摘　要: 高密度电阻率法是浅部地质研究的一种重要方法,该方法采用阵列电极布置和程控自动测量,数据量大、精确度高.对实测的视电阻率资料进行电阻率反演,得到的介质电阻率剖面可以很好地显示介质的电性结构.根据电阻率数据的变化进行垂向分层和横向分区,可以开展金属矿产、水文地质、工程地质、环境地质、探测断层、洞穴探测、管线探测、考古等浅层地质研究.物探实验场地、百尺河断裂和安丘-莒县断裂等应用实例验证了高密度电阻率法的有效性和精确度.

关键词: 高密度电阻率法; 装置类型; 佐迪反演; 浅层地质; 工程勘察

高密度电阻率法是在传统电阻率法的理论基础上结合自动化技术发展而成的,野外测量时,将众多电极一次性布置完毕,采用多芯电缆连接到仪器后,利用程序控制电极排列中每次测量所用的几个电极及其与供电和测量电极的对应关系[1-4].

高密度电阻率法的众多电极为一次布设和连接完成,自动化测量,提高了测量效率和数据精度,减少了手工操作所出现的错误; 对数据进行预处理显示和分析评价,通过反演得到介质电阻率分布,可以很好地显示介质的电性结构,进而根据电阻率数据进行纵向分层和横向分区,解决诸如金属矿产[5]、水文地质[3,6]、工程地质[6-7]、环境地质[8-9]、断层探测[10-12]、洞穴探测[13]、管线探测[14]、考古[15-16]等多方面的浅层地质问题.高密度电阻率法目前已经成为工程与环境领域重要的勘探技术之一.

1　基本原理

高密度电阻率法的基本原理与传统的电阻率法相同,即通过接地电极在地下建立电场,观测因不同导电地质体存在时地表电场的变化,从而推断和解释地下地质体的分布或产状.

假设地面水平,地下半无限空间为各向同性均匀介质,供电电极A、B处的电流强度分别为+I和-I,测量电极M和N之间的电位差为ΔUMN.计算大地介质电阻率的公式为

,

其中AM,BM,AN,BN分别为对应两个电极之间的水平距离,K 称为装置系数,或布极系数.

传统的电阻率法采用4个电极,每次测量完毕需改变电极位置做下一次测量,这种跑极的工作方式既影响工作效率,也不利于提高测量精度.高密度电阻率法在这一方面做了重大改进,将大量电极排成阵列,采用自动化技术控制数据的采集,每次在电极阵列中选取一组电极组合进行测量,然后改变电极组合做下一次测量,直到设计的组合方式全部测量完毕.在此过程中不需要人工干预和改变电极,极大地提高了测量效率,也有利于避免同一位置多次布极之间的差异.

图1为高密度电阻率法示意图,代表了这种方法仪器设备的两个阶段.其中图1(a)为高密度电法的最初阶段,电极阵列的每一根电极分别连接一根电线到电极转换器,这样现场的电线就会非常多而乱; 图1(b)为采用多芯电缆连接电极排列,施工现场变得很简洁,这种方式又分为两个阶段,先是排列中的每一个电极都对应于多芯电缆内部的一根线芯,电缆芯数多导致粗而笨,随着技术的发展,目前的多芯电缆只需要8芯,4芯用于连通测量的4个电极,另外4芯用于发送电子信号,控制电缆线上电子开关的连通与断开,而且电缆线采用多根串接的方式,进一步提高了野外测量的工作效率.

2　仪器发展概况

高密度电阻率法的思想始于1970年代末期,英国学者设计了电测深偏置系统.1980年代中期,日本地质计测株式会社借助电极转换板实现了实际数据的采集.1980年代后期,我国原地质矿产部系统研制了几种类型的仪器.目前国外生产高密度电法仪器的主要有美国的AGI公司、法国的IRIS公司、瑞典的ABEM公司、日本的OYO公司等.国产仪器生产厂家主要有吉林大学骄鹏物探仪器公司(E60B/M/D等),重庆奔腾数控技术研究所/重庆万马物探仪器有限公司(WGMD-6/9等),北京奥地探测仪器有限公司/原北京地质仪器厂(DUM-2,DDJ-5)等[1,4].图2为骄鹏集团生产的E60M高密度电法工作站,该仪器主机整合了微机和工控机,采用Windows操作系统,像操作微机一样调用采集软件,实时显示视电阻率数据,可现场进行电阻率反演和解释.该仪器采用PS-2多芯电缆电子开关,电缆线内只有8根线,采用多根电缆线串接的方式,轻便且极具扩展性[17].

3　测量装置类型

高密度电法的电极排列包含众多电极,因此可选的测量装置类型也较多,原则上讲只要每次测量所用的电极符合某种规律就可以算作一种装置类型.图3所示为常用的几种类型,其中温纳(α)装置(AM=MN=NB)是对称四极(Schlumberger)装置(AM=NB)的特例,偶极装置的规律是AB=MN,三极装置是指有一个供电电极位置很远的情况,测深装置是指对称四极装置保持中间点不变而逐次增大供电极距AB的方式.根据测量装置类型的不同,有效数据的剖面分布范围也有差别,如对称四极、温纳、偶极等装置类型的数据分布范围一般为倒梯形,测深装置的数据范围为矩形,三极装置的数据范围则通常是平行四边形(AM=MN),也可以是矩形(MN不变).

对于有限数量的电极和有限长度的排列,测量的范围和深度都是有限的,完整的数据资料范围呈现为浅层宽、深层窄的倒梯形,矩形、平行四边形等数据分布是倒梯形区域的一部分,温纳装置可以视为一个基本或标准的装置,对称四极装置测量层数较多,所以垂向分辨率相对较高,三极和测深装置的数据分布则便于多个排列数据的拼接[18-19].

