（地质工程专业论文）高密度电阻率法物探技术及其应用研究.pdf

摘要 本文综合应用地质勘查和地球物理勘探等专业理论和方法，利用有限元 和数值分析技术，对高密度电阻率法的野外工作技术方法、数据采集及处理、 正演分析、= 维成像及应用等方面进行了深入研究；针对实质性数据处理， 采用边界单元法对电测深资料进行地形改正，同时利用二阶差分法提出一种 快速、高效剔除突变点的方法，经实例验证，效果良好；从二维有限元基本 理论出发，完成了高密度电阻率法的二维有限元正演模拟流程，为后期多方 法反演奠定了基础；分析二维最小二乘反演，结合四个工程实例研究高密度 电阻率法解译技术，总结了几种测量装置的反演规律，为高密度电阻率法野 外工作提供了理论依据和参考经验。 关键词：高密度电阻率法边界单元法二阶差分法有限元最小二乘反演 a b s t r a c t f h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l ya p p l i e st h e o r i e sa n dm e t h o do fg e d l o g y p r o s p e c t i n ga n dg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o n ，m a k i n gu s eo ff i n 王t ee 1 e m e n t a n dm a g n i t u d ea n a l y s i st e c h n 0 1 0 9 y ，s t u d yo nf i e l d - o r kt e c h n 0 1 0 9 ya n d m e t h o do fh i g hd e n s i t yr e s i s t i v i t y 、d a t ao fg a t h e r i n ga n dd i s p o s i n g 、 f o r w a r da n a l y s i s ，f o r m a t i o no ft 霄。一d i m e n s i o n a li m a g ea n da p p l i c a t i o n p o i n ta te s s e n c ed a t ap r o c e s s i n g ，e m p l o yb o u n d a r ye l e m e n tm e t h d dt o p r o g r e s s i n gt o p o g r a p h i cc o r r e c t i o no fr e s i s t i v i t ys o u n d i n g ，a n da p p l y s e c o n do r d e rd i f f e r e n c em e t h o dt os u g g e s t i n gah i g he f f i c i e n c ym e t h o d o fa b s o r b i n gd i s t o r t i o np o i n t ， t h r o u g he x a m p l et e s t ， i th a sg o o d e f f e c t ：b a s e do nt h eb a s i ct h e o r i e so ft w o d i m e n s i o n a lf i n i t ee 1 e m e n t ， c o m p l e t e dt _ o d i m e n s i o n a lf i n i t ee 1 e m e n tf o r w a r dm o d e l i n gp r o g r a m ， e s t a b l i s hf o u n d a t i o nf o rm o r em e t h o di n v e r s i o ni nt h ef u t u r e ：a n a l y s e 2 一dl e a s t s q u 8 r e si n v e r s i o n ，c o m b i n ef o u re n g i n e e r i n ge x 8 m p l et o s t u d yi n t e r p r e tt e c h n 0 1 0 9 y o f h i g hd e n s i t yr e s i s t i v i t y ， s u u p i n v e r s i o nr e g u l a r i t yo fs o m em e a s u r ea p p a r a t u s ， s u p p l yt h e o r i e s s c i e n t i f i ca n dc o n s u l te x p e r i e n c ef o rf i e l d 膏o r ko fh i g hd e n s i t y r e s i s t i v i t y k e y 可o r d s ：h i g h d e n s i t yr e s i s t i v i t y s e c o n do r d e rd i f f e r e n c em e t h o d 1 n v e r s l o n m e t h o d ， f i n i t e b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ， e 1 e m e n t ， 1 e a s t s q u a r e s 创新点声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果：系统总结野外工作技术及 数据采集处理方面存在的不足，给出具体解决方案，并用实 例进行验证；基于最小二乘法反演原理，结合四个工程实例， 研究高密度电阻率法解译技术。