（计算机应用技术专业论文）集成化电法处理解释系统研究.pdf

论文题目：集成化电法处理解释系统研究 专业：计算机应用技术 硕士生：康鲲鹏( 签名) 指导教v i l i ：秋兴国( 签名) 摘要 麂鱿槠 本文在介绍电法勘探知识的基础上详细说明了集成化电法处理解释系统的研究方 法和实现过程。我们开发的解释系统能够接收常规、高密度电法仪和音频电透仪中的数 据并将数据存入临时表中，然后对临时表中的数据进行诸如修改、生成视电阻率、插值、 全一半空间转换、k 剖面等预处理。处理结果放入标准工程数据库中。以后的所有工作 都将围绕该数据库展开，包括一、二维正反演处理；音频电透处理；提取信息生成原始 测深曲线绘图接口文件、原始剖面曲线绘图接口文件、平面剖面绘图接口文件、一维反 演处理接口文件、一维反演结果绘图接口文件、一维正演处理文件、二维原始断面绘图 接口文件、二维反演处理接口文件、二维反演结果绘图接口文件和二维正演处理接口文 件等。系统根据生成的这些接口文件进行相应的处理和绘制各种电法图件，形象的向用 户展示地质构造情况。 集成化电法处理解释系统是陕西省产业化培育项目。该系统在d e l p h i + v c 联合环 境下开发完成，运行在微型计算机的w i n d o w s 环境下。在研制过程中，本人主要承担 数据接收和预处理、数据维护、接口文件的生成、正反演数据处理等功能模块的开发， 本文是就以上工作的总结。 关键词：电法；正演；反演；视电阻率；阻尼因子 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ha b o u tp r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t i v es y s t e mo f i n t e g r a t e de l e c t r i c a lm e t h o d s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：k a n gk u n p e n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：q i ax i n g g u o a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 舷盈避獐竺 t h ep a p e ri l l u s t r a t e st h er e s e a r c hm e t h o da n dr e a l i z a t i o np r o c e s so f t h es y s t e md e t a i l e d l y b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no ft h e o r e t i c a lk n o w l e d g es y s t e m a t a c i a l l y t h es y s t e mc a na c c e p t d a t at r a n s m i s s e df r o mn o r m a l ，h i g h - d e n s i t ye l e c t r i c a lp r o s p e c t i n ga p p a r a m sa n da c o u s t i c f r e q u e n c ye l e c t r i c a lp r o s p e c t i n ga p p a r a t u s t h e ns t o r et h e d a t ai n t ot h et e m p o r a r yd a t a b a s e a n dg oo ns u c ha sd a t am o d i f i c a t i o n ，a p p a r e n tr e s i s t i v i t yc a l c u l a t i o n ，i n t e r p o l a t i o n , w h o l e - h a l f s p a c ec h a n g i n g ，kp r o f i l ep r o c e s s i n ga n ds oo n p r o g r a ms t r o r e st h er e s u l t si n t ot h es t a n d a r d p r o j e c td a t a b a s e a l lw o r kl a t e rw i l lb el a u n c h e da r o u n dt h i sd a t a b a s e ，i n c l u d i n g ：o n e d i m e n s i o ni n v e r s i o n ，t w o d i m e n s i o ni v e r s i o n ，o n e d i m e n s i o nf o r w