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毕业设计摘 要本文介绍了高密度电法的基本原理及其特点、野外施工方法和数据解译技术，并以其为基础，结合华电安康火电厂偏桥厂址地基勘察项目为实例，详细阐述了工程概况、仪器配置、勘查技术手段及数据解译结果，并根据分析得出H1H1剖面在175米210米段有向北东倾的断裂带，其断点编号为F1-1；得出H2H2剖面在160米190米段有向北东倾的断裂带，其断点编号F1-2。最终结果表明在解决实际工程地质问题时，应用高密度电法可以很有效的划分其地质断裂特征，揭露不良的地质体。关键词：高密度电法，数据解译，断裂带ABSTRACTThis paper introduces the basic principle of high density electrical method and its characteristics, field construction method and data interpretation, and its basis, combined with the Huadian Ankang power plant partial bridge site foundation survey project as an example, expounds the general situation of the engineering, equipment configuration, exploration techniques and data interpretation results, and based on the analysis of H1H1profile in175 meters 210meters north east part of the fault zone, the breakpoint number F1-1; H2H2 profiles obtained in160 meters 190meters north east part of the fault zone, the breakpoint number F1-2. The final results show that in the solution of practical problems of engineering geology, the application of high density resistivity method can be very effective in the division of geological fracture characteristics, exposing bad geological body.Keyword：High density resistivity method，Data interpretation，Fracture zone目 录第一章 绪论41.1 工作方法介绍41.2工作方法发展前景41.3 应用实例概况51.3.1目的任务51.3.2工区环境51.3.3实物工作量51.4论文完成情况6第二章 地球物理前提及地层电性特征72.1 地球物理前提72.2 工作区地球物理特征7第三章 应用方法原理及野外工作技术73.1工作原理73.2野外工作方法与技术83.2.1 测线布置83.2.2仪器设备83.2.4工作方法特点103.2.5工作方法与技术11第四章 资料处理与数据解译134.1资料处理流程134.2数据解译144.2.1数据解译方法144.2.1 实例H1-H1剖面数据解译144.2.2 实例H2-H2剖面数据解译15第五章 结论16参考文献18IV装订线毕业设计第一章 绪论1.1 工作方法介绍高密度电法是八十年代中期发展起来的电法勘探新技术，基本原理和传统的电阻率法是相似的，所不同的是高密度电法采用高密度的测点，由电脑程序控制给电极供电。高密度电法观测精度高，数据采集可靠，对地电结构具有一定成像功能。各种地下隐患如裂缝、洞穴、软弱夹层、透镜体在探测成果图上有明显、直观的反映。高密度电法它不仅提高了野外工作效率，减轻了劳动强度，而且更形象地反映出岩土体地电断面的电性分布和结构特征，从而获得丰富的地质信息，提高解决实际问题的能力。它广泛应用于找水、环境地质调查、资源勘探、道路建筑工程和城市建设工程等多个方面，成为探查地下工程隐患的主要方法之一。