淺析提高深部高密度電法探測(cè)精度的方法

趙希正

摘要： 針對(duì)目前國(guó)內(nèi)用于勘探的高密度電法儀器存在的供電缺限，提出重新設(shè)計(jì)高密度電法儀的供電系統(tǒng)、人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性智能檢測(cè)系統(tǒng)及電壓轉(zhuǎn)換智能控制系統(tǒng)的解決方案。本方案可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)完整的測(cè)量排列中，根據(jù)勘探區(qū)地電條件只要設(shè)定好參數(shù)，整個(gè)排列斷面的測(cè)量及供電電壓的跳轉(zhuǎn)將自動(dòng)完成，無需人為干預(yù)。同時(shí)在整個(gè)排列測(cè)量斷面上建立了穩(wěn)定的供電電流場(chǎng)，增強(qiáng)了抗干擾能力，保證了勘探精度與勘探深度，使高密度電法勘探的工作效率得到了很大的提高。

Abstract： In view of the power supply shortage existing in high-density electrical instruments used for exploration in China， the solutions for redesigning power supply system for high-density electrical apparatus， intelligent detection system for artificial current field stability， and voltage conversion intelligent control system are proposed. This scheme can be realized in a complete measurement arrangement. According to the geoelectrical conditions in the exploration area， as long as the parameters are set， the measurement of the entire arrangement section and the jump of the power supply voltage will be automatically completed without human intervention. At the same time， a stable power supply current field has been established across the entire surveying section， which has enhanced the

anti-jamming ability， ensured the exploration accuracy and exploration depth， and greatly improved the working efficiency of high-density electrical surveying.

關(guān)鍵詞： 高密度電法；人工電流場(chǎng)；視電阻率；干擾電平；信噪比

Key words： high-density electrical method；artificial current field；apparent resistivity；interference level；signal-to-noise ratio

中圖分類號(hào)：P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）20-0276-04

0 引言

上世紀(jì)90年代初日本OYO公司和英國(guó)伯明翰大學(xué)最先研制出陣列電法勘探觀測(cè)系統(tǒng)，使電法勘探象地震勘探一樣使用覆蓋式觀測(cè)方式，可獲取地下介質(zhì)的地電信息，這種電阻率陣列勘探方法稱高密度電阻率法。之后國(guó)外多家地質(zhì)儀器公司開始研發(fā)此類先進(jìn)設(shè)備。功能最突出的是德國(guó)DMT公司生產(chǎn)的RESECS高密度電法儀，該儀器將開關(guān)單元分布在各個(gè)電極上（解碼器），其主機(jī)有一個(gè)電流測(cè)量通道和能夠擴(kuò)展為6個(gè)的電位測(cè)量通道，在單通道和多通道情況下均可最高控制960個(gè)電極。90年代末期我國(guó)自行研制的儀器開始使用于勘探領(lǐng)域。具有代表性儀器為重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-3多功能數(shù)字直流激電儀與WDJD-3多路電極轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了直流電法的高密度測(cè)量功能。以后隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)的發(fā)展該儀器在原來的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)與升級(jí)，研發(fā)了多種型號(hào)的電法儀，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的為WDA-1和WDA-1B型超級(jí)數(shù)字直流電法儀，以此機(jī)為測(cè)控主機(jī)，可通過選配WDZJ-4或WDZJ-120多路電極轉(zhuǎn)換器、集中式高密度電纜、電極，實(shí)現(xiàn)集中式二維高密度電阻率測(cè)量；也可選配分布式高密度電阻率電纜或激電電纜、電極，實(shí)現(xiàn)分布式二維、三維高密度電阻率測(cè)量、分布式二維高密度激電測(cè)量。這些儀器在電路設(shè)計(jì)與智能控制及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理上有了很大的提高，但測(cè)量原理及供電控制方式基本沒有改變。

