高密度电阻率法四电极系横向分辨率探讨

殷 勇

(福建省建筑设计研究院,福州 350001)

0 前言

高密度电阻率法横向分辨率,是指水平方向对地质体的分辨能力,它与地质体大小、埋深,以及地质体的水平距离、采集方式、地质环境和反演处理技术等有关。与地质体的可探测性不同,除了要有足够大电阻率异常外,在实际应用时,还能够利用电法反演技术,将二个地质体分离。

在一般情况下,①地质体越小,产生的电阻率异常越小,越不易分辨;②埋深越大,越不易分辨;③电性差异越小,越不易分辨;④反演技术越好,分辨地质体的能力越强。目前,高密度电阻率法已经成为工程中探测地下地质体的一种常用方法技术[1、2],而在高密度电阻率法装置选择上,四电极系(α1、β、γ、α2)又最为常用。因此,对四电极系下,高密度电阻率法横向分辨能力探讨具有现实意义。

1 高密度电阻率法工作原理及四电极系布极方式

高密度电阻率法实际上是一种阵列式电法勘探方式,野外电极一次布设,然后利用电极转换开关和微机工程电测仪,实现数据的快速和自动采集。在采集完成后,可对数据进行处理,并给出关于地电断面分布的各种物理解释。相对于常规电阻率法而言,高密度电阻率法具有快速、高效、成本低、信息量大,分辨率高等特点。

四电极系布极方式是根据供电电极和测量电极的相对位置关系来确定的。根据供电电极A、B和测量电极M、N相对位置关系,四电极系通常有α1装置(AMNB),β装置(ABMN),γ装置(AMBN)和α2装置(见图1),不同采集装置对相同地电模型的反映能力不同。

图1 α1,β,γ,α2装置布极方式Fig.1 α1,β,γ,α2 electrode arrangements

2 四电极系横向分辨能力探讨方式

RES2DMOD正演软件采用矩形网格化,使用了有限元或有限差分法对模型进行正演计算,保证了模型断面数据来源的可靠性。例如,图2模拟了二个地质体大小为5 m,水平距离为12.5 m的地电模型,采集装置为α2,电极距为5 m,背景电阻率值为300Ω·m,地质体电阻率值为5 000Ω·m,从视电阻率图中可以清楚地分辨出为二个地质体。

RES2D INV反演软件进行反演时,采用平滑约束最小二乘法进行模型优化。利用地面上的电阻率数据,生成地下的二维模型,把地下空间分为许多模型子块,确定这些子块的电阻率,使得正演计算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合。对于每一层子块的厚度与电极距之间,给出一定的比例系数。利用最优化方法调节模型子块的电阻率,减小正演值与实测视电阻率值的差异。这种差异用均方误差(RMS)来衡量,谨慎地逼近经选取迭代后均方误差不再明显改变的模型,通常在第三和第五次迭代之中得到反演结果。在实际使用时,作者采用了修整数据,调节阻尼系数,选择等值线间隔,利用ROBUST等技术综合提高反演效果。野外探测中,并不是每种四极系装置视电阻率图像都能将图2中二地质体较好的分辨,因此,需要对野外数据进行反演,观察反演结果能否分离地质体。图3(见下页)就是利用图2模型产生的视电阻率值,加入1%随机干扰后的反演结果。在图3中可明显分辨出地质体,但也同时对周围电阻率有一些影响。由此可知,野外采集数据质量对分辨率有较大影响,采集质量好,可较好提高分辨率;质量差则分辨率降低,甚至作出错误判别。

3 横向分辨率衡量标准及分析结果

在野外实际工作中,地电断面非常复杂,衡量某种装置的横向分辨率是一个非常困难的问题,因此,必须对野外地质环境进行简化,在建立模型时应做以下假设:

(1)地质体与周围背景值有足够大电阻率差异,本次模型采用的背景电阻率值为300Ω·m,地质体电阻率值为5 000Ω·m。

(2)在正演模拟产生的视电阻率后,反演时均加入相同1%的随机干扰。

(3)地质体处于同一平面,同一深度,并且大小相等。

(4)模型不考虑地形对分辨率的影响。

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在满足以上条件的情况下,可以利用地质体的水平距离来衡量横向分辨率。当二地质体在一定大小、深度环境下,总会存在某一距离,使得二地质体能够分离,我们称这一距离为最小分辨距离。当二地质体距离小于最小分辨距离时,则不能分辨,在进行解释时,会将二地质体合为一个地质体看待;反之,则可分辨。

