高密度電阻率法三種不同裝置應(yīng)用效果對(duì)比研究

李子永 張利峰 王小天

摘要：高密度電阻率法作為一種陣列式電法勘探方法，通過改變供電、觀測(cè)電極的排列方式，可實(shí)現(xiàn)多種排列裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的功能，具有低成本、高效率的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)和礦產(chǎn)地質(zhì)等領(lǐng)域。為探究在不同地質(zhì)背景、勘探目標(biāo)時(shí)，各排列裝置應(yīng)用效果的特點(diǎn)，本文選取溫納、偶極—偶極和施倫貝謝爾（剖面）三種裝置，對(duì)其在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)和地下水勘查中的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比，研究各排列裝置的特點(diǎn)。結(jié)果表明，溫納裝置在勘探深度方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，縱向分辨率高，施工效率高，數(shù)據(jù)擬合效果好，信噪比高，抗干擾能強(qiáng)；偶極—偶極裝置橫向分辨率高，水平方向異常更細(xì)化，施工效率較高；施倫貝謝爾（剖面）裝置具有較高的橫向與縱向分辨率，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)多，獲取地電斷面信息更豐富，抗干擾能力較強(qiáng)，勘探深度較深，數(shù)據(jù)擬合效果較好。綜合對(duì)比研究認(rèn)為，施倫貝謝爾（剖面）裝置適宜在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)中推廣使用；溫納裝置具適宜在勘探第四系潛水含水層中推廣使用。

關(guān)鍵詞：高密度電阻率法；溫納裝置；偶極—偶極裝置；施倫貝謝爾（剖面）裝置；效果對(duì)比

中圖分類號(hào)：P641.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.008

引文格式：李子永，張利峰，王小天.高密度電阻率法三種不同裝置應(yīng)用效果對(duì)比研究［J］.山東國(guó)土資源，2023，39（7）：46-51. LI Ziyong， ZHANG Lifeng， WANG Xiaotian. Comparative Study on the Application Effect of Three Different Devices of High Density Resistivity Method［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：46-51.

0 引言

高密度電阻率法是淺層地球物理勘探的主要方法之一［1］，近年來已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)、礦產(chǎn)地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)等眾多行業(yè)［2-3］。高密度電阻率法有多種觀測(cè)裝置，常用的觀測(cè)裝置有溫納裝置、施倫貝謝爾裝置、單極—單極裝置、單極—偶極裝置和偶極—偶極裝置［4-5］，不同觀測(cè)裝置的應(yīng)用效果有不同的特點(diǎn)。目前已有諸多學(xué)者對(duì)不同觀測(cè)裝置的觀測(cè)效果開展了研究工作，研究指出，在實(shí)際工作中要因地制宜地綜合地質(zhì)情況，選擇合適的裝置進(jìn)行探測(cè)［6-7］。因此，如何根據(jù)不同的地質(zhì)背景、施工條件和勘探目標(biāo)選擇合適的觀測(cè)裝置顯得十分重要。本文針對(duì)水庫(kù)壩體滲漏和地下水勘查任務(wù)，選用溫納裝置、施倫貝謝爾（剖面）裝置和偶極—偶極裝置進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比3種觀測(cè)裝置的反演結(jié)果，給出各觀測(cè)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并從多個(gè)方面對(duì)比3種裝置的不同之處，為高密度電阻率法在庫(kù)壩體滲漏和地下水勘查任務(wù)的生產(chǎn)實(shí)踐提供一定的參考。

1 高密度電阻率法概述

1.1 高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法的基本原理與常規(guī)電阻率法相同，是以巖礦石的電阻率差異為基礎(chǔ)［8-9］，研究人工條件下穩(wěn)定電流場(chǎng)在地下的分布規(guī)律，進(jìn)而查明地下地質(zhì)體及地質(zhì)構(gòu)造分布規(guī)律的一種電法勘探方法［10-12］。作為一種陣列式勘探方法［13］，高密度電阻率法具有低成本、高效率、采集信息豐富、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［14-15］。