1 常規(guī)高密度電法勘探的供電測(cè)量方式

圖1是以A-MN-B四極測(cè)深裝置為例來表示高密度電法的供電測(cè)深原理。由圖中可以看出A與B為供電電極，M與N為測(cè)量電極，測(cè)量時(shí)M、N不動(dòng)，A 逐點(diǎn)向左移動(dòng)，同時(shí)B 逐點(diǎn)向右移動(dòng)， A、B移動(dòng)到設(shè)計(jì)的最大電極距為止，得到一條滾動(dòng)線；接著A、M、N、B同時(shí)向右移動(dòng)一個(gè)電極，M、N不動(dòng)，A 逐點(diǎn)向左移動(dòng)，同時(shí)B 逐點(diǎn)向右移動(dòng)，得到另一條滾動(dòng)線；這樣不斷滾動(dòng)測(cè)量下去，得到矩形測(cè)量斷面。在完成整個(gè)斷面測(cè)量的過程中AB、MN電極的選通是根據(jù)設(shè)置的觀測(cè)裝置而自動(dòng)完成的。

A-MN-B四極測(cè)深裝置在高密度直流電法勘探中是一個(gè)最基本的觀測(cè)裝置。它能代表直流電法勘探的基本原理，在每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上的供電測(cè)量方式等同于傳統(tǒng)的直流電測(cè)深的工作原理。

2 高密度電法供電電壓對(duì)探測(cè)深度的影響

理論上講直流電法的勘探深度主要取決于供電電極距的大小。工作中通常把AB/2的深度看作電阻率法的影響深度，而把AB/4的深度作為作為勘探深度。所以人們?cè)诟呙芏入姺碧綄?shí)際工作中為了提高勘探深度而增大電極數(shù)量與電極間距是理所當(dāng)然的。但是，當(dāng)供電電極距擴(kuò)大到一定程度，就必須有足夠高電供電電壓來保證地下半空間所建立的人工電流場(chǎng)的穩(wěn)定，否則將是探測(cè)成果質(zhì)量受到嚴(yán)重影響甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤。

在直流電測(cè)深法勘探中，當(dāng)供電電極增大到一定程度時(shí)MN測(cè)量電極所測(cè)得電壓值就會(huì)變得很小，或不穩(wěn)定，我們通過提高供電電壓及增大MN測(cè)量極距來提高地下半空間人工電流場(chǎng)強(qiáng)度與測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，這樣很好的解決了大極距測(cè)深的供電問題。

下面來討論高密度電法供電電壓對(duì)探測(cè)深度的影響：

直流電法勘探的基本原理是根據(jù)人工電流場(chǎng)在地下半空間的分布特征來研究解釋地下半空間的不同電性地質(zhì)體的分布情況，如何在地面真實(shí)準(zhǔn)確的觀測(cè)到人工電流場(chǎng)的分布特征，最基本的是要保證人工電流場(chǎng)的穩(wěn)定，有足夠的抗干擾能力。就是要有足夠大的供電電流強(qiáng)度，來維持電流場(chǎng)的穩(wěn)定。

在地面通過測(cè)量電極MN觀測(cè)到的電壓信號(hào)是直流電法勘探的原始數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)和MN及供電電極AB的距離求取地下不同深度的視電阻率，所以整個(gè)探測(cè)過程中MN之間的測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。下面我們還是以A-MN-B對(duì)稱四極測(cè)深裝置為例：

根據(jù) I=K

I——AB極的供電電流強(qiáng)度；K=π——對(duì)稱四極的裝置系數(shù)；UMN—MN之間的測(cè)量電壓； ρs—視電阻率。

可以看出，在觀測(cè)裝置及地下半空間ρs一定的情況下，△UMN的大小取決于AB極的供電電流強(qiáng)度I。

我們假設(shè)地下為均勻半空間，視電阻率 =100ΩM；探測(cè)區(qū)工業(yè)干擾電平和極化電位為Ug=2mv，為了保證勘探質(zhì)量，我們?nèi)≡贛N上能觀測(cè)到最小大于10倍干擾電平的電壓信號(hào)強(qiáng)度來滿足抑制干擾的要求，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。在最大供電電極距AB=55M；測(cè)量電極距MN=5M的條件下，計(jì)算高密度電法在最大供電電極距排列時(shí)所需要的最小供電電流強(qiáng)度為：

