杨振威,严加永,刘彦,王华峰
(中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037)
高密度电阻率法研究进展
杨振威,严加永,刘彦,王华峰
(中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037)
文中从高密度电法系统的发展﹑电极排列方式,反演方法及应用等方面,介绍了高密度电阻率法的应用研究进展。说明了高密度电法仪器从集中式到分布式,电极排列方式为适应地形变化等因素的影响,由某一种排列方式发展到组合排列和自定义排列方式。反演方法由早期的最小二乘反演发展到佐迪反演、基于born近似反演等反演方法,且从一维发展到三维,甚至四维。反演软件也从二维反演发展到三维反演,如德国DMT公司的反演软件从Res2DINV发展到Res3DINV,美国AGI公司的Earthimage反演软件可以进行水域、跨孔高密度电法发演。列举了高密度电法近几年来在多个领域的应用概况,最后,文章总结出高密度电法仪器的发展方向为:提高发射机功率,增大供电电流,以及增加排列长度,提高仪器通道数量;带地形的非线性共轭梯度三维反演具有需要内存小、计算速度快,可以更好的定位异常体的空间位置等优点,将会得到更为广泛的应用。
仪器反演四维RES2DINV
Yang zhen-wei,Yan jia-yong,Liu Yan,Wang hua-feng.Research progresses of the highdensity resistivity method[J].Geology and Exploration,2012,48(5):0969-0978.
高密度电阻率法属于电阻率法范畴,它是为了实现环境地质调查和解决水文工程问题而研制的一种阵列电探系统。该系统包括两部分:数据采集系统和数据处理系统。数据采集时只需将电极一次布设完成,之后即可对剖面进行数据观测。一次观测即可完成剖面的二维勘探,既能完成所探测异常体在某一深度上沿水平方向岩性变化,也能反映其在垂直方向不同深度上的岩性变化规律,获取较为丰富的地电信息。与常规电法相比,高密度电阻率法工作效率高,劳动强度低,探测精度较高,高密度电法在电极布设和观测形式上做了改进,使电法勘探的智能化程度大大提高(董浩斌等,2003;赵光辉等,
2006)。
高密度电阻率法的雏形是20世纪80年代初英国学者设计的电阻率测深偏置装置系统,80年代中期日本地质计测株式会社通过电极转换板实现了高密度电阻率法数据自动快速采集,80年代后期高密度电阻率法传入中国,地矿部、中国地质大学、长春地质学院等单位开展了高密度电阻率法的科研工作,高密度电阻率法的研究与应用在我国得到迅速的发展。经过科研工作者20余年的辛苦努力,该方法得到了长足的发展和进步,数据处理和反演由二维发展到三维,并逐步实现了高密度电法的三维数据场可视化。近年来,高密度电阻率法已广泛应用于环境地质调查、工程地质调查、煤矿水害防治和地裂缝探查等众多行业领域(董浩斌等,2003;2004)。高密度电阻率法系统和电极排列方式如图1所示。
高密度电阻率法系统包括数据采集和数据处理两部分,该系统可分为两种:一种是传统式高密度电法系统,另外一种是分布式高密度电法系统。传统式高密度电法仪主要由电测仪﹑电极转换盒等组成,60根电极,60根导线与电极转换器连接,电极转换盒输出数码控制电测仪,控制数码经由译码电路控制各个继电器,从而实现不同电极和不同极距的切换。新型分布式智能化高密度电法仪主要由计算机主机﹑电缆和连接盒组成。主机负责发送控制指令和接收信号,主电缆由多芯电线组成,负责信号传输,电极连接盒根据主机指令转换电极﹑数据采集与传输。一根电缆覆盖剖面的所有测量电极,并且使用计算机进行控制,使得每一个电极都可能成为供电或者测量电极(吕玉增等,2004,2005;李晓斌,2008;肖宏跃等,2008)。
图1 高密度电阻率法测量系统结构示意图((a)集中式、(b)分布式)Fig.1 Sketch showing a measurement system of the high density resistivity method (a-centralized mode,b-distributed mode)
