高密度电阻率法

高密度电阻率法3/5/20241内容1高密度电阻率法的基本原理

2高密度电阻率法野外工作技术

0绪言5资料解释与分析4数据处理6应用实例3野外数据采集3/5/202420绪言在矿产资源、工程及环境等地质调查中，由于地质背景的多变性和复杂性，使常规电法勘探很难满足实际地质调查的需要。因此，被地学中称为“CT”的高密度电阻率法有了长足的开展。在各类地质调查中发挥了重要的效率与作用。高密度电阻率法〔又称电阻率影像法〕是一种阵列式的电法勘探方法，早在20世纪70年代未期，英国学者就设计了电测深偏置系统，建立了高密度电阻率的最新模式。80年代后期，我国地质矿产部门首先开展了高密度电阻率及其应用技术的研究，并探讨完善了该方法的技术和理论。3/5/202431高密度电阻率法的根本原理高密度电阻率法是常规电阻率法的一个变种，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同，仍然以岩、矿石的电性差异为根底，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决矿产资源、环境和工程地质问题。当人工向地下加载直流电流时，在地表利用相应仪器观测其电场分布，通过研究这种人工施加电场的分布规律来到达要解决地质问题的目的，研究在施加电场的作用下，地层中传导电流的分布规律。求解其电场分布时，在理论上一般采用解析法。其电场分布满足式〔1.1〕的偏微分方程：3/5/20244式中为电场点坐标，为源点坐标，当时，即只考虑无源空间时，上式变为拉普拉斯方程：。但是在复杂条件下，无法求得拉氏方程的解析解，因此主要是采用各种数值模拟方法。例如：二维地电模型使用点源二维有限元法、三维地电模型那么使用有限差分法等来解决上述问题。高密度电阻率法在工作时与常规电阻率方法在原理上是一样的，电阻率的求取通过给AB极供电I，利用MN测量电位差而获得。实际中，通过式〔1.2〕