也就是說在AB=55M；MN=5M時(shí)AB的供電電流強(qiáng)度應(yīng)≥94.25mA可滿足以上地電條件下的勘探質(zhì)量。

上式也表明，如果勘探區(qū)的地電條件確定，要滿足≥10倍的干擾電平的測(cè)量信號(hào)需要的最小供電電流強(qiáng)度I的大小主要取決于裝置系數(shù)K，只要分別計(jì)算出不同最大供電極距AB與測(cè)量極距MN時(shí)的K值；再計(jì)算出他們之間的比例大小，也就確定了不同電極距時(shí)所需供電電流的比例大小。

表1是在上述地電條件下，不同最大供電極距AB與測(cè)量極距MN時(shí)計(jì)算出來的各個(gè)K值的比值，即各個(gè)供電電流強(qiáng)度的比值。

由表1可以看出：當(dāng)供電電極距AB由55M增加到105M時(shí)，其對(duì)應(yīng)的K值增加了3.667倍，直到AB增加到405M時(shí)，K值是55M時(shí)的54.667倍，同理所需的供電電流強(qiáng)度也要以同樣的比例增加才能保證上述地電條件下的探測(cè)質(zhì)量。

高密度電法的電極排列布設(shè)完成后，每個(gè)電極的接地電阻也就確定。在一個(gè)完整的排列中供電電極AB之間的等效直流阻抗也已確定，所以通過AB供入地下的電流強(qiáng)度IAB大小取決于AB之間的供電電壓。所以得出：AB供電電壓的大小是影響高密度電法勘探深度的主要因素之一，勘探深度越大，AB所需要的供電電壓越高。

但是目前國(guó)內(nèi)用于勘探的高密度電法儀器的供電方式是在一個(gè)測(cè)量斷面排列中供電電壓是固定不變的，這樣隨著供電電極距的增大地下半空間的電流密度變低，增大到一定程度使建立起來地下半空間人工電流場(chǎng)變?nèi)趸虿环€(wěn)定，尤其是大極距長(zhǎng)斷面排列，電極數(shù)量較大，在供電電極A-B之間的電壓固定不變的情況下要保證小極距測(cè)量供電要求必然會(huì)影響大極距的供電，在接地條件不均、工業(yè)干擾嚴(yán)重的勘探區(qū)表現(xiàn)的更為突出。其結(jié)果導(dǎo)致在一個(gè)測(cè)量斷面上相對(duì)深部測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)，重復(fù)性變差，使探測(cè)深度受到限制，給勘探成果資料的解釋帶來較大困難。

下面以實(shí)地工作為例來分析研究供電電壓對(duì)探測(cè)深度的影響。

在工業(yè)干擾嚴(yán)重的勘探區(qū)進(jìn)行電法勘探，首先要通過實(shí)驗(yàn)了解勘探區(qū)內(nèi)電、磁干擾的程度，選擇有效的觀測(cè)裝置及參數(shù)來壓制干擾，提高信噪比。神木市某煤礦生產(chǎn)礦井在開采3-1煤層時(shí)需要查明上覆2-2煤層采空區(qū)的富水情況，勘探區(qū)內(nèi)2-2煤的埋深為60M～78M之間，所以選用高密度電法勘探，設(shè)計(jì)最大勘探深度為100M。本勘探區(qū)處在工業(yè)干擾嚴(yán)重的生產(chǎn)礦區(qū)，為了作好勘探工作，首先在區(qū)內(nèi)地形平緩、地層穩(wěn)定、無采空區(qū)的已知地段進(jìn)行試驗(yàn)以確定工作方法的有效性。