1.2工作方法发展前景这里的高密度电法指的是直流高密度电阻率法，但由于从中发展出直流激发极化法，所以统称高密度电法。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（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当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物理解释的结果。显然，高密度电阻率勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步。 关于阵列电探的思想在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板实现了野外高密度电阻率法的数据采集，只是由于整体设计的不完善性，这套设备没有充分发挥高密度电阻率法的优越性。80年代后期，我国原地质矿产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，也研制成了几种类型的仪器。 目前，研究高密度电法的方法技术和仪器的主要有中国地质大学等，生产仪器的还有原长春地质学院、重庆的有关仪器厂家。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。国外主要研究计算机自动二维、三维反演。二维反演程序是基于圆滑约束最小二乘法( de Groot-Hedlin和Constable 1990Sasaki 1992)的计算机反演计算程序，使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘新算法(Loke和Barker1996)【7,8，使得大数据量下的计算速度较常规最小二乘法快10倍以上。圆滑约束最小二乘法基于以下方程： (JJ+uF)a= Jg (1)其中，F=fx fx+fz fz;fx =水平平滑滤波系数矩阵(horizontal flatness filter)；fz=垂直平滑滤波系数矩阵(verticalflatness filter)； J =偏导数矩阵；J=J的转置矩阵；u=阻尼系数；d=模型参数修改矢量(model perturbation vector)；g-残差矢量( dis-crepancy vector)。这种算法的一个优点是可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。反演程序使用的二维模型把地下空间分为许多模型子块。然后确定这些子块的电阻率，使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合。对于每一层子块的厚度与电极距之间给一定的比例系数。最优化方法主要靠调节模型子块的电阻率来减小正演值与实测视电阻率值的差异。这种差异用均方误差( RMS)来衡量。然而，有时最低均方误差值的模型却显示出了模型电阻率值巨大的和不切实际的变化，从地质勘察角度而言，这并不总是最好的模型。通常，最谨慎的逼近是选取迭代后均方误差不再明显改变的模型，这通常在第三和第五次迭代之中出现。MHLoke的二维、三维电阻率法和激发极化法反演程序已商品化，被国内外大多数公司、单位所使用，并与仪器相配套。1.3 应用实例概况1.3.1目的任务本论文以华电安康火电厂偏桥厂址地基勘察为例，利用高密度电法勘察探查地下工程隐患，揭露不良地质体，为电厂改造建设提供科学依据。经过实地勘测和论证，该项目在原厂东西两测布设高密度电法剖面两条(其剖面编号为H1-H1、H2-H2)进行勘察，为电厂建设提供基础资料。1.3.2工区环境拟建的陕西省石泉县偏桥热电厂场地位于石泉县南偏桥村处，属构造剥蚀高中山山地地貌单元，植被发育。场址区河流支系交织，沟壑纵横，地形较为复杂，总体地形南高北低，地势高差约30100m左右。1.3.3实物工作量本次完成高密度电法剖面共2条，长度均为0.66公里，总长1.32Km实际布设高密度电法排列4条。其中H1H1剖面物理点940个，H2H2剖面物理点940个，共计1880个物理点。具体完成工作量见表1：高密度电法勘察完成工作量一览表 表1序号排列名称排列测量长度（m）备注11-1630H1-1剖面第排列21-2630H1-1剖面第排列32-1630H2-2剖面第排列42-2630H2-2剖面第排列合计2520m共2条剖面1.4论文完成情况首先，根据毕业设计的要求以及导师的建议，着手查找资料和收集资料，包括对高密度电法的工作原理与方法技术等内容做了细致的整理和分析，并开始设计整体构思。