〔1.2〕〔1.1〕求得测点x处的视电阻率值。目前的高密度电阻率法实际上是多种排列的常规电阻率法与资料自动处理相结合的一种综合方法。〔1.2〕3/5/202451.1电阻率法根本理论电阻率法是传导类电法勘探方法之一。它建立在地壳中各种岩(矿)石之间具有导电性差异的根底上，通过观测和研究与这些差异有关的天然电场或人工电场的分布规律，可以到达查明地下地质构造或解决某些地质问题、寻找有用矿产之目的。岩土介质的电阻率岩(矿)石间的电阻率差异是电阻率法的物理前提.电阻率是描述物质导电性能的一个电性参数。从物理学中我们已经知道。当电流沿着一段导体的延伸方向流过时，导体的电阻率与其长度l成正比，与垂直于电流方向的导体横截面积成反比。即：式中比例系数ρ，称为该导体的电阻率。将上式改写成3/5/20246显然，电阻率在数值上等于电流垂直通过单位立方体截面时，该导体所呈现的电阻。岩矿石的电阻率值越大，其导电性就越差；反之，那么导电性越好。在国际单位制中，电阻R的单位为〔欧姆〕，长度l的单位为米，截面积S的单位为，电阻率的单位为欧姆•米，写作。电阻率的倒数即为电导率，以表示，它直接表征了岩石的导电性能。其单位为西门子/米，或s/m.电阻率是物质的一种属性。从导电机制来看，溶液主要是借助于其中的带电离子导电；而固体矿物那么可以分为三种类型：金属导体、半导体和固体电解质。各种天然金属都属于金属导体，由于它们含有大量的自由电子，因此电阻率很低。比较重要的天然金属有自然铜和自然金。此外，石墨也是具有某些特殊性质的电子导电体。3/5/20247大多数金属矿物均属于半导体。半导体中的自由电子很少，它们主要不是靠自由电子，而是靠“空穴”导电。因此，其电阻率都高于金属导体，并有较大的变化范围。表1.1列出了假设干常见的半导体矿物及其电阻率的变化范围。由表中可见，大多数金属硫化物(如黄铜矿、黄铁矿、方铅矿等)和某些金属氧化物(如磁铁矿)电阻率都较低(小于1欧姆.米)，具有良好的导电性；局部金属硫化物和氧化物(如辉锑矿、锡石、软锰矿、铬铁矿和赤铁矿等)电阻率较高。表1.1常见半导体矿物的电阻率值表1.1常见半导体矿物的电阻率值3/5/20248绝大多数的造岩矿物，如表1.2所出了岩石的电阻率及其变化范围，如辉石、长石、石英、云母、方解石等．均属于固体电解质。它们都是离子键晶体，依靠离子导电，由于离子要克服的势垒电位相当大，故其电阻率很高，导电性很差，在枯燥情况下可视为绝缘体。表1.2岩石的电阻率值3/5/20249由表1.2可见，尽管主要造岩矿物的电阻率都在10.以上，但岩石的电阻率及其变化范围都要小一些。岩浆岩的电阻率为100到，沉积岩的电阻率一般为l0到100欧姆•米，但化学沉积岩的电阻率要超过这个范围；至于变质岩，其电阻率一般介于沉积岩和岩浆岩电阻率之间，且视其原岩的电阻率而异。各种岩、矿石的电阻率均无定值且有相当大的变化范围，这一事实说明，影响岩、矿石导电性的因素很复杂.其主要是岩、矿石的矿物成分及其结构、湿度、温度，以及岩石孔隙中所含水溶波的矿化度等。一船来说，岩、矿石中良导金属含量增高，电阻率就降低。但相比之下，岩石的结构具有关键性的影响。事实证明，在良导性矿物含量相同的条件下，呈浸染状结构的岩石比细脉状或网脉状结构的岩石具有更高的电阻率。这是因为，前者良导矿物颗粒周围被劣导电性的岩石基质所包围，以致使它们彼此不相连通，不能形成良好的导电通道；而后者良导矿物却是互相连通的，见图1.1。图1.1岩石中矿物结构示意图(a)浸染状结构〔b〕细脉状结构3/5/202410湿度对岩石的电阻率有很大的影响，这是因为水的电阻率较小。含水岩石的电阻率远比枯燥的岩石低。岩石的湿度又与岩石自身的孔隙度有关，如岩桨岩孔隙度较小，故其电阻率较高，但在受到风化或构造破坏而裂隙增多的情况下，湿度要增大，其电阻率将大为降低。另外还有—个不容无视的因素是水溶液的矿化度。随着矿化度的增大，水的电阻率明显减小，岩石的电阻率就降低。温度升高时，地下水的溶解度增加，从而提高了矿化度,同时水溶液中离子的迁移率增大，将导致岩石电阻率降低。当外界温度低于0度时，岩、矿石中的裂隙水将由液态变为固态而使电阻率增大。对于层理发育的岩层而言，由于层理间往往存在良导性层和不良导性层互层，因此电流垂直穿过层理时所呈现的电阻率比平行穿过层理时大，这种现象称为岩层电阻率的各向异性。3/5/202411一、均匀各向同性半空间点电源的电场均匀各向同性半空间是指地面下的岩石，它的电阻率在各处都是均匀的，各方向都是相同的。假设地表为水平，有一个正电极A不断地往地下供电，另一端D在无穷远处，这时电流线呈辐射状均匀向外流出，见图1.21—电流线2—等位线图1.2地下电流线分布图假设由A，B两点向地下供电，在其中间MN处的电位为由此式中K又仅与A，B，M，N电极相对距离有关，称为装置系数。在地表水平的均匀介质中，不管K如何变化，所测得的电阻率都是不变的。3/5/202412、视电阻率在实际工作中，各种岩层具有不同的电阻率。由AB供电，MN测量电位差来确定岩石电阻率，利用ρ=R(S/L)式进行计算，其结果不是电阻率的真值，而是各种介质电性综合影响的结果，称之为视电阻率。而它还与电极系间距的大小和介质中某些不均匀体的相对位置有关。我们还可用近似公式：表示式中是测量电极MN之间的电流密度，是均匀介质中MN之间的电流密度，为MN间的真电阻率。