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：垂锿。壅 日期：砬： 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 1 绪论 i 。1 概述 由于工程与环境地质调查的特殊性，我们经常用到物探方法，其中高密 度电阻率法勘探是应用较为广泛的一种方法。就其基本原理而言，它与传统 的电法勘探完全相同，仍然是以岩、矿石的导电性差异为基础，根据地面测 定和研究人工或天然电场的分布特点和变化规律来推断地下电阻率分布，从 而推断地质构造和矿产资源的分布状况“1 高密度电阻率法勘探是电法勘探中的一个重要分支，以其生产成本低， 工作效率高等特点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勘探效果和显著的社 会经济效益，并在探测地下结构，寻找金属和非金属矿产、考古以及水文工 程地质方面得到了广泛应用。 但在使用高密度电阻率法仪器过程中，也发现了很多问题和不足。如野 外工作方法不规范、解译系统不够完善、干扰因素不易排除、分辨率低、图 像显示的目标体与实际位置有较大位移等。要完善高密度电阻率法勘探技术 及其应用效果，这些问题都亟待解决。 本文在系统总结高密度电阻率法勘探技术的基础上，应用中装集团技术 中心和重庆地质仪器厂联合研制开发的新型高密度电阻率探测系统“d u k 一2 高密度电法仪”，主要针对高密度电阻率法勘探过程中的野外工作方法、数据 处理及正反演成像分析等方面存在的不足，提出新的解决方案，并结合实例 总结和探讨高密度电阻率法反演规律 1 2 高密度电阻率法的研究历史与现状 高密度电阻率法是在常规电法基础上发展起来的，高密度电法仪是普通 的电测仪+ 电极转换开关，为多电极测量系统。微型计算机的发展，使电极 转换开关实现了自动化，并使高密度电法仪向着智能化前进。 国内自引进高密度电阻率法以来，有不少单位投入了该方法的理论技术 和仪器设备的研究最早的做法是用电极+ 连接导线或多芯电缆+ 机械式电极 转换开关( 由步进电机控制) + 工程电测仪。1 9 9 4 年，地学仪器杂志报道了 原地质矿产部机电研究所研制的m i r 高密度电法仪，其结构是将机械式电极 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 2 转换开关改进成由单片机控制的电子开关，现在有的仪器厂生产的高密度电 法仪就是引用该技术。1 9 9 7 年1 2 月，地学仪器杂志又发表了中国地质大 学( 武汉) 在国内首创的分布式智能化高密度电法测量系统的文章。可见， 国内高密度电法仪电极转换开关方面分为3 类：机械式电极转换开关、电子 式电极转换开关及分布式智能化电极。在主机方面，多数仪器使用的是单片 机( 微处理器) ，而使用p c 机( 或工控机) 作为主控制器。如今在屏幕上能 进行现场曲线显示的只有中国地质大学( 武汉) 和原长春地质学院骄鹏公司 生产的少数仪器。 国外生产高密度电法仪的主要有日本的0 y 0 公司、瑞典的a b e m 公司， 法国的i r i s 公司及美国的a g i 公司，这些仪器价位在6 7 万美元( 6 个电 极配置) 。国外仪器大多数是将电测仪与电极转换开关分开的。2 0 0 2 年1 2 月 份，美国的a g i 公司出品的一款新仪器才将电测量主机与开关单元结合在一 起。但未见国外仪器中使用p c 机或类似p c 机作为仪器主控制器，并且没有 能实现现场测量曲线仪器的有关报道。 1 3 高密度电阻率法反演技术及其应用的发展 国内外研究高密度电阻率法反演的有王兴泰等“电阻率图像重建的佐迪 ( z o h d y ) 反演及其应用效果”( 1 9 9 6 年) 眙】；王若等“用改进的佐迪反演方 法进行二维电阻率图像重建”( 1 9 9 8 年) d 1 ；张大海等。二维视电阻率断面 的快速最小二乘法反演。( 1 9 9 9 年) h ；王丰等“改进的模拟退火方法及其 在电阻率图像重建中的应用”( 1 9 9 9 年) 如；王运生等。用目标相关算法解 释高密度电法资料”( 2 0 0 1 年) 嘲；l o b e 和b a r k e r ( 1 9 9 6 ) 使用基于准 牛顿最优化非线性最小二乘新算法。使得大数据量下的计算速度较常规最小 二乘法快l o 倍以上。 