根据设计要求，结合搜集到的资料，开始设计的准备。其次，在对内容概要和框架确定后，对应用实例进行筛选和分析后， 才进行论文设计编写。经过不断的努力和内容修改，最终得以顺利完成论文。第二章 地球物理前提及地层电性特征2.1 地球物理前提本次物探（高密度电法）工作的主要目的是探查场地断裂带分布及埋深。根据前人工作经验及物探人员现场踏勘，认为：由于断裂存在一定宽度的破碎带，使得其与两盘正常岩体之间存在着一定的物性差异，其次，断裂使得地层岩体出现错动，断层破碎带与构造挤压影响带、正常岩体的物质状态、组成之间应存在较大差异，且本次勘察地段为富含地下水地域，断裂构造带与正常岩石之间含水程度不同，因此它们之间必定存在着一定的电性差异，从这些信息可以间接地推断出断层的性质和其它参数；同时，由于地下水的影响，富含地下水的地层较不含或地下水含量较少的地层存在着较大的典型差异。因此具备了进行高密度电法勘察断层的地球物理前提条件。2.2 工作区地球物理特征从本区高密度电法方法剖面视电阻率变化来看主要地层岩性电性特征、差异明显，电性特征主要受岩石结构、构造影响及富水程度等因素的影响，主要地层岩性与第四系冲坡积物电阻率差异明显，在资料解释中我们以此作为垂向划分地层岩性的依据。第三章 应用方法原理及野外工作技术3.1工作原理高密度电法本质属直流电阻率法范畴，是以介质电性差异为基础，研究在人为施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律9。实际工作中供电电流为低频交流电，其供电频率固定不变，一般选在2040H z之间。因高密度电法的供电频率较低，且固定不变，所以将其视为直流电阻率法，遵从直流电阻率法基本原理，文献1 和2中都有详细的推理解析，在这里不再累述。但需要指出的是：高密度电法与普通电阻率法相比，高密度电法设置了较高的测点密度，点距可以小到1m，所以高密度电法的信息量远远超过普通电阻率法的信息量，并具有测深和测剖面功能，所提供的是二维信息，而且一定数量的二维剖面还可以组成一个拟三维图像，它是电剖面和电测深法的结合。高密度电法的数据采集系统由主机、电极转换器电缆等组成，主机通过电极转换器控制各电极的高压供电与测量状态。主机通过电极转换器发出工作指令、向电极供电、加压并接收、存贮测量数据。野外工作时，将多个电极按一定的间隔布置，观测过程中电极按一定规律组合，一次布置电极可实现不同的观测装置。高密度电法的解释成图由计算机完成，通过计算机将数据经相应畸变点剔除、地形校正、数据平滑等预处理后，最后经过二维反演、处理绘制成断面视电阻率等值图。为提高信噪比，高密度电法必须进行如下数据处理：垂直或水平异常突出处理，用于所查明目的体分布状态不同时选择进行，如目的体为垂直向分布的断裂构造，则进行垂直异常突出处理；如目的体为水平分布的地层，则进行水平异常突出处理。3.2野外工作方法与技术3.2.1 测线布置本次高密度剖面布设原则是基本垂直本测区地质构造，由于本测区构造特征近东西向，所以其剖面近南北向布设。电极间距10米。每条剖面控制长度一般与测区宽度相当，其中H1H1剖面长度660米，H2H2剖面长度660米。每条剖面由二条高密度排列组成，分别观测然后拼接成一条完整剖面。见测区高密度电法工作实际材料图。3.2.2仪器设备高密度电阻率测量选用吉林大学工程技术研究所的GeoPen E60BN高密度电法仪。仪器简介：E60BN型电法仪主机及电缆开关如图1所示：图1 E60BN高密度电法仪外观图E60BN型高密度电法仪是一种新型的电法仪，仪器采用程控方式进行数据的采集和电极控制，采集的数据以图像或者曲线的形式实时显示在屏幕上，以便您随时可以监控资料的质量。该型仪器可以进行各种装置的高密度电阻率、双频高密度激发激化法、自然电位法、充电法等勘探方法的数据采集任务，由于仪器本身配置有高性能的计算机，故配合相应的处理软件系统，可对上述所采集的资料进行现场处理。该仪器具有自动存储、自动计算等功能，仪器为大屏幕汉、英文菜单提示，操作简便，性能稳定，状态良好，确保了野外数据采集质量。该型仪器可以广泛地应用于交通、能源、城建、工业与民用建筑、地质环境调查、环境灾害评价、堤防隐患探测等领域。