高密度電阻率法

高密度電阻率法3/5/20241內(nèi)容1高密度電阻率法的基本原理

2高密度電阻率法野外工作技術(shù)

0緒言5資料解釋與分析4數(shù)據(jù)處理6應(yīng)用實例3野外數(shù)據(jù)采集3/5/202420緒言在礦產(chǎn)資源、工程及環(huán)境等地質(zhì)調(diào)查中，由于地質(zhì)背景的多變性和復(fù)雜性，使常規(guī)電法勘探很難滿足實際地質(zhì)調(diào)查的需要。因此，被地學(xué)中稱為“CT”的高密度電阻率法有了長足的開展。在各類地質(zhì)調(diào)查中發(fā)揮了重要的效率與作用。高密度電阻率法〔又稱電阻率影像法〕是一種陣列式的電法勘探方法，早在20世紀70年代未期，英國學(xué)者就設(shè)計了電測深偏置系統(tǒng)，建立了高密度電阻率的最新模式。80年代后期，我國地質(zhì)礦產(chǎn)部門首先開展了高密度電阻率及其應(yīng)用技術(shù)的研究，并探討完善了該方法的技術(shù)和理論。3/5/202431高密度電阻率法的根本原理高密度電阻率法是常規(guī)電阻率法的一個變種，就其原理而言，與常規(guī)電阻率法完全相同，仍然以巖、礦石的電性差異為根底，通過觀測和研究人工建立的地下穩(wěn)定電場的分布規(guī)律來解決礦產(chǎn)資源、環(huán)境和工程地質(zhì)問題。當(dāng)人工向地下加載直流電流時，在地表利用相應(yīng)儀器觀測其電場分布，通過研究這種人工施加電場的分布規(guī)律來到達要解決地質(zhì)問題的目的，研究在施加電場的作用下，地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。求解其電場分布時，在理論上一般采用解析法。其電場分布滿足式〔1.1〕的偏微分方程：3/5/20244式中為電場點坐標，為源點坐標，當(dāng)時，即只考慮無源空間時，上式變?yōu)槔绽狗匠蹋骸５窃趶?fù)雜條件下，無法求得拉氏方程的解析解，因此主要是采用各種數(shù)值模擬方法。例如：二維地電模型使用點源二維有限元法、三維地電模型那么使用有限差分法等來解決上述問題。高密度電阻率法在工作時與常規(guī)電阻率方法在原理上是一樣的，電阻率的求取通過給AB極供電I，利用MN測量電位差而獲得。實際中，通過式〔1.2〕