3/5/202413假设地下有良导电的地质体存在，它对电流有吸引作用，电流大局部被良导体吸引，使地表MN处附近的电流密度减少，即减小，这时＜，在电子导体上方是减小，在远离电子导体的地方，趋近于。相反，假设地质体为高电阻率时，对电流有排斥作用，＞，那么增大。于是我们可以说，如在某处变小，那么该处有低电阻率地质体存在(如硫化矿体，地下水等)；如增大，那么有高电阻率地质体存在。我们在地表供电，在地表进行观测以判断地下的地质情况，这是与电流密度在地下分布状态有关的。图1.33/5/2024141.2高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种新兴阵列勘探方法，将多个电极(可达上百根)置于测线上，通过电极转换开关和工程电测仪便可实现数据的快速自动采集并能够进行现场数据处理、分析和成图。关于阵列电探的思想提出和开展已有30多年的历史，并先后开发研制成了几种类型的仪器。到90年代后期，随着人们对高密度电阻率法应用技术认识的加深、电子技术和计算技术的开展，高密度电阻率法无论在装置选择、采集方式、数据处理和成像技术等方面均得到了很大提高。高密度电阻率法具有较强的抗干扰能力，且探测深度较深，野外采集的数据量较大，从一定意义上讲提高了探测精度。相对于常规电阻率法而言，它具有以下特点：3/5/2024151).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根底。2).能有效的进行多种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地球物理信息。3).野外数据采集实现了自动化，提高了采集速度。4).可对采集数据进行实时处理，并能计算出电阻率成像的反演结果。3/5/202416〔一〕、仪器结构3/5/202417WDJD-3多功能数字直流激电仪3/5/202418操作面板3/5/202419高密度电法工作示意图

