第二讲(高密度).ppt

工程与环境地球物理勘探,2009.9,中国矿业大学,2高密度电法及其在工程与环境中的应用,2009.9,中国矿业大学,2高密度电法及其在工程与环境中的应用,2009.9,中国矿业大学,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决速和自动采集，当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并得出关于地电断面分布的各种图示结果。高密度电阻率法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。,2高密度电法及其在工程与环境中的应用,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,高密度电阻率相对于常规电阻家法而言、它具有以下特点：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。能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量，团而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。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所出现的错误。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。与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便。勘探能力显著提高。,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,关于阵列电探的思想早在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，这种设备没有充分发挥高密度电阻宰法的优越性。80年代后期，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。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。这一讲的主要内容是学习高密度方法原理、野外工作方法技术、资料解释及实际应用等方面。,2.1高密度电阻率法概述,2009.9,中国矿业大学,1)高密度电阻率法的装置形式,2.2高密度电阻率法的基本原理,高密度电阻率法的电极排列原则上可以来用二极方式，即当依次对某一电极供电时，同时利用其余全部电极依改进行电位测量，然后将测量结果按需要转换成相应的电极排列方式。这虽然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。其次，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。因此，我们在方法设计中采用了三电位电极系。,2009.9,中国矿业大学,三电位电极系是将温纳四极、隅极及微分装置按一定方式组合后所构成的一种统一测量系统。该系统在实际测量时，只须利用电极转换开关、便可将每四个相邻电极进行一次组合。从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数。,1)高密度电阻率法的装置形式,2009.9,中国矿业大学,施工过程为：先以固定间距x沿测线布置若干根电板，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a=nx(n=1，2，3，.)，对每一个取定的活动电极间距a，将两两相距为a的四根电极经电极转换开关连接到仪器上，通过电极转换开关换接电极，一次完成各种装置形式的电阻率测量(各装置形式的记录点均选在电极排列的中点)；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止。活动电极间距为a=(n+1)x的剖面测量与此相同。,2)高密度电阻率法的测量过程,2009.9,中国矿业大学,由于一条剖面地表测点总数是固定的，因此，当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。我们把三电位电极系的测量结果置干测点下方深度为a的点位上。于是，整条剖面的测量结果便可以表示成种倒三角形的二维断面的电性分布,2)高密度电阻率法的测量过程,2009.9,中国矿业大学,动态演示,2)高密度电阻率法的测量过程,高密度电阻率法测点分布示意图,2009.9,中国矿业大学,说明：,点距x的选择主要依据勘探的详细程度（110米）。,最大电极距,的大小，取决于预期勘探深度；隔离系数n一般不超过10。,无穷远极C要求CO（35）AO.,2)高密度电阻率法的测量过程,2009.9,中国矿业大学,2)高密度电阻率法的测量过程,2009.9,中国矿业大学,3)视参数及特点,对于活动电极间距的观测剖面，各装置形式的视电阻率公式，分别为：,（1）视电阻率参数,I,U,a,I,U,a,I,U,a,I,U,a,I,U,a,B,B,s,A,A,s,s,s,s,D,=,D,=,D,=,D,=,D,=,p,r,p,r,p,r,p,r,p,r,g,g,b,b,a,a,4,4,3,6,2,2009.9,中国矿业大学,各装置形式的视电阻率之间的关系为：,（1）视电阻率参数,2009.9,中国矿业大学,（2）视比值参数,反映了沿剖面水平方向的变化率。下图为表征比值参数在反映地电结构能力方面所作的模拟实验，视电阻率断面团只反映了基底的起伏变化，而比值值断面团却同时反映了起伏基岩中的低阻构造。,高密度电阻率法的野外观测结果除了可以绘相应电极排列的视电阻率断面图外，根据需要还可以绘制两种视比值参数团。