〔1.2〕〔1.1〕求得測點x處的視電阻率值。目前的高密度電阻率法實際上是多種排列的常規(guī)電阻率法與資料自動處理相結(jié)合的一種綜合方法。〔1.2〕3/5/202451.1電阻率法根本理論電阻率法是傳導(dǎo)類電法勘探方法之一。它建立在地殼中各種巖(礦)石之間具有導(dǎo)電性差異的根底上，通過觀測和研究與這些差異有關(guān)的天然電場或人工電場的分布規(guī)律，可以到達查明地下地質(zhì)構(gòu)造或解決某些地質(zhì)問題、尋找有用礦產(chǎn)之目的。巖土介質(zhì)的電阻率巖(礦)石間的電阻率差異是電阻率法的物理前提.電阻率是描述物質(zhì)導(dǎo)電性能的一個電性參數(shù)。從物理學(xué)中我們已經(jīng)知道。當(dāng)電流沿著一段導(dǎo)體的延伸方向流過時，導(dǎo)體的電阻率與其長度l成正比，與垂直于電流方向的導(dǎo)體橫截面積成反比。即：式中比例系數(shù)ρ，稱為該導(dǎo)體的電阻率。將上式改寫成3/5/20246顯然，電阻率在數(shù)值上等于電流垂直通過單位立方體截面時，該導(dǎo)體所呈現(xiàn)的電阻。巖礦石的電阻率值越大，其導(dǎo)電性就越差；反之，那么導(dǎo)電性越好。在國際單位制中，電阻R的單位為〔歐姆〕，長度l的單位為米，截面積S的單位為，電阻率的單位為歐姆?米，寫作。電阻率的倒數(shù)即為電導(dǎo)率，以表示，它直接表征了巖石的導(dǎo)電性能。其單位為西門子/米，或s/m.電阻率是物質(zhì)的一種屬性。從導(dǎo)電機制來看，溶液主要是借助于其中的帶電離子導(dǎo)電；而固體礦物那么可以分為三種類型：金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體和固體電解質(zhì)。各種天然金屬都屬于金屬導(dǎo)體，由于它們含有大量的自由電子，因此電阻率很低。比較重要的天然金屬有自然銅和自然金。此外，石墨也是具有某些特殊性質(zhì)的電子導(dǎo)電體。3/5/20247大多數(shù)金屬礦物均屬于半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中的自由電子很少，它們主要不是靠自由電子，而是靠“空穴”導(dǎo)電。因此，其電阻率都高于金屬導(dǎo)體，并有較大的變化范圍。表1.1列出了假設(shè)干常見的半導(dǎo)體礦物及其電阻率的變化范圍。由表中可見，大多數(shù)金屬硫化物(如黃銅礦、黃鐵礦、方鉛礦等)和某些金屬氧化物(如磁鐵礦)電阻率都較低(小于1歐姆.米)，具有良好的導(dǎo)電性；局部金屬硫化物和氧化物(如輝銻礦、錫石、軟錳礦、鉻鐵礦和赤鐵礦等)電阻率較高。表1.1常見半導(dǎo)體礦物的電阻率值表1.1常見半導(dǎo)體礦物的電阻率值3/5/20248絕大多數(shù)的造巖礦物，如表1.2所出了巖石的電阻率及其變化范圍，如輝石、長石、石英、云母、方解石等．均屬于固體電解質(zhì)。它們都是離子鍵晶體，依靠離子導(dǎo)電，由于離子要克服的勢壘電位相當(dāng)大，故其電阻率很高，導(dǎo)電性很差，在枯燥情況下可視為絕緣體。表1.2巖石的電阻率值3/5/20249由表1.2可見，盡管主要造巖礦物的電阻率都在10.以上，但巖石的電阻率及其變化范圍都要小一些。巖漿巖的電阻率為100到，沉積巖的電阻率一般為l0到100歐姆?米，但化學(xué)沉積巖的電阻率要超過這個范圍；至于變質(zhì)巖，其電阻率一般介于沉積巖和巖漿巖電阻率之間，且視其原巖的電阻率而異。各種巖、礦石的電阻率均無定值且有相當(dāng)大的變化范圍，這一事實說明，影響巖、礦石導(dǎo)電性的因素很復(fù)雜.其主要是巖、礦石的礦物成分及其結(jié)構(gòu)、濕度、溫度，以及巖石孔隙中所含水溶波的礦化度等。一船來說，巖、礦石中良導(dǎo)金屬含量增高，電阻率就降低。但相比之下，巖石的結(jié)構(gòu)具有關(guān)鍵性的影響。事實證明，在良導(dǎo)性礦物含量相同的條件下，呈浸染狀結(jié)構(gòu)的巖石比細脈狀或網(wǎng)脈狀結(jié)構(gòu)的巖石具有更高的電阻率。這是因為，前者良導(dǎo)礦物顆粒周圍被劣導(dǎo)電性的巖石基質(zhì)所包圍，以致使它們彼此不相連通，不能形成良好的導(dǎo)電通道；而后者良導(dǎo)礦物卻是互相連通的，見圖1.1。圖1.1巖石中礦物結(jié)構(gòu)示意圖(a)浸染狀結(jié)構(gòu)〔b〕細脈狀結(jié)構(gòu)3/5/202410濕度對巖石的電阻率有很大的影響，這是因為水的電阻率較小。含水巖石的電阻率遠比枯燥的巖石低。巖石的濕度又與巖石自身的孔隙度有關(guān)，如巖槳巖孔隙度較小，故其電阻率較高，但在受到風(fēng)化或構(gòu)造破壞而裂隙增多的情況下，濕度要增大，其電阻率將大為降低。另外還有—個不容無視的因素是水溶液的礦化度。隨著礦化度的增大，水的電阻率明顯減小，巖石的電阻率就降低。溫度升高時，地下水的溶解度增加，從而提高了礦化度,同時水溶液中離子的遷移率增大，將導(dǎo)致巖石電阻率降低。當(dāng)外界溫度低于0度時，巖、礦石中的裂隙水將由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)而使電阻率增大。對于層理發(fā)育的巖層而言，由于層理間往往存在良導(dǎo)性層和不良導(dǎo)性層互層，因此電流垂直穿過層理時所呈現(xiàn)的電阻率比平行穿過層理時大，這種現(xiàn)象稱為巖層電阻率的各向異性。3/5/202411一、均勻各向同性半空間點電源的電場均勻各向同性半空間是指地面下的巖石，它的電阻率在各處都是均勻的，各方向都是相同的。假設(shè)地表為水平，有一個正電極A不斷地往地下供電，另一端D在無窮遠處，這時電流線呈輻射狀均勻向外流出，見圖1.21—電流線2—等位線圖1.2地下電流線分布圖假設(shè)由A，B兩點向地下供電，在其中間MN處的電位為由此式中K又僅與A，B，M，N電極相對距離有關(guān)，稱為裝置系數(shù)。在地表水平的均勻介質(zhì)中，不管K如何變化，所測得的電阻率都是不變的。3/5/202412、視電阻率在實際工作中，各種巖層具有不同的電阻率。由AB供電，MN測量電位差來確定巖石電阻率，利用ρ=R(S/L)式進行計算，其結(jié)果不是電阻率的真值，而是各種介質(zhì)電性綜合影響的結(jié)果，稱之為視電阻率。而它還與電極系間距的大小和介質(zhì)中某些不均勻體的相對位置有關(guān)。我們還可用近似公式：表示式中是測量電極MN之間的電流密度，是均勻介質(zhì)中MN之間的電流密度，為MN間的真電阻率。

