1、高密度电阻率法及其应用技术,高密度电阻率法是集电剖面和电测深为一体采用高密度布点，进行二维地电断面测量的一种电阻率法勘查技术。由于它提供的数据量大，信息多，并有观测精度高，速度快和探测深度较大等特点，因此在工程地质和水文地质勘查中有着广阔的应用前景。,第一节 引 言,由于工程与环境地质调查的特殊性，常规物探方法很难满足实际工作的需要，近年来 除了基于弹性波理论的一些方法(如浅层地震勘探、瑞雷波勘探等)有了迅速发展之外，电 磁波理论的一些方法(如探地雷达、高密度电阻率法勘探等)也有了长足进展。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
2、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。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。,由于高密度电阻率法的上述构想，因此相对于常规电阻率法而言，它具有以下特点：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能有效的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20.5s)，而且避免了由于手工操
3、作所出现的错误。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。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。勘探能力显著提高。,关于阵列电探的思想早在上世纪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
4、制成了约35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。本章将试图从方法原理、野外工作方法技术、资料解释及实际应用等方面对该方法加以系统介绍。现在已有分布式三维高密度仪器。,图52 高密度电阻率法测点分布示意图,第二节 野外工作方法技术,一、高密度排列说明 排列（温纳）该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：,【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N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， A、B、M、N
5、 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。,排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AB=BM=MN为一个电极间距，A、B、M、N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， A、B、M、N 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。,排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MB=BN为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MB、BN增大一个电极间距， A、B
6、、M、N 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。,A排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MN为一个电极间距，A、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着AM、MN增大一个电极间距， A、M、N 逐点同时向右移动，得到另 条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。,B排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，MN=NB为一个电极间距，M、N、B逐点同时向右移动，得到第一条剖面线；接着MN、NB增大一个电极间距， M、N、B 逐点同时向右移动，
7、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。,A-M 二极排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为平行四边形。【描述】测量时，A不动，M逐点向右移动，得到一条滚动线；接着A、M同时向右移动一个电极，A不动，M逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。,A-MN三极排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为平行四边形。【描述】测量时，A不动，M、N 逐点向右同时移动，得到一条滚动线；接着A、M、N同时向右移动一个电极，A不动，M、N 逐点向右同时移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，
8、得到平行四边形断面,AB-M三极排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为平行四边形。【描述】测量时，A、B不动，M逐点向右移动，得到一条滚动线；接着A、B、M同时向右移动一个电极，A、B不动，M逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。,AB-MN偶极排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列：【特点】测量断面为平行四边形。【描述】测量时，A、B不动，M、N 逐点向右同时移动，得到一条滚动线；接着A、B、M、N同时向右移动一个电极，A、B不动，M、N 逐点向右同时移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断
9、面。,MN-B排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列： 【特点】测量断面为矩形。【描述】测量时，M、N不动，B 逐点向右移动，得到一条滚动线；接着M、N、B同时向右移动一个电极，M、N不动，B 逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到矩形断面。,2排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MN=NB为一个电极间距，A、B、M、N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，A、B、M、N 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。,A-