图2 α2装置正演模拟图Fig.2 For ward modeling diagram ofα2 electrodes arrangement

图3 α2装置反演成果图Fig.3 Inversion results ofα2 electrodes arrangement

图4模型反映的是并排放置的五个地质体,地质体大小为5 m,埋深为10 m。从左到右,地质体间隔水平距离分别为7.5 m、12.5 m、17.5 m和22.5 m的模型和正、反演结果。从图4中可以看出,左边三个地质体异常融合成了一个大异常,它们之间不能分辨,后面二个地质体有明显、单独的异常,可以分辨。因此,在这种地电条件下,最小分辨距离在12.5 m～17.5 m之间。

图5(见下页)模型中反映的是并排布置的二个地质体,大小为5 m,水平间距为12.5 m,地质体埋深分别为5 m、10 m、15 m和20 m的反演结果。从图5中可以看出,埋深15 m是能够分辨的,但埋深为20 m时,二个异常合并一起,不能分辨。

为了能较好地讨论四种装置的不同横向分辨能力,作者分别对四种装置进行模拟,得到结果见下页表1。

从Model 6和Model 11结果可以得出结论:α2装置横向分辨率稍好,α1装置次之,β、γ装置稍差。在以上模型中,地质体大小均为5 m,采用同样的方法,我们改变地质体大小为2.5 m和3.75 m,重复以上模拟过程,便可得到地质体大小、埋深与最小分辨距离的关系,如图6所示。为了简化结果,模型均采用α2装置测试方式,电极距为5 m,图6中①、②和③曲线分别表示地质体大小为2.5 m、3.75 m和5 m。曲线左侧为不可分辨区域,右侧为可分辨区域,从图6中可以得出以下结果:

(1)地质体埋深越大,最小分辨距离越大,横向分辨率降低。

(2)地质体越小,最小分辨距离变小,但地质体产生的异常变小,可探测性变弱。

(3)减小电极距可以提高探测地质体的能力,但受排列长度和仪器测试精度影响,探测深度会变小。

图4 α2装置水平多个地质体正、反演成果图Fig.4 Forward and inversion modeling of horizontal multi-geological body

图5 α2装置地质体不同深度反演成果图Fig.5 Inversion results ofα2 arrangement for various depth geological body

图6 地质体大小、埋深～最小分辨距离图Fig.6 Diagram of geological body size and buried depthminimum horizontal resolution

4 如何提高横向分辨率

由于影响四电极系横向分辨率的因素较多,要提高分辨率必须从野外到室内资料处理及解释各个环节进行考虑,总体要注意以下几点:

(1)要根据不同的探测要求,选择不同的观测参数和装置。电极距越小,可分辨地质体越小,探测深度也变小。在野外工作时,在不影响工作效率的前提下,应尽量采用多种装置进行观测。在四电极系中,一般优选α2装置、α1装置,其次为β、γ装置。

(2)测线布置时,应尽量符合二维地质体模型,以减少地形影响。

表1 不同地质模型模拟成果表Tab.1 The outcome table of different geologicalmodels to s imulate

(3)资料处理时,对异常点应进行剔除。探测深部地质体时,如果浅部数据变化较大,存在较多不均匀体,可适度使浅部数据不参与反演运算。

(4)选用较好的反演算法,可提高对地质体的分辨能力,高密度电法反演中异常总是比地质体大得多,不同的反演处理方法,反演出地质体异常大小不一,因此,具有不同的分辨能力。

(5)适当的运用某种算法也可提高横向分辨率,如T比值法,测深曲线切向角～深度剖面法,以及测深曲线反射系数法等。

(6)采用多种装置结合地质资料进行解释,可较好地提高解释精度和分辨能力。

5 结论

作者在本文中运用高密度电法正演技术,模拟野外数据,通过反演确定模型的分辨能力,较好的运用了最小分辨距离来衡量高密度电阻率法四电极系的横向分辨能力,得出了地质体大小、埋深与最小分辨距离的关系曲线,对高密度电法野外工作及室内资料解释具有较强的指导作用。

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