復(fù)雜地形高密度電法觀測裝置的分辨率探討與分析

李文靈，黃真萍，王福喜，陶海平，蔡建兵，陳偉文（福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350108）

復(fù)雜地形高密度電法觀測裝置的分辨率探討與分析

李文靈，黃真萍，王福喜，陶海平，蔡建兵，陳偉文
（福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350108）

在復(fù)雜地形條件下，受圍巖電性不均勻和地表起伏的影響，導(dǎo)致高密度電法勘探效果不佳。采用溫納裝置、偶極裝置、斯倫貝爾三種裝置，在平坦、山脊、山谷地形進(jìn)行模擬，通過模擬的電阻率，得出不同地形中適宜采取的電法觀測裝置。結(jié)果表明:溫納裝置受地形因素影響較??；偶極裝置在干擾較小時(shí)能較好地反映地下復(fù)雜地形的電性變化，但受山脊、山谷地形的影響較嚴(yán)重；斯倫貝爾裝置探測時(shí)受地形影響較大，相對精確度和分辨率會降低。

高密度電法；復(fù)雜地形；異常體；分辨率；反演模擬

高密度電阻率法是地球物理勘探方法中的電法勘探方法之一，是在普通電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)與新方法。高密度電阻率法主要是利用電極轉(zhuǎn)換器［1］，在控制系統(tǒng)中選擇的探測裝置類型，控制多個電極的排列，實(shí)現(xiàn)電性數(shù)據(jù)的快速和自動采集。當(dāng)采集數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)利用相關(guān)的處理軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對電極進(jìn)行相應(yīng)的排列組合，逐點(diǎn)或逐層進(jìn)行正反演計(jì)算，自動繪制出電阻率斷面分布成果。高密度電阻率法勘測特點(diǎn)是，能同時(shí)探測出地下介質(zhì)橫向和縱向的電阻率的變化情況，具有電測深法與電剖面法的綜合勘探能力。

20世紀(jì)80年代末，我國開始研發(fā)高密度電法技術(shù)及儀器設(shè)備，但由于自主研發(fā)能力與技術(shù)水平有限，我國在研發(fā)過程中也借鑒了國外的技術(shù)與方法。經(jīng)過多年的研究與應(yīng)用，目前我國的高密度電法技術(shù)得到了長足發(fā)展，在不同的工程中也得到了很好的運(yùn)用［2-4］。通過大量高密度電法的工程實(shí)踐證明 ，高密度電法資料觀測裝置設(shè)置時(shí)，主要是“三點(diǎn)位電極裝置”中的溫納裝置和偶極裝置以及“對稱四級裝置”斯倫貝爾裝置。另外，在資料處理時(shí)不但解釋出電阻率或視電阻率，還引入比值參數(shù)“λ、Τ、G”，為資料的定性解釋提供了更多的參數(shù)［4］。

1 高密度電阻率法觀測裝置

采用高密度電法勘測前 ，需要設(shè)定多種參數(shù)，其中裝置類型，隔離系數(shù)，電極距，電極數(shù)量，測試電壓，測線長度等都是影響勘測的結(jié)果精確度、分辨率高低的因素。所以結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的參數(shù)，既可以提高探測的效率，也可以增加探測結(jié)果準(zhǔn)確性。高密度電法資料的采集精度與觀測裝置的設(shè)置類型有很大的關(guān)系，觀測裝置控制著電極的排列與組合形式。通常情況下在實(shí)際資料采集之前進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)與選擇不同的裝置類型進(jìn)行資料采集，在直流激電儀上直接顯示電阻率值的分布，分析各觀測裝置采集資料的質(zhì)量，為生產(chǎn)階段選擇觀測裝置提供依據(jù)。

1.1 溫納裝置

該裝置是高密度電法勘測時(shí)常用的裝置。電極排列圖如圖1所示，電極分布依次是A、M、N和B，其中A、B為供電電極，M、N為測量電極。觀測時(shí)裝置控制AM、MN和NB距離相等，設(shè)計(jì)最小電極距（稱為單位電極距）為 a。觀測時(shí)首先按單位電極距a進(jìn)行滾動與掃描，多極掃描完畢后，依次改變電極距再進(jìn)行滾動與掃描。改變的電極距依次為 na，n =2，3，……（n為隔離系數(shù)）。這種觀測裝置采集的電性參數(shù)可以形成一個倒梯形的斷面［5-8］

。

1.2 偶極裝置

該裝置觀測電極排列如圖2所示，電極分布依次是B、A、M和N，觀測BA與MN距離相等，滾動時(shí)AM距離依次變化，M、N逐點(diǎn)向右滾動。觀測時(shí)首先BA與MN距離按單位電極距 a、AM依次改變電極距 na（1，2……）進(jìn)行滾動與掃描；再按電極距2a、AM na（2，3……）進(jìn)行滾動與掃描。依次完成觀測，從而獲得了電阻率斷面［5，8-10］。