高密度电法仪是一个多电极测量系统,早期高密度电法仪电极转换由人工进行,随着计算机技术的发展进步,电极转换实现自动化,事实上,高密度电法仪器的发展也就是电极转换开关的发展,在高密度电法发展的初期,电极转换由人工控制,即机械式电极转换开关,之后,随着电子技术的发展,由微机控制的步进电机的电子式电极转换开关应运而生,从此,高密度电法仪的数据采集实现了自动化。分布式智能电极的出现彻底改变了高密度电法仪器系统的面貌,伴随着新的电子技术的发展,正逐步走向成熟。近年来,大型新型仪器不断涌现,都与分布式智能化电极的出现密不可分。高密度电法仪正朝着多通道、多参数、多功能、大功率发展。通道数从最早的单道接收,逐渐发展到8道甚至更多,相信在不久的将来,高密度电法的道数会越来越多,道数的增加将促进三维高密度电法走向实用化。另外,多参数测量也会更加受人们青睐,电阻率、极化率、复电阻率和自然电位等参数的同时测量,会使地电模型的解释更加可靠。高密度电法也从以前的仅做常规剖面测量发展为可进行井-井测量、井地测量、水下测量和水上测量。根据现已掌握的资料,对目前国内外主流高密度电法仪的主要特点概述如下。
国外生产的高密度电法仪较有代表性的有美国AGI公司生产的SuperSting R8/IP高密度电法仪和Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ、由日本Oyo Instruments公司制造的McOHM Profiler、德国的DMT公司生产的RESECSⅡ高密度电法仪等。SuperSting R8/ IP系统性能稳定,轻便牢固。可自动消除自然电位影响,同时采用了独创的双模式电极,可以在一个电极位置上安放钢电极(供电)和不极化电极(接收),用于同时测量电阻率和极化率,开阔了高密度电法仪的应用范围。德国的RESECSⅡ高密度电法仪可实时显示接收道和发射道的时间过程,由预置的标准偏差值自动控制观测质量,实时显示失效道位置并可随时或统一进行补测,具有硬、软件压制噪声功能。该仪器设有特殊的监测模式,对地下电阻率变化进行实时或定地监测,用以监视地下电阻率随时间和空间的变化,从而实现4D勘探,国内引入高密度电法后,多家单位科研人员开展了相关的科研攻关,20世纪90年代,原地质矿产部机电研究所研制了GHI高密度电法仪,电极转换开关由单片机控制,此后,重庆地质仪器厂等厂家相继开展了相关技术的研究,中国地质大学高科资源探测研究所研制的8通道CUGBGM高密度电法仪和西安澳立华公司研制的61通道flashRes64高密度直流电法仪的电极转换器都是单片机控制的电子开关。国内学术论文有报道中国地质大学董浩斌等研制的GMD系列分布式智能化高密度电法仪,实际生产应用有待进一步的推广。重庆地质仪器厂的DUK-2A高密度电法测量系统是单通道的集中式高密度电法系统采用全数字化自动测量,可对自然电位、漂移及电极极化进行自动补偿。中国地质大学生产的GMD系列多功能电法仪采用真24位A/D,分辨率高,抗干扰能力强,菜单为中文界面,标准通道为60,最大可达240道。
高密度电法的电极排列方式已有十几种,目前,应用较广的是四极排列方式中的α、β及γ排列等(秦福刚等,2007),如图2所示,各种电极排列方式对异常体所表现的特征不同。因此,根据不同的目标体选择恰当的电极排列方式尤为重要。以前受仪器性能的限制,高密度电法数据采集仅按某一种排列方式进行(王爱国等,2007)。近年来,随着软硬件的发展,逐渐发展了组合排列和自定义排列方式。
组合排列是将多种排列融合在一起,同时进行测量,在电极距和接地电阻不变的情况下,利用组合排列代替单一排列的测量方式,可使分辨率大大提高,同时需要更多的观测时间。另外,组合排列具有被组合的各种排列的优点,探测深度和分辨率同时得以提高。
自定义排列是根据测区的特点,自行编排供电电极和接收电极间的相对位置关系,从而形成有针对性的排列方式。自定义排列方式在地表条件差的复杂地区可以发挥灵活布极的优势,在三维勘探中,在测区有障碍物存在时,自行定义排列方式,避开障碍物后仍能形成不规则的三维测网,最大限度的满足数据采集的要求。
随着计算机及其数值计算技术的发展,高密度电法反演从传统的一维、二维向三维、四维发展。高密度电法的三维反演方法的研究是该领域的前沿课题,日益成熟且已被应用于生产实践之中。主要有原始的最小二乘反演方法、基于Born近似的三维反演,层析成像反演,共轭梯度反演(吴小平等,2002;黄俊革等,2006)。
反演问题的一般形式为:Δd=GΔm(1)