1.2 裝置類型

電阻率法勘探中將一定的電極排列方式稱為裝置類型，在電阻率法勘探中，根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)和不同的地電條件，需采用不同的裝置類型。常用的觀測(cè)裝置主要有二極、三極和四極等裝置類型，高密度電阻率法以此為基礎(chǔ)，演變出十幾種裝置類型［16］，各裝置在探測(cè)深度、垂向和橫向分辨率、斷面數(shù)據(jù)覆蓋范圍和信息強(qiáng)度等方面各有特點(diǎn)。實(shí)際工作中，四極裝置因不需要布設(shè)無窮遠(yuǎn)電極，可以壓干擾，增強(qiáng)有效信號(hào)，應(yīng)用較為廣泛。本次工作主要研究溫納裝置、施倫貝謝爾（剖面）裝置和偶極—偶極裝置的各自特點(diǎn)。

1.2.1 溫納裝置簡(jiǎn)介

如圖1所示，溫納裝置是一種電極按A、M、N、B依次等間距排列的對(duì)稱四極裝置。測(cè)量時(shí)，AM=MN=NB=na（A、B為供電電極，M，N為測(cè)量電極，n為剖面層數(shù)，a為電極間距），AM、MN、NB逐點(diǎn)增大一個(gè)電極間距，得到第一條斜測(cè)深剖面；接著A、M、N、B同時(shí)移動(dòng)一個(gè)電極，重復(fù)測(cè)量，得到下一條剖面；不斷測(cè)量下去，得到一個(gè)倒梯形斷面［17-18］。溫納裝置的視電阻率ρs=2πa△UMN/I1。由于測(cè)量電極在供電電極內(nèi)部，溫納裝置信號(hào)強(qiáng)度較高，具有較高的信噪比較，抗干擾性較強(qiáng)［19-20］。

1.2.2 偶極—偶極裝置簡(jiǎn)介

如圖2所示，偶極—偶極裝置是一種電極按A、B、M、N依次等距排列的裝置［21］。測(cè)量時(shí)，AB=MN=a，BN=na，AB、BM、MN逐點(diǎn)增大一個(gè)電極間距，得到第一條斜測(cè)深剖面；接著A、B、M、N同時(shí)移動(dòng)一個(gè)電極，重復(fù)測(cè)量，得到下一條剖面；不斷測(cè)量下去，得到一個(gè)倒梯形斷面。偶極—偶極裝置的視電阻率ρs=πan（n+1）（n+2）△UMN/I1。由于測(cè)量電極在供電電極外部，一次電位幅度較小，對(duì)較小的異常體也有較好的靈敏度，但抗干擾能力較弱。

1.2.3 施倫貝謝爾（剖面）裝置簡(jiǎn)介

如圖3所示，施倫貝謝爾（剖面）裝置是一種電極按A、B、M、N依次等距排列的裝置。測(cè)量時(shí)，MN固定不動(dòng)，AM=NB按間隔系數(shù)由小到大逐次移動(dòng)，得到第一條斜測(cè)深剖面；接著A、B、M、N同時(shí)移動(dòng)一個(gè)電極，重復(fù)測(cè)量，得到下一條剖面；不斷測(cè)量下去，得到一個(gè)倒梯形斷面［22］。施倫貝謝爾（剖面）裝置的視電阻率ρs=π（AM×AN）MN△UMN/I1。相同剖面長(zhǎng)度下，施倫貝謝爾（剖面）裝置的觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)更密集，所以該裝置具有更高的分辨率。

2 應(yīng)用實(shí)例對(duì)比

為研究溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置在實(shí)際應(yīng)用中的效果和特點(diǎn)，分別在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)和地下水勘查兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。高密度儀器采用武漢捷探科技公司生產(chǎn)的GT-CEW型常規(guī)電法工作站及專業(yè)電纜設(shè)備。儀器供電時(shí)長(zhǎng)、停供時(shí)長(zhǎng)均設(shè)為0.2s，觀測(cè)周期設(shè)為2個(gè)周期，供電電壓大于400V。按照儀器內(nèi)置的溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置跑極方式分別采集觀測(cè)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在儀器內(nèi)。反演計(jì)算前，運(yùn)用儀器配套的A5高密度二維預(yù)處理軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除因電極故障和地表干擾等原因造成的畸變異常點(diǎn)［23］。

