浅析提高深部高密度电法探测精度的方法

赵希正

摘要： 针对目前国内用于勘探的高密度电法仪器存在的供电缺限，提出重新设计高密度电法仪的供电系统、人工电流场稳定性智能检测系统及电压转换智能控制系统的解决方案。本方案可以实现在一个完整的测量排列中，根据勘探区地电条件只要设定好参数，整个排列断面的测量及供电电压的跳转将自动完成，无需人为干预。同时在整个排列测量断面上建立了稳定的供电电流场，增强了抗干扰能力，保证了勘探精度与勘探深度，使高密度电法勘探的工作效率得到了很大的提高。

Abstract： In view of the power supply shortage existing in high-density electrical instruments used for exploration in China， the solutions for redesigning power supply system for high-density electrical apparatus， intelligent detection system for artificial current field stability， and voltage conversion intelligent control system are proposed. This scheme can be realized in a complete measurement arrangement. According to the geoelectrical conditions in the exploration area， as long as the parameters are set， the measurement of the entire arrangement section and the jump of the power supply voltage will be automatically completed without human intervention. At the same time， a stable power supply current field has been established across the entire surveying section， which has enhanced the

anti-jamming ability， ensured the exploration accuracy and exploration depth， and greatly improved the working efficiency of high-density electrical surveying.

關键词： 高密度电法；人工电流场；视电阻率；干扰电平；信噪比

Key words： high-density electrical method；artificial current field；apparent resistivity；interference level；signal-to-noise ratio

中图分类号：P631.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0276-04

0 引言

上世纪90年代初日本OYO公司和英国伯明翰大学最先研制出阵列电法勘探观测系统，使电法勘探象地震勘探一样使用覆盖式观测方式，可获取地下介质的地电信息，这种电阻率阵列勘探方法称高密度电阻率法。之后国外多家地质仪器公司开始研发此类先进设备。功能最突出的是德国DMT公司生产的RESECS高密度电法仪，该仪器将开关单元分布在各个电极上（解码器），其主机有一个电流测量通道和能够扩展为6个的电位测量通道，在单通道和多通道情况下均可最高控制960个电极。90年代末期我国自行研制的仪器开始使用于勘探领域。具有代表性仪器为重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-3多功能数字直流激电仪与WDJD-3多路电极转换器，实现了直流电法的高密度测量功能。以后随着电子技术及计算机智能控制技术的发展该仪器在原来的基础上作了改进与升级，研发了多种型号的电法仪，目前国内应用较多的为WDA-1和WDA-1B型超级数字直流电法仪，以此机为测控主机，可通过选配WDZJ-4或WDZJ-120多路电极转换器、集中式高密度电缆、电极，实现集中式二维高密度电阻率测量；也可选配分布式高密度电阻率电缆或激电电缆、电极，实现分布式二维、三维高密度电阻率测量、分布式二维高密度激电测量。这些仪器在电路设计与智能控制及数据存储与数据处理上有了很大的提高，但测量原理及供电控制方式基本没有改变。

1 常规高密度电法勘探的供电测量方式

图1是以A-MN-B四极测深装置为例来表示高密度电法的供电测深原理。由图中可以看出A与B为供电电极，M与N为测量电极，测量时M、N不动，A 逐点向左移动，同时B 逐点向右移动， A、B移动到设计的最大电极距为止，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，得到矩形测量断面。在完成整个断面测量的过程中AB、MN电极的选通是根据设置的观测装置而自动完成的。

A-MN-B四极测深装置在高密度直流电法勘探中是一个最基本的观测装置。它能代表直流电法勘探的基本原理，在每个观测点上的供电测量方式等同于传统的直流电测深的工作原理。

2 高密度电法供电电压对探测深度的影响

理论上讲直流电法的勘探深度主要取决于供电电极距的大小。工作中通常把AB/2的深度看作电阻率法的影响深度，而把AB/4的深度作为作为勘探深度。所以人们在高密度电法勘探实际工作中为了提高勘探深度而增大电极数量与电极间距是理所当然的。但是，当供电电极距扩大到一定程度，就必须有足够高电供电电压来保证地下半空间所建立的人工电流场的稳定，否则将是探测成果质量受到严重影响甚至产生错误。

在直流电测深法勘探中，当供电电极增大到一定程度时MN测量电极所测得电压值就会变得很小，或不稳定，我们通过提高供电电压及增大MN测量极距来提高地下半空间人工电流场强度与测量信号强度，这样很好的解决了大极距测深的供电问题。

下面来讨论高密度电法供电电压对探测深度的影响：

直流电法勘探的基本原理是根据人工电流场在地下半空间的分布特征来研究解释地下半空间的不同电性地质体的分布情况，如何在地面真实准确的观测到人工电流场的分布特征，最基本的是要保证人工电流场的稳定，有足够的抗干扰能力。就是要有足够大的供电电流强度，来维持电流场的稳定。