a r d ，t w o - d i m e n s i o nf o r w a r d ，a c o u s t i c f r e q u e n c ye l e c t r i c a lp r o s p e c t i n gp r o c e s s i n g ；d r a wi n f o r m a t i o nf r o md a t a b a s ea n dp r o d u c e p r i m i t i v es o u n d i n gc u r v ed r a w i n gi n t e r f a c ef i l e ，p r i m i t i v ep r o f i l ec u r v ed r a w i n gi n t e r f a c e f i l e ，p r o f i l e i n p l a nd r a w i n gi n t e r f a c ef i l e ，o n e - d i m e n s i o n i n v e r s i o np r o c e s s i n gi n t e r f a c e f i l e ，o n e d i m e n s i o ni n v e r s i o nr e s u l t sd r a w i n gi n t e r f a c ef i l e ，o n e d i m e n s i o nf o r w a r dd r a w i n g i n t e r f a c ef i l e ，t w o d i m e n s i o np r i m i t i v es e c t i o nd r a w i n gi n t e r f a c ef i l e ，t w o d i m e n s i o ni n v e r s i o n p r o c e s s i n g i n t e r f a c e f i l e ，t w o d i m e n s i o n i n v e r s i o nr e s u l t s d r a w i n g i n t e r f a c ef i l ea n d t w o d i m e n s i o nf o r w a r dd r a w i n gi n t e r f a c ef i l e ，t h es y s t e mp r o d u c e st h ec o r r e s p o n d i n g e l e c t r i cm e t h o dg r a p h i c sa f t e r f i n i s h i n gv a r i o u st r e a t e m e n t a n ds h o w i n gt h eg e o l o g i c a l s t r u c t u r es i t u a t i o nt ou s e rv i v i d l y p r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t i v es y s t e mo fi n t e g r a t e de l e c t r i c a lm e t h o d i se d u c a t i o n a l i n c u b a t i o np r o j e c to fs h a n x ip r o v i n c e w eu s ev ca n dd e l p h ia sam i x e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h es y s t e mr u ni nw i n d o w s d u r i n gw ed e v e l o p e dt h es y s t e m ，w h a tic h a r g e di s d a t ac o m m u n i c a t i o n ，p r e p r o c e s s ，d a t am a n a g e m e n t ，i n t e r f a c ef i l ep r o d u c i n ga n ds oo n k e vw o r d s ：e l e c t r o n i c a lm e t h o df o r w a r d l e a s t s q u a r e si n v e r s i o n d a m p i n gf a c t o r s t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技出肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：麂黼期：工， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：庭参釉静鹋指导教师签名： 私芳f 习 枷臣ff 月，日 1 绪论 1 绪论 本章对课题的背景、研究意义、目的、任务、内容及国内外研究现状等进行介绍， 并对论文的章节内容进行安排。 