高密度電阻率法四電極系橫向分辨率探討

殷 勇

(福建省建筑設(shè)計研究院,福州 350001)

0 前言

高密度電阻率法橫向分辨率,是指水平方向?qū)Φ刭|(zhì)體的分辨能力,它與地質(zhì)體大小、埋深,以及地質(zhì)體的水平距離、采集方式、地質(zhì)環(huán)境和反演處理技術(shù)等有關(guān)。與地質(zhì)體的可探測性不同,除了要有足夠大電阻率異常外,在實際應(yīng)用時,還能夠利用電法反演技術(shù),將二個地質(zhì)體分離。

在一般情況下,①地質(zhì)體越小,產(chǎn)生的電阻率異常越小,越不易分辨;②埋深越大,越不易分辨;③電性差異越小,越不易分辨;④反演技術(shù)越好,分辨地質(zhì)體的能力越強。目前,高密度電阻率法已經(jīng)成為工程中探測地下地質(zhì)體的一種常用方法技術(shù)[1、2],而在高密度電阻率法裝置選擇上,四電極系(α1、β、γ、α2)又最為常用。因此,對四電極系下,高密度電阻率法橫向分辨能力探討具有現(xiàn)實意義。

1 高密度電阻率法工作原理及四電極系布極方式

高密度電阻率法實際上是一種陣列式電法勘探方式,野外電極一次布設(shè),然后利用電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機工程電測儀,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。在采集完成后,可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并給出關(guān)于地電斷面分布的各種物理解釋。相對于常規(guī)電阻率法而言,高密度電阻率法具有快速、高效、成本低、信息量大,分辨率高等特點。

四電極系布極方式是根據(jù)供電電極和測量電極的相對位置關(guān)系來確定的。根據(jù)供電電極A、B和測量電極M、N相對位置關(guān)系,四電極系通常有α1裝置(AMNB),β裝置(ABMN),γ裝置(AMBN)和α2裝置(見圖1),不同采集裝置對相同地電模型的反映能力不同。

圖1 α1,β,γ,α2裝置布極方式Fig.1 α1,β,γ,α2 electrode arrangements

2 四電極系橫向分辨能力探討方式

RES2DMOD正演軟件采用矩形網(wǎng)格化,使用了有限元或有限差分法對模型進(jìn)行正演計算,保證了模型斷面數(shù)據(jù)來源的可靠性。例如,圖2模擬了二個地質(zhì)體大小為5 m,水平距離為12.5 m的地電模型,采集裝置為α2,電極距為5 m,背景電阻率值為300Ω·m,地質(zhì)體電阻率值為5 000Ω·m,從視電阻率圖中可以清楚地分辨出為二個地質(zhì)體。

RES2D INV反演軟件進(jìn)行反演時,采用平滑約束最小二乘法進(jìn)行模型優(yōu)化。利用地面上的電阻率數(shù)據(jù),生成地下的二維模型,把地下空間分為許多模型子塊,確定這些子塊的電阻率,使得正演計算出的視電阻率擬斷面與實測擬斷面相吻合。對于每一層子塊的厚度與電極距之間,給出一定的比例系數(shù)。利用最優(yōu)化方法調(diào)節(jié)模型子塊的電阻率,減小正演值與實測視電阻率值的差異。這種差異用均方誤差(RMS)來衡量,謹(jǐn)慎地逼近經(jīng)選取迭代后均方誤差不再明顯改變的模型,通常在第三和第五次迭代之中得到反演結(jié)果。在實際使用時,作者采用了修整數(shù)據(jù),調(diào)節(jié)阻尼系數(shù),選擇等值線間隔,利用ROBUST等技術(shù)綜合提高反演效果。野外探測中,并不是每種四極系裝置視電阻率圖像都能將圖2中二地質(zhì)體較好的分辨,因此,需要對野外數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,觀察反演結(jié)果能否分離地質(zhì)體。圖3(見下頁)就是利用圖2模型產(chǎn)生的視電阻率值,加入1%隨機干擾后的反演結(jié)果。在圖3中可明顯分辨出地質(zhì)體,但也同時對周圍電阻率有一些影響。由此可知,野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量對分辨率有較大影響,采集質(zhì)量好,可較好提高分辨率;質(zhì)量差則分辨率降低,甚至作出錯誤判別。

3 橫向分辨率衡量標(biāo)準(zhǔn)及分析結(jié)果

在野外實際工作中,地電斷面非常復(fù)雜,衡量某種裝置的橫向分辨率是一個非常困難的問題,因此,必須對野外地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行簡化,在建立模型時應(yīng)做以下假設(shè):

(1)地質(zhì)體與周圍背景值有足夠大電阻率差異,本次模型采用的背景電阻率值為300Ω·m,地質(zhì)體電阻率值為5 000Ω·m。

(2)在正演模擬產(chǎn)生的視電阻率后,反演時均加入相同1%的隨機干擾。

(3)地質(zhì)體處于同一平面,同一深度,并且大小相等。

(4)模型不考慮地形對分辨率的影響。

那么推什么？一言以蔽之，就是推進(jìn)廉潔政治建設(shè)。干部清正、政府清廉、政治清明，是習(xí)近平總書記推進(jìn)反腐倡廉建設(shè)思想的目標(biāo)和理念。干部清正，不僅僅對執(zhí)政黨自身的建設(shè)和國家政權(quán)體系的建設(shè)有利，更是對整個社會風(fēng)氣的健康發(fā)展有重要作用。清廉是共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)的人民政府應(yīng)有的本質(zhì)特征。政治清明，是社會主義國家的內(nèi)在要求。中國共產(chǎn)黨領(lǐng)導(dǎo)廣大人民群眾進(jìn)行民主政治建設(shè)，理應(yīng)是清明的政治。