10、MN-B四极测深排列（施伦贝尔） 该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排：【特点】测量断面为矩形。【描述】测量时，M、N不动，A 逐点向左移动，同时B 逐点向右移动，得到一条滚动线；接着A、M、N、B同时向右移动一个电极，M、N不动，A 逐点向左移动，同时B 逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到矩形断面。,矩形A-MN排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排：【特点】测量断面为矩形。【描述】测量时，M、N不动，A 逐点向左移动，得到一条滚动线；接着A、M、N同时向右移动一个电极，M、N不动，A 逐点向左移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到矩形断面。
11、,3导线敷设 目前国内的高密度电阻率法仪器设备，最多可控制120路电极，野外工作中的导线敷设方式见图55。,图55 野外工作中的导线敷设,4测点分布 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N115变化时，对于60路电极而言，一条剖面的测点总数可由下式计算显然，n=1，N1=57，n15，N15=15，即a=15x时，最下层的剖面长度为上L15=15x。图56为高密度电阻率法的测点分布图。测点在断面上的分布呈倒三角形状。,图5-6测点分布示意图,二、高密度电阻率法的测量系统 为实现高密度电阻率测量所设计的仪器系统包括程控式电极转换开关和数字式电阻率
12、仪，除了日本OYO公司生产的MCOHM21(2116)仪器外，国内研制的仪器主要有HD1型高密度工程电测系统和MIR1C多功能直流电测仪。其工作原理和功能大体相同，下面主要对后者作一简要介绍。(一)MIS2型微机多路电极转换器MIS2型微机控制多路电极转换器是MIR1系列多功能直流电测仪的配套设备，是专门用于高密度电阻率测量时进行电极排列方式、极距和测点扫描的自动转换装置。它是由单片机控制的电子开关组，可对供电和测量电极进行自动切换。,（二)MIRIC多功能直流电测仪MIR1C多功能直流电测仪由微机控制板、模拟通道板及发送机板三部分组成。1基本原理模拟通道板由前置输入陷波，单道多道切换，电压、
13、电流道切换，低通滤波、自电自动跟踪、浮点放大，电池电压检测，采样保护及模数转换等单元组成。完成信号滤波、自电跟踪、信号放大、数字量化等过程。2仪器特点 具有单道和多道(6和60道)采集方式；中文操作菜单，大屏幕实时显示测量数据和视参数曲线；采用自动增益调解，自电自动跟踪和补偿技术，使测量过程完全自动化；采用模拟和数字二重滤波，多次叠加、超差剔除、超程显示等措施，大大提高了抗干扰性能和准确性；,图57 MIR1C直流电测仪的原理方框图,第三节 高密度电阻率法的资料处理及正演模拟,一、资料处理(一)资料处理方法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
14、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。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特征方面将具有更为直观和形象的特点。,。,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，第二节中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。3滤波处理方法 三电位电极系
15、中，偶极和微分排列所测视参数曲线随极距的加大曲线由单峰变为双峰，绘成断面图时，除了和地质对象赋存空间相对应的主异常外，一般还会出现强大的伴随异常，为了消除或减弱三电位视电阻率曲线中的这种振荡成分的影响，可以采用数字滤波的方法，,(二)资料处理系统 1程序特点 (1)系统采用模块化结构。不同功能形成独立模块，各模块有机统一，既可联合使用也可单独使用。(2)可同时对多条测线、多参数测量结果进行处理，处理后可获得测量范围内不同深 度的电性分布。(3)处理后所形成的图件形象、直观、丰富，并且可在任何打印机或绘图仪上输出。(4)采用混合语言编写，程序结构合理、功能齐全、人机对话。 2程序结构及功能高密度
16、电阻率法资料处理系统共包括三个主模块：处理(Process)模块：电测深定量解释(1nverse)模块；绘图(Graph)模块。,二、正演模拟(一)正演模拟方法高密度电阻率法在现场采集到大量关于地电断面结构特征的地质信息，这些信息以数字形式保存在随机存储器中，将其送入微机并按给定程序进行处理，实际上就是把有关地质信息提取出来，由于这些信息与多种因素有关因此在通常情况下，视参数的异常分布与地质断面之间总是存在着比较复杂的关系。为了研究高密度电阻率法对各种典型地电结构的勘探能力，除采用物理模拟外，还进行丁大量数值模拟，对二维地电模型选用了点源二维有限元法；对三维地电模型则选用了面积分方程法。,绘制
17、高密度对数坐标（深度）等值线图1、执行通讯软件（BTRC2000），打开原始高密度数据文件（如：test.fda）。2、单击“计算高密度极距(AB/2)”命令，将层号转换为深度。3、单击“转换Surfer格式”命令，将数据转换为surfer格式数据（如test.dat）。4、执行Surfer软件。,输入数据，或通过接口传输数据,选择坐标轴。,单击“Fill(填充)” 颜色，选择线距和标注,成图、修改等,第四节 高密度电阻率资料的反演,80年代中期以来，随着阵列电探采集系统的出现和发展，借鉴医学电阻抗CT、地震波 和电磁波CT，一些学者相继把CI技术引入到电法勘探之中，用以研究稳定电流场中电阻
18、率的变化。基于稳定电流场的电阻率层析成像和基于波动现象的地震波成像不同，地震波成像，其 投影数据反映的是沿射线路径的物性分布，而电阻率层析成像所测电位反映的是电场分布 范围内的物性分布，因此电阻率层析成像和地震波层析成像所用的方法不同，其算法是应用于地表勘探的常规反演算法的广义扩展，,而由此获得的分辨率却比常规电阻率法所进行的各种解释都高得多。因此，本节拟对高密度电阻率法的资料利用佐迪方法进行成像反演的基本思路及其数字实验结果加以讨论。一、佐迪(Zohdy)方法简介佐迪方法是基于施伦贝尔和温纳测深的解释而提出的，它实际是一种最小二乘优化法，即通过不断调整初始模型至使实际测深曲线和模型测深曲线之
19、差达到最小，最终的模型参数即为反演结果。,佐迪方法的基本思想是：首先假设地层的层数和测深曲线上的点数一样多。在初始模型中，第一层的电阻率就采用曲线上第一个点的视电阻率，第二层就采用第二个点的视电阻率，整条曲线依此类推。每一层的平均深度采用测得相应电阻率的电极距再乘以某一常 数。用初始模型得到一条理论测深曲线，将该曲线与野外实测曲线进行比较，如果所用常数是正确的，则两条曲线“同相”，但幅值一般不会相同。然后进行迭代处理以调整模型各层的电阻率，直至实测曲线和模型曲线的均方根误差减至最小，图512给出了该方法的 基本步骤。每次迭代按下式用实测视电阻率和计算视电阻率之比为系数调整各层的电阻率：,(5.
20、5.1）,l一实测数据； 2一初始分层； 3一模型曲线； 4一改正后分层；5一最终分层,图512 电测深曲线佐迪反演示意图,图5一14 佐迪反演程序框图,第五节 在工程与环境地质调查中的应用,邯郸矿业集团陶二矿426工作面高密度探测： 1、目的任务 2、工作方法 3、正、反演结果,A-A 地 电 断 面 反 演 图,A-A 地 电 断 面 成 像 图,AA 地 电 断 面 图,BB 地电断面成像图,BB 地 电 断 面 图,CC 地 电 断 面 图,水槽模型实验图象,倾斜板（左上） 背斜（右上） 直立板（左下） 球体（右下）,例十、500KV超高压输电铁塔下磷矿采空区探测结果（湖北荆门）,恩施响板水库护坡渗漏区探测,渗漏区,水泥护坡,秦始皇陵墓上的高密度电法勘探视电阻率断面等值线图,白蚁蚁巢的高密度电法探测实验,开挖验证密度电法探测结果,