国内外应用高密度电法领域较广，主要有h ”1 刘晓东等( 2 0 0 2 年) 将 高密度电法用在岩溶灾害调查中，划分可溶岩区、勘查基岩断裂构造及了解 基岩岩溶发育情况等；郭铁柱( 2 0 0 1 年) 使用高密度电法在某水库坝基渗漏 勘查中收到了良好的效果；吴长盛( 2 0 0 1 年) 在某水库堤坝裂缝检测与评定 研究中，运用高密度电法准确地确定了堤坝的隐患，并提出了水库堤坝隐患 治理的建议；王文州( 2 0 0 1 年) 将高密度电法用在高速公路高架桥岩溶地区 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 3 地质勘探中；刘晓东等( 2 0 0 1 年) 在管线探测、物探找水、岩溶及地质灾害 调查等工程物探中使用了高密度电法；王玉清等( 2 0 0 1 年) 在商层建筑选址 工作中应用高密度电法，对区内浅层洛洞的平面分布情况和空间展布形态进 行勘探，从环境与地球物理角度对工程选址及地基处理提出了合理的建议： 杨湘生( 2 0 0 1 年) 在湘西北岩溶石山区我水中应用高密度电法，在确定最佳 井位方面发挥了重要作用；张献民等( 1 9 9 4 年) 应用高密度电法探测煤田陷 落柱；刘康和等( 1 9 9 4 年) 采用高密度电法等，查明了地表下一定深度的断 层：侯烈忠等( 1 9 9 7 年) 通过对某机场主跑道高密度电法实测资料的处理和 分析，简述了所探测的异常体在多种处理图件上的反映特征及高密度电法在 地基勘探中的效果；王士鹏( 2 0 0 0 年) 在水文地质和工程地质中应用高密度 电法，在寻找地下水，查明采空区，探测岩溶发育带和划分地层诸方面得到 了应用值得一提的是，王传雷和董浩斌等( 1 9 9 9 - - 2 0 0 1 年) 将高密度电法 应用于长江堤坝坝体电性随长江水位变化研究中，提出了用高密度电法来监 测堤坝隐患的发展；徐义贤、董浩斌等( 2 0 0 0 年) 使用高密度电法对树根分 布情况进行探测，从而提出了对名优树种进行科学施肥的方案。 高密度电阻率法在国外也被广泛应用于湖底及浅海海底电阻率分布研 究、堤坝隐患探测、地下水探测、隧道开挖方案的确定，污染物侵蚀分布情 况的探测和岩溶探测等方面。 i 4 本论文主要成果 本论文在前人研究成果的基础上，结合工程应用中的实际情况，运用有 限元、数值模拟方法及电阻率正演分析、二维成像处理技术，主要取得了以 下几方面的成果： ( 1 ) 比较传统电法的特点，总结高密度电阻率法工作原理，归纳了各 种装置的二维反演数据输入流程； ( 2 借鉴前人工作成果，并结合自己的实践经验，研究了高密度电阻 率法野外实际工作方法，并针对具体条件和问题，提出合理的解决方案； ( 3 ) 用温纳和偶极装置验证了比值参数的处理效果；并采用边界单元 法对高密度电阻率法资科进行地形改正，实例验证效果良好； ( 4 ) 研究视电阻率( b ) 畸变产生原因，归纳畸变数据处理流程，并 辽宁工程技术大学硕士毕业论文4 针对浅部畸变现象，提出了解决方法和处理手段； ( 5 ) 在总结高密度电阻率法正演规律的基础上，提出用室内模型进行 数值模拟的实验方案，并给出具体的二维有限元正演模拟流程； ( 6 ) 分析二维地电断面最小二乘法反演原理及实现步骤，并用具体实 例进行验证； ( 7 ) 结合四个工程应用实例，研究高密度电阻率法解译技术，总结出 不同装置方式条件下的反演规律。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文5 2 高密度电阻率法基本理论 高密度电阻率法是根据水文工程及环境地质调查的实际需要而研制的 一种电探系统，该系统包括数据的采集和资料处理两部分乜”。现场测量时， 只需将全部电极布设在一定间隔的测点上，然后用多芯电缆将其连接到程控 式多路电极转换开关上，电极转换开关是一种由微片机控制的电极自动转换 装置，它可以根据需要自动进行电极装置形式、电极距及测点的转换。测量 信号通过电极转换开关送入微机工程电测仪，并将测量结果依次存入随机存 储器后，将数据回放到微机上便可按给定程序对原始资料进行处理。 由于高密度电阻率法可以实现数据的快速采集和微机处理，从而改变了 电法勘探的传统工作模式，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，使电法 勘探的智能化程度向前迈进了一步。图2 - i 为高密度电阻率法勘探系统结构 示意图口”。 r 一- 一 幽2 1 高密度电阻率法勘探系统结构示意图 2 1 高密度电阻率法工作原理 高密度电阻率法与常规直流电法一样，是以探测地下目标体与围岩之间 的导电性差异为基础的一种地球物理勘探方法。当人工向地下加载直流电流 时，在地表利用相应仪器观测其电场分布，通过研究这种人工施加电场的分 布规律来达到解决地质问题的目的。因此我们就要研究在施加电场的作用下， 辽宁工程技术太学硕士毕业论文 6 地层中传导电流的分布规律。 高密度电阻率法在求解简单地电条件的电场分布时，通常采用解析法， 即根据给定边界条件，解拉普拉氏方程让”： v 2 u = 0( 2 - 1 ) 它概括了稳定电流场所满足的基本实验定律，反映了稳定电流场的内在 规律。但由于解析法能够计算的地电模型非常有限，在研究复杂地电结构的 异常分布时，无法求得拉氏方程的解析解时，主要还是采用各种数值模拟方 法。例如：二维地电模型使用点源二维有限元法、三维地电模型则使用有限 差分法等来解决上述问题。 高密度电阻率法在工作时，电阻率的求解是通过给a b 极供电，利用蜊 极测量电位差v y 而获得( 图2 - 2 ) 。 在实际工作中，通过公式尸；x 孚可以求得测点x 处的视电阻率值。其 中k 为装置系数，满足下列关系式： 肛臣南 2 ) a m a nb m b n ) a b n 。 