仪器器基本配置：主机直流电源线数据通讯电缆线电极电极开关电缆数据采集软件包（3）仪器主要硬件技术指标 接收部分通道数：最大可接65525个电极开关采样精度：1V最大输入信号：4伏（峰-峰值）输入阻抗：20MA/D转换位数：22位（含6位浮点）自电补偿：3V发射部分最大输出峰值功率：400V/0.5A（内置），1000V/6A脉冲类型：方波脉冲长度：1秒、2秒、4秒和8秒程控可选配套设备有：便携式计算机一台不锈钢电极70根测量、供电电缆线640米12V电瓶两个4. 1. 3 工作装置：3.2.3工作装置本次采用温纳装置Wenner，排列形式见图2。图2 温纳装置Wenner排列形式装置系数K=2r，其中r为电极间距，AM=MN=NB=nr电极数目：64根电极间距： 10米扫描层数：1层记录参数：视电阻率s供电方式：直流方波仪器自动控制供电周期：4秒记录方式：自动储存测量方式：剖面连滚自动测量3.2.4工作方法特点高密度电阻率法相对常规电阻率测深法，有以下优点：1、电极布设是一次完成的。虽然在工作开始观测前要投入较大的工作量来完成多电极的布设工作，但这样做可以防止因电极重复设置引起的干扰，减小了测量误差。2、常规电阻率测深一次只能得到一条剖面上一个点的电阻率值，而高密度电法在电极布设好时可以得到一条剖面下整个断面的电阻率参数。大量的信息使我们在异常解译上排除电法工作的多解性有了较大的帮助。3、野外的数据采集、收录实现自动化、智能化，因此可以方便的采集到同一深度上多个电阻率参数以及不同深度上电阻率参数。数据的自动存储避免了人为的观测记录误差，智能化可以实时看到地电断面电阻率变化特征，便于与计算机联接实现数据共享，便于后期资料处理。4、由于在一条地电断面上有很多的电阻率值（所以称之为高密度电阻率），在现代计算机技术的支持下，利用现在较成熟的应用软件包，我们可以很方便的得到一条地电断面异常图，使我们很直观的分析地质体的相对电性特征，从而了解异常地质体的埋深、规模等。而常规电阻率测深无法做到这一点。由于上述特点，使得高密度电阻率法与常规电阻率法相比，具有效率高，反映地电、地质信息更丰富，更直观，资料解释更准确，因此也就使得电法勘探能力有了显著的提高。3.2.5工作方法与技术野外工作时对于某一勘测剖面，根据探测深度、剖面长度来确定电极间距，电极间距一般从110米可供选择，测量层数116层，剖面较长时我们可以采用多条排列连续追综。我们设电极间距为a,一条排列60根电极，层号为n,供电极为A、B，测量极为M、N。电极编号为1、2、3、4-60。我们将仪器工作过程作一简要说明： 第一层：（电极位置在1位置我们记为A=1）A=1，M=2，N=3、B=4，AB极距=3a，测量理论深度h=AB/2=3/2a=1.5a。然后仪器自动正向供电4秒，断电4秒，反向供电4秒，再断电4秒，形成16秒的周期，得到第一层的的第一个测点值，然后电极转换器开始动作， A=2，M=3，N=4、B=5，仪器完成一个周期的供电后得到第一层第二个测点值，一直到A=57，M=58，N=59、B=60，完成第一层的最后一个极距得到第一层的最后一个测点值即第57个测点值。电极转换器自动扩大供电电极距离，供电极距增加后，测量深度相应的增大，所以就转到第二层测量。第二层：A=1，M=3，N=5、B=7，AB极距=6a，测量理论深度h=AB/2=6/2a=3a。然后仪器自动正向供电4秒，断电4秒，反向供电4秒，断电4秒，形成16秒的周期，得到第二层的的第一个测点值，然后电极转换器开始动作， A=2，M=4，N=6、B=8，仪器完成一个周期的供电后得到第二层第二个测点值， 一直到A=54，M=56，N=58、B=60，完成第二层的最后一个极距得到第二层的最后一个测点值即第54个测点值。电极转换器继续自动扩大供电电极距离，供电极距增加后，测量深度又相应的增大，所以就转到第三层测量。第三层：A=1，M=4，N=7、B=10，AB极距=9a，测量理论深度h=AB/2=9/2a=4.5a。然后仪器自动正向供电4秒，断电4秒，反向供电4秒，断电4秒，形成16秒的周期，得到第三层的的第一个测点值，然后电极转换器开始动作， A=2，M=5，N=8、B=11，仪器完成一个周期的供电后得到第三层第二个测点值，一直到 A=51，M=54，N=57、B=60，完成第三层的最后一个极距得到第三层的最后一个测点值即第51个测点值。电极转换器继续自动扩大供电电极距离，供电极距增加后，测量深度又相应的增大，所以就转到第四层测量。第n层：AB极距=3na，测量理论深度h=AB/2=3/2na，测量点数=60-3n。以此类推，完成整条剖面下整个断面的测量工作。