采用Res2sinv軟件對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，阻尼系數(shù)設(shè)為0.16，阻尼系數(shù)增長(zhǎng)因子設(shè)為1.05，模型正演計(jì)算算法選擇有限差分法，單位電極距節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)為2節(jié)點(diǎn)，層厚度隨深度增加系數(shù)設(shè)為1.1，采用最小二乘法對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，分別計(jì)算三種裝置的反演模型，得到對(duì)應(yīng)的反演視電阻率斷面圖。

2.1 水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用

研究區(qū)位于牟平區(qū)高陵鎮(zhèn)東約1km處某水庫(kù)，工區(qū)壩體為小型土石壩，壩體長(zhǎng)約240m，寬約6m，經(jīng)過多年的運(yùn)行，壩體土壤、砂、礫石等第四系堆積物的孔隙一般處于飽水狀態(tài)，存在滲漏的風(fēng)險(xiǎn)［24］。通常而言，滲漏點(diǎn)電阻率值會(huì)低于20Ω·m，含水的砂、礫等堆積物電阻率一般低于50Ω·m，不含水的基巖等電阻率一般高于100Ω·m。

測(cè)線布置于壩頂邊坡處，沿壩體走向布設(shè)，測(cè)線長(zhǎng)240m，點(diǎn)距3m，測(cè)線方位130°，共布置電極80根，觀測(cè)層數(shù)為24層。壩頂?shù)貏?shì)平坦，無地形起伏，數(shù)據(jù)處理時(shí)無需進(jìn)行地形校正。3種裝置的反演模型視電阻率斷面圖如圖4所示。

從圖4可以看出，在同一剖面相同電極距相同供電條件下，觀測(cè)層數(shù)均為24層時(shí)，各排列裝置視電阻率反演結(jié)果的電阻率異常垂向變化規(guī)律比較一致，均能揭露壩體內(nèi)部巖土體的垂向分層規(guī)律，呈現(xiàn)低阻—高阻的電性組合，在剖面36～201m間，淺部0～27m的電阻率值以中低阻為主，27m深部電阻率以高值為主，電阻率主要呈層狀分布，兩側(cè)的電阻率梯度變化較為平緩；溫納排列與施倫貝謝爾排列的電阻率異常橫向變化特征較為明顯，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m處圈出了3處明顯的低阻異常區(qū)；施倫貝謝爾裝置在剖面213m和222m處圈出兩處低阻異常區(qū)，其位置與水庫(kù)排水洞一致；偶極排列的電阻率異常橫向變化特征與溫納排列與施倫貝謝爾排列并不相同，上述3處低阻異常特征不明顯，低阻異常呈現(xiàn)“凹”字形。

綜合上述3種排列裝置視電阻率反演效果的特點(diǎn)，在土石壩壩體滲漏檢測(cè)應(yīng)用中，施倫貝謝爾（剖面）裝置的應(yīng)用效果最優(yōu)［5］，溫納裝置次之，偶極—偶極裝置較差。以施倫貝謝爾（剖面）裝置視電阻率反演斷面圖對(duì)水庫(kù)壩體滲漏情況進(jìn)行解釋，土石壩壩體位于剖面60～195m，深度0～15m的區(qū)域，兩側(cè)為第四系沉積物，深部為基巖巖體，壩體由于多年的運(yùn)行已處于飽水狀態(tài)，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m處存在3處低阻異常區(qū)，電阻率值低于20Ω·m，電阻率特征與排水洞類似，推斷3處低阻異常區(qū)為滲漏隱患點(diǎn)。