3/5/202413假設(shè)地下有良導(dǎo)電的地質(zhì)體存在，它對電流有吸引作用，電流大局部被良導(dǎo)體吸引，使地表MN處附近的電流密度減少，即減小，這時＜，在電子導(dǎo)體上方是減小，在遠離電子導(dǎo)體的地方，趨近于。相反，假設(shè)地質(zhì)體為高電阻率時，對電流有排斥作用，＞，那么增大。于是我們可以說，如在某處變小，那么該處有低電阻率地質(zhì)體存在(如硫化礦體，地下水等)；如增大，那么有高電阻率地質(zhì)體存在。我們在地表供電，在地表進行觀測以判斷地下的地質(zhì)情況，這是與電流密度在地下分布狀態(tài)有關(guān)的。圖1.33/5/2024141.2高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種新興陣列勘探方法，將多個電極(可達上百根)置于測線上，通過電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和工程電測儀便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速自動采集并能夠進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、分析和成圖。關(guān)于陣列電探的思想提出和開展已有30多年的歷史，并先后開發(fā)研制成了幾種類型的儀器。到90年代后期，隨著人們對高密度電阻率法應(yīng)用技術(shù)認識的加深、電子技術(shù)和計算技術(shù)的開展，高密度電阻率法無論在裝置選擇、采集方式、數(shù)據(jù)處理和成像技術(shù)等方面均得到了很大提高。高密度電阻率法具有較強的抗干擾能力，且探測深度較深，野外采集的數(shù)據(jù)量較大，從一定意義上講提高了探測精度。相對于常規(guī)電阻率法而言，它具有以下特點：3/5/2024151).電極布設(shè)是一次完成的，這不僅減少了因電極設(shè)置而引起的故障和干擾，而且為野外數(shù)據(jù)的快速和自動測量奠定了根底。2).能有效的進行多種排列方式的掃描測量，因而可以獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)地球物理信息。3).野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化，提高了采集速度。4).可對采集數(shù)據(jù)進行實時處理，并能計算出電阻率成像的反演結(jié)果。3/5/202416〔一〕、儀器結(jié)構(gòu)3/5/202417WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀3/5/202418操作面板3/5/202419高密度電法工作示意圖

高密度電法工作示意圖

3/5/202420高密度電阻率法電極排列的開展高密度電法開始時，研究的排列方式主要有三種：阿爾法，貝塔和伽馬?，F(xiàn)在排列方式已開展到十幾種。不過仔細研究就可發(fā)現(xiàn)，所有排列都是從對稱四極〔施倫貝謝爾，Schlumberger〕、偶極-偶極〔dipole-dipole〕、單極-偶極〔pole-dipole〕、單極-單極〔pole-pole〕演變而來〔其中，伽馬排列方式無變種〕。如：AM=MN=NB時,Schlumberger排列就變成阿爾法排列；AB=BM=MN時，偶極-偶極排列就變成貝塔排列；對于單極偶-極排列，就AMN,MNB,AM=MN和,AM=!MN等4種。至于所謂的滾動排列裝置，在電極排列方式上根本不變，只不過是其排列方式有利剖面滾動銜接而已。3/5/202421一)高密度電法各種裝置的布極方式高密度電阻率法實質(zhì)上純屬直流電阻率法,其根本原理與直流電阻率法相同,不同的是它的裝置是一種組合式剖面裝置。本系統(tǒng)支持18種測量裝置,其中,α排列、β排列、γ排列、δA排列、δB排列、α2、自電M、自電MN、充電M、充電MN排列等適用于固定斷面掃描測量,A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN、A-MN-B、跨孔等電極排列適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量,分別介紹如下：3/5/202422〔一〕、固定斷面掃描測量該測量方法在測量時以剖面線為單位進行測量,啟動一次測量最少測一條剖面線,存儲與顯示時亦以剖面線為單位進行。一個斷面由假設(shè)干條剖面線組成,且每條剖面線有唯一編號,簡稱剖面號。以α排列〔溫納裝置AMNB〕為例,測量某一剖面N時,AMNB相鄰電極保持極距a,每測量完一點向前移動一個根本點距x,直至B極為最后一個電極止,剖面上的測點數(shù)隨剖面號增大而減少,其斷面上測點呈倒梯形分布,當(dāng)實接電極數(shù)為60,剖面數(shù)為16,斷面測點分布如圖1.4所示。圖1.4固定斷面掃描測量斷面測點示意圖3/5/202423當(dāng)實接電極數(shù)給定時,任意剖面測點數(shù)由下式確定:Ｄｎ＝Ｐsum－〔Ｐa－１〕·ｎ。其中，ｎ─剖面號，Ｄｎ─剖面ｎ上的測點數(shù)，Ｐsum─實接電極數(shù)，Ｐａ─裝置電極數(shù)〔裝置１～３等于４，裝置４～５等于３〕。例如對α排列，電極數(shù)Ｐa＝4，設(shè)實接電極數(shù)Ｐsum＝60，剖面數(shù)為16,那么Ｄｎ＝60－〔4－1〕×ｎ＝60－3×ｎ。Ｄ1＝60－3×１＝57，Ｄ16＝60－3·16＝12，斷面總測點數(shù)＝16×〔Ｄ1＋Ｄ16〕/2＝16×〔57＋12〕/2=552。3/5/202424〔二〕、變斷面連續(xù)滾動掃描測量該測量方法在測量時以滾動線為單位進行測量,啟動一次測量最少測一條滾動線,存儲與顯示時那么仍以剖面線為單位進行。滾動線是一條沿深度方向的直線或斜線〔不可視線〕，各測點等距分布其上,所有滾動線上相同測點號的測點構(gòu)成一條剖面,不同深度的測點位于不同剖面上,一條滾動線上的測點數(shù)等于斷面的剖面數(shù)。一個斷面由假設(shè)干條滾動線組成,且每條滾動線有唯一編號,簡稱滾動號。測量一條滾動線的過程稱作單次滾動,即在保持供電電極與某個電極接通不動的情況下沿測線方向〔電極號由小到大〕移動測量電極，測量電極與供電電極間距起始為一個根本點距，測量并存儲當(dāng)前點電阻率后便移動一次測量電極，每次移動一個根本點距，重復(fù)上述測量移動過程直至測量點數(shù)等于剖面數(shù)為止。3/5/202425圖1.5為變斷面連續(xù)滾動掃描測量斷面測點分布示意圖,圖中,電極裝置為A-M二極裝置〔其它裝置測點分布相同,僅水平坐標不同而已〕，滾動總數(shù)=15,實接電極數(shù)=18,剖面數(shù)=8,斷面上測點呈平行四邊形分布。由于剖面數(shù)為8,所以在18根電極布好不動的情況下只能測量前10條滾動線,要測11～15號滾動線那么須將18根電極整體向前移動10個點距,即原11號電極位置成為1號電極,其余類推。當(dāng)電極排列與實接電極數(shù)Ｐsum確定時,最大剖面數(shù)〔也即一條滾動線上最多測點數(shù)〕由下式?jīng)Q定：Ｎmax＝Ｐsum－〔Ｐa－１〕。其中，Ｎmax─最大剖面數(shù)，Ｐsum─實接電極數(shù)，Ｐａ─裝置電極數(shù)〔裝置６等于２，裝置７～８等于３，裝置９等于４〕。假設(shè)設(shè)定斷面剖面數(shù)為Ｎ〔Ｎ≤Ｎmax〕，那么在不移動電極情況下可連續(xù)測量的滾動線條數(shù)Ｒn由下式?jīng)Q定：Ｒn＝Ｎmax－〔Ｎ－１〕。假設(shè)設(shè)定斷面滾動總數(shù)為Ｒsum，那么測量完全部滾動線須移動布置電極次數(shù)由下式?jīng)Q定：Ｍ＝Ｒsum／Ｒn整除，或Ｍ＝[Ｒsum／Ｒn]＋１不整除，其中,[…]表示取整數(shù)局部。斷面總測點數(shù)＝滾動(線)總數(shù)×剖面數(shù)。測11～15滾動線時電極新位置156789101112133/5/202426圖1.5變斷面連續(xù)滾動掃描測量斷面測點分布示意圖例如對ＡＭ二極排列，電極數(shù)Ｐa＝2，設(shè)實接電極數(shù)Ｐsum＝30，那么最大剖面數(shù)Ｎmax＝30－〔2－1〕＝29。假設(shè)取剖面數(shù)Ｎ＝16，那么Ｒn＝29－〔16－1〕＝14，即當(dāng)30根電極布好后,在不移動電極情況下可連續(xù)測量14條滾動線。假設(shè)設(shè)定斷面滾動總數(shù)Ｒsum＝200，那么測量完全部滾動線須移動布置電極次數(shù)Ｍ＝[200／14]＋1＝15。該斷面總測點數(shù)＝Ｒsum×Ｎ＝200×16＝3200。3/5/202427〔三〕、電極排列