1 1 选题的背景及研究意义 随着改革开放的进一步深化，我国工业化进程大大加速。各种工程地质勘探、能源 勘探以及施工和开采过程中对安全因素越来越高的要求都提出一个共同的问题，那就是 如何有效的采集地质数据并用计算机对其进行处理以得出勘探区域的地质分析结果，从 而为以后的工作提供详尽的数据资料和决策支持。这也就意味着研制功能完善而且解释 精度高的电磁法勘探处理软件将成为一个亟待解决的问题。 所谓电磁法勘探就是根据地壳中各类岩石或矿体的电磁学性质( 如导电性、导磁性、 介电性) 和电化学特性的差异，通过对人工或天然电场、电磁场或电化学场的空间分布 规律和时间特性的观测和研究，寻找不同类型有用矿床和查明地质构造及解决地质问题 的地球物理勘探方法。主要用于寻找金属、非金属矿床、勘查地下水资源和能源、解决 某些工程地质及深部地质问题。电法勘探的方法，按场源性质可分为人工场法( 主动源 法) 、天然场法( 被动源法) ；按观测空间可分为航空电法、地面电法、地下电法；按电 磁场的时间特性可分为直流电法、交流电法、过渡过程法( 脉冲瞬变场法) ；按产生异 常电磁场的原因可分为传导类电法、感应类电法；按观测内容可分为纯异常场法、总合 场法等。而我国常用的电法勘探方法有电阻率法、充电法、激发极化法、自然电场法、 大地电磁测深法和电磁感应法等。 然而，无论对电法勘探如何分类，无论采用哪一种电法勘探方法，我们都需要实地 的到野外去调查，去采集数据；对于采集到的数据都要进行处理、解释以及将这些数据 所反映的地质概况用曲线、平面图甚至立体图的方式形象地展示出来，这个过程往往要 处理大量的数据。早期采用模拟仪器进行物探工作时，靠人工记录、计算、点图并进行 资料整理和处理解释，工作繁重、费时、效率低下，特别是在绘图阶段，由于要处理的 数据较多，人工绘图难免不精确，这就给以后的工作带来不利的影响。 进入9 0 年代，随着电子技术和计算技术的飞速发展与空前进步，电法勘探技术也 获得了飞速的发展，野外测量的数据可以由具备大容量存储设备的单片机( 电法仪) 记 录、存储并作简单处理，然后回到实验室用计算机将数据从单片机中提取出来作进一步 深入的处理与解释。遗憾的是，对于从电法仪上采集到的数据如何进行解释我们还没有 实现自动化，往往是集中大量人力手工或者借助计算机辅助以半自动化的形式绘制解释 图件。这种方式对于以常规方式进行电法勘探得到的少量数据勉强还可以。然而，随着 西安科技大学硕士学位论文 电法勘探技术作为地球物理勘探的一种主要手段得到广泛应用，导致近几年勘探的方法 和勘探仪器的研究也有较大的发展和提高；施工方法上已由常规的单点发射、接收，发 展到高密度组合式电极排列方式，从而使数据采集信息量大大增加，对于这种方式采集 的海量数据沿用以前的半手工处理则显得力不从心。因此，能否有一个解释精度高、功 能强大的自动化数据处理和解释软件就成为我们地质勘探与施工能否成功或多大程度 上成功的核心问题，也就是说高水平的电法勘探反演方法与软件同先进的电法勘探仪器 配套使用，是取得成功的基本保证【2 儿引。 近些年，我国在电法勘探反演方法理论研究方面取得许多创新成果，但在应用方面 所做的工作却不尽人意。虽然也开发出了处理解释软件，但是总体上来讲，软件功能比 较单一，成图种类比较少，且用户界面复杂不易使用，难以满足数据处理解释的要求。 这表明我国直流电法勘探软件研究仍处在起步阶段，还没有哪一款集处理功能强大、应 用范围广泛、使用简洁、解释清晰明了于一身，从而得到业界普遍认可的软件。所以， 研制一套功能完善、性能先进的电法处理软件具有重大的现实意义和推广价值，将会进 一步推动我国电法技术的发展和仪器的推广使用【4 j 。 1 2 课题的目的和任务 本论文内容是陕西省教育厅产业化培育项目集成化电法处理解释系统的一部分。 目的是在分析研究电法资料处理解释方法的基础上，按照可视化和面向对象的程序设计 原理以及设备无关性思想，研制一套适合高密度电法仪、地面和井下数字电法仪等多种 仪器的电法处理解释系统。更具体地说就是研究集数据通讯、管理、处理、解释和成图 于一体的适用于多种电法方法的具有集成化特点的电法处理解释系统。该系统能够对使 用不同方法测量得到的处理结果迸行比对分析；并提供正反演，k 剖面，全半空间转 换，滤波分析和比值解释等多种数据处理解释手段；系统采用w i n d o w s 图形界面，利 用计算机图形显示技术，实现测深曲线、测深曲线类型、剖面曲线、平面剖面、断面图 等图形的自动生成和输出。 1 3 国内外研究领域的研究动态及发展趋势 1 3 1 国内发展概况 前面我们已经介绍了，电法勘探技术是寻找金属、非金属、煤炭、油气等矿产和地 下水资源的重要而有效的地球物理方法，近年来其应用领域又扩展到地质工程、工程勘 查、环境监测等领域，与国民经济建设、人民社会生活的关系越来越密切。 