高密度电法勘探施工指导书

高密度电法勘探作业指导书

一、高密度电法勘探概述

高密度电阻率法是以岩土导电性差异为物性基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流分布规律的一种电探方法。它与常规电阻率法原理相同，所不同之处在于采取的方法技术。高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极置于观测剖面的各测点上，然后利用程控电极转换器或者微机工程电测仪器便可实现数据的快速和自动采集，当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。高密度电阻率勘探技术的运动和发展使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步，相比传统电阻率法，高密度电法勘探具有以下特点：

（1）电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。

（2）能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。

（3）野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，（大约每一测点需2~5s），而且避免了由于手工操作所出现的错误。

（4）可以对资料进行预处理并显示剖面并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件。

（5）与传统的电阻率法相比，成本低，效率高，信息丰富，解释方便。

阵列电探的思想早在20世纪70年代末期就有人开始考虑实施，英国学者所设计的电测深偏置装置系统实际上就是高密度电法的最初模式。80年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换器实现了野外高密度电阻率法的数据采集，但由于整体设计的不完整性，这套设备并没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。80年代后期至今，我国地矿部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究，从理论与实际相结合的角度，进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题，研制成了几种类型的仪器，如重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-3高密度电阻率测量系统。近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查，坝基及桥墩选址，采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。

二、测量系统和观测装置

（一）测量系统

高密度电阻率法的勘探系统一般由两部分组成，即野外数据采集（测量）系统和资料处理系统或实时处理系统。目前的大部分仪器都仍然是按分离方式设计的。现以重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-3高密度电阻率测量系统为例说明。以WDJD-3多功能数字直流激电仪为测控主机，配以WDZJ-3多路电极转换器构成高密度电阻率测量系统。该系统具有存储量大，测量准确、快速，操作方便等特点，并且可方便地与国内常用高密度电法处理软件配合使用，使解释工作更加方便直观。该系统可广泛应用于能源勘探与城市物探铁道与桥梁勘探，金属与非金属矿产资源勘探等方面，亦用于寻找地下水确定水库坝基和防洪大堤隐患位置等水文工程地质勘探中，还能用于地热勘探。

1. 仪器的主要特点：

（1）准确、高效。在保持良好重复性的前提下，测量一个552个点的断面所需时间一般

不超过15分钟。

（2）超大存储。在高密度方式I（只存储电阻率参数）可存储不小于43680次的测量值；

在高密度方式II（存储电阻率与电流参数）可存储不小于21840次的测量值，掉电亦不丢失。

（3）接地检查。在野外工作中可随时方便快捷地检查各电极接地是否良好。

（4）电极排列。装置类型多达18种且可扩展。既可按固定断面（电极排列有AMNB，ABMN，AMBN，AMN，MNB，A-MN-B，自电M，自电MN，充电M，充电MN）扫描测量，又可按变断面连续滚动扫描测量（电极排列有A-M，A-MN，AB-M，AB–MN，MN-B，A-MN，矩形A-MN-B，跨孔偶极）,其中，连续滚动扫描测量可在电极总数不变的情况下允许测量断面连接至任意长，便于长剖面追踪，使用户得以低成本高时效解决实际问题。

（5）所有电极排列测量断面均可任意指定断面起测电极号，方便、灵活。

2. 仪器组件：

（1）WDJD-3多功能数字直流激电仪；

（2）WDZJ-3多路电极转换器；

（3）高级电法处理软件。

（二）观测装置

高密度电法与传统电阻率法相比，其不同之处在于具有多种组合的剖面装置。以WGMD-3高密度电阻率测量系统为例，系统支持18种测量装置，其中，α排列、β排列、γ排列、δA排列、δB排列、α2、自电M、自电MN、充电M、充电MN排列等适用于固定断面扫描测量，A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN、A-MN-B跨孔等电极排列适用于变断面连续滚动扫描测量。