高密度电法工作示意图

3/5/202420高密度电阻率法电极排列的开展高密度电法开始时，研究的排列方式主要有三种：阿尔法，贝塔和伽马。现在排列方式已开展到十几种。不过仔细研究就可发现，所有排列都是从对称四极〔施伦贝谢尔，Schlumberger〕、偶极-偶极〔dipole-dipole〕、单极-偶极〔pole-dipole〕、单极-单极〔pole-pole〕演变而来〔其中，伽马排列方式无变种〕。如：AM=MN=NB时,Schlumberger排列就变成阿尔法排列；AB=BM=MN时，偶极-偶极排列就变成贝塔排列；对于单极偶-极排列，就AMN,MNB,AM=MN和,AM=!MN等4种。至于所谓的滚动排列装置，在电极排列方式上根本不变，只不过是其排列方式有利剖面滚动衔接而已。3/5/202421一)高密度电法各种装置的布极方式高密度电阻率法实质上纯属直流电阻率法,其根本原理与直流电阻率法相同,不同的是它的装置是一种组合式剖面装置。本系统支持18种测量装置,其中,α排列、β排列、γ排列、δA排列、δB排列、α2、自电M、自电MN、充电M、充电MN排列等适用于固定断面扫描测量,A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN、A-MN-B、跨孔等电极排列适用于变断面连续滚动扫描测量,分别介绍如下：3/5/202422〔一〕、固定断面扫描测量该测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量,启动一次测量最少测一条剖面线,存储与显示时亦以剖面线为单位进行。一个断面由假设干条剖面线组成,且每条剖面线有唯一编号,简称剖面号。以α排列〔温纳装置AMNB〕为例,测量某一剖面N时,AMNB相邻电极保持极距a,每测量完一点向前移动一个根本点距x,直至B极为最后一个电极止,剖面上的测点数随剖面号增大而减少,其断面上测点呈倒梯形分布,当实接电极数为60,剖面数为16,断面测点分布如图1.4所示。图1.4固定断面扫描测量断面测点示意图3/5/202423当实接电极数给定时,任意剖面测点数由下式确定:Ｄｎ＝Ｐsum－〔Ｐa－１〕·ｎ。其中，ｎ─剖面号，Ｄｎ─剖面ｎ上的测点数，Ｐsum─实接电极数，Ｐａ─装置电极数〔装置１～３等于４，装置４～５等于３〕。例如对α排列，电极数Ｐa＝4，设实接电极数Ｐsum＝60，剖面数为16,那么Ｄｎ＝60－〔4－1〕×ｎ＝60－3×ｎ。Ｄ1＝60－3×１＝57，Ｄ16＝60－3·16＝12，断面总测点数＝16×〔Ｄ1＋Ｄ16〕/2＝16×〔57＋12〕/2=552。3/5/202424〔二〕、变断面连续滚动扫描测量该测量方法在测量时以滚动线为单位进行测量,启动一次测量最少测一条滚动线,存储与显示时那么仍以剖面线为单位进行。滚动线是一条沿深度方向的直线或斜线〔不可视线〕，各测点等距分布其上,所有滚动线上相同测点号的测点构成一条剖面,不同深度的测点位于不同剖面上,一条滚动线上的测点数等于断面的剖面数。一个断面由假设干条滚动线组成,且每条滚动线有唯一编号,简称滚动号。测量一条滚动线的过程称作单次滚动,即在保持供电电极与某个电极接通不动的情况下沿测线方向〔电极号由小到大〕移动测量电极，测量电极与供电电极间距起始为一个根本点距，测量并存储当前点电阻率后便移动一次测量电极，每次移动一个根本点距，重复上述测量移动过程直至测量点数等于剖面数为止。3/5/202425图1.5为变断面连续滚动扫描测量断面测点分布示意图,图中,电极装置为A-M二极装置〔其它装置测点分布相同,仅水平坐标不同而已〕，滚动总数=15,实接电极数=18,剖面数=8,断面上测点呈平行四边形分布。由于剖面数为8,所以在18根电极布好不动的情况下只能测量前10条滚动线,要测11～15号滚动线那么须将18根电极整体向前移动10个点距,即原11号电极位置成为1号电极,其余类推。当电极排列与实接电极数Ｐsum确定时,最大剖面数〔也即一条滚动线上最多测点数〕由下式决定：Ｎmax＝Ｐsum－〔Ｐa－１〕。其中，Ｎmax─最大剖面数，Ｐsum─实接电极数，Ｐａ─装置电极数〔装置６等于２，装置７～８等于３，装置９等于４〕。假设设定断面剖面数为Ｎ〔Ｎ≤Ｎmax〕，那么在不移动电极情况下可连续测量的滚动线条数Ｒn由下式决定：Ｒn＝Ｎmax－〔Ｎ－１〕。假设设定断面滚动总数为Ｒsum，那么测量完全部滚动线须移动布置电极次数由下式决定：Ｍ＝Ｒsum／Ｒn整除，或Ｍ＝[Ｒsum／Ｒn]＋１不整除，其中,[…]表示取整数局部。断面总测点数＝滚动(线)总数×剖面数。测11～15滚动线时电极新位置156789101112133/5/202426图1.5变断面连续滚动扫描测量断面测点分布示意图例如对ＡＭ二极排列，电极数Ｐa＝2，设实接电极数Ｐsum＝30，那么最大剖面数Ｎmax＝30－〔2－1〕＝29。假设取剖面数Ｎ＝16，那么Ｒn＝29－〔16－1〕＝14，即当30根电极布好后,在不移动电极情况下可连续测量14条滚动线。假设设定断面滚动总数Ｒsum＝200，那么测量完全部滚动线须移动布置电极次数Ｍ＝[200／14]＋1＝15。该断面总测点数＝Ｒsum×Ｎ＝200×16＝3200。3/5/202427〔三〕、电极排列

⒈α排列〔温纳装置AMNB〕该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如下：

图1.6温纳装置排列示意图采用对称四极装置方式时，当AM=MN=NB=α时，这种对称等距排列称为温纳〔Wenner〕装置〔如图1.6〕。其s表达式为：〔1.3〕其装置系数为：〔1.4〕【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MN=NB=α为一个电极间距，A、M、N、B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、M、N、B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。3/5/202428⒉β排列〔偶极装置ABMN〕该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1.7：这种装置的特点是供电电极A、B和测量电极M、N均采用偶极，并按一定的距离分开。由于四个电极都在同一测线上，故又称偶向偶极。其s表达式为〔1.5〕其中 Kβ=6a〔1.6〕【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AB=BM=MN=a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。偶极装置排列示意图3/5/202429⒊γ排列〔微分装置AMBN〕该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1.8：其s表达式为〔1.7〕式中： Kγ=3a〔1.8〕【特点】测量断面为倒梯形。【描述】测量时，AM=MB=BN=a为一个电极间距，A、M、B、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、M、B、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。图1.83/5/202430⒋δA排列〔联剖正装置AMN∞〕该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1.9：图1.9联剖正装置排列示意图【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，得到另一条剖面线；这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。3/5/202431⒌δB排列〔联剖反装置∞MNB〕该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1.10：【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，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。3/5/202432⒍A-M 二极排列该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.11：【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。图1.11二极排列示意图3/5/202433⒎A-MN三极排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.12：【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，得到平行四边形断面。3/5/202434⒏AB-M三极排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.13：图1.13AB-M三极排列示意图【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。3/5/202435⒐AB-MN偶极排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.14：图1.14AB-MN偶极排列示意图【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，得到平行四边形断面。3/5/20243610．MN-B排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.15：图1.15MN-B排列示意图【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。3/5/20243711、α2排列该装置适用于固定断面扫描测量，电极排列如图1.16：【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。