我国的电法勘探工作始于5 0 年代初，主要是引进前苏联的方法技术，以直流电法 为主：随后又逐渐引进、发展了电化学方法，如激发极化法；到6 0 年代，我国科研人 l 绪论 员开始研究以绝对测量为特点的电磁感应类方法；至7 0 年代，则以相对测量为主，并 在8 0 年代有较大的进展【6 】。目前我国煤田勘探主要采用瞬变电磁法、高精度磁法、高精 度重力法、直流电法勘探( 含高密度电法勘探) 、地质雷达探测、频率域电磁法勘探、 放射性c 【杯勘探，而实际得到广泛应用的仍是直流电法勘探技术。随着数字化、图形图 象化等技术的引进，使得电法勘探技术有了飞跃的发展，逐步形成了集设计、采集、处 理解译、成果提交一体化工作模式【7 j 。 我国电法勘探软件研究目前尚处于发展阶段。1 9 9 7 年，煤炭科研总院西安分院率先 研制出了“直流电法微机处理软件”是当时我国第一款功能较为完善的电法勘探软件【1 4 1 ： 近两年随着计算机硬、软件技术的飞速发展，电法勘探软件如雨后春笋般涌出，较具代 表性的有：1 9 9 5 年武汉中国地质大学的罗延钟教授研制的电法勘探工作站软件系统； 2 0 0 3 年国土资源部物探化探所的高级工程师兼所长吴文鹂( 男) 研制的电法勘探工作站 软件系统【5 j ；中国地质大学的金胜、魏文博研制的地面电法勘探信息系统；中国黄河水 利委员会王运生高工研制的w y s 2 0 0 5 工程物探信息系统等；但是纵观这些电法勘探系 统，虽然都有自己独到的地方，但总的来说缺乏锤炼功能单一，精度不高，反演成图解 释含混不清晰，操作过于繁杂，均不能很好的满足当前电法勘探工作的需要。 1 3 2 国外发展概况 国外电法勘探技术较我国起步早，从技术门类上来讲与我国无太大差别，只是我国 在发展深度上与欧美、日、俄尚有一定的差距；并且在各种理论的原创性上我国不具备 优势。例如：频谱激电法( s i p ) 是由美国人w h p e l t o n 在1 9 7 8 年发表的论文“利用多 频激电测量做矿物区分和取出电磁耦合”首次提出的；瞬变电磁法是由前苏联首次采用， 并在5 0 6 0 年代完成该方法的一维和二维反演解释等。 国外电法勘探软件技术较国内成熟。如美国荣基工程及研究公司( z o n g e ) 8 0 年代 早期生产的g d p 1 2 2 g b 型地球物理数椐收录系统( g e o p h y s i c a ld a t ar e c e i v e r ) 及相 应的电法勘探解释软件。该仪器为微机控制的多功能交流数字电法仪，仪器可以进行大 地电磁测深法( m t ) 、可控源声频大地电磁法( c s a m t ) 、瞬变电磁测深法( t e m ) 、 复电阻率法( c r ) 、激发极化法等多种方法的勘探【1 8 】，其配套软件可以对以上各种方法 采集的数据进行处理和解释，最近进口我国的主要是g d p 1 6 和g d p 3 2 型仪器及配套 软件；另外，加拿大凤凰公司生产的v - 5 、v - 6 地球物理探测及解释系统是我国进行可 控源音频大地电磁法( c s a m t ) 勘探采用的设备，该设备在寻找隐伏金属矿、油气构 造勘探、推覆体和火山岩下找煤、地热勘查和水文勘察方面能力非凡，其随设备附带的 解释软件功能也较完善【引。 遗憾的是，这些软件一方面是由国外技术公司开发，界面及操作全是英文，没有汉 化，使用十分的困难，导致随设备购买的软件闲置不用而造成极大浪费；另一方面，这 西安科技大学硕士学位论文 些设备及相应软件价格昂贵，甚至软件价格比设备价格还要高；因此，我们开发具有自 主知识产权的电法软件解释系统是十分有必要的。 1 3 3 未来电法勘探技术展望 进入21 世纪，由于电子技术的飞速发展和电子计算机的应用，地球物理勘探技术 有了脱胎换骨的变化。在数字采集、处理、解释、成图、报告的基础上，又增加了有线 遥测与无线遥测技术、多测道窄带蜂窝传输技术、宽频带纳秒级采样技术，使其从原始 数据的有效性、工作环境的适应性、解决地质问题的可靠性等多方面均有了大幅度的提 高。其地位也从配合技术转变为主要的、不可缺少的、不可替代的实用技术。在采集装 备方面出现的新技术有：地质雷达技术、瞬变电磁技术、地电影像技术、可控源大地电 磁技术。在勘探方面出现的新技术有：电磁成像技术、二维、三维地层电阻率影像重构 技术、窄频脉冲电磁波反射技术、电磁拟地震解释技术。无疑，这些装备和技术的提高， 必将对电法勘探技术产生巨大的影响。通过相关的引进和吸收，必将为煤炭电法勘探技 术注入新的活力，使其在新的条件和环境下发挥作用。 1 4 论文的主要内容及结构安排 本论文的各个章节及大致内容具体安排如下： 第一章：绪论。主要介绍选题的背景、研究意义、研究所要达到的目的、需要完成 的任务并大致介绍国内外当前电法勘探研究的现状。 第二章：电法勘探的理论概述。在介绍电法勘探理论的基础上，重点说明系统所采 用施工方法的种类、数据采集方式和视电阻率的计算方法。 第三章：系统的分析与总体设计。给出系统分析结果和数据结构，按照软件工程的 理论划分出大的模块以及具体的子模块，并作相应的解释。 第四章：系统关键技术研究。对于核心模块给出其理论并通过理论分析其实现算法。 这些是详细设计的前期工作，目的是为以后编程实现做准备。 