（1）固定断面扫描测量

该测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量，启动一次测量最少测一条剖面线，存储与显示时亦以剖面线为单位进行一个断面由若干条剖面线组成，且每条剖面线有唯一编号，简称剖面号。以排列温纳装置AMNB为例，测量某一剖面N时，AMNB相邻电极保持极距a，每测量完一点向前移动一个基本点距x，直至B极为最后一个电极止，剖面上的测点数随剖面号增大而减少，其断面上测点呈倒梯形分布，当实接电极数为60，剖面数为16，断面测点分布如图所示。

图1 定断面扫描测量断面测点示意图

当实接电极数给定时,任意剖面测点数由下式确定：

Dn=Psum-(Pa-1)×n

式中，n为剖面号，Dn为剖面上的测点数，Psum为实接电极数，Pa为装置电极数。

（2）变断面连续滚动扫描测量

该测量方法在测量时以滚动线为单位进行测量，启动一次测量最少测一条滚动线，存储与显示时则仍以剖面线为单位进行。滚动线是一条沿深度方向的直线或斜线（不可视线）。各测点等距分布其上，所有滚动线上相同测点号的测点构成一条剖面，不同深度的测点位于不同剖面上，一条滚动线上的测点数等于断面的剖面数。一个断面由若干条滚动线组成，且每条滚动线有唯一编号，简称滚动号。

测量一条滚动线的过程称作单次滚动，即在保持供电电极与某个电极接通不动的情况下，沿测线方向（电极号由小到大）移动测量电极，测量电极与供电电极间距起始为一个基本点距，测量并存储当前点电阻率后，便移动一次测量电极，每次移动一个基本点距，重复上述测量移动过程直至测量点数等于剖面数为止。

图为变断面连续滚动扫描测量断面测点分布示意图，图中，电极装置为A-M二极装置（其它装置测点分布相同,仅水平坐标不同而已），滚动总数=15，实接电极数=18，剖面数=8，断面上测点呈平行四边形分布。由于剖面数为8，所以在18根电极布好不动的情况下，只能测量前10条滚动线，要测11~15号滚动线，则须将18根电极整体向前移动10个点距，即原11号电极位置成为1号电极，其余类推。

当电极排列与实接电极数Psum确定时，最大剖面数（即一条滚动线上最多测点数）由下式决定：

Nmax=Psum-(Pa-1)

式中，Nmax为最大剖面数，Psum为实测电极数，Pa为装置电极数。

若设定断面剖面数为N(N≤max), 则在不移动电极情况下可连续测量的滚动线条数Rn 由下式决定:

Rn=Nmax-(N-1)

若设定断面滚动总数为Rsum，则测量完全部滚动线须移动布置电极次数由下式决定：

M=Rsum/Rn 整除

或M=（Rsum/Rn）+1 不整除

断面总测点数=滚动(线)总数×剖面数。

图2变断面连续滚动扫描测量断面测点分布示意图

（3）典型电极排列方式

【1】α排列（温纳装置AMNB）

该装置适用于固定断面扫描测量电极排列如下图。测量断面为倒梯形。测量时

AM=MN=NB为一个电极间距ABMN逐点同时向右移动，得到第一条剖面线接着AM,MN,NB增大一个电极间距，ABMN逐点同时向右移动，得到另一条剖面线。这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

【2】β排列（偶极装置ABMN）

该装置适用于固定断面扫描。测量电极排列如下图。测量断面为倒梯形。测量时AB=BM=MN为一个电极间距ABMN逐点同时向右移动，得到第一条剖面线。接着AB，BM，MN增大一个电极间距ABMN逐点同时向右移动，得到另一条剖面线。这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

【3】α2排列

该装置适用于固定断面扫描测量。电极排列如下图。测量断面为倒梯形。测量时AM=MN=NB为一个电极间距，ABMN逐点同时向右移动，得到第一条剖面线。接着AM NB 增大一个电极间距，MN始终为一个电极间距，ABMN逐点同时向右移动得到另一条剖面线。这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

