè)剖面長(zhǎng)、采集點(diǎn)間距小等特點(diǎn)，往往能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足，因而被廣泛應(yīng)用于水利、公路與橋梁、隧道及房建場(chǎng)地方面的勘察工作之中。且該區(qū)為化探異常高值區(qū)，存在富礦地段的可能性較大；高密度直流電法勘探在尋找金屬礦工作中是一種行之有效的方法。由于它的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠以及操作簡(jiǎn)便，在工程勘察活動(dòng)過程中有著極其廣泛的應(yīng)用前景。