第五章：集成化电法处理解释系统详细设计。按照划分的模块具体实现各项功能； 输入实际野外采集到的数据进行联机测试，并对结果进行分析。 第六章：系统测试与结果分析。采用真实数据，从系统的易用性、功能合理性和健 壮性等方面对系统进行测试。并与m e p sf o rd o s 比较总结了论文的主要工作和创新点。 第七章：总结。对研究工作的成果与不足进行了总结性论述，并对本项研究未来的 发展进行展望、提出需要研究的若干问题。 4 2 电法勘探理论概述 2 电法勘探理论概述 本章主要介绍的电法勘探的几种常用的施工方法，包括常规电法、高密度电法、音 频电透法等，并分别给出了不同施工方法视电阻率的计算公式。特别是对于音频电透法 的原理、数据采集方式、计算方式和解释原则进行了详细的介绍。 将电源的两端通过埋设在地下的两个( a 、b ) 或者一个( a 或者b ) 电极向大地供 电，在地面以下的导电空间建立起稳定电场。该稳定电场的分布状态决定于地下不同电 阻率的岩层( 或者矿体) 的赋存状态【i ”。因此，我们从地面观察稳定电场的变化和分布 就可以了解地下的地质情况。这就是电法勘探的基本原理。电法勘探有很多种勘探方法， 下面我将常用到的勘探方法作一下解释： 2 1 垂向电测深法 垂向电测深法是电法勘探中应用最广泛的物探方法之一。常用来解决如下的地质问 题：通过对隐伏构造的研究，寻找有希望的含矿区；了解覆盖层下矿系地层的分布范围、 厚度、埋藏深度等，在有利条件下可用来寻找和追踪覆盖层下的矿层露头并划分不同岩 段；了解基底的起伏构造，确定覆盖厚度和岩性变化；解决水文及工程地质方面的一些 问题，如确定古河床位置、寻找层位稳定的含水层、探测岩溶发育情况及圈定岩溶发育 带等地质问题【i 。 电测深法是在同一测点上逐次增大供电电极距，使勘探深度由浅入深，便可观测到 测点处沿深度方向由浅入深的视电阻率的变化规律。通过对反映地电断面变化的电测深 p s 曲线的分析，可以了解深度方向上的地质体分布特征。常用的电测深方法有对称四极 装置、三极装置、偶极装置等。 电测深法中应用最为广泛的是对称四极装置，如图2 1 所示： 1 触 i 。 -蠡 + _ 厂_ 缪_ 1 斗 。，r a 3a 2a i i 致j 9 inb 1 b 2 b 3 图2 1 对称四极电测深装置 图中a b 为供电电极，m n 为电位测量电极，它们对称于观测点。布置。工作时， a b m n 按照某一个固定的比值变化，即从最小电极距a 1 b i 变化至最大电极距a n b n ， 每改变一次a b 相应观测一次电位差u 。和供电电流，。，计算出该极距也就是深度为 a b 2 处地质体的视电阻率p s 值，改变n 次电极距可得到n 个视电阻率值，这样，根据 观测到的u 。、，。计算出视电阻率p s 值，从而绘出该测点以a b 2 为横坐标，p s 值 西安科技大学硕士学位论文 为纵坐标的电测深曲线，如图2 _ 2 所示： p s 图2 2 电测深法工作原理图 对于任意装置，视电阻率的计算公式可以由下式导出： = 丢c 去一壶一嘉+ 击， 从褊风2 1 主三i 。等。等 a mb ma nb n 其中 k 。t 旦t _ t a m 一j 瓦7 一j 万+ 面丽 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 如果采用的是对称四极装置，则视电阻率的计算公式可以改成： p ：丌监(23)s a m 。a n p = 丌一一 t z ) j m n 其中可以令k ：万a m a n m n 式中，a m ，a n ，b n 均为电极间的水平距离，用米表示；电流，。单位为安培；电 位差 ，。单位为伏特，计算得到的视电阻率p 。值为欧姆- 米。 实际工作中，根据勘探任务的不同，测量区域内通常按一定的点距和线距布置若干 条测线，每条测线上又布置许多个测点，形成面积测量，从而得到几百条甚至几千条视 电阻率曲线，这种情况下，各种数据往往达到几万甚至几十万个。以往模拟仪器时代， 这些数据靠人工记录、计算、点图并进行资料整理和处理解释。工作繁重、费时、效率 低。发展到数字仪器以后，野外测量数据可以用单片机记录、存储并进行视电阻率的计 算。尽管如此，如果没有良好的处理软件，野外数据的后期处理仍然相当繁琐，费工费 时，特别是勘探的面积和深度较大时，往往需要几个月的时间。 另外，随着电极排列形式不同，除了最常用的四极电测深装置外，还有许多变种方 法，如上面提到的三极电测深装置、偶极装置等，图示如下： 6 2 电法勘探理论概述 l 1 ， 厂彤 - 。 一 am i ol nb 图2 3 三极电测深装置 圈2 4 偶撒电删株袈重 这两种测深方法的计算公式分别为： 三极电测深时 舻2 万等等一等 其中：世= 2 石百a m a n 偶极电测深时 ：2：,roamtanebm,bnau!：k鱼坠盟ps2 m n ( a m a n - b m b n ) k 钮。百 鼎k = 蠢笨篇 2 2 电剖面法 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 保持各电极( 供电电极a b 和测量电极m n ) 间的距离不变，沿测线向同一方向移 动并逐点计算视电阻率p 。