【4】自电MN排列

该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下图。测量断面为线形，剖面数只能设置为1。测量时MN固定相隔一个电极间距逐点向右移动，测量两个电极间的自然电位，得到一条剖面线。

三、野外测量方法

（1）测区和测网

对于主要应用于工程及环境地质调查中的高密度电法，按地质任务所给出的测区往往是非常有限定的，我们只能在需要解决工程问题的有限范围内来选择测区和布设测网。测网布设除了建立测区的坐标系统之外，还包含了技术人员试图以多大的网度和怎样的工作模式去解决所给出的工程地质问题，在这里，经验和技巧往往也是非常重要的。对于高密度电法而言，野外数据采集方式主要有两种。一种是地表剖面数据采集方式，一种是井中电阻率成像的数据采集方式。而后者又包含有单孔和跨孔方式两种。两种方式的应用效果，特别是后一种方式与测网的布设关系密切，实际工作中要特别引起注意。

（2）装置

高密度电阻率法采用的主要是电极排列方式有温纳四极排列，联合三极排列，偶极排列和微分排列。不同的测量系统基本上以这几种装置为主，但也各有特点。上述电极排列即可联合使用，也可根据需要单独使用。此外当惊醒单孔或者跨孔电阻率成像的数据采集时，二极法供收方式往往成为最经常使用的电极排列。

极距取决与地质对象的埋藏深度，由于高密度电法勘探实际上是一种二维探测方法，所以在保证最大极距能够探测到主要地质对象的前提下，还要考虑围岩背景也能在二维断面图中得到充分的反映。根据上述考虑，三电位电极系的极距设计为：a=n*Δx，其中n为隔离系数，可由1改变到15，也可任选，Δx为点距。显然在a=1/3AB时，它与勘探深度之间存在某种系数关系。

（3）导线敷设

以60路电极为例，野外工作的导线敷设方式如图：

图3 高密度电阻率测量系统野外施工布线示意图

（4）测点分布

高密度电阻率法由于地表电极总数是固定的，对于常规排列，随着隔离系数的增大，测点书便逐渐减少，当N 在1~15之间时，对于60路电极而言，一条剖面的测点数可由下式计算：

15

1

(603)n N n ==-∑

显然，n=1，N 1=57，N 15=15，即a=15Δx 时，最下层的剖面长度L 15=15*Δx 。测点在断面上的分布呈倒三角形状。

四、

数据处理

高密度电阻率法的测量系统在施工现场采集到大量关于地电断面结构特征的地质信息，并以数字的形式保存在随机存储器里。将其传入微机进行数据转换和处理，然后生成供推断解释用的各类图件。下图为高密度电阻率资料处理系统框图。

对采集的原始数据进行初步整理后可以进行二维反演。二维反演的数学实质：寻找一个地电模型，使其对应的理论计算与实测视电阻率数值在一定法则下重合最好。数学上将求解这类问题的方法称为最优化方法。用计算机对物探异常进行定量解释的最优化方法，实际上是求解多元函数极值的一种方法，最优化算法种类很多，如最速下降法（梯度法）、最小二乘法、单纯形法等。其中最小二乘法在电法资料解释中应用效果最好。

在电法资料的定量解释中，最优化算法的基本步骤可归结为：

（1）给出实测视电阻率离散值；

（2）根据已知物性资料，地质资料和定性解释成果，确定地电模型，即给出地电模型初值；（3）通过正演计算得到地电断面的理论值；

（4）评定理论计算数值和实测视电阻率的拟合程度，即通过计算拟合差来判定拟合程度；（5）若拟合差不符合要求，则修改模型参数值，并根据修改后的地电模型参数重新计算理论值；

（6）再次评定拟合程度，反复修改地电模型参数，直到拟合差达到事先给定的精度为止。

下图给出了反演的示意图：

图4 反演示意图

图为某测区α排列的初步反演结果，上图为原始数据的视电阻率断面图，中图为理论地电模型的视电阻率断面图，下图为理论地电模型图。图中显示反演结果经过了8次迭代，拟合误差达到了3%。