Δd为观测数据dobs与正演理论值d0的残差向量;Δm为初始模型m0的修正向量,对于三维情况下,将模型剖分成Nx×Ny×Nz的网格,为了改善反演的稳定性,对上式各参数向量取对数,即:dobs= lnΨobs和m=lnσ。传统的最小二乘反演由于参数过多,会产生所谓的多余构造,是数据本身不要求的或者不可分辨的构造信息,为了求得光滑模型,Sasaki在最小二乘准则中加入了光滑约束,即基于圆滑约束的最小二乘反演法:其中C是模型光滑矩阵,在进行三维反演时,需要计算雅克比矩阵及求矩阵逆,因此,最小二乘法仅适合做简单模型的三维反演。
图2 高密度电阻率法常用排列示意图Fig.2 Sketch showing common arrays used for the high-density resistivity method
佐迪反演法初始模型由测深曲线直接给出,模型修改是通过比较正演计算的视电阻率与实测视电阻率的差异,从而不需要计算雅可比矩阵,使计算量大大减小,且稳定性好。
佐迪反演法以观测值作为初始模型,把研究区划分为一系列网格单元,用有限元法对初始模型进行正演计算,得到理论视电阻率值,利用(3)式调整模型,再用调整后的模型做有限元正演计算,将理论视电阻率值与实际观测值相比较,计算其均方根差,直至误差达到预设误差范围内为止。
其中(m,n)代表第m行,第n个网格单元; ρi+1(m,n)和ρi(m,n)分别代表第i个和第i+1次迭代得到的电阻率值;ρ0(m,n)表示观测视电阻率值;ρci(m,n)表示有限元法正演得到的视电阻率值。该方法具有初始模型简单、计算速度快、收敛快的优点,主要缺点是反演结果依赖初始模型。目前,尚未见三维佐迪反演的报道(王兴泰等,1995),
Born近似反演的原理是点电流源I在地面观测点产生的电位表达式为:
σ(r)是地下介质电导率;rs,robs分别表示源点与观测点;式中积分项是介质中的电性异常体激发的二次电位φs(robs),即φs(robs)
假设σ(r)=σ0μ(r),σ0表示均匀背景电阻率值;μ(r)是无量纲函数,代入,得到
假设介质中的μ(r)变化不大,应用Born近似,得到φ(r)
上面即是Born近似反演公式,反演是快速的,但首先需要背景电阻率值的估计,这种方法在地下电性结构不复杂时,反演是较为准确的,相反,其准确度会大大降低,可见,Born近似反演分辨率较低,一般不用于地下电性结构复杂时的反演计算。
层析成像是从目标体的各个方向收集其内部多量的投影数据,用来反映其内部的物性分布情况,作为断面重新构成图像的技术。电阻率层析成像技术亦即电阻率反投影技术(RBPT),其原理是利用勘探区域周围各个方向观测的直流电场研究地下介质电阻率分布。当在地下介质中发送一次电流时,介质的不均一性使一次场电流分布发生变化,从而使电位发生改变,这些变化在地面可以观测到。把多个方位观测到的电位值换算成视电阻率值,可以用来电阻率成像研究。由测点的各个方位的电位差重构测区的电阻率分布(底青云等,2003;周小仙,2009)。
三维层析成像面临着需要探测区周围观测数据、计算量大、对计算速度和内存要求高的诸多困难,即便如此,三维层析成像反演也取得了不小的进步,较有代表性的有庄浩提出电阻率成像方法,即把成像目标单元电阻率变为单元便捷上的归一化电流密度,从而求得地下电流密度分布情况。该方法具有分辨率较低的缺点,但它对数据要求低,成像方法简单高效。底青云等类比地震走时射线追踪技术提出了电流线追踪电位的电阻率成像方法,通过二维数值计算表明,此法具有计算速度快、需要内存小和精度高的特点,但拓展到三维反演,尚有三维电流射线追踪问题需要解决(郭秀娟等,2005;祁民,2006)。
共轭梯度法是一种不需要确定任何参数的求解对称线性方程组的方法,直接从反演目标函数出发,避免了计算和存储偏导数矩阵G,计算效率大大提高,目前该方法被广泛的应用到三维非线性反演,吴小平采用CG方法求电阻率三维最小构造反演,目标函数为:
上式中等号右端第一项是以差分代替一阶微分后的模型粗糙度的离散形式。Rx、Ry、Rz分别是模型在x、y、z三个方向的粗糙度矩阵,λ是拉格朗日乘子,求目标函数ψ极小。共轭梯度反演算法不接求矩阵G和GTG的逆,数据计算量和存储量大大减小,从而提高了计算速度,因而,该方法在电阻率三维反演中得到广泛的发展和应用。限于篇幅,在此不予详述。
所有仪器基本上都配备有自己的数据处理及反演软件,目前应用较为广泛的软件有德国DMT公司的Res2DINV和Res3DINV系列软件和美国AGI公司的Earthimage 2D、Earthimage 3D系列软件等。国内也有相关的反演软件推出,如吕玉增等(2004)采用了VC++/C和Fortran混合编程技术,开发了二维反演软件;但国内真正推出商用软件的并不多(罗延钟,2006)。下面简要介绍一下目前市场上比较流行的两款软件:Res2DINV系列软件和Earthimage系列软件。
