高密度电阻率法三种不同装置应用效果对比研究

李子永 张利峰 王小天

摘要：高密度电阻率法作为一种阵列式电法勘探方法，通过改变供电、观测电极的排列方式，可实现多种排列装置进行数据采集的功能，具有低成本、高效率的特点，已广泛应用于环境地质、工程地质和矿产地质等领域。为探究在不同地质背景、勘探目标时，各排列装置应用效果的特点，本文选取温纳、偶极—偶极和施伦贝谢尔（剖面）三种装置，对其在水库坝体渗漏检测和地下水勘查中的应用效果进行对比，研究各排列裝置的特点。结果表明，温纳装置在勘探深度方面有明显的优势，纵向分辨率高，施工效率高，数据拟合效果好，信噪比高，抗干扰能强；偶极—偶极装置横向分辨率高，水平方向异常更细化，施工效率较高；施伦贝谢尔（剖面）装置具有较高的横向与纵向分辨率，采集数据点多，获取地电断面信息更丰富，抗干扰能力较强，勘探深度较深，数据拟合效果较好。综合对比研究认为，施伦贝谢尔（剖面）装置适宜在水库坝体渗漏检测中推广使用；温纳装置具适宜在勘探第四系潜水含水层中推广使用。

关键词：高密度电阻率法；温纳装置；偶极—偶极装置；施伦贝谢尔（剖面）装置；效果对比

中图分类号：P641.8

文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.008

引文格式：李子永，张利峰，王小天.高密度电阻率法三种不同装置应用效果对比研究［J］.山东国土资源，2023，39（7）：46-51. LI Ziyong， ZHANG Lifeng， WANG Xiaotian. Comparative Study on the Application Effect of Three Different Devices of High Density Resistivity Method［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：46-51.

0 引言

高密度电阻率法是浅层地球物理勘探的主要方法之一［1］，近年来已广泛应用于环境地质、工程地质、矿产地质和灾害地质等众多行业［2-3］。高密度电阻率法有多种观测装置，常用的观测装置有温纳装置、施伦贝谢尔装置、单极—单极装置、单极—偶极装置和偶极—偶极装置［4-5］，不同观测装置的应用效果有不同的特点。目前已有诸多学者对不同观测装置的观测效果开展了研究工作，研究指出，在实际工作中要因地制宜地综合地质情况，选择合适的装置进行探测［6-7］。因此，如何根据不同的地质背景、施工条件和勘探目标选择合适的观测装置显得十分重要。本文针对水库坝体渗漏和地下水勘查任务，选用温纳装置、施伦贝谢尔（剖面）装置和偶极—偶极装置进行观测试验，对比3种观测装置的反演结果，给出各观测装置的优缺点，并从多个方面对比3种装置的不同之处，为高密度电阻率法在库坝体渗漏和地下水勘查任务的生产实践提供一定的参考。

1 高密度电阻率法概述

1.1 高密度电阻率法基本原理

高密度电阻率法的基本原理与常规电阻率法相同，是以岩矿石的电阻率差异为基础［8-9］，研究人工条件下稳定电流场在地下的分布规律，进而查明地下地质体及地质构造分布规律的一种电法勘探方法［10-12］。作为一种阵列式勘探方法［13］，高密度电阻率法具有低成本、高效率、采集信息丰富、抗干扰能力强、适用范围广等优点［14-15］。

1.2 装置类型

电阻率法勘探中将一定的电极排列方式称为装置类型，在电阻率法勘探中，根据不同的地质任务和不同的地电条件，需采用不同的装置类型。常用的观测装置主要有二极、三极和四极等装置类型，高密度电阻率法以此为基础，演变出十几种装置类型［16］，各装置在探测深度、垂向和横向分辨率、断面数据覆盖范围和信息强度等方面各有特点。实际工作中，四极装置因不需要布设无穷远电极，可以压干扰，增强有效信号，应用较为广泛。本次工作主要研究温纳装置、施伦贝谢尔（剖面）装置和偶极—偶极装置的各自特点。

1.2.1 温纳装置简介

如图1所示，温纳装置是一种电极按A、M、N、B依次等间距排列的对称四极装置。测量时，AM=MN=NB=na（A、B为供电电极，M，N为测量电极，n为剖面层数，a为电极间距），AM、MN、NB逐点增大一个电极间距，得到第一条斜测深剖面；接着A、M、N、B同时移动一个电极，重复测量，得到下一条剖面；不断测量下去，得到一个倒梯形断面［17-18］。温纳装置的视电阻率ρs=2πa△UMN/I1。由于测量电极在供电电极内部，温纳装置信号强度较高，具有较高的信噪比较，抗干扰性较强［19-20］。

1.2.2 偶极—偶极装置简介

如图2所示，偶极—偶极装置是一种电极按A、B、M、N依次等距排列的装置［21］。测量时，AB=MN=a，BN=na，AB、BM、MN逐点增大一个电极间距，得到第一条斜测深剖面；接着A、B、M、N同时移动一个电极，重复测量，得到下一条剖面；不断测量下去，得到一个倒梯形断面。偶极—偶极装置的视电阻率ρs=πan（n+1）（n+2）△UMN/I1。由于测量电极在供电电极外部，一次电位幅度较小，对较小的异常体也有较好的灵敏度，但抗干扰能力较弱。