3/5/20243812、A-MN-B四极测深排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.17：图1.17A-MN-B四极测深排列示意图【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。3/5/20243913、矩形A-MN排列

该装置适用于变断面连续滚动扫描测量，电极排列如图1.18：图1.18矩形A-MN排列示意图【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，然后M、N不动，A再逐点向左移动，又得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，得到矩形断面。3/5/2024402高密度电阻率法野外工作技术1〕研究对象的调查与分析在开展工作之前，首先分析研究整个工作区地质地球物理特征，论证使用高密度电阻率法探测方法的可行性。确认探查对象的电阻率和周围介质的电性差异较大，所要探查地层的厚度和异常体的体积与其埋深都比较高，用电阻率方法进行探查显得有一定的优势。2〕地质地球物理资料的系统收集由于同地层介质的弹性波速度值相比较，影响介质电阻率的因数更多，比方，探查对象构成物质的颗粒电阻率、孔隙度、含水饱和度、孔隙水电阻率、温度等。另外，地层岩体的生成年代不同，生成后是否经历构造运动，热水变质作用，风化作用等因素也影响了电阻率值的大小。因此，在对探查的电阻率结果进行详细解释时，所比照应用的资料越多越好。地质踏勘资料、钻孔资料、测井资料、室内岩土实验资料都是应收集的有用资料．3/5/2024413)各种影响因数(l)场区地形影响在数据采集过程中，采集仪所测得的电位值不仅和地下构造分布有关，还受地形变化的影响．一般来说，凸地形情况和平坦地形相比，测得的电阻率值偏大，凹地形情况下偏小，高密度电阻率法所探测的结果，是测量装置下方地电介质的分布情况和地下构造和地形起伏双重影响下的视电阻率二维断面图。沿测线方向地形变化的影响必须要校正，如果测线横穿陡崖和角度大于45度的斜坡，很容易发生伪像，这种情况下地形校正显得尤为重要．测线横穿区域地形变化可通过有限元、边界元等数学方法进行地形校正，但测线两侧地形变化很大的情况下，很难找到适宜的数学校正方法。考虑到工区地形较为复杂，选择垂直测线方向做一条辅助测线进行比较，以确定伪像的有无和数据结果的可靠程度。(2)人工构造物影响铁路、地下埋设金属管线、高压电线、钢筋混凝土建筑物、金属堆积物等人工构造物对电法测量精度的影响很大。这些构造物和周围介质相比表现低阻特征，便吸引电流集中流向这里，使测量地层真实电阻率值变得困难。因此，野外布线时应尽量避开这些构造物．如果不能避开的话，在野外实际布线时，尽量做到以下几点：3/5/202442a、当测线必须横穿构造物时，那么尽量使测线横穿构造物的距离到达最短〔垂直构造物的长轴走向〕。横穿高压线的情况下，测线要垂直高压线布设，为了减小感应电流的影响，测线要尽量从相邻铁塔的中央通过〔如图2.1a所示〕。b、当测线从构造物的旁侧通过时，假设构造物沿测线方向的长度大于探测深度，测线离构造物的距离要大于探测深度，假设构造物的长度小于探测深度，测线离构造物的距离要大于构造物的长度〔图2.1b);c、当测线从构造物的旁侧通过时，如电极排列的电极距大于构造物沿测线方向的长度，构造物对测量结果的影响较小〔图2.1c)。野外施工测线布置示意图3/5/2024434〕探查深度的厘定高密度电阻率法的探查深度，从野外施工的角度来说，最大可到达500米的深度，但分布方式由于受采集系统的器件性能的影响，在实际工作中所探测深度那么要浅一些。设计探查深度是在电极排列布置前所要考虑的工作。由于随着电极间距的拉大，使测量结果的精度降低。因此，设计探查深度约为探查目标体深度的1.3倍。在有些现场条件允许的情况下，那么设计为2倍。做到既保证精度也不影响深度。5〕电极间隔确实定虽然高密度电阻率探测结果具有体积效应，但是断面分析的分辨率仍和最小电极间距相当。从这一点考虑，设计最小电极间距应为探查深度的1/10~1/15。在实际实践过程中，如果发现电极间距小于探查深度的1/15，测得的结果中就包含一些不稳定随机因素，同时也容易产生“伪像”。3/5/202444