图2 - 2 任意四级装置示意图 2 2 高密度电阻率法相对传统电法的特点 高密度电阻率法( h i g h d e n s i t yr e s i s t i v i t y ) 采用直流激发源，抗人 为噪声干扰，对勘探现场无破坏作用相对其它物探技术，在城市人口居住 辽宁工程技术太学_ 碗士毕业论文 7 区或工业区周围的探测具有明显优势。它相对于常规电阻率法具有如下优点； ( 1 ) 电极布设一次完成，测量过程中无须更换电极，这不仅减少了因电极 设置引起的干扰和故障，减小了测量误差，而且大大提高了工作效率，为野 外数据的快速采集和自动测量打下了基础。 ( 2 ) 能有效的进行多种电极捧列方式的测定与组合扫描测量，提供数据量 大、信息多，因而可获得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，而且避 免了由于手工操作带来的误差和错误，减轻了劳动强度。并且观测精度高， 分辨率高，探测的深度也很灵活。 ( 4 ) 可以对资料进行预处理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。 由于上述特点，使高密度电阻率法与常规电法相比，具有成本低、效率 高，反映信息丰富、直观，资料解释方便等特点，也因而使得电法勘探能力 显著提高 2 3 高密度电阻率工作方法 2 3 1 二极法 高密度电阻率二极法的电极排列原则为：将一个供电电极和测量电极置 于“无穷远”，然后依次对某一电极供电，同时利用其余电极的一部分依次进 行电位测量，按照下述公式计算视电阻率，并将计算视电阻率落在相应位置 构成二维视电阻率断面图。 p o = 2 翮，j ( 2 3 ) 其中a 为电极间距，妒为二极法配置的电位理论值，为传导电流。 图2 3 为二极装置时，高密度电阻率法采集剖面的形成过程 2 3 2 三电位电极系 高密度电阻率法二级排列是一种很好的设计方案，但由于必须增设两个 无穷远极，给实际工作带来很大不便，并且当测量电极逐渐远离供电电极时， 电位测量幅度变化较大，需经常改变电源，不利于自动测量方式的实现，因 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 8 此一般采用三电位电极系。“ 一8 c p 图2 - 3 二极装置采集剖面的形成过程 三电位电极系是将温纳四极( a m n b ) 、偶极( a b m n ) 及微分( a m b n ) 三 种不同装置按一定方式组合所构成的一种统一测量系统其三种方式分别称 为瓠风，装置，当点距为a 时，其极距的设定满足下列关系式： ：= 玎a ( 刀= 1 2 3 1 5 )( 2 - 4 ) 其中n 为隔离系数。 我们在使用三电位电极系时，其它供电电极在测量电极之间所产生的电 位差有如下关系： v u a = v u p + v u 7( 2 - 5 ) 当供电电流为一定值时，三者之问的阻抗关系满足下式： 五4 = r p - 4 - r 7( 2 - 6 ) 引入视电阻率和装置系数k 后可得： 譬：芷+ 芷 ( 2 - 7 ) 足4 k pk r 一 整理上式变为： 办南= 参+ 参8 ， 墨，1k 7 极距为z 的三种排列装置( 即舐夙，装置) ，其系数k 依次为；置。= 娩、 k p = 6 忽、k r = 拥时，上式可依次写成： 办喜专岛7 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 9 p = 3 p ：一乞p ： 岛7 = 去( 3 8 4 一见趴 ( 2 - 9 ) 二 以上即为传统的三电位电极系，当已知其中任意两种视电阻率参数时， 通过上式就可计算出第三种参数。 2 3 3 三极装置( 滚动三极和双边三极) 由于三极装置具有对异常体更强的分辨能力和便于进行测量剖面拼接 的特点，三极装置特别是滚动三极装置近年来得到了广泛应用。 三极装置在野外工作中，需要设置一个无穷远电流极，然后用一组测量 电极测量距供电极不同距离的电位差，以实现对地下地电体的探查。电阻率 计算公式如下，其中n 为隔离系数，a 为电极间距： 岛= 2 n ( n + 1 ) x a v i i ( 2 - 1 0 ) 野外测量时，首先将排列的前两极选为测量电极，然后将第三极选为供 电极，进行测量得到第一个数据，放在m n 的中点上，深度为供电极和一对测 量极中点的距离；测量点保持不交，依次移动供龟极便得到m n 下方的一组涌 量值，到供电电极移到设定隔离系数点时，将测量排列的最后两极选为测量 电极，倒数第三极为供电极进行测量，反向移动供电极，测量电极保持不动 进行测量便得到另外一组数据，当供电极到排列的起始位置时，测量电极向 前顺移一个电极，如上重复进行测量，最终得到一个矩形测量断面。如果， 测量时不进行反向测量，只进行单向连续测量，称之为单边滚动三极，其中 m n b 排列方式叫b 三极，a m n 方式叫a 三极；双向测量的情况下，称为双边滚 动三极。从测量成图过程我们可以看出，三极装置最终的测量剖面为一矩形 区域，这样容易进行长剖面的分拆和拼接。 2 3 4 四极装置 严格说来，三电位电极系便是一组四极装置。由于满足不同探查要求的 需要和无固定码选址开关的出现，现在我们可以实现任意组合的高密度采集 装置。如：被普遍采用的施伦贝尔方式( 即对称四极、测量电极洲的间距始 终保持不变) ，测量实现过程和传统过程相同。