其中一类比值参数是以联合三极测深的观测结果为基础，其表达式可以写成：,参数,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,比值参数Ts：,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而构成的，考虑到三电位电极系中三种视参数的分布规律，我们选择并设计了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。,由于这两种电极排列在同一地电体上所获视参数总是具有相反的变化规律，因此用该参数所绘的比值断面图，在反映地电结构的分布形态方面远较相应排列的视电阻率断面图要清晰和明确的多。,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,1）、对电测仪器的一般要求,（1）灵敏度高、测量范围大,（2）抗干扰能力强,（3）.输入阻抗高,（4）较高的稳定性,2.3高密度电阻率法勘探仪器,2009.9,中国矿业大学,2.3高密度电阻率法勘探仪器,2009.9,中国矿业大学,2.3高密度电阻率法勘探仪器,SuperStingR8Marine,水上高密度电法和激发极化法系统,可用于水上连续电阻率剖面测量,高密度电法仪器,高密度电法系统,主机Meter,电极开关Switches,电缆Cable,单通道SuperStingR1,八通道SuperStingR8,主机,高密度电法仪器,电极开关,集中式开关箱(外接)CentralizedSwitchBox,分布式主动开关DistributedActiveSwitch,集中式Centralized,分布式Distributed,被动电缆PassiveCable,连接,主动电缆ActiveCable,连接,集中式开关箱(内置)CentralizedSwitchBox(BuiltinsideSuperStingR8),分布式与集中式电缆对比,分布式,集中式,开关分布在每个电极上电缆芯数少、电缆细抗干扰能力强信噪比高特别适合于做激发极化测量,电极开关集中在一个箱子中制作简便、交货快价格相对便宜维护容易、经久耐用电阻率测量的信号质量不亚于分布式电缆,AGI电缆和电极,分布式主动电缆(地面),被动电缆(地面),水上拖缆(必须用石墨电极供电),石墨电极(水下或井中)中间是不极化电极,被动电缆(水下或井中),石墨电极(水下或井中),高密度电法仪器集中式,集中式开关箱(外接),集中式开关箱(内置),由于电极开关被集中保护在一个箱子中，所以仪器故障少制造工艺简单，所以交货快，价钱相对低高质量电阻率数据可以做激发极化测量,高密度电法仪器集中式,这是一套252极的集中式系统，它由三个84极的开关箱组成。,BoosterBox=信号放大器,高密度电法仪器分布式,最适合于同时做电阻率和激发极化测量数据质量高，信噪比高,多电极系统-可以同时联结并控制几十甚至几百跟电极,AGISuperSting可以同时联结并自动控制65536个电极。,拟断面散点图,地面上的电极电缆,单通道仪器八通道仪器,单通道与多通道对比,多通道仪器比单通道仪器野外数据采集快很多(八)倍，但是最终得到的结果相同,多通道系统-每一次供电，同时测量多个电位差,每一次供电，AGISuperStingR8可以同时在八道上测量电位差。,拟断面图,I,1,2,3,4,5,6,7,8,可同时进行高精度电阻率和激发极化测量,双模式分布式电极,不锈钢电极用于供电,不极化电极用于测量电位差,单模式分布式电极,2009.9,中国矿业大学,3）、电阻率法的主要装备,除了测量仪器外，电阻率法的野外工作尚须如下设备：供电电源、供电电极、测量电极导线及线架等。,2009.9,中国矿业大学,2.4野外工作方法技术,1）测区的选择和测网的布设,地球物理工作的测区一般是由地质任务确定的，测区选择所应遵循的原则大体上都是一样的。但是对主要应用于工程及环境地质调查中的高密度电法而言。按地质任务所给出的测区往往是非常限定的，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，可供选择的余地往往是很少的，这是一般工程物探经常遇到的情况。,2009.9,中国矿业大学,2.4野外工作方法技术,2009.9,中国矿业大学,2.4野外工作方法技术,2009.9,中国矿业大学,2）装置形式及参数的选择,（1）装置的选择高密度电阻率法采用了三电位电极系，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。上述电报排列既可联合使用，也可根据需要单独使用，此外，当进行单孔或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。,2.4野外工作方法技术,2009.9,中国矿业大学,（2）极距的确定,（3）测点的分布,极距取决于地质对象的埋藏深度。高密度电阻率法的探测深度与电测深的探测深度理论上是一致的。在三电位电极系的极距设计为,其中为隔离系数，可以由1改变到15或更大，也可任选，为点距。,高密度电阻率法由于地表电极总数是固定的，因此，随着隔离系数的增大，测点数便逐渐减少，当=15变化时，对于60根电极而言，一条剖面的测点总数可由下式计算：,2.4野外工作方法技术,2009.9,中国矿业大学,2.4野外工作方法技术,2009.9,中国矿业大学,2.5高密度电阻率法的资料解释,1）统计处理方法,统计处理方法原则上适用于三电位电极系中各种电极排列的测量结果，只是在考虑视电阻率的参数图示时，由于偶极和微分两种排列形式的异常和地电体之间具有较复杂的对应关系因此，一般只对温纳四极排列的测量结果进行统计处理。统计处理包含以下内容：,（1）滑动平均；（2）计算统计参数：均值、方差；（3）计算电极调整系数；（4）视参数分级。