⒈α排列〔溫納裝置AMNB〕該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如下：

圖1.6溫納裝置排列示意圖采用對稱四極裝置方式時，當(dāng)AM=MN=NB=α?xí)r，這種對稱等距排列稱為溫納〔Wenner〕裝置〔如圖1.6〕。其s表達式為：〔1.3〕其裝置系數(shù)為：〔1.4〕【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，AM=MN=NB=α為一個電極間距，A、M、N、B逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、M、N、B逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。3/5/202428⒉β排列〔偶極裝置ABMN〕該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如圖1.7：這種裝置的特點是供電電極A、B和測量電極M、N均采用偶極，并按一定的距離分開。由于四個電極都在同一測線上，故又稱偶向偶極。其s表達式為〔1.5〕其中 Kβ=6a〔1.6〕【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，AB=BM=MN=a為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AB、BM、MN增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。偶極裝置排列示意圖3/5/202429⒊γ排列〔微分裝置AMBN〕該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如圖1.8：其s表達式為〔1.7〕式中： Kγ=3a〔1.8〕【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，AM=MB=BN=a為一個電極間距，A、M、B、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MB、BN增大一個電極間距，A、M、B、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。圖1.83/5/202430⒋δA排列〔聯(lián)剖正裝置AMN∞〕該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如圖1.9：圖1.9聯(lián)剖正裝置排列示意圖【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，AM=MN為一個電極間距，A、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、MN增大一個電極間距，A、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。3/5/202431⒌δB排列〔聯(lián)剖反裝置∞MNB〕該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如圖1.10：【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，MN=NB為一個電極間距，M、N、B逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著MN、NB增大一個電極間距，M、N、B逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。3/5/202432⒍A-M 二極排列該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.11：【特點】測量斷面為平行四邊形。【描述】測量時，A不動，M逐點向右移動，得到一條滾動線；接著A、M同時向右移動一個電極，A不動，M逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形斷面。圖1.11二極排列示意圖3/5/202433⒎A-MN三極排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.12：【特點】測量斷面為平行四邊形?！久枋觥繙y量時，A不動，M、N逐點向右同時移動，得到一條滾動線；接著A、M、N同時向右移動一個電極，A不動，M、N逐點向右同時移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形斷面。3/5/202434⒏AB-M三極排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.13：圖1.13AB-M三極排列示意圖【特點】測量斷面為平行四邊形。【描述】測量時，A、B不動，M逐點向右移動，得到一條滾動線；接著A、B、M同時向右移動一個電極，A、B不動，M逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形斷面。3/5/202435⒐AB-MN偶極排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.14：圖1.14AB-MN偶極排列示意圖【特點】測量斷面為平行四邊形。【描述】測量時，A、B不動，M、N逐點向右同時移動，得到一條滾動線；接著A、B、M、N同時向右移動一個電極，A、B不動，M、N逐點向右同時移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到平行四邊形斷面。3/5/20243610．MN-B排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.15：圖1.15MN-B排列示意圖【特點】測量斷面為矩形?！久枋觥繙y量時，M、N不動，B逐點向右移動，得到一條滾動線；接著M、N、B同時向右移動一個電極，M、N不動，B逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形斷面。3/5/20243711、α2排列該裝置適用于固定斷面掃描測量，電極排列如圖1.16：【特點】測量斷面為倒梯形?！久枋觥繙y量時，AM=MN=NB為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一條剖面線；接著AM、NB增大一個電極間距，MN始終為一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