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 l o 本论文实验采用d u k - 2 高密度电阻率法测量系统( 图2 - 4 ) ，数据处理采 用与d u k - 2 高密度电阻率法仪器配套的r t 成像软件。d u k - 2 为中国地质大学 与重庆地质仪器厂联合研制开发的一种智能化电法勘探系统。它兼容了剖面 法和测深法，实际测量时只须利用电极转换开关，便可将每四个相邻电极进 行一次电性组合，从而在一个测点便可获得多种电极捧列的测量参数。 豳2 4d u k 一2 高密度电阻率法测量系统 2 4 高密度电阻率法二维反演数据输入流程 高密度电阻率法的二维反演软件主要包括数据准备模块、反演计算模块 和结果显示模块，”。数据准备、反演计算和结果显示3 个处理过程成顺序关 系：数据准备过程提交反演的实测数据，反演计算最终得出反演结果数据， 结果显示用于显示反演结果和反演结果误差。因此，数据准备、反演计算和 结果显示3 个过程又相对独立。 在二极、三极和偶极一偶极装置高密度电阻率法中，电极的移动具有规律 性，野外工作方法和数据点的记录方式也很相近。因此，数据输入模块设计 可以大体采用相同的模式，简化后的数据输入选项和输入流程见图2 5 。 对称四极装置的工作方式不同于其它装置，极距变化很大，a b 2 小到 0 5 m ，大到上百乃至上千米；随着a b 2 的变化，m n 2 也有变化。为了方便用 户数据输入，对称四极数据的输入格式沿用了习惯的方式，即输入格式为： a b 2 m n 2 和电阻率，简化后的输入内容和输入流程见图2 6 。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 图2 - 5 二极、三极和偶极一偶装置数据输入流程 对称四极数据输入 网格 比例 s c a l 有无高 程数据砂； 兀 有i 输入或文件 导入地形高 程数据 二维电阻率 测深点个数 数据反演 l - t 一 输入和文件导 入各测深点上 电极距以及对 应的实测数据 输入数据处理 和网格建立 图2 - 6 对称四极装置的数据输入流程 各测深点上供 电电极个数和 各测深点间隔 二维反演 数据文件 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 3 高密度电阻率法野外工作方法研究 无数的工程实践证明，在高密度电阻率法勘探工作中，野外数据的采集 工作是最重要的基础工作，甚至关系到高密度电阻率法勘探的成败为确保 野外数据采集的高质量效果，在准备阶段、接地电阻测试阶段和数据采集阶 段必须采用正确的工作方法，注意所产生的问题，并给予合理的解决方案。 3 1 野外工作准备阶段 3 1 1 确定适宜的布线条件 在高密度电阻率法仪器设备中，电缆上的电极间隔均匀分布，例如电极 ， 距5 m 、1 0 m 等，因此，在实际的工作中需要满足以下条件： ( 1 ) 电极距不能太大，如果实际的电极距大于电缆上的电极间隔长度， 必须附加电线才能工作，工作效率会大大降低。 ( 2 ) 地面起伏不能太大，地面起伏太大会使电极的水平位置发生较大 的偏差，一个电极的位置变化会对后续电极的位置都有影响，为采集数据的 解释带来不便口”。 3 1 - 2 分析探测对象 在开展工作之前，首先必须分析研究所要调查对象的分布形态和物理性 质以确定方法的可行性。如果探查对象的电阻率和周围介质的电性差异很小， 所要探查地层的厚度和异常体的体积与其埋深的比值显得过小，用电阻率方 法进行探查就显得非常困难。 3 1 3 收集相关资料 同地层介质的弹性波速度相比较，影响介质电阻率的因素更多。比如， 探查对象构成物质的颗粒电阻率、孔隙度、含水饱和度、孔隙水电阻率、温 度等。另外，地层岩体的生成年代不同，形成后是否经历构造运动，热液变 质作用，风化作用等因素也影响了电阻率值的大小因此，在对探查的电阻 率结果进行详细解译的时候，所对比应用的材料越多越好同时应该收集地 质踏勘资料，钻孔资料、测并资料、室内岩土实验资料等有用资料 3 1 4 确定观测装置及电极极距 高密度电阻率法的数据观测装置多达十几种，在实际工作中，由于实测 数据的好坏是方法和解释成败的关键所在，人们总是希望观测的数据有好的 辽宁工程技术大学硕士半业论文 1 3 精度和可信度，能较好的反应测区的电性变化，若有异常体存在，人们总是 希望观测到的数据能较好的反应异常体的高低阻特征和有较大的异常区分。 同时由于时间及经济条件等因素，不可能对每种装置都进行观测，因此必须 有针对性的根据不同的地质任务来选择个别装置进行数据采集，以达到最佳 的勘探效果。 根据野外实践经验，现把装置选择规律归纳如下：探测高阻异常体时首 选的观测装置是三极装置，探测低阻异常体时，首选的观测装置是偶极一偶极 装置：探测深部异常体时最好选用三极装置；当测区由浅部到深部要求全面 探测时，建议小极距用偶极一偶极装置观测，大极距用三极装置观测。 极距的设定即供电电极距a b 和测量电极距m n 的确定。供电电极距a b 的大小一般视目标体的埋藏深度而定，应满足关系式：a b 盈h ( h 为探测深度) 而测量电极距m n 的确定一般视目标体的范围大小而定，它与横向分辨率的要 求有关。一般要提高分辨率，就要减小电极距m n 。 高密度电阻率法工作时，其供电电极与测量电极是一次性布设完成的。 通常情况下，经由仪器的电极转换开关控制，排列中的某两根电极既作为供 电电极a b ，在下一组组合测量时又要作为测量电极m n 。