,2009.9,中国矿业大学,统计处理结果一般采用灰度图来表示，由于它表征了地电断面每一测点视电阻率的相对变化，因此该图在反映地电结构待征方面将具有更为直观和形象的特点。,resistivitysection,1）统计处理方法,2009.9,中国矿业大学,（2）比值换算方法,比值换算是想改善测量结果对地电结构的分辨能力，前面我们给出了两种比值参数并讨论了它们的基本特性，参数对局部低阻体分辨能力强，而T参数对局部高阻体的分辨能力强。,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,该区采用高密度电阻率法测量的物性前提,是利用组成地下介质层间的电性差异:采空区和巷道为特高阻,灰岩层为高阻,煤层呈中到相对高阻,灰岩层和未开采煤层横向较均匀且分布范围一般很大,充水的巷道呈低阻但范围很小。地表通过不同电极距的布设可采集到反映地下不同点、不同深度的视电阻率值,而视电阻率值即蕴含着各种地质体的分布信息,采用计算机对数据进行处理、影像成图和综合分析解释,即可确定出地下采空区和巷道的大小、形状、分布范围以及在地表的投影位置。,2009.9,中国矿业大学,1)煤田采空区探测中的应用,2.6高密度电阻率法的实际应用,3)地下水调查,4)铁路、公路的地基勘查,5)圈定地层岩性边界,6)垃圾掩埋场淋漓范围的勘测,7)古墓勘察,8)污水管道的探测,2009.9,中国矿业大学,9)水库、河流堤坝渗漏情况的无损检测,10)矿山采空区勘探,11)浅层矿产勘查,12)基岩裂隙带探测,13)土木工程调查,14)土壤含盐度和水质调查,15)高应力地基勘探,16)地下结构如隧道等勘查,2009.9,中国矿业大学,高密度电阻率法在采空区岩溶调查中的应用研究,2009.9,中国矿业大学,由于非金属矿的大量开采，尤其是无序开采，导致矿山留下无穷隐患。采空区已渐渐成为当前较大的灾害源，影响城市的规划和发展；岩溶塌陷灾害事件频发也说明性质不稳定的岩溶分布区正日益影响人们正常的生活以及工程建设的安全,背景,2009.9,中国矿业大学,方法实验,2009.9,中国矿业大学,方法实验,2009.9,中国矿业大学,物理模型,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,物理模型,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,63,温纳排列：信噪比最高，很好的垂向分辨率，但是水平方向的分辨率差，多通道仪器只有一个通道能用上。,施伦贝格排列：要求AB/2大于五倍的MN，信噪比和分辨率比温纳排列要好，水平方向的分辨率明显改善,多通道仪器只有一个通道能用上，反对称四极排列可以用上四个通道。,偶极-偶极排列：分辨率最高,但是信噪比最差，维持较高信噪比的方法是保证n(5*AM)的条件下，无穷远极的影响小于5%。分辨率比偶极-偶极稍差但是信噪比高，无穷远极的布置比较困难并且常带来误差，反演的图像可能不对称。,单极-单极排列：在AB(20*AM)的条件下，无穷远极的影响小于5%。分辨率比较差但是观测信号强，两个无穷远极的布置比较困难并且常带来误差。MN太大容易受人文干扰、自然电场和大地电流的影响。,常规电极排列,65,探测深度与分辨率,最大探测深度-没有无穷远极:大约是最大排列长度的20%,例如，温纳、施伦贝格、和偶极-偶极排列。最大探测深度-有无穷远极:大约是最大排列长度的机5060%,例如，单极-单极、单极-偶极排列。平均分辨率大约是电极距的一半。,2009.9,中国矿业大学,从本次方法试验的结果可以看出：在被试验五种观测装置中，AMNB装置对异常反应的灵敏度相对较低、稳定性相对较好；偶极ABMN对异常反应的灵敏度高，稳定性相较差，尤其是ABMN遇异常体观测结果容易荡；三极（MN-B）装置的横向分辨率较高，纵向分辨率相对较低，可以通过计算H参数的办法来提高纵向分辨率。AM装置的勘探深度较大，在纵向上相对规模较小的地质体容易被忽视，但可以发现相对埋深规模较大的采空区,2009.9,中国矿业大学,一般地说，电极距越小分辨率越高，但勘探深度越小。也即分辨率和勘探深度是一对辩证的矛盾，在野外工作中应根据目标体的规模、埋深（洞径埋深比）灵活掌握。可以利用AMNB、ABMN的观测结果，运用近似计算公式对采空区的规模、埋深进行定量计算。依据方法试验的结果，优选排列（AMNB），三极（MNB）作为调查采空区、岩溶的观测装置，必要时采用排列（ABMN）进行观测。在室内资料整理过程中应有目的地进行一些H参数处理工作,2009.9,中国矿业大学,大楼基础桩底岩溶土洞调查,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,落水洞及不良地质作用调查报告,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,2009.9,中国矿业大学,根据地质资料，本区上部地层主要是黄土，地下水位大于30m，据此推断正常土层电阻率在10100.m之间变化。因此该区域发育的落水洞和土层裂隙应该以空气填充为主，在电性上因该呈现高阻反映。,1）测区地球物理特征,2009.9,中国矿业大学,2）测线布置现场根据勘探任务的要求，并考虑到场地实际施工条件布置了高密度电法测线，测线大致分为东西向和南北向布置，东西向测线编为A，南北向编为B，线距基本原则是靠近河谷密，远离河谷疏，并根据测量结果对落水洞发育地区加密，点距一般60m。在站址北测和东侧共布置东西测线24条，南北测线46条。,2009.9,中国矿业大学,3）参数选择a极距选择电极间距的选择要综合考虑勘探深度、分辨率、仪器道数、场地情况等因素。本次勘察总和考虑了以上因素，选用电极间距a=2.5m，最深测点供电极距AB/2为71.25m。b最大隔离系数最大隔离系数将决定勘探深度和深部数据点数，本次勘察选用电极间距a=2.5m，最大隔离