的值，观察某个深度( a b 2 ) 视电阻率的变化，从而研究沿 剖面方向上的地质构造变化或寻找有用矿体等地质问题的一类方法，称为电剖面法。最 常用的电剖面法有对称四极e g 音, j 面法、联合剖面法和偶极剖面法 1 6 】【17 1 。如下各图所示。 其中，联合剖面法实际上是两个三极装置的组合，公共第三极置于无限远处，记录点为 m n 中间，统一观测点可得到p 。和p 。8 两个参数值，其计算公式类同相应的电测深法。 图2 5 对称四极电剖面装置 西安科技大学硕士学位论文 o 。_ l 。 图2 6 联合电剖面装置 图2 7 偶极电剖面装置 计算采用对称四极和联合剖面法获得的视电阻率时，其计算公式与对称四极电测深 法和三极电测深法的计算公式相同；在计算偶极剖面法的视电阻率时，如果a b 与m n 不相等，则装置系数的计算公式与偶极测深时相同；当a b = m n 时，偶极剖面法的装置 系数可以简化为下面的形式： k = z r o 删( 筹) 2 - l 】 ( 2 6 ) 从而，偶极装置视电阻率的计算公式为：, o s ：ko 垒；量 _ b 2 3 高密度电阻率法 ， 高密度电阻率法是8 0 年代国际上兴起的种电法勘探的变种，是由日本地质计测 株式会社首先研究的【l ”。其基本原理与常规的电阻率法完全相同。不同之处在于高密度 电法的电极布设是一次完成的，不需要跑极，因而可以防止因电极重复设置而引起的干 扰，减少了测量误差。同时，高密度法能更高效的进行多种电极排列方式的测定与组合， 从而可以提供较为丰富的地电结构状态及地质信息；而且，高密度电法设置了较高的测 点密度，仪器利用多路电极转换装置，自动实现多种电极排列和多参数测量，同测线 次可以完成纵、横二维的勘探过程，即包含电测深装置方式，反映所探地质体在垂直 方向不同深度上的岩性变化规律，又包含了电剖面装置，反映地质体在某一深度上沿水 平方向上的岩性变化。因此在工程地质和水文地质勘探中得到了越来越多的应用。高密 度电阻率法勘探方式大体如图2 8 所示： 高密度电阻率法测量系统采用三电位电极系，它不仅可以获得三种常用电极装置的 视电阻率参数，从而绘制等值线断面图及不同极距的剖面图，而且将三种测量结果做某 种组合时，还可以得到视电阻率异常的几种比值图，这样使得地电断面结构特征的信息 2 电法勘探理论概述 更加丰富，也就更加利于我们对资料进行更切合实际的解释。 三电位电极是将a 排列( 温纳四极装置a m n b ) 、p 排列( 偶极装置a b m n ) ，y 排 列( 微分装置a m b n ) 、6 排列( 温纳联合装置) 按一定的方式组合所构成的一种统一 测量系统 2 6 1 ，装置图如2 9 所荆2 2 1 。其中温纳四极装置是对称四级装置的一种特殊形式， 他要求三段极距a m 、m n 、n b 必须相等，当然温纳方式还有其他几种电极排列方式。 f 位盔二二磁 2 8 高密度电法工作示意图 大地 商垒宙里面 法 警易 b b 法 上 n y 法6 法 b 图2 9 高密度电法装置示意图 其视电阻率关系为： p s ：；p 2 + 二27 r s p ；：3 p s 一2 p ；p ；：- 1 4 ( 3 p s f p ：) jj山 除了上述参数及相互关系外，处理软件还可以换算出几种比值参数。比值参数不仅 9 睾 西安科技大学硕士学位论文 具有以某种更为醒目的方式再现原有异常的特征，而且某些比值参数在一定程度上还有 抑制干扰和分解异常的作用。从而大大地改善了常规电阻率法反映地质对象赋存状态的 能力【1 引。比值参数包括以下几种： 正( f ) = 群( f ) 麒( f )( 2 7 ) 硼一驴篇a - 揣 s ， 盼躲+ 而p f f ( i ) ( 2 9 ) 式中，p s ( i ) 、p s ( i + i ) 表示剖面上相邻两点的视电阻率。 i 由于综合了、，两种视参数在反映同一地电体时异常的相对变化关系，因而巧 参数断面图在反映地电结构的分布方面，远比相应排列的视电阻率断面图要清晰明确的 多。而g ( f ) 、a ( i ，i + 1 ) 均反映了由虞和箧曲线构成的联剖曲线歧离带的变化率，二者 具有大体相同的分辨地电体赋存状态的能力1 9 】。 上述视参数的断面图，都是采用一系列不同极距测量得到的，各种极距的视参数在 断面上的记录点均按图2 ，1 0 所示的方式排列。 ? 电极测点 24681 01 21 41 61 82 02 22 42 62 8 1 里! i ! ! iiii ! i ! ! ! ! ! ! ! ! ! 仝i ! ii 芏! ! 测线i 1357 9 1 11 31 51 71 92 12 32 52 72 9 l l l 2 i 3 l 4 l 5 l 6 l 7 l 8 图2 1 0 高密度电法施工示意图 其中l 一2 9 为电极号，l 1 一l 8 为层号。电极是均匀排布的，测量过程中只需要通 过程控多路转换器变换a b 和m n 的位置就能够实现多种施工方法测量需要的数据。