3/5/20243812、A-MN-B四極測深排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.17：圖1.17A-MN-B四極測深排列示意圖【特點】測量斷面為矩形?！久枋觥繙y量時，M、N不動，A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到一條滾動線；接著A、M、N、B同時向右移動一個電極，M、N不動，A逐點向左移動，同時B逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形斷面。3/5/20243913、矩形A-MN排列

該裝置適用于變斷面連續(xù)滾動掃描測量，電極排列如圖1.18：圖1.18矩形A-MN排列示意圖【特點】測量斷面為矩形?！久枋觥繙y量時，M、N不動，A逐點向左移動，得到一條滾動線；接著A、M、N同時向右移動一個電極，然后M、N不動，A再逐點向左移動，又得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形斷面。3/5/2024402高密度電阻率法野外工作技術(shù)1〕研究對象的調(diào)查與分析在開展工作之前，首先分析研究整個工作區(qū)地質(zhì)地球物理特征，論證使用高密度電阻率法探測方法的可行性。確認探查對象的電阻率和周圍介質(zhì)的電性差異較大，所要探查地層的厚度和異常體的體積與其埋深都比較高，用電阻率方法進行探查顯得有一定的優(yōu)勢。2〕地質(zhì)地球物理資料的系統(tǒng)收集由于同地層介質(zhì)的彈性波速度值相比較，影響介質(zhì)電阻率的因數(shù)更多，比方，探查對象構(gòu)成物質(zhì)的顆粒電阻率、孔隙度、含水飽和度、孔隙水電阻率、溫度等。另外，地層巖體的生成年代不同，生成后是否經(jīng)歷構(gòu)造運動，熱水變質(zhì)作用，風(fēng)化作用等因素也影響了電阻率值的大小。因此，在對探查的電阻率結(jié)果進行詳細解釋時，所比照應(yīng)用的資料越多越好。地質(zhì)踏勘資料、鉆孔資料、測井資料、室內(nèi)巖土實驗資料都是應(yīng)收集的有用資料．3/5/2024413)各種影響因數(shù)(l)場區(qū)地形影響在數(shù)據(jù)采集過程中，采集儀所測得的電位值不僅和地下構(gòu)造分布有關(guān)，還受地形變化的影響．一般來說，凸地形情況和平坦地形相比，測得的電阻率值偏大，凹地形情況下偏小，高密度電阻率法所探測的結(jié)果，是測量裝置下方地電介質(zhì)的分布情況和地下構(gòu)造和地形起伏雙重影響下的視電阻率二維斷面圖。沿測線方向地形變化的影響必須要校正，如果測線橫穿陡崖和角度大于45度的斜坡，很容易發(fā)生偽像，這種情況下地形校正顯得尤為重要．測線橫穿區(qū)域地形變化可通過有限元、邊界元等數(shù)學(xué)方法進行地形校正，但測線兩側(cè)地形變化很大的情況下，很難找到適宜的數(shù)學(xué)校正方法?？紤]到工區(qū)地形較為復(fù)雜，選擇垂直測線方向做一條輔助測線進行比較，以確定偽像的有無和數(shù)據(jù)結(jié)果的可靠程度。(2)人工構(gòu)造物影響鐵路、地下埋設(shè)金屬管線、高壓電線、鋼筋混凝土建筑物、金屬堆積物等人工構(gòu)造物對電法測量精度的影響很大。這些構(gòu)造物和周圍介質(zhì)相比表現(xiàn)低阻特征，便吸引電流集中流向這里，使測量地層真實電阻率值變得困難。因此，野外布線時應(yīng)盡量避開這些構(gòu)造物．如果不能避開的話，在野外實際布線時，盡量做到以下幾點：3/5/202442a、當(dāng)測線必須橫穿構(gòu)造物時，那么盡量使測線橫穿構(gòu)造物的距離到達最短〔垂直構(gòu)造物的長軸走向〕。橫穿高壓線的情況下，測線要垂直高壓線布設(shè)，為了減小感應(yīng)電流的影響，測線要盡量從相鄰鐵塔的中央通過〔如圖2.1a所示〕。b、當(dāng)測線從構(gòu)造物的旁側(cè)通過時，假設(shè)構(gòu)造物沿測線方向的長度大于探測深度，測線離構(gòu)造物的距離要大于探測深度，假設(shè)構(gòu)造物的長度小于探測深度，測線離構(gòu)造物的距離要大于構(gòu)造物的長度〔圖2.1b);c、當(dāng)測線從構(gòu)造物的旁側(cè)通過時，如電極排列的電極距大于構(gòu)造物沿測線方向的長度，構(gòu)造物對測量結(jié)果的影響較小〔圖2.1c)。野外施工測線布置示意圖3/5/2024434〕探查深度的厘定高密度電阻率法的探查深度，從野外施工的角度來說，最大可到達500米的深度，但分布方式由于受采集系統(tǒng)的器件性能的影響，在實際工作中所探測深度那么要淺一些。設(shè)計探查深度是在電極排列布置前所要考慮的工作。由于隨著電極間距的拉大，使測量結(jié)果的精度降低。因此，設(shè)計探查深度約為探查目標體深度的1.3倍。在有些現(xiàn)場條件允許的情況下，那么設(shè)計為2倍。做到既保證精度也不影響深度。5〕電極間隔確實定雖然高密度電阻率探測結(jié)果具有體積效應(yīng)，但是斷面分析的分辨率仍和最小電極間距相當(dāng)。從這一點考慮，設(shè)計最小電極間距應(yīng)為探查深度的1/10~1/15。在實際實踐過程中，如果發(fā)現(xiàn)電極間距小于探查深度的1/15，測得的結(jié)果中就包含一些不穩(wěn)定隨機因素，同時也容易產(chǎn)生“偽像”。3/5/202444