在地面通过测量电极MN观测到的电压信号是直流电法勘探的原始数据，利用该数据和MN及供电电极AB的距离求取地下不同深度的视电阻率，所以整个探测过程中MN之间的测量信号的稳定性是至关重要的。下面我们还是以A-MN-B对称四极测深装置为例：

根据 I=K

I——AB极的供电电流强度；K=π——对称四极的装置系数；UMN—MN之间的测量电压； ρs—视电阻率。

可以看出，在觀测装置及地下半空间ρs一定的情况下，△UMN的大小取决于AB极的供电电流强度I。

我们假设地下为均匀半空间，视电阻率 =100ΩM；探测区工业干扰电平和极化电位为Ug=2mv，为了保证勘探质量，我们取在MN上能观测到最小大于10倍干扰电平的电压信号强度来满足抑制干扰的要求，保证观测数据质量。在最大供电电极距AB=55M；测量电极距MN=5M的条件下，计算高密度电法在最大供电电极距排列时所需要的最小供电电流强度为：

也就是说在AB=55M；MN=5M时AB的供电电流强度应≥94.25mA可满足以上地电条件下的勘探质量。

上式也表明，如果勘探区的地电条件确定，要满足≥10倍的干扰电平的测量信号需要的最小供电电流强度I的大小主要取决于装置系数K，只要分别计算出不同最大供电极距AB与测量极距MN时的K值；再计算出他们之间的比例大小，也就确定了不同电极距时所需供电电流的比例大小。

表1是在上述地电条件下，不同最大供电极距AB与测量极距MN时计算出来的各个K值的比值，即各个供电电流强度的比值。

由表1可以看出：当供电电极距AB由55M增加到105M时，其对应的K值增加了3.667倍，直到AB增加到405M时，K值是55M时的54.667倍，同理所需的供电电流强度也要以同样的比例增加才能保证上述地电条件下的探测质量。

高密度电法的电极排列布设完成后，每个电极的接地电阻也就确定。在一个完整的排列中供电电极AB之间的等效直流阻抗也已确定，所以通过AB供入地下的电流强度IAB大小取决于AB之间的供电电压。所以得出：AB供电电压的大小是影响高密度电法勘探深度的主要因素之一，勘探深度越大，AB所需要的供电电压越高。

但是目前国内用于勘探的高密度电法仪器的供电方式是在一个测量断面排列中供电电压是固定不变的，这样随着供电电极距的增大地下半空间的电流密度变低，增大到一定程度使建立起来地下半空间人工电流场变弱或不稳定，尤其是大极距长断面排列，电极数量较大，在供电电极A-B之间的电压固定不变的情况下要保证小极距测量供电要求必然会影响大极距的供电，在接地条件不均、工业干扰严重的勘探区表现的更为突出。其结果导致在一个测量断面上相对深部测量信号不稳，重复性变差，使探测深度受到限制，给勘探成果资料的解释带来较大困难。

下面以实地工作为例来分析研究供电电压对探测深度的影响。

在工业干扰严重的勘探区进行电法勘探，首先要通过实验了解勘探区内电、磁干扰的程度，选择有效的观测装置及参数来压制干扰，提高信噪比。神木市某煤矿生产矿井在开采3-1煤层时需要查明上覆2-2煤层采空区的富水情况，勘探区内2-2煤的埋深为60M～78M之间，所以选用高密度电法勘探，设计最大勘探深度为100M。本勘探区处在工业干扰严重的生产矿区，为了作好勘探工作，首先在区内地形平缓、地层稳定、无采空区的已知地段进行试验以确定工作方法的有效性。

图2是用相同测量装置，不同的供电电压所测得的视电阻率试验断面图。由图可知看出，在供电电压分别为180V、270V、450V时测得三个视电阻率断面图在深度40M以上其视电阻率的分布特征基本一致，在180V供电的断面上在深度大约40M～100M范围，视电阻率等值线跳变严重，无连续性，与试验区已知的稳定平缓地层的电性分布特征不符。在270V供电的断面上在深度大约70M～100M范围，视电阻率等值线曲变严重，同样与试验区已知的稳定平缓地层的电性分布特征不符。当供电电压达到450V时，在深度100M范围内整个视电阻率断面表现为稳定平缓的层状电性分布特征，与试验区已知的稳定平缓地层的电性分布特征完全吻合。

试验结果表明：在本区的地电条件下，高密度电法要达到100M的勘探深度，即最大供电极距等于400M时，需要450V的供电电压才能能建立地下半空间的稳定电流场，这时MN之间才能观测到稳定的电压信号，受干扰电平影响较小，其探测成果才能真实的反映勘探深度范围内的视电阻率分布情况。