2.2 地下水勘查中的應(yīng)用

研究區(qū)位于屯溪區(qū)傍霞村內(nèi)，地表為第四系覆蓋層，北鄰新安江，根據(jù)地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，研究區(qū)內(nèi)紅層泥巖分布廣泛［25］，將找水目標(biāo)定為第四系松散孔隙水。研究區(qū)內(nèi)，第四系松散沉積物電阻率高于100Ω·m，含水砂層電阻率低于50Ω·m，飽水紅層泥巖電阻率低于10Ω·m。本次測(cè)量工作測(cè)線長(zhǎng)900m，點(diǎn)距10m，測(cè)線方位340°，共布設(shè)電極90根，觀測(cè)層數(shù)26層。工區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，無地形起伏，數(shù)據(jù)處理時(shí)無需進(jìn)行地形校正。3種裝置的反演模型視電阻率斷面圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在同一剖面相同電極距相同供電條件下，觀測(cè)層數(shù)均為26層時(shí)，各排列裝置的視電阻率反演結(jié)果基本相似，視電阻率異常垂向變化規(guī)律比較一致，均能揭露地下地質(zhì)體的垂向分布規(guī)律，地下地質(zhì)體整體呈相對(duì)高阻—低阻—高阻—低阻的電性組合，淺部0～3m電阻率以中高阻為主，3～20m電阻率以低阻為主，20～65m以高阻為主，65m以深以低阻為主；溫納排列與施倫貝謝爾排列的電阻率異常橫向變化特征較為相似，在剖面0～300m主要為中低阻異常區(qū)，在剖面300～550m主要為低阻異常區(qū)，其中剖面300～400m及450～550m深度20～65m為兩處高阻異常區(qū)，550m至測(cè)線尾主要為中低阻；偶極排列的電阻率異常橫向變化特征與溫納排列與施倫貝謝爾排列并不完全相同，上述的兩處高阻異常形態(tài)更加細(xì)化，呈現(xiàn)為鞍形［6］。

綜合上述3種排列裝置各自反演效果的特點(diǎn)，在此次地下第四系松散孔隙水勘查應(yīng)用中［7］，溫納裝置的應(yīng)用效果最優(yōu)，施倫貝謝爾（剖面）裝置次之，偶極—偶極裝置再次之。以溫納裝置視電阻率反演斷面圖對(duì)測(cè)線地下地層分布情況進(jìn)行解釋，0～65m相對(duì)高阻區(qū)域?yàn)榈谒南蹈采w層，0～3m中高阻區(qū)為地表松散砂礫層，3～20m低阻區(qū)為砂礫黏土層，20～65m高阻區(qū)為大小不等、磨圓不同的卵石層，電阻率升高至400Ω·m以上，65m深部低阻區(qū)為泥質(zhì)紅層，泥質(zhì)紅層孔隙度小，雖然表現(xiàn)為低阻異常，但含水性較差，測(cè)線距起點(diǎn)750m，深度50m處，存在一處相對(duì)低阻異常，電阻率在10～30Ω·m之間，為孔隙度較大的砂礫層，推斷為潛水含水層富水區(qū)。

在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)與第四系松散孔隙水勘查應(yīng)用時(shí)，三種排列裝置在分辨能力、施工效率、有效剖面長(zhǎng)度和抗干擾能力等方面還是存在一些差異［8］。

（1）在分辨能力方面，本次工作中溫納裝置的抗干擾能力更強(qiáng)，縱向分辨率高，垂向地層分界線明顯，異常的垂向分辨率高于橫向分辨率；施倫貝謝爾（剖面）裝置橫向分辨率高，水平方向異常更細(xì)化，可較好地反映地層橫向的地電結(jié)構(gòu)特征；偶極裝置橫向分辨率更高，但水平方向異常形態(tài)更加復(fù)雜，不利于數(shù)據(jù)的解釋，垂向分辨能力較差。

（2）在施工效率方面，本次工作中在相同的供電條件下，采用相同電極距、電極數(shù)及觀測(cè)層數(shù)時(shí)，溫納裝置與偶極—偶極裝置的數(shù)據(jù)采集時(shí)間要小于施倫貝謝爾（剖面）裝置；可見溫納裝置與偶極—偶極裝置效率更高，施倫貝謝爾（剖面）裝置效率較低。

（3）有效剖面長(zhǎng)度方面，本次工作中施倫貝謝爾（剖面）裝置反演結(jié)果的深部剖面有效長(zhǎng)度要明顯大于溫納裝置和偶極—偶極裝置反演結(jié)果的深部剖面有效長(zhǎng)度，可見水平方向上施倫貝謝爾（剖面）裝置能夠獲取更多的深部地層地電結(jié)構(gòu)特征信息。

（4）抗干擾能力方面，在第四系松散孔隙水勘查應(yīng)用中，測(cè)線在距剖面起點(diǎn)650m處橫穿一條水泥路，因路面硬化問題影響附近電極供電和觀測(cè)，偶極—偶極裝置抗干擾能力較差，反演結(jié)果中仍能明顯看到因公路干擾產(chǎn)生的虛假高值異常，溫納裝置與施倫貝謝爾（剖面）裝置抗干擾能力較強(qiáng)，反演結(jié)果中無明顯的虛假異常。

