基于隔离系数-比值校正高密度电法浅部不均匀体效应的方法

杨庭伟，卢超波，姜洪亮，潘隆武

(1.广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

0 引言

高密度电法作为工程地质勘察常用的物探方法，在众多学者不断优化发展下已非常成熟，但浅部不均匀体效应易造成解析结果失真，导致高密度电法探测深部地质体具有较大的难度。理论研究成果指出：位于地表覆盖层浅部的不均匀体对探测成果有极大的影响，主要表现在两个方面：(1)由于深部目标地质体反射信号较弱，造成探测接收信号与干扰信号叠加，信号的异常特征不明显。(2)深部目标体信号被浅部不均匀体所覆盖，继而导致仪器接收的信息对深部目标体的分辨能力不足。大量的外业探测以及室内物理模型试验均表明：在较为简单的地质情况下，浅部不均匀地质体会造成视电阻率严重畸变，若忽略此影响直接进行反演解释，对结论的准确性将造成显著的影响，甚至可能得到错误的解释结论。

为消除浅部不均匀体效应对反演解释结果的影响，许多学者提出了针对特殊地质条件下提高反演解释结果准确性的方法，如温纳偏置装置测深法、圆滑滤波法及三维有限元数值模拟法等，取得了一些效果，但实际应用的普遍性仍有所不足，如装置为非常规形式、难以预估浅部不均匀体的具体尺寸及电性参数等。

为将观测数据中隐含的信息充分利用，根据高密度电法中浅部不均匀体具有深度小、信号强、反演分辨率高的特点，结合隔离系数n以及地质体深度h之间存在的对应关系，可选取主要反映浅部信息的较小n值情况的视电阻率数据，并进行反演获得浅部不均匀体展布规模信息；然后根据“比值法”原理对原始视电阻率数据进行校正；将经校正后的视电阻率数据进行反演解释，得到的结果更凸显深部目标体信息，从而提高了对深部目标体的分辨能力。

1 提出问题

在高密度电法勘察中，偶极-偶极装置是最常用装置，其供电偶极子AB和测量偶极子MN一般均位于同一测线上，实际应用中一般采用AB=MN=a。在数据采集过程中，通过改变隔离系数n而使整个排列在测量剖面上不断滚动，增加探测深度。其工作原理如图1所示。

图1 偶极-偶极装置工作原理示意图

为更好演示浅部低阻不均匀体效应对反演结果的影响，以高密度电法偶极-偶极装置探测为例，采用数值模拟方法建立如图2所示的地电模型，设有2.5维的水平地层，埋深1 m处存在1 m厚的低阻不均匀体，长25 m，电阻率10 Ω·m；深部目标体取正方体，位于低阻不均匀体底部以下2 m，边长4 m×4 m，电阻率20 Ω·m；低阻不均匀体及深部目标体在测线垂直方向上均无限延伸，地层背景电阻率为100 Ω·m；测线共长46 m，电极数量为47个，测点距1 m，AB=MN=a=1 m，计算得到图3所示的视电阻率拟断面图。

图2 模型示意图

图3 视电阻率拟断面图

图4 最小二乘法直接反演断面图

模型采用最小二乘法对视电阻率观测数据直接反演的结果如图4可见，浅部的低阻异常几乎覆盖了深部目标体的信息，在浅部低阻不均匀体下方存在闭合低阻异常，电阻率值与背景电阻率值差异较小，分辨较为困难，且目标体的空间位置偏移较大。

2 校正原理与方法

根据偶极-偶极装置的工作原理，n增大而其探测深度h增加，对地下深部介质的反映能力也随之增加，在反演解释中对浅部地质体分辨能力较优，n与地质体深度之间为正相关关系。因此，可通过选取主要反映浅部信息的较小n值情况下的视电阻率数据进行反演获得浅部不均匀体展布规模信息；然后根据“比值法”原理对原始视电阻率数据进行校正；将经校正后的视电阻率数据进行反演解释，从而提高了对深部目标体的分辨能力。

采用“比值法”进行校正的计算式为：

(1)

式中：ρs——实测视电阻率；

ρd——浅部不均匀体正演计算视电阻率；

ρ0——背景(围岩)电阻率；

ρa——经校正后的视电阻率。数据处理具体步骤如图5所示。

图5 校正方法流程图

3 算例

对图2所示模型，通过提出的校正方法流程进行数据处理，将原始视电阻率数据按照不同的n值进行分层排序，并选取n=1～10的数据进行首次反演，将反演得到的地电断面构建模型进行正演，得到的结果通过采用“比值法”对原数据进行校正，最后将校正数据进行二次反演，得到最终深部目标体的反演结果如图6所示。

由图6反演结果分析可知：采用提出的方法进行数据的处理更显著凸显了深部目标体的信息，其深部目标体电阻率值及位置与真实模型相比均较为接近；但是在浅部低阻不均匀体下方出现高阻异常，这是由于比值校正过程中，初次反演的结果和实际浅部不均匀体模型相比位置存在一定的偏差，模型发生错位导致数据处理出现“次生”的假异常。结果同时显示n值选取对浅部不均匀体首次反演结果准确性有较大影响，如选取不当可能会带来最终反演结果的虚假异常。

图6 模型一校正后的反演断面图

4 n值筛选

在稳恒电场中，任意一处探测到的视电阻率其实是周边空间介质对供电电流引起的反应结果。供电极距与地质体深度之间的对应关系均较为复杂，其电性结构的深度估计量只能根据简单的模型给出，要精确得到实际的对应深度难度较大。主要通过试算结合现场钻探对伪深度进行修正，以获取合适的n值。

下页图7为选取不同n值进行校正的反演结果，当选取(f)n=1～10或(g)n=1～11时，目标体电阻率和空间位置与真实模型比较吻合。与文献[9]中提出的伪深度约为真实目标深度的1.5倍也较为吻合。

5 结语

(1)提出利用隔离系数-比值法对高密度电法进行视电阻率数据解释以提高对深部目标体的分辨能力，利用隔离系数将原始视电阻率数据分为不同深度的若干层，然后结合钻探结果选择合适的层数对数据进行首次反演，以获得浅部不均匀地质体的地电信息；将得到的地电信息构造模型进行正演，结合“比值法”对视电阻率数据进行校正，以消除浅部不均匀体效应引起的影响，最后通过二次反演凸显深部目标地质体的信息。

(a)n=1～5

(b)n=1～6

(c)n=1～7

(d)n=1～8

(e)n=1～9

(f)n=1～10

(g)n=1～11

(h)n=1～12

(i)n=1～15

(j)n=1～20

(2)校正效果的好坏与首次反演中对浅部不均匀体规模计算的准确性有较大相关性。选择合适的隔离系数对视电阻率数据进行校正较为重要，隔离系数设置过大或过小均会对处理结果造成不利的影响。实际工程勘察中应结合合理钻探结果对伪深度进行修正，提高隔离系数选取的合理性。