在滿足以上條件的情況下,可以利用地質(zhì)體的水平距離來衡量橫向分辨率。當(dāng)二地質(zhì)體在一定大小、深度環(huán)境下,總會存在某一距離,使得二地質(zhì)體能夠分離,我們稱這一距離為最小分辨距離。當(dāng)二地質(zhì)體距離小于最小分辨距離時,則不能分辨,在進(jìn)行解釋時,會將二地質(zhì)體合為一個地質(zhì)體看待;反之,則可分辨。

圖2 α2裝置正演模擬圖Fig.2 For ward modeling diagram ofα2 electrodes arrangement

圖3 α2裝置反演成果圖Fig.3 Inversion results ofα2 electrodes arrangement

圖4模型反映的是并排放置的五個地質(zhì)體,地質(zhì)體大小為5 m,埋深為10 m。從左到右,地質(zhì)體間隔水平距離分別為7.5 m、12.5 m、17.5 m和22.5 m的模型和正、反演結(jié)果。從圖4中可以看出,左邊三個地質(zhì)體異常融合成了一個大異常,它們之間不能分辨,后面二個地質(zhì)體有明顯、單獨的異常,可以分辨。因此,在這種地電條件下,最小分辨距離在12.5 m～17.5 m之間。

圖5(見下頁)模型中反映的是并排布置的二個地質(zhì)體,大小為5 m,水平間距為12.5 m,地質(zhì)體埋深分別為5 m、10 m、15 m和20 m的反演結(jié)果。從圖5中可以看出,埋深15 m是能夠分辨的,但埋深為20 m時,二個異常合并一起,不能分辨。

為了能較好地討論四種裝置的不同橫向分辨能力,作者分別對四種裝置進(jìn)行模擬,得到結(jié)果見下頁表1。

從Model 6和Model 11結(jié)果可以得出結(jié)論:α2裝置橫向分辨率稍好,α1裝置次之,β、γ裝置稍差。在以上模型中,地質(zhì)體大小均為5 m,采用同樣的方法,我們改變地質(zhì)體大小為2.5 m和3.75 m,重復(fù)以上模擬過程,便可得到地質(zhì)體大小、埋深與最小分辨距離的關(guān)系,如圖6所示。為了簡化結(jié)果,模型均采用α2裝置測試方式,電極距為5 m,圖6中①、②和③曲線分別表示地質(zhì)體大小為2.5 m、3.75 m和5 m。曲線左側(cè)為不可分辨區(qū)域,右側(cè)為可分辨區(qū)域,從圖6中可以得出以下結(jié)果:

(1)地質(zhì)體埋深越大,最小分辨距離越大,橫向分辨率降低。

(2)地質(zhì)體越小,最小分辨距離變小,但地質(zhì)體產(chǎn)生的異常變小,可探測性變?nèi)酢?/p>

(3)減小電極距可以提高探測地質(zhì)體的能力,但受排列長度和儀器測試精度影響,探測深度會變小。

圖4 α2裝置水平多個地質(zhì)體正、反演成果圖Fig.4 Forward and inversion modeling of horizontal multi-geological body

圖5 α2裝置地質(zhì)體不同深度反演成果圖Fig.5 Inversion results ofα2 arrangement for various depth geological body

圖6 地質(zhì)體大小、埋深～最小分辨距離圖Fig.6 Diagram of geological body size and buried depthminimum horizontal resolution

4 如何提高橫向分辨率

由于影響四電極系橫向分辨率的因素較多,要提高分辨率必須從野外到室內(nèi)資料處理及解釋各個環(huán)節(jié)進(jìn)行考慮,總體要注意以下幾點:

(1)要根據(jù)不同的探測要求,選擇不同的觀測參數(shù)和裝置。電極距越小,可分辨地質(zhì)體越小,探測深度也變小。在野外工作時,在不影響工作效率的前提下,應(yīng)盡量采用多種裝置進(jìn)行觀測。在四電極系中,一般優(yōu)選α2裝置、α1裝置,其次為β、γ裝置。

(2)測線布置時,應(yīng)盡量符合二維地質(zhì)體模型,以減少地形影響。

表1 不同地質(zhì)模型模擬成果表Tab.1 The outcome table of different geologicalmodels to s imulate

(3)資料處理時,對異常點應(yīng)進(jìn)行剔除。探測深部地質(zhì)體時,如果淺部數(shù)據(jù)變化較大,存在較多不均勻體,可適度使淺部數(shù)據(jù)不參與反演運算。

(4)選用較好的反演算法,可提高對地質(zhì)體的分辨能力,高密度電法反演中異?？偸潜鹊刭|(zhì)體大得多,不同的反演處理方法,反演出地質(zhì)體異常大小不一,因此,具有不同的分辨能力。

(5)適當(dāng)?shù)倪\用某種算法也可提高橫向分辨率,如T比值法,測深曲線切向角～深度剖面法,以及測深曲線反射系數(shù)法等。

(6)采用多種裝置結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋,可較好地提高解釋精度和分辨能力。

5 結(jié)論

作者在本文中運用高密度電法正演技術(shù),模擬野外數(shù)據(jù),通過反演確定模型的分辨能力,較好的運用了最小分辨距離來衡量高密度電阻率法四電極系的橫向分辨能力,得出了地質(zhì)體大小、埋深與最小分辨距離的關(guān)系曲線,對高密度電法野外工作及室內(nèi)資料解釋具有較強的指導(dǎo)作用。

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