1.3 斯倫貝爾裝置

該裝置極距布置順序與溫納裝置相同，電極排列如圖3所示，電極分布依次是A、M、N和B，觀測時(shí)滾動方向也與溫納裝置相同，但不同的是MN始終保持單位電極距 a進(jìn)行滾動與掃描，AM、NB則需要依次改變電極距 na（1，2……）進(jìn)行滾動與掃描。這種觀測裝置采集的電性參數(shù)進(jìn)行組合 ，最終也是形成了倒梯形電阻率斷面［5，11-13］

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1.4 不同地電斷面電場的特點(diǎn)

高密度電法勘探中人工施加的電場一般有兩種形式，一種是點(diǎn)電源電場，另一種是兩個正負(fù)點(diǎn)電源距離較大局部范圍內(nèi)形成的均勻電場。而不同電場相對不同幾何形狀的界面時(shí)，電流線有不同的入射角，當(dāng)入射角0°＜θ1＜90°，電流密度矢量的切向分量和法向分量同時(shí)存在。切向分量變化越大，電場被歪曲的就越厲害，電流線畸變越嚴(yán)重。若地表有凹陷，將凹陷空間可假設(shè)成被高電阻率介質(zhì)所填充，則具有較高阻值；若地表有凸起，則凸起部位假設(shè)成一個導(dǎo)電介質(zhì) ，則具有較低阻值［14-15］。

一般來說當(dāng)電流從低電阻率介質(zhì)向高電阻率介質(zhì)傳導(dǎo)時(shí)，電流線會傾向于集中。反之，電流線則會傾向于發(fā)散。如果存在電阻率值趨于無窮（如 ρ空氣→∞）的界面，電流線被高阻界面全部排斥，電流線無法穿過分界面。

如圖4所示，（a）圖水平層 P1＞P2時(shí)，電流線呈發(fā)散狀；（b）圖水平層 P2＞P1時(shí)，電流線趨于集中；（c）圖 P1＞P2時(shí)，電流線過低阻脈時(shí)發(fā)散；（d）圖 P1 ＜P2時(shí)，電流線過高阻脈時(shí)趨于集中；如圖5所示，（a）圖電流線平行于地面，電流線較密；（b）圖電流線平行于地面，電流線較疏散；（c）圖電流線過低阻脈時(shí)，往低阻脈兩側(cè)分散；（d）圖電流線過高阻脈時(shí)，往高阻脈集中；如圖6所示，電流線均沿地形界面分布，其中（a）圖的電流線比（b）圖密，（c）圖電流線比（d）圖密集。

2 地下異常體分辨率的二維模擬研究

2.1 溫納裝置探測的研究

本文用溫納裝置觀測分別在平坦地形條件、山脊地形條件、山谷地形條件下進(jìn)行高密度電法探測。

如圖7所示，在平坦地形條件下進(jìn)行溫納裝置探測，反演結(jié)果顯示，在水平范圍7 m～16 m和24 m ～28 m，深度3 m以下有較高阻異常體，核心電阻率值為69 Ω·m。兩異常體輪廓清晰，背景空間干擾較小。整體而言，均方根（RMS）誤差是0.77% ，誤差較小，精確度較高，分辨率較高。

不改變觀測參數(shù)，僅增加山脊地形數(shù)據(jù)，反演探測圖如圖8所示，地表地形中間高、兩端低。整條斷面是中間凸起，凸起處兩異常體豎向范圍和形態(tài)增大，輪廓呈現(xiàn)向上延伸的趨勢，且兩異常體間距減小。分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)匦瓮蛊饡r(shí)，在凸起部位電極相對較密，通過地下空間的電流線密集，電場強(qiáng)度相對較強(qiáng)，使得電阻率值變化較大。因此，受山脊地形的影響，探測顯示的結(jié)果比實(shí)際異常體范圍大，探測異常體間距比實(shí)際異常體間距小。整體而言，均方根（RMS）誤差增大至2.6%，精確度降低，異常體存在因山脊地形條件引起的畸變異常 ，探測出的異常體形態(tài)與真實(shí)形態(tài)存在一定的差異，分辨率降低［5］

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如圖9所示，同參數(shù)山谷地形條件下探測結(jié)果顯示，受山谷地形的影響，整條測線是向中間凹下，兩異常體之間的距離增大，反演出的異常體的形態(tài)較小，高阻異常體的電阻率值76.9 Ω·m。說明在地形起伏轉(zhuǎn)折處，電流線沿著地形起伏變化而變化，電場分布變分散，從而導(dǎo)致異常體的電阻率值及形態(tài)的變小，且間距變大。整體而言，均方根（RMS）誤差增至2.8%，精確度降低，異常體因山谷地形條件引起的畸變異常，探測出的異常體形態(tài)與真實(shí)形態(tài)存在一定的差異，分辨率降低［5］

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2.2 偶極裝置探測的研究

使用偶極裝置也分別在平坦地形條件、山脊地形條件、山谷地條件下進(jìn)行電法探測。如圖10所示，在平坦地形條件下，采用偶極裝置模擬探測，反演斷面左邊為核心電阻率值為64 Ω·m的高阻異常體，右邊是核心電阻率值為15 Ω·m的低阻異常體，兩異常體的輪廓特征清晰，背景空間的干擾較小。可以看出，均方根（RMS）誤差為0.45%，誤差較小，干擾假象、異?，F(xiàn)象比較少 ，分辨率較高。