我们在工作时，总希 望探测深度要深( 即a b 要大) ，又不会漏掉小的异常体( 即m n 要小) 要提 高横向分辨率，就要牺牲它的探测深度，反之亦然。所以我们在设计极距时， 既要充分考虑探铡深度，又要兼顾横向分辨率。 3 1 5 确定探查深度和测线长度 设计探查深度是在电极排列布置前所要考虑的工作随着电极间距的拉 大，测量耪度降低，因此，设计探查深度d 应约为探查目标体深度d 的1 5 倍。如果现场条件允许的情况下，2 倍为最佳。如图3 - 1 所示。 高密度电阻率法的探查深度，从野外施工的角度来说，最大可达到5 0 0 m 的深度，分布方式由于受采集系统的器件性能的影响，探查深度还要浅一些。 测线两端区域，采集数据和进行分析的精确度降低，测线的总长应为探 测区域的分布长度i 加上两侧各d 2 ( 探查深度的一半) 的长度。如图3 - 1 所示。测线总长( l ) = ( 设计探查深度d 2 ) + ( 探查对象区间长i ) + ( 设计 探查深度i ) 2 ) 。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 1 5 布设测线时，应尽量避开地形起伏较大的地点； 远电位电极应尽量布设在接地电阻低，地电干扰源少的地方； 电极捧列设置应尽量避开高压电线。 3 1 7 场区地形和人工构造物的影响 在数据采集过程中，电法仪所铡得的电位值，不仅和地下构造的分布有 关，还受地形变化的影响。一般来说，凸地形情况和平坦地形相比，测得的 电位值( 电阻率值) 偏大，凹地形情况下电位值( 电阻率值) 则偏小。 高密度电阻率法所探测的结果是测量装置下方地电介质的分布情况，是 地下构造和地形起伏双重影响下的电阻率二维断面图。沿测线方向地形变化 的影响必须要改正，如果测线横穿陡崖或角度大予4 5 。度的斜坡，很容易发生 伪像，这种情况下地形改正就显得尤为重要。测线横穿区域地形变化可通过 有限元、边界元等方法进行地形校正，但测线两侧地形变化很大的情况下， 很难找到合适的数学校正方法。在这种情况下，通常垂直测线方向做一条辅 助测线进行比较，以确定伪像的有无和数据结果的可靠程度 铁路、地下埋设的金属管线，高压电线，钢筋混凝土建筑物、金属堆积 物等人工构造物对高密度电阻率法测量的精度影响很大。由于这些构造物和 周围介质相比表现为低阻特征，吸引电流集中流向这里，使测得的地层真实 电阻率值变化很大。因此，野外布线时应尽量避开这些构造物。如果不能避 开的话，在野外布线时，应注意下面几点： ， l 、如果测线必须横穿构造物，要尽量使测线横穿构造物的距离达到最 短( 垂直构造物的长轴走向) 。横穿高压线的情况下，测线要垂直高压线布设， 为了减小感应电流的影响，测线要尽量从楣邻铁塔的中央通过( 如图3 2 ( a ) ) 2 、当测线从构造物的旁侧通过时，若构造物沿测线方向的长度大于探 测深度，测线与构造物的距离要大于探测深度：若构造物的长度小于探测深 度，测线与构造物的距离要大于构造物的长度( 如图3 2 ( b ) ) 。 3 、当测线从构造物的旁侧通过时，如电极排列的电极距大于构造物沿 测线方向的长度( 口卜苫) ，构造物对测量结果的影响较小( 如图3 2 ( c ) ) 辽宁工程技术大学项士毕业论文1 6 铁塔 高压线 、- 一 i ， 测 线 ( a ) _ _ _ _ _ _ l i 口障 构造物i l i ( b ) ( c ) 圈3 2 野外施工测线布置示意图 3 2 野外接地电阻测试阶段 进行数据采集前，必须先检测接地电阻，确保各电极接地电阻准确无误 后，再进行各种装置的测量实验。根据野外实践经验，本文把野外电阻测试 阶段遇到的问题及解决方法归纳如下： ( 1 ) 接地电阻检测过程中，如发现某电极电阻大于1 0 0 硒。掰，系统会 自动停止检测，产生这种问题的原因有多种，如电极与大地接触不良、有电 极遗漏未布设或电极布设在较软土层上等。针对这种现象，我们需要找出有 问题的电极，分析电阻过大原因，重新进行合理布设。 ( 2 ) 在接地电阻检测过程中，如发现接地电阻全部为零，表明电极短 路。因为高密度电阻率法测量采用直流电源，多个电池盒之间互相串联，在 野外工作时，需要细心谨慎，不要把红黑接线柱搞错。 ( 3 ) 在接地电阻检测过程中，如发现电阻值固定不变，原因是电极转 换开关上的m n 与主机上的m n 接线柱接反，测量电极m n 没有正常工作，a b 供电电压一定，导致接地电阻为常数。 ( 4 ) 在野外检测接地电阻时，我们需要时刻观察各电极电阻情况，如 发现电阻过大或过小，都需要重新布设出错电极，保证电阻数据的均一性和 有效性，为后续数据处理提供可靠数据。 丑 0 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 1 7 3 3 野外数据采集阶段 高密度电阻率法现场数据采集时，通常有数十几百毫安的电流从地层 中流过，若碰到供电电极，便会有触电危险，因此在供电电流l 米的范围内， 人和牲畜不许靠近在设置远电流电极时，需要专门人员进行看护或立“危 险l 有电l ”字样的告示牌。数据采集过程应尽量避免和一些爆破工作、电力 作业工作同时进行h ”。 辽宁工程技术大学项士毕业论文 1 8 4 高密度电阻率法数据处理研究 4 1 修饰性数据处理 地下不均匀体的存在、布设电极的接地电阻大、地形起伏及地质噪声等 因素的影响，都会产生干扰异常。