4　资料处理解释

高密度电法资料的处理解释主要是统计、滤波和反演等.其中统计处理的主要是对测量数据作分析评价; 滤波处理的主要作用是消除不合理的奇异值,使视电阻率数据的纵横变换趋势合理; 反演则是根据视电阻率求取介质电阻率分布,是资料处理解释的核心步骤,经过反演处理得到的介质电阻率分布数据可以方便地用于地质解释.目前常用的佐迪反演是基于施伦贝格和温纳测深的一种最小二乘优化法,该方法假设地层的层数和测深曲线上的点数相同,将视电阻率当做介质电阻率构建初始模型,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.采用模型正演视电阻率曲线与实测资料对比,修改电阻率模型,如此迭代,直至实测曲线和模型曲线的均方根误差减至最小[20-22].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,

,

其中: i为已进行的迭代次数; j为层数(或电极距数); ρi(j)为第i次迭代第j层的电阻率; ρ0(j)为实测曲线第j个极距的视电阻率; ρci(j)为理论曲线第j个极距的视电阻率.

5　实际应用效果

第1个应用实例是中国石油大学(华东)青岛校区的物探实习场地探测,该场地南北长约100 m,东西宽约60 m.最初南半部分为低洼地,北半部分为村庄,后经填埋整平作为运动会的投掷场地,表面为草坪,其下埋设有铁罐、矿石等目标.

测线沿南北方向,使用8根电极电缆,每根连接8个电极,极距1 m,采用 温纳(α)装置,测量深度为1-21层,每个排列测量完毕,向前滚动一根电缆线(即一串8个电极),长度8 m,进行下一个排列的测量,总计9个排列,测线总长128 m,9个排列的测量结果拼接在一起进行反演解释.图4所示相当于128个电极的排列,测量1-21层.其中上图为实测的视电阻率,从中可以看到纵、横向的变化,但由于视电阻率的体积综合效应,并不能直观地反映地电结构; 中图为模型正演拟合的视电阻率分布,是与实测视电阻率在最小二乘意义下的最佳相似; 下图为迭代修改的最佳介质电阻率分布,不仅在地质意义方面比视电阻率更明确,而且纵、横分辨率也大大提高,可以据此解释地下电性结构.图中表层薄的高阻层为冬季干旱缺水的表现,剖面左侧浅部低阻区为原低洼地的反映,右侧浅部高阻为原村庄的反映,深部高阻显示的是基岩.

第2个应用实例是青岛胶州百尺河断层,该断层西起诸城市百尺河镇,走向北东85°左右,全长70 km.该断层向南下倾,倾角70°～74°,北盘为侏罗系莱阳组砂砾岩,南侧为王氏组砂页岩,青山组火山岩局部分布于断层附近,断裂北侧形成一条近东西向的低山梁,断层位置有冲沟[23].

测线沿近似垂直冲沟的南北向土路布置,共64个电极,4 m极距,排列长度252 m,测量装置类型为温纳(α)装置,测量深度为1-21层.成果资料如图5所示,其中上图的实测视电阻率分布纵、横向变化明显,变化趋势合理,揭示了断层的存在,但是由于高低值之间的渐变,使得断层面不好确定; 中图的模型正演拟合的视电阻率分布与实测视电阻率有极好的相似; 下图迭代修改的反演介质电阻率分布中的高、低值变化更加明显,其间的突变界限就是断层面的位置,图中浅层小局部高值对应于过沟的土路,少数的几个实测视电阻率奇异值并没有对反演结果造成明显的影响.

第3个实例为安丘-莒县断裂,是我国东部著名的郯庐断裂带上的一条分支,走向为北东约15°,以右旋走滑活动为主,兼有正断或逆冲活动分量.该断层在朱里镇以北隐伏于第四系之下,在朱里镇以南断续出露[24].

测量位置位于朱里镇黄疃村以北,维莱高速南侧,测线由西向东,地形略有起伏,表层为沙土.高密度电阻率法采用8根电极电缆,每根电缆线接8个电极,相邻电极距5 m,排列长度320 m,采用 温纳(α)装置,测量深度为1-21层,每个排列测量完毕,向前滚动一根电缆线(即一串8个电极),长度40 m,进行下一个排列的测量,总计4个排列,测线总长440 m.四个排列的测量结果拼接的资料如图6所示,相当于88个电极的排列,测量1-21层,其中上图的测量视电阻率表现出明显的分层特征,表层高阻,中间低阻,横向中间视电阻率相对较高; 中图的模型拟合视电阻率分布很好地拟合了实测视电阻率的变化规律特征; 下图的反演介质电阻率直观地反映了剖面的电阻率结构,浅层高阻为冬季干燥的沙土层,其下高陡,甚至直立的高、低阻分布分别反映了相对完整的小地块和破碎的走滑断裂带.因为测线长度较短,整个都是处于安丘-莒县断裂范围之内,因此反应的是断裂内部结构.

6　结束语

(1) 高密度电阻率法具有轻便、快速的优势,能有效地探测和研究浅部地层的电性结构,用于探测浅部覆土的厚度和发现被表层覆土掩盖的断层或高、低阻异常体,对于浅层地质勘察和工程地质调查具有极为重要的意义和作用.

(2) 在探测断层、渗水等具有方向性或是洞穴等小的目标时,单条测线可能难以完成地质任务,需要不同方向的多条测线,甚至是测网,如果可能最好做三维的高密度电法,根据电阻率数据体来解释地下电阻率异常.

(3) 与传统电阻率法一样,高密度电法的探测深度与排列长度呈线性关系,虽然在理论和技术的角度排列长度可以很大,但实际上的长度是有限的,因而测量深度有限,超出测量深度能力的目标是难以探测到的.