高密度电阻率法的数据采集包括电极系，多芯电缆，多路电极转换器和测量主机。观测时按设计一定间隔。等间距电极由多芯电缆通过转换器与主机联接，实现了数据采集，存贮，传输等计算机自动控制的全过程。

3野外数据采集3/5/202445在工区布好测线,按一定的间距插上电极,用智能电缆将他们连接,进而用采集仪采集工区数据。3/5/202446高密度电法探测时电极多，在仪器自检电极接地效果时，提示的接地不良电极，要处理好，必要时可给电极周围加水，使之接地良好。

3/5/2024474数据处理包括:预处理实质性处理预处理:由于地下不均匀体的存在、布设电极的接地电阻大、地形起伏及地质噪声等因素的影响，都会产生干扰异常。为能得到真实的结果，一般要对原始数据进行预处理，以到达剔除干扰异常的目的。预处理主要是针对这些在实际工作中经常遇到的问题所作的，以便为后续实质性处理作好准备。预处理方法主要包括相邻断面的数据拼接、剔除虚假点、插值和地形改正等几个方面。3/5/202448l〕数据拼接数据拼接主要是对两相邻数据断面重叠的局部进行处理。在实际工作中，经常会遇到长剖面测量中两相邻断面有数据重叠的局部〔图4.1〕。为能够对长断面数据进行解释，而且还要防止在重叠区域因处理不当压制异常成分或造成伪异常，故对重叠数据进行再处理。其处理方法主要是对重叠数据取平均值，并沿剖面方向作五点三次平滑，使两相邻数据断面在重叠区能够平滑过渡。图4.1两相邻数据断面衔接示意图3/5/2024492〕二维插值在实际工作中，由于一些特殊情况，两相邻数据断面不能完全衔接，形成数据空缺〔上图4.1〕。为便于对整个长数据断面进行二维反演及地质资料解释，故需要对其进行二维插值，使其形成完整的数据体。这里可以选用的插值算法为趋势面拟合加残差叠加算法。经实践验证这是一种比较好的插值方法，通常情况下都能得到比较平滑的插值曲面。其算法描述与实现过程如下：a、首先构造一个由二元四次方程组成的四次趋势面，其形式为：

b、求出点的实测值与拟合值

的残差

，即：

(i=l,2,3,．……m〕。其中，m为点的个数。c、利用按方位取点加权法，将残差作加权处理，分配到待插值的网格点上。按方位取点加权法是以网格点为中心把区域分成假设干个象限，从每个象限内取一点作加权平均。d、将网格点上的趋势面拟合值和残差相加，作为网格上的内插值。3/5/202450B样条分层离散插值

B样条分层离散插值方法技术是利用B样条改进控制点网格层的优化多层离散插值，以此来估计二维或者三维均匀网格点上的离散值。这一方法已经在计算机图像学和医学图像分析上取得了很好的效果，然而，该方法在地球物理勘探中的应用方面的文章目前还是空白。首次应用到地球物理勘探方法之一的磁测数据处理中，取得了很好的成果，离散数据插值是指用一组平滑的平面来拟合或者逼近离散或者是非均匀分布的数据采样，插值的目的是构造一组函数，例如平面或者体，该函数在任意点上都能求出值。这使得某一值域中的任意点的值都可以根据的离散点平滑地推导出来。3/5/202451图6B样条分层离散插值结果平面等值线图实测异常平面等值线图3/5/202452实测异常平面等值线图