Res2DINV系列软件是瑞典M.H.Loke博士开发的密度电法处理软件,RES2DINV为二维处理、反演程序,程序采用强制平滑(smoothness-constrained)的最小二乘法反演技术,利用地面上的电阻率数据生成地下的二维模型,可进行全自动不需要初始模型的反演,反演程序是建立在抑制平滑度最小平方法的基础之上的。对于大型数据组,这种技术的计算速度要比常规的最小平方法快10倍多,而且所需内存较小。1999年,M.H.Loke又开发了可用以电阻率和极化率三维反演的程序-RES3DMOD,该程序采用强制平滑的最小二乘法反演技术,利用地面上的电阻率数据生成地下的三维模型。像RES2DINV一样完全自动化,无需提供初始模型。随着测量网格、测量区域以及计算机系统速度的不同,一个三维数据系列的反演时间在几分钟到十多个小时。采用扭曲的有限元网格模拟表面网格从而实现地形进行校正。对反演结果进行各方向的切片,可形象的刻画地下电阻率或者极化率的三维分布情况。
Earthimage高密度电法软件是美国AGI公司的杨贤进博士开发的软件,可进行1D、2D和3D电阻率、极化率处理及正反演计算。在2D和3D软件中,又增加了诸如CRP(连续电阻率反演)、ERT(跨孔成像)、水下电阻率反演和时间推移反演等,拓展了高密度电法的应用范围。Earthimage系列软件可视化效果好,易于使用,3D反演程序可以进行等位面、任意方向切片、电阻率透明度控制、旋转和缩放等,这些操作都是采用人机交互界面,便于资料的分析与解释。
近年来,高密度电法可以同时采集电阻率和极化率两个参数,其应用用领域也愈来愈广,国内高密度电法主要应用于矿产资源,尤其是含硫化物的矿产资源勘查、矿井水害防治、工程质量检测、工程勘察、考古、地质灾害调查及环境监测等领域。李水平等(2009)依据铝土矿与围岩电性特征差异较大,应用高密度电法探明了岩溶盆地中的铝土矿。宋希利等(2010)应用高密度电法探测地下空洞,推测了楼房开挖地基上的空洞位置,用人工探槽、机器开挖等方式进行验证,准确率达88.37%。王书民等(2004)利用频率域高密度电法探测秦始皇地宫,首次将该方法应用于考古领域,该方法基于高密度电法和复电阻率法,具有测深大(<300 m)、参数多(可同时采集复电阻率和激电相位参数)等优点。孟贵祥等(2011)首次将高密度电法技术引入到石材矿探测中,有效的圈定了矿体边界和优质矿体的范围。王喜迁等(2011)应用高密度电法探查高速公路第四系内部土洞发育情况、灰岩埋深及分布等情况,取得较好的地质效果。张卜文(2008)应用高密度电法探查工作面构造,田玉昆等在(2008)即墨地区应用高密度电法寻找地下水,显示出高密度电法在探查煤矿工作面小构造方面也是很有成效的。玄月等(2011)应用高密度电法较好地判明了北京地区的黄庄-高丽营隐伏断裂的走向、倾向。付长民等(2008)采用高密度电法寻找埋藏在地下2 m之内装有文物的木箱,证明了该方法进行浅层探测是可行的。施龙青等(2008)三维高密度电法探测煤矿巷道底板富水性。祁民等(2006)应用高密度电法清晰的预测了复杂采空区的空间分布特征。马德锡等(2008)采用高密度电法根据充电率异常对隐伏角砾岩筒、隐伏矿体进行了探测,结果表明,该方法用于查明构造、圈定容矿岩石非常有效。吕惠进等(2005)将高密度电法应用于地面塌陷区调查。刘小军等(2006)将概率成像技术应用到高密度电法中,并将其用于堤防防患探测。刘铁等(2003)应用高密度电法进行隧道勘探。孔繁良等(2008)将高密度电法用于库区滑坡调查。
在国外,欧美等发达国家将其拓展应用于环境监测等领域,取得了较好的应用效果。应用高密度电法探测美国hanford储藏和放射性污染场,探明了地下30 m深度范围内污染物的分布情况。Zhouctal应用高密度电法对降雨入渗过程和空洞周围的非饱和带动态监测,取得了一些有意义的成果。美国AGI公司使用拖拽式电极将高密度电法应用到水上及水下,使湖底和浅海海底电性结构的探测成为现实,如应用水上高密度电法探测加勒比海岛灰岩埋深及电性特征,其探测深度亦达到几百米。美国地质调查局应用高密度电法探查可燃冰的分布,而日本将其应用于火山口形状及其周围地质构造特征的探测。另外,高密度电法在地质灾害预测预报中也逐步得到应用,AGI公司将其用于动态监测采石场边坡稳定性,为其安全生产提供了可靠的技术保障。