在 实际的勘探施工过程中会有n 条这样的测线，每条测线上会有m 个测点，从而构成面积 测量。 2 电法勘探理论概述 2 4 矿井音频电透法 2 4 1 矿井音频电透视法的基本概念 矿井音频电透视法是根据巷道条件和工作环境探测采煤工作面内部顶、底板中异常地质 体的一种勘探方法( 通常情况下的异常地质体指的是含水、导水构造) 【1 5 ”】。具体的说 就是在巷道巷道之间进行电穿透探测，取得工作面内顶、底板的水文地质数据，按电 导率的差异成像，从而为矿井防治水提供可靠的地质资料。从大的范畴来说，矿井音频 电透视法仍属矿井直流电法，只是它是利用专门的仪器在井下观测人工场源的分布规律 来达到解决地质问题的目的。因其施工方法技术、资料处理技术的差异及主要针对性( 探 测采煤工作面内部的构造) 等原因而形成矿井音频电透视法分支。与地面电法不同的是： 矿井音频电透视法以全空间电场分布理论为基础。下面是音频电透的施工示意图： n kn l 图2 1 1 音频电透法施工示意图 从上面的示意图我们可以看出音频电透是从巷道1 发射电信号，在巷道2 接收电信号， 发射点有x 个，接收点有y 个。完成一组测试以后，还可以交换发射和接收巷道，即从 巷道2 发射电信号，在巷道1 接收电信号。由于发射点和接收点不总是在一条水平线上 和实际情况下巷道不可能是完全平行的等多种原因，在后期的计算时我们还要考虑收发 偏角的问题州。 2 4 2 地电模型及点源场的分布特征 对于均匀全空间，点电源产生的电场分布特征，可用如下关系式表达 碥= 麒) ( 2 1o ) ( 2 1 1 ) 酰 西安科技大学硕士学位论文 办2 彳4 积z 1 ( 2 1 2 ) 式中 u m 一电位；i 一供电电流强度单位：a ； e m 一电场强度：i m 一电流密度： 卜均匀空间介质电阻率，单位：q m ； ， i o 观测点m 到点电源a 的距离，单位：m 。 根据镜像法，可以求出全空间内任意点的电位表达式为： = 等阻喜艄力l ( 2 _ 1 3 ) 式中u ，为第i 层的点源在第i 层的电位； l 供电点至观测点的距离； n 为第i 层的电阻率值： k ( f ，力= f ( e ，d ，口，加) 为反射系数函数。 下面我们给出井下三层地点模型示意图： 图2 1 2 井下三层地电模型示意图 2 4 3 地电模型及点源场的分布特征 为保证原始资料的准确性，除了在施工过程中严格按照施工规范外，还应该 在测量坐标点中设置一定数量的检查点。设置比例一般是检查点的数量占到坐标点 数量的5 以上。同时以检查点相对均方误差值来量化衡量原始数据的质量。误差公 式表示为i ： 2 电法勘探理论概述 氲n 丽, 2 亿 式中：1 1 为检测点个数：p ，为第i 个点的原测值：n 为第i 个点的检测值 如果按计算得到的平均均方误差小于5 ，则说明测量的原始数据符合 要求，原始资料质量可靠；否则则说明原始资料不可靠。 2 4 4 资料处理与解释 音频电透资料处理与解释方法有人工交汇法与c t 成像法两种。现在一般都用 c t 成像方法解释。下面我只对c t 成像技术原理作出解释：矿井音频电透视层析成 像是利用穿过采煤工作面内的沿许多电力线( 由供电点到测量点) 的电位降数据来 重建采面电性变化图像的。 设x 为供电点与测量点之间的连线，a u 为电位降，可以证明： u = c j ( x ) o ( x ，y ) d x( 2 1 5 ) 式中 盯( x ，y ) 为电性参数( 是x , y 的位置函数) ； c 为调节系数。 我们把整个研究范围剖分为j = m x n 个单元来考虑，把所研究的问题离散化， 如图5 所示。假定第j 条射线穿过1 个单元，则第j 条射线上的电位降表达式为 m ( n ) 彳 i ，艮封、 坤t a 图2 1 3 单元剖分图 ， 劬= j 。o ， ( 2 1 6 ) f _ 1 式中分别为第j 条射线位于第1 单元内的长度( 各单元序号是x , y 的位置 函数) ；t ，为第1 个单元内的电性参数。 将所有各射线建立方程，有： u = r 占 西安科技大学硕士学位论文 则所有问题转化为：根据数据来计算a 的值。这是一个超定方程组，很难求 其精确解，故采用多次迭代的近似值法来求其近似解。 解释原则：层析成像图件是以颜色分级的，原则上分多级，以便更细致地划分 电性的递变规律。但实际解释中，应结合有关已知地质资料来划分级别，使物探资料 更切合实际地质规律。 根据数理统计学，可把数据分成 占+ 占。5 个级别，并可设定巧+ j 。3 为异常阀值( 其中j 为参数算 术平均值，j 。为参数的标准偏差值) 。对于8 占+ 占。3 的区域，可解释为测区内上 覆或下伏含水层位相对富水等因素所致。 构造类型则根据异常形态结合地质条件与构造发育规律进行综合分析推断。 3 系统的总体设计与模块划分 3 系统的总体设计与模块划分 3 1 系统的需求分析和数据结构定义 3 1 1 需求分析 根据项目设计的要求，该系统是集数据通讯、预处理、数据管理、处理解释和成图 于一体的适用于多种电法方法的具有集成化特点的电法处理解释系统。