3 結(jié)論

從實(shí)際應(yīng)用效果可以看出，由于溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置的排列方式不同，觀測(cè)跑極方式不同，導(dǎo)致在相同觀測(cè)條件下對(duì)同一剖面的觀測(cè)效果不盡相同。三種排列裝置在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)與第四系松散沉積層地下水勘探方面，都能取得較為理想的數(shù)據(jù)，能清晰地反映地下的地電特征分布規(guī)律，并且各排列裝置的視電阻率反演斷面圖顯示的異常體電阻率均與實(shí)際地下結(jié)構(gòu)基本類似。

從上述的應(yīng)用效果可以看出，三種排列裝置在應(yīng)用效果上還是有差異和優(yōu)劣的，溫納裝置施工效率高，縱向分辨率高，抗干擾能力較強(qiáng)；偶極裝置施工效率較高，橫向分辨率高，水平方向異常更細(xì)化，異常形態(tài)更為復(fù)雜，異常解釋難度較大，抗干擾能力較弱；施倫貝謝爾（剖面）裝置具有較高的橫向與縱向分辨率，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)更密，獲取地電斷面信息更豐富，淺部抗干擾能力較強(qiáng)，但施工效率較低。綜合考慮施工效率、縱向分辨率、橫向分辨率、異常解釋難度及抗干擾能力情況，溫納裝置相較于另兩種排列裝置在勘探第四系松散孔隙水勘查中效果更明顯，施倫貝謝爾（剖面）裝置在水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)應(yīng)用中效果更明顯。

在正式開展高密度電阻率法工作之前，應(yīng)根據(jù)工作目標(biāo)、探測(cè)深度、目標(biāo)體規(guī)模、施工效率、地形條件及地質(zhì)條件等情況具體分析，先進(jìn)行不同排列裝置的試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)裝置類型及工作參數(shù)做出合理的選擇，從而實(shí)現(xiàn)勘探效果的最優(yōu)化。

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Comparative Study on the Application Effect of Three Different Devices of High Density Resistivity Method

LI Ziyong，? ZHANG Lifeng， WANG Xiaotian

（Yantai Center of Coastal Geological Surveying， China Geological Surveying， Shandong Yantai 264000， China）

Abstract： As an array electrical exploration method， high density resistivity method can realize the function of data acquisition with various arrangement devices by changing the arrangement of power supply and observation electrodes. It has the characteristics of low cost and high efficiency， and has been widely used in the fields of environmental geology， engineering geology and mineral geology. In order to explore the characteristics of the application effect of each arrangement device in different geological backgrounds and exploration targets， three kinds of devices， such as Wenner， dipole—dipole and Schlumberger （section） are selected in this paper to compare their application effects in the seepage detection of reservoir dam and groundwater exploration， and to study the characteristics of each arrangement device. It is showed that Wenner device has obvious advantages in exploration depth， high longitudinal resolution， high construction efficiency， good data fitting effect， high signal-to-noise ratio and strong anti-interference ability. The dipole—dipole device has high lateral resolution， more detailed horizontal anomalies， and higher construction efficiency. The Schlumberger （profile） device has higher transverse and longitudinal resolution， more? collected data points， richer obtained geoelectric section information， stronger anti-interference ability， deeper exploration depth， and better data fitting effect. It is concluded that Schlumberger （profile） device is suitable to be applied in seepage detection of reservoir dam， Wenner device is suitable to be used in exploration of quaternary aquifer.

Key words： High density resistivity method; Wenner device; Dipole—dipole device; Schlumberger （profile） unit; effect comparison

收稿日期：2023-03-21；

修訂日期：2023-04-21；

編輯：曹麗麗

基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“新安江流域地下水資源調(diào)查評(píng)價(jià)”（項(xiàng)目編號(hào)：DD20211571）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“膠東北海岸帶與島礁綜合地質(zhì)調(diào)查”（項(xiàng)目編號(hào)：DD20220604）

作者簡(jiǎn)介：李子永（1991—），男，山東威海人，碩士研究生，主要從事地球物理勘探和數(shù)據(jù)處理工作；E-mail：790006874@qq.com