圖2是用相同測(cè)量裝置，不同的供電電壓所測(cè)得的視電阻率試驗(yàn)斷面圖。由圖可知看出，在供電電壓分別為180V、270V、450V時(shí)測(cè)得三個(gè)視電阻率斷面圖在深度40M以上其視電阻率的分布特征基本一致，在180V供電的斷面上在深度大約40M～100M范圍，視電阻率等值線跳變嚴(yán)重，無連續(xù)性，與試驗(yàn)區(qū)已知的穩(wěn)定平緩地層的電性分布特征不符。在270V供電的斷面上在深度大約70M～100M范圍，視電阻率等值線曲變嚴(yán)重，同樣與試驗(yàn)區(qū)已知的穩(wěn)定平緩地層的電性分布特征不符。當(dāng)供電電壓達(dá)到450V時(shí)，在深度100M范圍內(nèi)整個(gè)視電阻率斷面表現(xiàn)為穩(wěn)定平緩的層狀電性分布特征，與試驗(yàn)區(qū)已知的穩(wěn)定平緩地層的電性分布特征完全吻合。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在本區(qū)的地電條件下，高密度電法要達(dá)到100M的勘探深度，即最大供電極距等于400M時(shí)，需要450V的供電電壓才能能建立地下半空間的穩(wěn)定電流場(chǎng)，這時(shí)MN之間才能觀測(cè)到穩(wěn)定的電壓信號(hào)，受干擾電平影響較小，其探測(cè)成果才能真實(shí)的反映勘探深度范圍內(nèi)的視電阻率分布情況。

但要說明的是，本區(qū)高密度勘探采用的電極道距是10M，所以最小供電電極距為30M。如果用5M電極道距、或勘探深度再次增大而需要提升電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生MN測(cè)量信號(hào)過大而影響勘探質(zhì)量。如果采用增大起始供電極距，就會(huì)損失斷面淺層數(shù)據(jù)使整個(gè)測(cè)量斷面數(shù)據(jù)不完整。為了保證勘探質(zhì)量在實(shí)際工作中在勘探深度較大的情況下，對(duì)一個(gè)斷面的掃描觀測(cè)要分兩次測(cè)量，即采用適當(dāng)供電電壓完成淺部范圍的供電測(cè)量，再升高供電電壓完成深部范圍的供電測(cè)量。

3 如何解決高密度電法電供電電壓對(duì)探測(cè)深度的影響

以上通過理論與實(shí)踐的分析研究，表明影響高密度電法勘探深度的主要因素為：電極排列與供電電壓。電極排列可以根據(jù)勘探要求靈活設(shè)定，但在要求勘探深度較大的大極距長(zhǎng)斷面探測(cè)中，目前儀器所采用的單一固定的供電電壓方式是滿足不了一個(gè)完整斷面掃描觀測(cè)的要求，需要設(shè)定不同深度范圍供電電壓進(jìn)行多次測(cè)量，在數(shù)據(jù)處理中一個(gè)斷面的原始數(shù)據(jù)要經(jīng)過對(duì)接生成，在野外工作方法上體現(xiàn)不了高密度電法的工作特點(diǎn)與效率。

如何解決上述問題，本文提出采取以下方案：重新設(shè)計(jì)高密度電法儀的供電系統(tǒng)、增加人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性智能檢測(cè)系統(tǒng)及電壓轉(zhuǎn)換智能控制系統(tǒng)。具體方案如下：

方案的內(nèi)容主要包括以下三個(gè)電路單元，如圖3系統(tǒng)工作原理示意圖所示。

3.1 多路階梯式供電單元

該電路單元，用于提供階梯式的供電電壓，和/或用于輸出連續(xù)變化的供電電壓，初步確定輸出電壓分別為：DC30V；DC50V；DC90V；DC150V；DC270V；DC400V；DC600V。

DC30V～DC150V用于電極距小于3米，電極總數(shù)不大于60個(gè)的超淺層勘探。（深度<10米）

DC50V～DC270V用于電極距5米，電極總數(shù)不大于60個(gè)的淺層勘探。（深度<50米）

DC90V～DC400V用于電極距大于5米，電極總數(shù)60個(gè)的淺、中層勘探。（深度<100米）

DC90V～DC600V用于電極距大于5米，電極總數(shù)60～120個(gè)的中深層勘探。（深度<300米）

以上供電電壓的劃分是以往高密度電法勘探的經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的?？碧街锌舍槍?duì)實(shí)際地電條件進(jìn)行合理選擇與調(diào)整，以達(dá)到地下半空間能夠建立起穩(wěn)定人工電流場(chǎng)為目的。