高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集包括電極系，多芯電纜，多路電極轉(zhuǎn)換器和測量主機。觀測時按設(shè)計一定間隔。等間距電極由多芯電纜通過轉(zhuǎn)換器與主機聯(lián)接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，存貯，傳輸?shù)扔嬎銠C自動控制的全過程。

3野外數(shù)據(jù)采集3/5/202445在工區(qū)布好測線,按一定的間距插上電極,用智能電纜將他們連接,進而用采集儀采集工區(qū)數(shù)據(jù)。3/5/202446高密度電法探測時電極多，在儀器自檢電極接地效果時，提示的接地不良電極，要處理好，必要時可給電極周圍加水，使之接地良好。

3/5/2024474數(shù)據(jù)處理包括:預(yù)處理實質(zhì)性處理預(yù)處理:由于地下不均勻體的存在、布設(shè)電極的接地電阻大、地形起伏及地質(zhì)噪聲等因素的影響，都會產(chǎn)生干擾異常。為能得到真實的結(jié)果，一般要對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以到達剔除干擾異常的目的。預(yù)處理主要是針對這些在實際工作中經(jīng)常遇到的問題所作的，以便為后續(xù)實質(zhì)性處理作好準備。預(yù)處理方法主要包括相鄰斷面的數(shù)據(jù)拼接、剔除虛假點、插值和地形改正等幾個方面。3/5/202448l〕數(shù)據(jù)拼接數(shù)據(jù)拼接主要是對兩相鄰數(shù)據(jù)斷面重疊的局部進行處理。在實際工作中，經(jīng)常會遇到長剖面測量中兩相鄰斷面有數(shù)據(jù)重疊的局部〔圖4.1〕。為能夠?qū)﹂L斷面數(shù)據(jù)進行解釋，而且還要防止在重疊區(qū)域因處理不當(dāng)壓制異常成分或造成偽異常，故對重疊數(shù)據(jù)進行再處理。其處理方法主要是對重疊數(shù)據(jù)取平均值，并沿剖面方向作五點三次平滑，使兩相鄰數(shù)據(jù)斷面在重疊區(qū)能夠平滑過渡。圖4.1兩相鄰數(shù)據(jù)斷面銜接示意圖3/5/2024492〕二維插值在實際工作中，由于一些特殊情況，兩相鄰數(shù)據(jù)斷面不能完全銜接，形成數(shù)據(jù)空缺〔上圖4.1〕。為便于對整個長數(shù)據(jù)斷面進行二維反演及地質(zhì)資料解釋，故需要對其進行二維插值，使其形成完整的數(shù)據(jù)體。這里可以選用的插值算法為趨勢面擬合加殘差疊加算法。經(jīng)實踐驗證這是一種比較好的插值方法，通常情況下都能得到比較平滑的插值曲面。其算法描述與實現(xiàn)過程如下：a、首先構(gòu)造一個由二元四次方程組成的四次趨勢面，其形式為：

b、求出點的實測值與擬合值

的殘差

，即：

(i=l,2,3,．……m〕。其中，m為點的個數(shù)。c、利用按方位取點加權(quán)法，將殘差作加權(quán)處理，分配到待插值的網(wǎng)格點上。按方位取點加權(quán)法是以網(wǎng)格點為中心把區(qū)域分成假設(shè)干個象限，從每個象限內(nèi)取一點作加權(quán)平均。d、將網(wǎng)格點上的趨勢面擬合值和殘差相加，作為網(wǎng)格上的內(nèi)插值。3/5/202450B樣條分層離散插值

B樣條分層離散插值方法技術(shù)是利用B樣條改進控制點網(wǎng)格層的優(yōu)化多層離散插值，以此來估計二維或者三維均勻網(wǎng)格點上的離散值。這一方法已經(jīng)在計算機圖像學(xué)和醫(yī)學(xué)圖像分析上取得了很好的效果，然而，該方法在地球物理勘探中的應(yīng)用方面的文章目前還是空白。首次應(yīng)用到地球物理勘探方法之一的磁測數(shù)據(jù)處理中，取得了很好的成果，離散數(shù)據(jù)插值是指用一組平滑的平面來擬合或者逼近離散或者是非均勻分布的數(shù)據(jù)采樣，插值的目的是構(gòu)造一組函數(shù)，例如平面或者體，該函數(shù)在任意點上都能求出值。這使得某一值域中的任意點的值都可以根據(jù)的離散點平滑地推導(dǎo)出來。3/5/202451圖6B樣條分層離散插值結(jié)果平面等值線圖實測異常平面等值線圖3/5/202452實測異常平面等值線圖