B样条分层离散插值结果平面等值线图3/5/2024533)滤波处理在高密度电阻率法测量中，由于电极接触不好或存在其它方面的干扰等原因，常常使数据断面出现一些虚假点或突变点，进而造成电阻率拟断面图的虚假异常，难于对其进行准确解释，所以要剔除数据断面中的虚假点．电极打好后，同一根电极可能是供电电极或测量电极，如果某个电极接触不好，对于供电回路，直接影响着供电电流的大小，从而影响着电位差的测量精度；对于测量回路，会产生读数不稳定或出现假异常，最终使整个断面记录出现“八”字型假异常。(图4.2)是两种不同情况的记录：图4.2a是接触不好或有问题的电极位于剖面中部，使用温纳装置测量时，影响到A、B、M、N使剖面形成两个“八”字型假异常；图4.2b是接触不好的电极靠近剖面的左边，使断面记录形成“\”型假异常。由此可见，在仪器开始扫描之前，一定要对电极的接触情况进行检查，对接触不好的电极要设法处理，条件允许时，最好对电极进行浇水处理，改善电极接地条件，提高数据的采集质量。但是当野外条件不允许，无法改善电极接地条件时，那么只能先将数据记录下来，然后再剔除掉断面记录中的虚假数据。而针对其它干扰那么须对整个观测数据作对应的滤波处理。图4.2电极接触不好时的两种断面记录情况3/5/2024544)地形校正实际的野外勘探工作中〔特别是长断面测量〕，地形起伏是不可防止的。由于地形异常的引入，会使探测目标的视电阻率异常的形态与位置发生畸变和位移，甚至可能掩盖有用异常，因而有必要对高密度电阻率法的观测数据进行地形改正。高密度电阻率法中的地形校正主要利用有限单元法和有限差分的方法来实现。图4.3和图4.4是在反演过程中地形改正前后〔注：图为反演不同精度结果〕的剖面区别。图4.3地形改正前的电阻率断面图图4.4地形改正后的电阻率断面图3/5/202455图4.5未经地形校正实测资料的反演结图4.6地形校正后实测资料的反演结果3/5/2024565)资料正反、演处理(实质性处理)(l)高密度电阻率法有限元法正演的根本思想有限单元法〔FiniteElementMethod，简称FEM〕是一种以变分原理和剖分插值为根底的数值计算方法。用这种方法求解稳定电流场电位，首先要利用变分原理将给定边值条件下求解电位U的微分方程问题，等价地变成求解相应的变分方程，也就是所谓泛函的极值问题；然后，离散化连续的求解区，即按一定的规那么将求解区域剖分为一些在节点处相互连接的网格单元；进而在各单元上近似地将变分方程离散化，导出以各节点电位值为变量的高阶线性方程组；最后解此方程组算出各节点的电位值，得到地下半空间场的分布，以表征稳定电流场的空间分布。3/5/202457(2)〕有限元正演程序流程图高密度电阻率法二维有限元模拟程序流程如图4.7。3/5/202458(3)资料反演高密度电阻率法的测量数据在处理方法上采用佐迪方法进行二维反演。佐迪法是基于schfumberger(施伦贝谢尔)和wenner法的解释而提出的。它的原理实际上是通过不断调整初始模型参数使正演曲线与实际曲线之差到达最小，由此所得的最终模型参数作为反演结果。它是一种最小二乘优化法．佐迪法的根本思想是：首先设定模型上的层数和测深曲线上的点数相同，每层的电阻率为测深曲线上相应各点的视电阻率，每层的深度等于测深曲线上相应各点的电极距再乘以一常数。利用上述模型得到一理论测深曲线，将该曲线与野外实测曲线比照，假设两曲线同相〔一般幅值会有不同〕，调整模型各层电阻率值，再次正演计算理论曲线，直到实测曲线和模型曲线的均方根误差到达最小。此时得到的模型就作为实际测量所得到的地质模型。3/5/202459系统处理软件Res2dinv是以平滑约束最小二乘〔smoothness-constrainedleast-squares〕为根底，以拟牛顿〔quasi-Newton)反演为准那么的最小二乘法来实现的。这项技术在处理大数据量时比常规最小二乘法快。平滑约束最小二乘法满足下式：其中：，式中fx为水平平滑滤波，fz为垂直平滑滤波，J为雅可比偏导数矩阵，为雅可比偏导数矩阵的转置形式，为阻尼因子，d为模型扰动矢量，g为模型误差矢量。使用这种方法的优点之一就是阻尼因子和平滑滤波系数可以调整以适合不同的数据类型。在该系统中还使用常规的高斯一牛顿(Ganss~Newton〕法，它比较牛顿法慢许多，但是它在处理电阻率值相差很大〔到达10:1〕的区域所采集到的数据时，能够得到较好的反演结果。该系统的第三个优点就是用高斯一牛顿法先进行2到3次迭代，然后使用拟牛顿法再进行迭代计算。在大多数情况下，这种折衷的方法可以提供最好的结果。3/5/202460程序中所使用的2-D模型，是把地表分成许多矩形块〔图4.8〕。其目的就是测定矩形域的电阻率，使其产生的视电阻率拟断面与实际测量相符．对于不同的装置形式，模型每层的厚度与极距的比值都会不同，例如对于wenner和schlumberger来说，第一层厚度设为极距的0.5倍；而对Pole-Pole、Dipole-Dipole、Pole-Dipole，其厚度分别设成电极距的0.9倍、0.3倍和0.6倍。图4.8模型与采集点示意图3/5/2024615.资料解释与分析为了更准确查清地下地质情况，在解释时结合实际地形条件，采用多种方法进行解释。1)通过与试验图像的异常特征比照进行解释2)同一剖面两种或两种以上装置的图像比照解释3)将图像与地质剖面、钻孔等进行比照4)抽取少量几组符合测深条件的电测深数据进行反演解释3/5/202462