但要说明的是，本区高密度勘探采用的电极道距是10M，所以最小供电电极距为30M。如果用5M电极道距、或勘探深度再次增大而需要提升电压时，就会产生MN测量信号过大而影响勘探质量。如果采用增大起始供电极距，就会损失断面浅层数据使整个测量断面数据不完整。为了保证勘探质量在实际工作中在勘探深度较大的情况下，对一个断面的扫描观测要分两次测量，即采用适当供电电压完成浅部范围的供电测量，再升高供电电压完成深部范围的供电测量。

3 如何解决高密度电法电供电电压对探测深度的影响

以上通过理论与实践的分析研究，表明影响高密度电法勘探深度的主要因素为：电极排列与供电电压。电极排列可以根据勘探要求灵活设定，但在要求勘探深度较大的大极距长断面探测中，目前仪器所采用的单一固定的供电电压方式是满足不了一个完整断面扫描观测的要求，需要设定不同深度范围供电电压进行多次测量，在数据处理中一个断面的原始数据要经过对接生成，在野外工作方法上体现不了高密度电法的工作特点与效率。

如何解决上述问题，本文提出采取以下方案：重新设计高密度电法仪的供电系统、增加人工电流场稳定性智能检测系统及电压转换智能控制系统。具体方案如下：

方案的内容主要包括以下三个电路单元，如图3系统工作原理示意图所示。

3.1 多路阶梯式供电单元

该电路单元，用于提供阶梯式的供电电压，和/或用于输出连续变化的供电电压，初步确定输出电压分别为：DC30V；DC50V；DC90V；DC150V；DC270V；DC400V；DC600V。

DC30V～DC150V用于电极距小于3米，电极总数不大于60个的超浅层勘探。（深度<10米）

DC50V～DC270V用于电极距5米，电极总数不大于60个的浅层勘探。（深度<50米）

DC90V～DC400V用于电极距大于5米，电极总数60个的浅、中层勘探。（深度<100米）

DC90V～DC600V用于电极距大于5米，电极总数60～120个的中深层勘探。（深度<300米）

以上供电电压的划分是以往高密度电法勘探的经验为依据的。勘探中可针对实际地电条件进行合理选择与调整，以达到地下半空间能够建立起稳定人工电流场为目的。

3.2 人工电流场稳定性的智能检测与判定单元：

该功能单元，用于判断地下半空间人工电流场是否稳定，并在确定所述地下半空间人工电场不稳定时向所述智能控制单元发送提醒信号，其判定方法为：

a.拾取测量电极MN之间的全波列信号与供电时序波形进行比较，利用比较结果来判定供电电流场是否稳定。

b.测量MN之间的电压大小及相位来判定供电电流场是否稳定。

3.3 智能控制单元

智能控制单元，用于在接收到所述提醒信号后，对所述阶梯式供电单元进行控制，实现供电电压的自动调整。其原理为：

a.通过仪器操作面板设定人工电流场稳定性判定单元所需要的阈值参数对判定单元进行控制，达到适用不同地电条件下的人工电流场稳定性判定的目的。

b.根据判定结果信号对阶梯式供电单元进行控制，实现供电电源的自动切换。

（图3是以WDA-1型超级数字直流电法仪为主机WDZJ-4为多路电极转换器组成的集中式高密度电法仪为基础设计的，其原理同样适用于分布式高密度电法仪）

仪器通过以上方案的完善后，可在一个断面扫描排列中根据地电条件进行供电电压的自动转换，解决了浅层与深层的供电矛盾，可以使一个排列的测量断面长度大大提升，同时也提高了勘探深度，克服了原仪器由于大极距供电不足而只能短断面測量使勘探深度受到限制的缺点。真正提高了高密度电法勘探的工作效率。

由于在整个排列测量断面上建立了稳定的供电电流场，消除非稳定场的影响，压制工业干扰，提高了性操比，使测量成果能真实可靠的反映地下半空间探测深度范围内的视电阻率分布情况。

4 认识及结论

①在高密度视电阻率勘探中，不但要针对探测目的层的深度设定最大供电电极距及测量电极距的大小、根据地形条件及勘探效率合理设定每个扫描断面排列的电极总数即断面长度，还要必须通过实验了解勘探区工业干扰电平的大小，合理选择能够满足最大供电电极距时的供电电压，以保证最大供电极距时地下半空间人工电流场的稳定，提高信噪比。

②通过对目前国内用于勘探的高密度电法仪的工作原理和实际勘探成果的分析研究，得出影响高密度电法勘探深度的主要因素为：电极排列与供电电压。

③针对高密度电法仪器的供电缺限提出重新设计高密度电法仪的供电系统、人工电流场稳定性智能检测系统及电压转换智能控制系统的解决方案。本方案可以实现在一个完整的测量排列中，根据勘探区地电条件只要设定好参数，整个排列断面的测量及供电电压的跳转将自动完成，无需人为干预。同时在整个排列测量断面上建立了稳定的供电电流场，增强了抗干扰能力，保证了勘探精度与勘探深度，使高密度电法勘探的工作效率得到了很大的提高。

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