B樣條分層離散插值結(jié)果平面等值線圖3/5/2024533)濾波處理在高密度電阻率法測量中，由于電極接觸不好或存在其它方面的干擾等原因，常常使數(shù)據(jù)斷面出現(xiàn)一些虛假點或突變點，進而造成電阻率擬斷面圖的虛假異常，難于對其進行準確解釋，所以要剔除數(shù)據(jù)斷面中的虛假點．電極打好后，同一根電極可能是供電電極或測量電極，如果某個電極接觸不好，對于供電回路，直接影響著供電電流的大小，從而影響著電位差的測量精度；對于測量回路，會產(chǎn)生讀數(shù)不穩(wěn)定或出現(xiàn)假異常，最終使整個斷面記錄出現(xiàn)“八”字型假異常。(圖4.2)是兩種不同情況的記錄：圖4.2a是接觸不好或有問題的電極位于剖面中部，使用溫納裝置測量時，影響到A、B、M、N使剖面形成兩個“八”字型假異常；圖4.2b是接觸不好的電極靠近剖面的左邊，使斷面記錄形成“\”型假異常。由此可見，在儀器開始掃描之前，一定要對電極的接觸情況進行檢查，對接觸不好的電極要設(shè)法處理，條件允許時，最好對電極進行澆水處理，改善電極接地條件，提高數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。但是當(dāng)野外條件不允許，無法改善電極接地條件時，那么只能先將數(shù)據(jù)記錄下來，然后再剔除掉斷面記錄中的虛假數(shù)據(jù)。而針對其它干擾那么須對整個觀測數(shù)據(jù)作對應(yīng)的濾波處理。圖4.2電極接觸不好時的兩種斷面記錄情況3/5/2024544)地形校正實際的野外勘探工作中〔特別是長斷面測量〕，地形起伏是不可防止的。由于地形異常的引入，會使探測目標的視電阻率異常的形態(tài)與位置發(fā)生畸變和位移，甚至可能掩蓋有用異常，因而有必要對高密度電阻率法的觀測數(shù)據(jù)進行地形改正。高密度電阻率法中的地形校正主要利用有限單元法和有限差分的方法來實現(xiàn)。圖4.3和圖4.4是在反演過程中地形改正前后〔注：圖為反演不同精度結(jié)果〕的剖面區(qū)別。圖4.3地形改正前的電阻率斷面圖圖4.4地形改正后的電阻率斷面圖3/5/202455圖4.5未經(jīng)地形校正實測資料的反演結(jié)圖4.6地形校正后實測資料的反演結(jié)果3/5/2024565)資料正反、演處理(實質(zhì)性處理)(l)高密度電阻率法有限元法正演的根本思想有限單元法〔FiniteElementMethod，簡稱FEM〕是一種以變分原理和剖分插值為根底的數(shù)值計算方法。用這種方法求解穩(wěn)定電流場電位，首先要利用變分原理將給定邊值條件下求解電位U的微分方程問題，等價地變成求解相應(yīng)的變分方程，也就是所謂泛函的極值問題；然后，離散化連續(xù)的求解區(qū)，即按一定的規(guī)那么將求解區(qū)域剖分為一些在節(jié)點處相互連接的網(wǎng)格單元；進而在各單元上近似地將變分方程離散化，導(dǎo)出以各節(jié)點電位值為變量的高階線性方程組；最后解此方程組算出各節(jié)點的電位值，得到地下半空間場的分布，以表征穩(wěn)定電流場的空間分布。3/5/202457(2)〕有限元正演程序流程圖高密度電阻率法二維有限元模擬程序流程如圖4.7。3/5/202458(3)資料反演高密度電阻率法的測量數(shù)據(jù)在處理方法上采用佐迪方法進行二維反演。佐迪法是基于schfumberger(施倫貝謝爾)和wenner法的解釋而提出的。它的原理實際上是通過不斷調(diào)整初始模型參數(shù)使正演曲線與實際曲線之差到達最小，由此所得的最終模型參數(shù)作為反演結(jié)果。它是一種最小二乘優(yōu)化法．佐迪法的根本思想是：首先設(shè)定模型上的層數(shù)和測深曲線上的點數(shù)相同，每層的電阻率為測深曲線上相應(yīng)各點的視電阻率，每層的深度等于測深曲線上相應(yīng)各點的電極距再乘以一常數(shù)。利用上述模型得到一理論測深曲線，將該曲線與野外實測曲線比照，假設(shè)兩曲線同相〔一般幅值會有不同〕，調(diào)整模型各層電阻率值，再次正演計算理論曲線，直到實測曲線和模型曲線的均方根誤差到達最小。此時得到的模型就作為實際測量所得到的地質(zhì)模型。3/5/202459系統(tǒng)處理軟件Res2dinv是以平滑約束最小二乘〔smoothness-constrainedleast-squares〕為根底，以擬牛頓〔quasi-Newton)反演為準那么的最小二乘法來實現(xiàn)的。這項技術(shù)在處理大數(shù)據(jù)量時比常規(guī)最小二乘法快。平滑約束最小二乘法滿足下式：其中：，式中fx為水平平滑濾波，fz為垂直平滑濾波，J為雅可比偏導(dǎo)數(shù)矩陣，為雅可比偏導(dǎo)數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置形式，為阻尼因子，d為模型擾動矢量，g為模型誤差矢量。使用這種方法的優(yōu)點之一就是阻尼因子和平滑濾波系數(shù)可以調(diào)整以適合不同的數(shù)據(jù)類型。在該系統(tǒng)中還使用常規(guī)的高斯一牛頓(Ganss~Newton〕法，它比較牛頓法慢許多，但是它在處理電阻率值相差很大〔到達10:1〕的區(qū)域所采集到的數(shù)據(jù)時，能夠得到較好的反演結(jié)果。該系統(tǒng)的第三個優(yōu)點就是用高斯一牛頓法先進行2到3次迭代，然后使用擬牛頓法再進行迭代計算。在大多數(shù)情況下，這種折衷的方法可以提供最好的結(jié)果。3/5/202460程序中所使用的2-D模型，是把地表分成許多矩形塊〔圖4.8〕。其目的就是測定矩形域的電阻率，使其產(chǎn)生的視電阻率擬斷面與實際測量相符．對于不同的裝置形式，模型每層的厚度與極距的比值都會不同，例如對于wenner和schlumberger來說，第一層厚度設(shè)為極距的0.5倍；而對Pole-Pole、Dipole-Dipole、Pole-Dipole，其厚度分別設(shè)成電極距的0.9倍、0.3倍和0.6倍。圖4.8模型與采集點示意圖3/5/2024615.資料解釋與分析為了更準確查清地下地質(zhì)情況，在解釋時結(jié)合實際地形條件，采用多種方法進行解釋。1)通過與試驗圖像的異常特征比照進行解釋2)同一剖面兩種或兩種以上裝置的圖像比照解釋3)將圖像與地質(zhì)剖面、鉆孔等進行比照4)抽取少量幾組符合測深條件的電測深數(shù)據(jù)進行反演解釋3/5/202462