一、高密度电阻率成像技术在滑坡体覆盖层厚度勘探中的应用由于滑坡体与基岩之间存在明显的电性差异，故电阻率色谱图反映的物性界面清晰。为了消除高密度电法成像反演电阻率成果、解释中可能存在多解性，提高解释精度，在解释过程中充分地利用现有钻孔资料，进行综合分析，查明了滑坡体厚度及滑面起伏形态，为库区稳定性评价提供了依据。

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从高密度电阻率色谱图可以看出，在桩号A40～A80段和桩号A295～A380测段表层呈现高阻晕团，电阻率为500～1500Ω.m；在桩号A80～A295间出现一电阻率渐变带，且电阻率值变化较小，多在20～250Ω.m之间变化；基岩为灰岩电阻率呈高阻反映，其电阻率为500～1500Ω.m。3/5/202464分析解释成果图可见：在A40～A80段覆盖层变化较小，其厚度为4～6m之间；在A80～A240段覆盖层呈两端薄中间厚，厚度为6～36m之间，其中A100处最厚达36m，在A150处厚度为22m，在A240处厚度为10m；在A240～A400段覆盖层呈两端薄中间厚，其厚度为3～23m之间，在A310处厚达为23m，在A400桩号处厚度仅为3m。滑面形态与地面起伏形态根本一致，在A40～A100段滑面较陡，在A100～A240段滑面平直，在A240～A400段滑面较缓。3/5/202465二、高密度电阻率成像技术在高速公路勘探中的应用图4.11为奉云高速比较线BK118＋320～BK118＋460电阻率原始观测值及处理结果，电极距为5米。上图是观测值经野点处理后的视电阻率拟断面，以下图是电阻率当前迭代的反演结果，中图是该结果经正演计算得到的视电阻率拟断面。可以看出实测视电阻率拟断面与正演结果有比较好的一致性，当前的拟合差分别为14.0%，另外，图中的反演结果中明显的上下阻区域在相应的视电阻率观测断面上都有着清楚的反映。这证明反演即保证了数值上较小的拟合差，同时趋势上符合实际地质情况，没有出现奇异解，综合考虑反演结果是可信的。从图中可以看出，BK118＋375～BK118＋390段和BK118＋405～BK118＋410段均为低阻区与高阻区接触带，推测这几处附近为断层或塌陷，后经钻孔证实,这些地段确有断层存在3/5/2024663/5/202467上图是观测值经野点处理后的视电阻率拟断面，以下图是电阻率当前迭代的反演结果，中图是该结果经正演计算得到的视电阻率拟断面。可以看出实测视电阻率拟断面与正演结果有比较好的一致性，当前的拟合差为6.2%，另外，反演结果在AK136+835位置深部的高阻灰岩同视电阻率的观测断面上的相对高阻对应，AK136+915~AK136+995位置浅部的低阻河床在视电阻率