由于供电电极距的不断增大，而电极总数不变，就使得某一层上测点不断减少，随测量深度增大，在断面上测点呈倒梯形分布(见下图3)。图3 高密度电法野外测量工作布置图 从以上可以得到：任一层上测点数为60-3n(n为层号) 某一层上测量理论深度为3/2na测量完成后，假若测了n层，则断面上测点总数由下式计算：总点数=(57+60-3n)/2n例如我们总共测量16层，电极间距为10米，不难算出最大测量理论深度为240米，总测点数为552个。第四章 资料处理与数据解译4.1资料处理流程数据传输:当天野外工作完成后，把仪器内数据及时回放到计算机内，从计算机上直接观察采集数据质量，发现问题及时处理，检查合格的数据存盘备用。主要处理内容与计算机数据处理流程见图4。 读入点位坐标（x，y，z）视电阻率数据（s） 高密度视电阻率数据转换及预处理 高密度视电阻率拟断面二唯数据重构 高密度视电阻率拟断面图数据网格化 视电阻率拟断面图数据逐次非线性中值滤波 视电阻率断面拟深度断面转换（AB/2） 视电率电性分层及成图 结 束 图4 高密度电法视电阻率数据处理流程图圆滑处理: 用BTRC软件中的三阶七点光滑软件进行圆滑处理，消除个别干扰点。t(0)=1/23159t(0)+54(t(1)+ t(-1) ) +39(t(2)+ t(-2) )+14(t(3)+ t(-3) )-21(t(4)+ t(-4) )其公式为： 格式转换: 把处理后的文件格式转换成surfer绘图格式即*.dat文件。建立绘图文件:建立S纵断面等值线文件。绘图：用Winsurfer6.02版软件绘制各种断面等值线图。4.2数据解译4.2.1数据解译方法高密度电法跟常规电法工作一样所得到的电阻率它不是某一地质体的真实电阻率，而是各个不同电性层的综合反映，所以专业上称之为视电阻率，用s来表示。要划分地质体形成的异常，还得引入相对视电阻率概念，因为视电阻率异常它是相对于视电阻率背景场而言。所以要区分地电断面上是否有异常存在，必须要观测到视电阻率背景场，在视电阻率背景场上分析地电断面上的相对高阻或低阻异常，结合地质资料再来确定引起高阻或低阻异常的原因。一般的，煤矿采空后形成的空洞，由于空洞“排斥”电流而显示相对高阻异常，空洞充水后“吸引”电流而显示相对低阻异常。采空区上方弯曲变形带由于介质的松散视电率呈现不均匀现象。另外，高密度电法（包括其它常规电法）实际探测深度达不到理论探测深度，电法勘探理论证明，实际探测深度一般为理论探测深度的0.6到0.7,而且一般布置高密电法工作时必须有足够的探测深度余量，最好是先通过地质调查了解勘测剖面下目标物大致埋深，以实际探测深度推算理论深度，再设置仪器工作参数，而且要使实际探测深度大于目标物底界面埋深，这样才有异常体外围的背景场，有利于资料的解译。目标物以浅视电阻率资料一是为异常解译提供背景场（若没有背景场异常也就无法显现），二是了解其它地质异常如采空区塌陷后上部地层出现的异常情况。总而言之，高密度电阻率法是通过现代科技手段（最先为日本人发明）将常规电阻率测深法进行较大的改进，使得我们获取丰富的地电参数而成为现实。而一条排列上每一观测值对于我们物探工作者来说都是有用的，而且要取得任一个观测值都必须完成一系列程序工作，接下来就是我们物探工作者对资料的处理、认真的分析，结合地质资料得出更附合实际的结论。4.2.1 实例H1-H1剖面数据解译从图5中H1H1剖面s拟断面图分析，在纵深方向上，视电阻率s随深度增加逐渐增大，而在横向上曲线的波动反映了覆盖层的局部不均匀变化的特征。在距离175210米处出现视电阻率梯度带，呈台阶状，其两侧电性特征不同，0175米段s值在200m300m变化；210米660米段s在150m250m变化，推测175米210米段间存在断裂带。解译结果：综上分析，通过高密度电法物探工作在该测区内的勘探，该剖面在175米210米段有向北东倾的断裂带，其断点编号为F1-1。其解译结果见图5中H1H1剖面s电性分层图。4.2.2 实例H2-H2剖面数据解译从图6中H2H2剖面s拟断面图分析，在纵深方向上，视电阻率s随深度增加逐渐增大，而在横向上曲线的波动反映了覆盖层的局部不均匀变化的特征。在距离160190米处出现视电阻率梯度带，呈台阶状，其两侧电性特征与H1H1剖面近似，0160米段s值在130m270m变化；210米660米段s在130m270m变化，推测160米190米段间存在断裂带。解译结果：综上分析，通过高密度电法物探工作在该测区内的勘探，该剖面在160米190米段有向北东倾的断裂带，