對于山脊地形反演探測圖如圖11所示，高阻異常體的電阻率值降至61.5 Ω·m，低阻異常體的電阻率值降至12.1 Ω·m，電阻率值變化較小；整條斷面地形向中間凸起，兩異常體的輪廓畸變嚴(yán)重 ，背景空間有較多的干擾假象，尤其是在地形變化拐點(diǎn)處，異常體的形態(tài)扭曲嚴(yán)重。均方根（RMS）誤差升至1.9%，分析認(rèn)為精確度降低，異常體畸變嚴(yán)重，分辨率降低較多［5］。

如圖12所示山谷地形條件下探測結(jié)果顯示，高阻異常體的電阻率值升至70.5 Ω·m，低阻異常體的電阻率值降至13.2 Ω·m，電阻率值變化較小。背景空間產(chǎn)生較多的干擾異常，尤其是山谷中間地形變化拐點(diǎn)處，地表附近的干擾異?，F(xiàn)象較明顯。均方根（RMS）誤差增大至1.6%，分析認(rèn)為干擾增多，精確度降低，異常體的形態(tài)變得不規(guī)則，畸變嚴(yán)重，分辨率降低［5］

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2.3 斯倫貝爾裝置探測的研究

圖13所示，平坦地形條件下，地下空間有一高阻異常體 ，核心電阻率值為340 Ω·m，分布在水平范圍18 m～30 m，深度范圍1 m～6 m處，背景空間干擾假象較少。均方根（RMS）誤差只有0.87%，分析認(rèn)為，該方法精確度較高 ，異常體的輪廓清晰，分辨率較高。

如圖14所示山脊地形反演探測圖，高阻異常體的電阻率值降至288 Ω·m。受山脊地形的影響，電流線隨地形起伏變化，電場分布發(fā)生變化，導(dǎo)致異常體形態(tài)及電阻率值有所改變，尤其是山脊地形頂點(diǎn)拐角處，異常體的上下輪廓邊界畸變嚴(yán)重，整體有所擴(kuò)大，深度范圍也變大。分析認(rèn)為局部輪廓變形，分辨率略有降低。

如圖15所示山谷地形反演結(jié)果，高阻異常體的電阻率值升至396 Ω·m。受山谷地形的影響，電流線發(fā)生變化，電場分布也發(fā)生變化，電阻率變大，其形態(tài)有所變形，特別是在山谷地形最低點(diǎn)拐角處，異常體的近地表和近底部位置的外輪廓變形比較大，背景空間的干擾假象較多。均方根（RMS）誤差增至2.5%，分析認(rèn)為，該方法精確度降低，異常體受地形異常產(chǎn)生畸變，分辨率降低。

3 結(jié) 論

本文從理論與實(shí)踐相結(jié)合的角度對溫納裝置、偶極裝置和斯倫貝爾裝置的方法原理進(jìn)行討論，并得出以下結(jié)論:

（1）在地下電性比較復(fù)雜且干擾較小的情況下，偶極裝置對水平方向的電性變化具有較高靈敏性。

（2）溫納裝置受地形影響小，抗干擾能力最強(qiáng)；而斯倫貝爾裝置、偶極裝置易受地形影響 ，穩(wěn)定性相對較差，反演結(jié)果含較多干擾假象。

（3）復(fù)雜場地偶極裝置觀測探測與反演出的電阻率值，其精度和分辨率都將高于溫納裝置和斯倫貝爾裝置探測的結(jié)果。

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Discussion and Analysis of the Resolution of High-density Resistivity Imaging Devices in Complex Terrain

LI Wen-ling，HUANG Zhen-ping，WANG Fu-xi，TAO Hai-ping，CAI Jian-bing，CHEN Wei-wen
（College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350108，China）

In the conditions of complex terrains，the inhomogeneous electrical property of the surrounding rocks and the uneven ground surface make it difficult for high-density resistivity imaging devices to produce satisfiable results.Here，three devices of wenner，dipole and schlumberger were used to simulate terrains of plains，ridges and valleys.The appropriate observation devices of electrical method were obtained by analyzing and contrasting resistivity values of the simulation diagrams.The analysis results indicate that the wenner device is less affected by the terrain；under small disturbance，the dipole device can well reflect the electrical variations of underground complex terrains，but it is influenced seriously by the terrains of ridges and valleys；the detection of schlumberger device is greatly affected by the terrain with lower relative precision and resolution.

high density resistivity；complex terrain；abnormal body；resolution；inverse modeling

P631.3

A

1672—1144（2015）02—0037—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.009

2014-11-17

2014-12-15

國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（41272300）

李文靈（1991—），男，福建龍巖人，本科生，所學(xué)專業(yè)為巖土工程。E-mail:wenling lee@163.com