为得到真实的结果，一般要对采集到的原 始数据进行预处理，以达到剔除于扰异常的目的。预处理主要是针对这些在 实际工作中经常遇到的问题所作，以便为后续实质性处理做好准备。 以本论文实验所用r t 成像系统为例，预处理方法主要包括无穷远电极 校正、剔除突变点、平滑、相邻断面的数据切割和拼接( 如图4 一1 ) 等几个 方面 ， 蕊爨镌j 融理懋淞缀正( 渗辉翳避瓣崩鬓勇霹堍。期糍 t 黎溪晦黪杖瞪笺 耍 蠢数黼撞”| 麓皴剜弱除 ，j 萋兰塑； ：i 爹翻蕊掰黼罚 l 釜；型要塑璧鬯鲞 图4 一ld u k 一2 高密度电法数据预处理 4 1 1 远电极校正 在二极装置应用过程中，无穷远电极不能设为。无穷远”的情况下，需 要进行无穷远电极校正。 二极配置的测定值为电位分布，即用一对供电电极进行供电，、一对测量 电极进行电位差测量。通常在四极装置情况下，若均质地层的电阻率值为p ， 电流强度为i ，则电压的表达式为： 矿= 2 石( 1 i l ，i 2 一l ，2 l + 1 ，) ( 4 一1 ) 二极法配置的电位理论值为； 口= 2 研i ( 4 2 ) 比较( 4 一1 ) ，( 4 2 ) 可以看出，只有当，1 2 、吒。、饧无穷大时，v 和。的值 大致相同，在实际测量过程中，弓：、，2 l 、吃总不能布设到无穷大，因此，实 际测量的视电阻率值总比理论值要小。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 1 9 为了比较无穷远电极的影响，测定值v 和理论值m 的比为： ，= 矿，o = ( 1 ，l l ，2 1 ，吃l + 1 ，屹) ，( 1 ， 1 ) ( 4 3 ) 这里的f 称为无穷远电极校正系数。 从二极的电位数据。公式推出的视电阻率计算公式为： 岛= 2 神， ( 4 4 ) 由( 4 3 ) 和( 4 4 ) 两式可推出视电阻率校正公式为： 儿= 蔫， ( 4 5 ) 由公式( 4 5 ) 可以根据实际布设电极的坐标位置对实测的电阻率值进行校正， 以便使装置形式换算成真正意义上的无穷远，而不需要苛求将c 2 和p 2 拉的 足够远。 4 1 2 剔除突变值 在实际工作中会发现：由于电极接触不好或其它各方面的干扰原因，常 使数据断面出现一些虚假点或突变点，忽大忽小，和相邻电阻率相比有数十 倍的差距，进而造成电阻率拟断面图的虚假异常，难以对其进行准确解释。 在野外，当电极打好后，同一根电极可能是供电电极或测量电极，如果 某个电极接触不好，对于供电回路直接影响着供电电流的大小，从而影响电 位差的测量精度；对于测量回路，会产生读数不稳定或出现假异常现象。图 4 2 是电极接触不好时的三种断面记录情况；( 1 ) 是接触不好或有问题的电 极位于剖面中部，使数据断面形成两个“八”字型假异常；( 2 ) 是接触不好 的电极靠近剖面的左边，使断面记录成“”型异常；( 3 ) 是接触不好的电极 靠近剖面的右边，使断面记录成。”型异常拍” ( 2 ) ( 3 ) 图4 2 虚假异常及突变点异常图 在野外无法改善电极接触条件时，只能先将数据记录下来，后剔除数据 熬 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 2 0 断面中的虚假点或突变点，本文中提出了一种快速、高效剔除突变点的方法， 这在以后章节会详细介绍。 4 1 3 数据平滑处理 在数据测量过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为消除这些随机 干扰的影响，可以采用数据滑动平均方法进行数据处理，本文设置滤波公式 如下： d ( 1 ，力= ( 1 一呢) 2 d ( 1 一一1 ) + 形d ( 1 ，1 ) + ( 1 一形) ，2 d ( 1 ，一+ 1 ) ( 4 6 ) 式中1 ，n 分别为数据点在电阻率二维剖面中的坐标位置。形为平滑度 调节系数。一般情况下，1 2 呒2 l 3 。滑动平均数据捧列示意图见图4 3 。 oooooo ooooo o d ( 1 ，n - 1 ) d ( 1 ，n )d ( 1 ，n + 1 ) 图4 3 滑动平均数据捧列图 若取平滑度调节系数呒为2 3 。则( 4 6 ) 式变为： f ，( 1 ，功= l ，6 d ( 1 ，胛一1 ) + 2 3 ，帕+ l ，6 d ( 1 ，丹+ 1 ) ( 4 7 ) 用( 4 7 ) 式对一偶极装置原始测量剖面( 图4 4 ) 进行了平滑处理( 图 4 5 ) ，比较两处理后图像可知；在水平方向2 8 m 4 8 m ，竖直方向4 m 1 6 m 处 有一条带状低阻异常；水平方向6 4 m ，竖直方向l o m 处有一环行低阻异常； 水平方向7 6 m 7 8 m ，竖直方向1 2 m 1 6 m 处有一环行高阻异常。在偶极装置 原始测量剖面图4 4 上，三处异常带界限不明显：经过( 4 7 ) 式平滑处理后， 高频成分减少，保留了有用的低频成分，异常特征更加明显，可以很清晰地 圈出异常体结构位置及其平面形态。 因此，在测量误差很大的时候，不进行光滑处理容易出现干扰异常，为资 料解译带来困难，但也应注意如果光滑处理过度。会减低分辨率。 辽宁工程技术大学项士毕业论文 2 l 图4 4 偶极装置原始视电阻率及三次反演图 图4 5 平滑后的视电阻率及三次反演图 4 1 4 数据拼接 数据拼接主要是对两相邻数据断面重叠的部分迸行处理。