高密度电法常规采集环境均在陆地地表进行,近几年来,高密度电法的施工环境发生了很大变化,测量方式从地表采集发展到水上、水下和钻孔间采集。
水上高密度电法:将高密度电极浮于水面上,主机放置于船上,定位电极位置采用GPS装置,测量过程中,船以2~5 km/h的速度拖动电缆前进,从而实现水上高密度电法的连续测量。图3a是水上高密度电法测量示意图。
水下高密度电法:该方法的测量方式是将电缆(防水)沉入水底,将主机布设于地表或船上,按各种电极排列方式进行测量,利用水听器等设备获取水底地形起伏的基础上,还可做带地形的反演。图3b是水下高密度电法探测示意图。
跨孔高密度电法:即跨孔高密度层析成像,如图3c所示,电极布设在不同深度上,在垂向上,此法有更高的分辨率,近地表的分辨率的提高还可以通过在地表布设电极实现,跨孔高密度电法的研究目前还是处于二维阶段。
目前,高密度电阻率法四维反演已经进入试验阶段,四维反演是在三维高密度电法中加入一个时间维,视电阻率是x、y、z和t的函数,即:ρ=ρ(x,y,z,t),一次测量数据反演结果用作所有监测数据的先验模型,并计算了差分图像。该方法可以用来监测地下水污染、监测海水入侵,数据采集同于传统高密度电法,不同的是在不同时间重复数据。反演算法采用差分反演,计算出不同时刻同一地点的视电阻率与初始时刻的差异,研究地下三维介质电阻率随时间的变化情况。采集在意大利某地的注水试验(Rita Deiana,2007)研究了农业污染源的扩散过程和规律,试验过程:在两个钻孔实施钻孔测量,之后,在两钻孔之间注水,水量3.5 m3,在保持布设电极位置不变的情况下,进行不同时间段的数据采集,然后做四维的差分反演计算,如图3所示:由左至右分别为注水之前视、2 h、5 h和47.5 h的视电阻率反演图4。从图中可以明显看出:2 h、5 h反演所得视电阻率变化快区域显示了水在地下的扩散规律,47.5 h后视电阻率在4~8 m两侧深度降低,其他地方与注水前基本保持不变,由此说明,此时水已经向四周扩散,仅在4~8 m深度两侧有局部残留。该注水试验较好的说明了地下流体的扩散路径及残留情况,为工农业污染治理做了有益的探索。
(1)高密度电法的探测深度一直是制约其发展的瓶颈,加大排列长度和增加供电电流的大小是解决这个问题的关键,因此,提高发射机功率的功率,增大供电电流,以及增加排列长度,提高仪器通道(电极)数量会使高密度电法在探测深部电性异常方面发挥更大的作用,这也是高密度电法仪器的发展方向
(2)高密度电阻率法三维观测方式今后也会成为研究的重点,其对降低野外数据采集成本和提高生产效率有重要意义,同时,对采集数据的分辨力和反演结果也有有相当影响,因此,正确认识复杂地形条件下的地电异常及如何较好的消除地形起伏带来的干扰是今后研究的方向,此外,跨孔高密度电法的三维观测及反演解释将会得到广泛的应用。
(3)电阻率三维反演的主要问题有:反演稳定性问题,如果初始模型选择不恰当,则其三维正演理论值与观测值的差会很大,同时误差会增大,严重时方程组不收敛,反演不稳定。可以分别对预测模型的正演数据和实际观测数据取对数,这样,观测数据差矢量元素的差别就不会太大,有效的提高了反演的稳定性,将模型修正量与初始模型的加法运算变为乘法运算,大大减少了迭代次数。速度问题,缩小反演计算的范围,将三维断面的全域反演改为局域反演,可提高三维反演的速度。三维反演数据量大,反演时间主要与偏导数矩阵的正则化和线性方程组的求解所用的时间有关。非线性共轭梯度法在三维电阻率反演中运算速度快,需要内存少,对于复杂电性结构的反演很有效,相信该方法在起伏地形的三维电阻率反演中会有更大的潜力。
(4)由于起伏地形条件下的三维电阻率反演可以更好的定位异常体的空间位置,仍是今后科学研究的目标和方向,对于起伏较大的地形而言,地形对电极影响较大,反演过程中,多次迭代使地形拐角处异常放大并复杂化,从而导致反演收敛慢甚至发散。目前,还没应用到实际生产当中。业已实现起伏地形的三维近似反演,反演精度较低,且反演速度较低。
(5)在三维高密度电法基础上再加入一个时间维,并将其广泛的应用于环境监测等领域,将会是高密度电法的一次飞跃。
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Research Progresses of the High-Density Resistivity Method