一、高密度電阻率成像技術(shù)在滑坡體覆蓋層厚度勘探中的應(yīng)用由于滑坡體與基巖之間存在明顯的電性差異，故電阻率色譜圖反映的物性界面清晰。為了消除高密度電法成像反演電阻率成果、解釋中可能存在多解性，提高解釋精度，在解釋過程中充分地利用現(xiàn)有鉆孔資料，進行綜合分析，查明了滑坡體厚度及滑面起伏形態(tài)，為庫區(qū)穩(wěn)定性評價提供了依據(jù)。

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從高密度電阻率色譜圖可以看出，在樁號A40～A80段和樁號A295～A380測段表層呈現(xiàn)高阻暈團，電阻率為500～1500Ω.m；在樁號A80～A295間出現(xiàn)一電阻率漸變帶，且電阻率值變化較小，多在20～250Ω.m之間變化；基巖為灰?guī)r電阻率呈高阻反映，其電阻率為500～1500Ω.m。3/5/202464分析解釋成果圖可見：在A40～A80段覆蓋層變化較小，其厚度為4～6m之間；在A80～A240段覆蓋層呈兩端薄中間厚，厚度為6～36m之間，其中A100處最厚達36m，在A150處厚度為22m，在A240處厚度為10m；在A240～A400段覆蓋層呈兩端薄中間厚，其厚度為3～23m之間，在A310處厚達為23m，在A400樁號處厚度僅為3m?；嫘螒B(tài)與地面起伏形態(tài)根本一致，在A40～A100段滑面較陡，在A100～A240段滑面平直，在A240～A400段滑面較緩。3/5/202465二、高密度電阻率成像技術(shù)在高速公路勘探中的應(yīng)用圖4.11為奉云高速比較線BK118＋320～BK118＋460電阻率原始觀測值及處理結(jié)果，電極距為5米。上圖是觀測值經(jīng)野點處理后的視電阻率擬斷面，以下圖是電阻率當(dāng)前迭代的反演結(jié)果，中圖是該結(jié)果經(jīng)正演計算得到的視電阻率擬斷面?？梢钥闯鰧崪y視電阻率擬斷面與正演結(jié)果有比較好的一致性，當(dāng)前的擬合差分別為14.0%，另外，圖中的反演結(jié)果中明顯的上下阻區(qū)域在相應(yīng)的視電阻率觀測斷面上都有著清楚的反映。這證明反演即保證了數(shù)值上較小的擬合差，同時趨勢上符合實際地質(zhì)情況，沒有出現(xiàn)奇異解，綜合考慮反演結(jié)果是可信的。從圖中可以看出，BK118＋375～BK118＋390段和BK118＋405～BK118＋410段均為低阻區(qū)與高阻區(qū)接觸帶，推測這幾處附近為斷層或塌陷，后經(jīng)鉆孔證實,這些地段確有斷層存在3/5/2024663/5/202467上圖是觀測值經(jīng)野點處理后的視電阻率擬斷面，以下圖是電阻率當(dāng)前迭代的反演結(jié)果，中圖是該結(jié)果經(jīng)正演計算得到的視電阻率擬斷面。可以看出實測視電阻率擬斷面與正演結(jié)果有比較好的一致性，當(dāng)前的擬合差為6.2%，另外，反演結(jié)果在AK136+835位置深部的高阻灰?guī)r同視電阻率的觀測斷面上的相對高阻對應(yīng)，AK136+915~AK136+995位置淺部的低阻河床在視電阻率