因此整个系统从 需求上可以分成五个组成部分，阐述如下： ( 1 ) 数据通信部分。完成的功能是将野外采集的数据送入计算机。有的电法仪本身提 供通信程序，并将数据以文本或者某种数据库表的形式存放在计算机的某个位置，这种 情况下，我们只需要对这个文件进行解析处理，提取信息到数据临时表中即可；有的电 法仪本身不提供通信程序，这时我们必须编写该程序，提供二级缓存接收电法仪发送到 计算机的数据并将数据解析，然后放入数据临时表中。 ( 2 ) 数据预处理部分。对临时表中的数据进行预处理并将结果放入标准工程数据库 中。预处理包括：原始数据的修改、视电阻率的生成、数据插值、k 剖面处理、全半空 间转换等。 ( 3 ) 系统管理部分。完成的主要功能是通过主控菜单对整个系统的各种功能进行调 用，对各种数据库表主要是标准工程数据库进行管理。 ( 4 ) 数据处理部分。完成的主要功能是对标准工程数据库中的数据进行操作。包括音 频电透处理、根据工程要求提取信息生成标准曲线绘制接口文件；提取信息生成标准等 值线及c t 图绘制接1 ：3 文件；生成标准一、二维正反演处理接口文件；进行一、二维正 反演并生成标准绘图接1 ：3 数据文件等。模块彼此之间应该能够相互协调以便共同完成某 项功能。 ( 5 ) 绘图部分。主要是根据第四部分提供的绘图接1 3 文件作图并能实现输出到打印 机。图件类型主要有：测深曲线图、测深曲线类型图、剖面曲线图、平面剖面图、反演 断面图等。测深倍4 面曲线图包括两个大的方面：一是原始测深信0 面曲线，二是测深反 演曲线图；还应能绘制二维原始断面图、正演模拟断面图和反演彩色c t 断面图。下面 给出这五大部分构成的系统总体模如下所示： 西安科技大学硕士学位论文 3 1 2 数据结构定义 图3 1 系统总体功能及数据流向图 数据结构是整个系统设计的核心部分，数据结构一旦确定，整个系统的设计就围 绕它展开，我们在系统分析的基础上，经过严格讨论和借鉴以前m e p sf o rd o s 软件有关 这部分的内容，确定了标准工程数据库结构和处理接口文件结构。现将核心的数据结构 给出并详细说明如下： ( 1 ) 标准工程数据库表 表3 1 常规电法数据表e g d f d b 字段名 解释字段名解释 c x h 测线号j h c s 3 几何参数3 c x s m 测线说明j h c s 4 几何参数4 c d h 测点号 j h l 极化率 f f h 方法号j f b 激发比 f f s m 方法说明 s j d 衰减度 w o r s 温纳方法标志b s s半衰时 z r d w 自然电位 s d z l 视电阻率 d y 电压s z d z l 视真电阻率 d l 电流s f s x s 视反射系数 j h c s l 几何参数1f s x s d s 反射系数导数 j h c s 2 几何参数2 3 系统的总体设计与模块划分 表3 2 高密度法数据表g m d d f d b f s d x f s d y f x d h j s d x 发射点x 坐标 发射点y 坐标 发射点号 接收点x 坐标 d y d l m n j j s f p j 电压 电流 m n 电极间距 收发偏角 j s d y 接收点y 坐标f s p l发射频率 ( 2 ) 接口数据文件提取表 表3 4 常规测深曲线数据提取表c h a z h i d b 字段名解释 字段名解释 c x h 测线号w o r s 温纳方法标志 c d h f m 测点号 方法号 a b p o l e d i s t a n c e s d z l a b 极距 视电阻率 表3 5 常规剖面曲线数据提取表p o u m i a n y s j d b 表3 6 高密度水平剖面数据提取表g m d p m y s j d b 西安科技大学硕士学位论文 表3 7 高密度垂直断面数据提取表g m d e s y s j d b ( 3 ) 关于数据库表结构的解释 c g d f d b 和g m d d f d b 是系统用到的标准工程数据库表其中的两个，系统配接的常规和 高密度电法仪器传送进来的数据在完成预处理后最终都要放入这两个数据表中，然后再 进行下一步的处理。讨论的时候有成员建议将两个表合成一个，但经过仔细分析，建立 两个数据库表是一种比较恰当的做法，在此作出解释。首先，两个表的结构不太一样。 常规电法电极不是一次布置的，需要跑极，表中要有供电电极距和测量电极距的大小： 而高密度方法完成一次在测线上布置很多电极，不需要跑极，而且相邻电极等间距；如 果电极间隔已知，只需要给出测量电极号即可计算得到供电和测量极距。其次高密度电 法数据库表中不需要二次场信息，如极化率、激发比、衰减度等。再次，如果将两种表 合成一个，字段冗余将会很大。如：一个高密度电法数据点信息中要带有很多常规电法 的字段，而这些字段严重增加了系统处理的复杂度。出于以上考虑，我们决定建立两个 数据库表，以便于对数据分类处理。 y p d t d b 是用来接收音频电透数据的。根据电透原理，需要知道发射点坐标，接收点 坐标和相应的电压、电流值。发射点在发射电信号时，不同频率的电信号透视深度不同， 有时勘