YANG zhen-wei,YAN jia-yong,LIU Yan,WANG hua-feng
(Institute of Mineral Resources Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100037)
This paper reviews the research progresses of the high-density resistivity method,including the development of the high-density resistivity system,electrode arrangement ways and inversion methods,as well as the development from centralized to distributed instrument deployment.The electrode arrangement developed from one arrangement mode to combined permutation and self-defining mode in order to adapt to changing terrains and other factors.The inversion method was mainly the least square inversion in the early time,and later replaced by the Zohdy inversion and Born approximateinversion method,and developed from 1D to 3D,and even 4D.The inversion software developed from 2D to 3D,for example,the inversion software of DMT Company of Germany developed Res 2DINV to Res 3DINV.The inversion software Earthimage of AGI company of the USA can be applied to data processing and inversion in water areas and cross-hole high density resistivity inversion.We present examples of the application of the high-density resistivity in many fields in recent years.In the end,this paper points out that the development trend of the high density resistivity method is increasing the transmitter power,increasing the supply current,increasing spread length and increasing the number of instrument channels.The three-dimensional nonlinear conjugate gradient inversion with topography has the advantages of demanding less memory,fast calculation,being capable of positioning the location of anomalous body.It would be more widely applied.
instrument,inversion,four-dimensional,inversion,RES2DINV
book=9,ebook=538
P631.3
A
0495-5531(2012)05-0969-10
2012-01-16;
2012-04-09;[责任编辑]郝情情。
国家“十一五”科技支撑计划重大项目课题(2009BAB43B02)资助。
杨振威(1984年-),男,中国地质科学院在读博士研究生,地球探测与信息技术专业。E-mail:yangzhenwei2006@126.com。