在实际工作 中，经常会遇到长剖面测量中两相邻断面有数据重叠的部分，如图4 6 ，为 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 2 2 能够对长断面数据进行解释，而且还要避免在重叠区域因处理不当压制异常 成分或造成伪异常，敌对重叠数据进行再处理。其处理方法主要是对重叠数 据取平均值，并沿剖面方向作五点三次平滑，使两相邻数据断面在重叠区能 够平滑过渡。 i b 图4 6 两相邻数据断面衔接示意图 4 1 5 实例验证 为验证修饰性数据处理效果，本论文利用直径为2 0 厘米的橡胶管做了 电极距为0 5 m 的高密度电阻率法测量实验，最大隔离系数1 8 ，基本上无地 形起伏 + 如图4 7 和图4 9 分别为同一剖面的温纳和偶极装置高密度电阻率法测 量原始图像，图4 8 和图4 1 0 分别为温纳和偶极剖面经过修饰性处理后的图 像。 围4 7 温纳装置原始测量图像 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 图4 8 温纳装置修饰性处理后图像 图4 9 偶极装置原始测量图像 图4 一1 0 偶极装置修饰性处理后图像 。 从图4 7 与图4 8 的比较及图4 9 与图4 一l o 的比较可以看出，高密度电 阻率法的原始图像由于受到各种干扰及畸变点的影响，不能准确的反映地层 分层及异常结构形态经过修饰性处理后，不利频段成分和锯齿状边缘消失， 各分层界线平滑过度，异常特征较明显，易于后处理解译工作的顺利进行 4 2 实质性数据处理 4 2 1 比值换算 在联合剖面法实际工作时，地表覆盖层中局部电性不均匀体的存在将导 致见。与展5 的同步跳跃，使联剖曲线的异常特征难以辨认，给资料的解释带 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 来困难，我们可用比值( 名) 参数减弱或消除其影响，比值( a ) 参数所绘 制的曲线又称为歧离带变化率曲线，其计算公式为： 五( f ，f + 1 ) = ( 4 8 ) 式中见( d 及见o + 1 ) 分别表示剖面上相邻两点的视电阻率值，我们把计算结果 示于第f 点与i + l 点之间。若令f 。 = 凡。妨，见4 ，f 。+ 1 ) = 岛。+ 1 ) ，所8 ( i + 1 ) 则l g 名( f ，i + 1 ) = 1 9 f 。( d l g ，。( ，+ 1 ) 曲线l g f 。的差商为( 一) 一l g “+ 缸) 】缸，令缸= 1 ，则l g a 即为l g 曲线的差商，或者说l g a 描述了歧离带曲线沿剖面水平方向的变化率”。利 用比值参数丑的平面剖面图和拟断面图，可以研究观测剖面横向电阻率变化 特征，并据此确定断层和裂隙发育带的位置、含水性及倾斜方向等d ”。 另一类比值参数是直接利用三电位电极系的测量结果并将其加以组合 丙构成，考虑到三电位电极系中三种视参数的分布规律，本文选择并设计以 偶极和微分两种电极排列的测量结果为基础的一类比值参数，该比值参数的 计算公式为： r o ) = 岛，成7 仰 ( 4 9 ) 式中见4 和以7 分别为卿，电极排列的视电阻率值，比值参数r 的分布变化 特征既包含了垂向电阻率变化的信息，又反映了横向电阻率的变化。 如图4 4 和图4 一1 2 分别为偶极和微分装置原始视电阻率剖面，目标体为 处于3 2 号电极附近直径为2 0 c m 、埋深约为1 m 的橡胶管，最大隔离系数1 8 ， 电极间距2 m ，有轻微地形起伏。图4 1 l 和图4 一1 3 分别为比值参数r ( f ) 所对 应的偶极和微分装置削面图。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 图4 一l l 比值参数r ( f ) 对应偶极装置剖面图 图4 1 2 微分装置视电阻率及三次反演图 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 图4 1 3比值参数r ( o 对应微分装置剖面图 分析图4 4 和图4 一1 2 可知：偶极装置与微分装置的电极排列在同一地 电体上所获得的视电阻率具有相反的变化规律。两装置视电阻率断面图上， 总体表现为竖直方向4 m 8 m 范围内的四处低阻异常，分别位于水平方向6 m 4 4 m 处，5 0 m 6 0 m 处、6 6 m 7 8 m 处及9 2 m 1 0 4 m 处。 分析比值参数r ( o 处理后所对应的偶极和微分剖面图知：利用比值参数 r o ) 所绘的比值断面，在反映地电结构和异常特征的分布形态方面远较相应 捧列的视电阻率断面图要清楚和明确的多，使高阻和低阻分别突出显现，有 利于图像解译。尤其是图4 一l l 表现了偶极装置特有的对表层浮土较灵敏的视 电阻率特征。 4 2 2 地形改正方法研究 高密度电阻率法与其它电磁场测量方法一样，观测的视电阻率曲线亦受 地形影响而发生畸变，常使反演结果出现假异常层或假构造。在实际工作中， 起伏较大的地形引起的电性异常足可以掩盖真异常，从而大大地增加分析难 度甚至失去探测意义 ”。 辽宁工程技术大学硕士毕业论文 2 7 基于前人研究成果，本文采用边界单元法对高密度电阻率法资料进行地 形改正。相对于有限元等数值方法，边界元法用于地改，可大大节省内存， 加快