聚束电阻率法探测能力提升试验研究★

李延卓,李姝昱

(黄河水利委员会黄河水利科学研究院,河南 郑州 450003)

1 概述

聚束电阻率法是一种传统的物理勘探方法之一,在矿产普查、能源勘探、地质填图以及水文、工程地质调查等方面,都取得大量成果,发挥了重要作用[1]。传统的聚束直流电阻率法采用7个电极组成的聚束电极系或单点源进行探测,此方法探测效率低,探测深度和精度无法保证,通过减少电极数量、增加点源数量,简化测试过程,从而改善聚束效果、提高探测效果和工作效率。

改进的聚束电阻率法采用5个电极和3个点源组成的电极系,通过理论分析、数值模拟开展了相关试验研究。

2 理论分析与数值模拟

2.1 改进的聚束电极系

改进的聚束电极系共5个电极。A0为供电电极,A1，A2为屏蔽电极,M，N为测量电极,所有电极呈一条直线。探测时3个供电电极同时供电,并记录供电电流I1，I0，I2,通过测量电极M，N记录M，N的电位差UMN。电极M，N的中心为O点，见图1。

探测时保持电极A1,A0，A2的相对位置不变,M,N的相对位置也保持不变,A0O的中心位置根据勘探深度随极距增大而增加的原理,通过大量的试验,最终确定了两个屏蔽电极的移动步距的范围为0.2 m～0.3 m,固定屏蔽极距后,调节电流使电场聚束,然后测量视电阻率。改进后的聚束电阻率法工作效率有所提高,同时保留了探测精度和探测深度方面的优点。

2.2 理论分析

电阻率法采用人工场源,其异常幅度,除决定于目标体与周围介质的物性差异、规模及埋深等条件外,还决定于流经目标体的电流密度的大小。

ρs=(jMN/j0)·ρ0

(1)

令：

(2)

电阻率的相对异常为:

(3)

2.2.1 半无限空间中点电源电场分析

从图3中可见,单点源供电时以点源为圆心的圆环区域电流密度均匀分布,当3个点源供电时,在3个点源下方产生电流密度分布较大的区域,因为大的电流密度区域的形状呈花瓣型的束状,向下方延伸,称为“聚束”效应,如图4,图5所示。

单点源和3个点源供电时在水平方向的电流密度大小见图6。在深度1 m时,当水平距离小于1 m时,单点源的电流密度大于3个点源供电的电流密度;当水平距离大于1 m时,3个点源供电的电流密度大于单点源的电流密度;当水平距离接近1 m时,电流密度均达到最大,然后随着水平距离的增加,电流密度逐渐减小,但3个点源供电的电流密度大于单点源供电的电流密度。在深度为2 m,3 m,4 m深度时,3个点源的电流密度在不同的水平距离均大于单点源供电的电流密度。

由以上分析可知,3个点源供电时,增加了地下不同深度的电流密度,提高了电流的穿透距离,有利于探测到深部介质的电性参数。

由图7可见,当测量电极MN与供电电极A的距离增加时,在不同深度的电流密度与地表的电流密度比值逐渐增大。说明随着电极距的增大,深部的电流密度与地表的电流密度的比值相应增加,从而说明本次电极设计方案具有测深功能。

2.2.2 两层介质计算分析与数值模型分析

在两层介质的情况下,计算3个点源与单点源的探测结果,用来对比检测方案的有效性。两层介质的地表电流密度的计算公式为:

(4)

(5)

其中,ρ1,ρ2分别为第1层和第2层介质的电阻率;r为距离;h1为第1层介质的厚度;I为电流密度。

根据计算式(4),式(5)建立数值模型，模型参数：ρ1为100 Ω·m，ρ2为200 Ω·m,I为1 A，h1=10 m，模型示意图见图8。

根据模型计算结果,3个点源供电时增大了地表测量电极的压差,3个点源供电的电压差异大于单点源的电压差异,证明优化的探测方案有利于探测地下是否存在异常体,综合图9,图10,优化后的聚束电阻率探测方法具备探测深部异常体的有效性和可行性。

3 结语

在原有的聚束电阻率探测方法基础上,通过改变点源的数量和电极数量,结合理论分析和数值模拟结果,当存在基底介质时,3个点源在地表产生的电压差异大于单点源的电压差异,说明在3个点源供电情况下,更容易测量到由于基底介质的变化产生的电压差异,提高了基底介质的识别能力。优化后的聚束电阻率探测方法在探测效率和探测能力方面都有不同程度的提升。