3.2 人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性的智能檢測(cè)與判定單元：

該功能單元，用于判斷地下半空間人工電流場(chǎng)是否穩(wěn)定，并在確定所述地下半空間人工電場(chǎng)不穩(wěn)定時(shí)向所述智能控制單元發(fā)送提醒信號(hào)，其判定方法為：

a.拾取測(cè)量電極MN之間的全波列信號(hào)與供電時(shí)序波形進(jìn)行比較，利用比較結(jié)果來判定供電電流場(chǎng)是否穩(wěn)定。

b.測(cè)量MN之間的電壓大小及相位來判定供電電流場(chǎng)是否穩(wěn)定。

3.3 智能控制單元

智能控制單元，用于在接收到所述提醒信號(hào)后，對(duì)所述階梯式供電單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)供電電壓的自動(dòng)調(diào)整。其原理為：

a.通過儀器操作面板設(shè)定人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性判定單元所需要的閾值參數(shù)對(duì)判定單元進(jìn)行控制，達(dá)到適用不同地電條件下的人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性判定的目的。

b.根據(jù)判定結(jié)果信號(hào)對(duì)階梯式供電單元進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)供電電源的自動(dòng)切換。

（圖3是以WDA-1型超級(jí)數(shù)字直流電法儀為主機(jī)WDZJ-4為多路電極轉(zhuǎn)換器組成的集中式高密度電法儀為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，其原理同樣適用于分布式高密度電法儀）

儀器通過以上方案的完善后，可在一個(gè)斷面掃描排列中根據(jù)地電條件進(jìn)行供電電壓的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，解決了淺層與深層的供電矛盾，可以使一個(gè)排列的測(cè)量斷面長(zhǎng)度大大提升，同時(shí)也提高了勘探深度，克服了原儀器由于大極距供電不足而只能短斷面測(cè)量使勘探深度受到限制的缺點(diǎn)。真正提高了高密度電法勘探的工作效率。

由于在整個(gè)排列測(cè)量斷面上建立了穩(wěn)定的供電電流場(chǎng)，消除非穩(wěn)定場(chǎng)的影響，壓制工業(yè)干擾，提高了性操比，使測(cè)量成果能真實(shí)可靠的反映地下半空間探測(cè)深度范圍內(nèi)的視電阻率分布情況。

4 認(rèn)識(shí)及結(jié)論

①在高密度視電阻率勘探中，不但要針對(duì)探測(cè)目的層的深度設(shè)定最大供電電極距及測(cè)量電極距的大小、根據(jù)地形條件及勘探效率合理設(shè)定每個(gè)掃描斷面排列的電極總數(shù)即斷面長(zhǎng)度，還要必須通過實(shí)驗(yàn)了解勘探區(qū)工業(yè)干擾電平的大小，合理選擇能夠滿足最大供電電極距時(shí)的供電電壓，以保證最大供電極距時(shí)地下半空間人工電流場(chǎng)的穩(wěn)定，提高信噪比。

②通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)用于勘探的高密度電法儀的工作原理和實(shí)際勘探成果的分析研究，得出影響高密度電法勘探深度的主要因素為：電極排列與供電電壓。

③針對(duì)高密度電法儀器的供電缺限提出重新設(shè)計(jì)高密度電法儀的供電系統(tǒng)、人工電流場(chǎng)穩(wěn)定性智能檢測(cè)系統(tǒng)及電壓轉(zhuǎn)換智能控制系統(tǒng)的解決方案。本方案可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)完整的測(cè)量排列中，根據(jù)勘探區(qū)地電條件只要設(shè)定好參數(shù)，整個(gè)排列斷面的測(cè)量及供電電壓的跳轉(zhuǎn)將自動(dòng)完成，無需人為干預(yù)。同時(shí)在整個(gè)排列測(cè)量斷面上建立了穩(wěn)定的供電電流場(chǎng)，增強(qiáng)了抗干擾能力，保證了勘探精度與勘探深度，使高密度電法勘探的工作效率得到了很大的提高。

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