1.2.3 施伦贝谢尔（剖面）装置简介

如图3所示，施伦贝谢尔（剖面）装置是一种电极按A、B、M、N依次等距排列的装置。测量时，MN固定不动，AM=NB按间隔系数由小到大逐次移动，得到第一条斜测深剖面；接着A、B、M、N同时移动一个电极，重复测量，得到下一条剖面；不断测量下去，得到一个倒梯形断面［22］。施伦贝谢尔（剖面）装置的视电阻率ρs=π（AM×AN）MN△UMN/I1。相同剖面长度下，施伦贝谢尔（剖面）装置的观测数据点更密集，所以该装置具有更高的分辨率。

2 应用实例对比

为研究温纳装置、偶极—偶极装置和施伦贝谢尔（剖面）装置在实际应用中的效果和特点，分别在水库坝体渗漏检测和地下水勘查两个方面进行对比分析。高密度仪器采用武汉捷探科技公司生产的GT-CEW型常规电法工作站及专业电缆设备。仪器供电时长、停供时长均设为0.2s，观测周期设为2个周期，供电电压大于400V。按照仪器内置的温纳装置、偶极—偶极装置和施伦贝谢尔（剖面）装置跑极方式分别采集观测数据并存储在仪器内。反演计算前，运用仪器配套的A5高密度二维预处理软件对观测数据进行预处理，剔除因电极故障和地表干扰等原因造成的畸变异常点［23］。

采用Res2sinv软件对预处理后的数据进行反演计算，阻尼系数设为0.16，阻尼系数增长因子设为1.05，模型正演计算算法选择有限差分法，单位电极距节点数设为2节点，层厚度随深度增加系数设为1.1，采用最小二乘法对实测数据进行反演，分别计算三种装置的反演模型，得到对应的反演视电阻率断面图。

2.1 水库坝体渗漏检测中的应用

研究区位于牟平区高陵镇东约1km处某水库，工区坝体为小型土石坝，坝体长约240m，宽约6m，经过多年的运行，坝体土壤、砂、砾石等第四系堆积物的孔隙一般处于饱水状态，存在渗漏的风险［24］。通常而言，渗漏点电阻率值会低于20Ω·m，含水的砂、砾等堆积物电阻率一般低于50Ω·m，不含水的基岩等电阻率一般高于100Ω·m。

测线布置于坝顶边坡处，沿坝体走向布设，测线长240m，点距3m，测线方位130°，共布置电极80根，观测层数为24层。坝顶地势平坦，无地形起伏，数据处理时无需进行地形校正。3种装置的反演模型视电阻率断面图如图4所示。

从图4可以看出，在同一剖面相同电极距相同供电条件下，观测层数均为24层时，各排列装置视电阻率反演结果的电阻率异常垂向变化规律比较一致，均能揭露坝体内部岩土体的垂向分层规律，呈现低阻—高阻的电性组合，在剖面36～201m间，浅部0～27m的电阻率值以中低阻为主，27m深部电阻率以高值为主，电阻率主要呈层状分布，两侧的电阻率梯度变化较为平缓；温纳排列与施伦贝谢尔排列的电阻率异常横向变化特征较为明显，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m处圈出了3处明显的低阻异常区；施伦贝谢尔装置在剖面213m和222m处圈出两处低阻异常区，其位置与水库排水洞一致；偶极排列的电阻率异常横向变化特征与温纳排列与施伦贝谢尔排列并不相同，上述3处低阻异常特征不明显，低阻异常呈现“凹”字形。

综合上述3種排列装置视电阻率反演效果的特点，在土石坝坝体渗漏检测应用中，施伦贝谢尔（剖面）装置的应用效果最优［5］，温纳装置次之，偶极—偶极装置较差。以施伦贝谢尔（剖面）装置视电阻率反演断面图对水库坝体渗漏情况进行解释，土石坝坝体位于剖面60～195m，深度0～15m的区域，两侧为第四系沉积物，深部为基岩岩体，坝体由于多年的运行已处于饱水状态，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m处存在3处低阻异常区，电阻率值低于20Ω·m，电阻率特征与排水洞类似，推断3处低阻异常区为渗漏隐患点。

2.2 地下水勘查中的应用

研究区位于屯溪区傍霞村内，地表为第四系覆盖层，北邻新安江，根据地质条件及水文地质条件，研究区内红层泥岩分布广泛［25］，将找水目标定为第四系松散孔隙水。研究区内，第四系松散沉积物电阻率高于100Ω·m，含水砂层电阻率低于50Ω·m，饱水红层泥岩电阻率低于10Ω·m。本次测量工作测线长900m，点距10m，测线方位340°，共布设电极90根，观测层数26层。工区内地势平坦，无地形起伏，数据处理时无需进行地形校正。3种装置的反演模型视电阻率断面图如图5所示。

从图5可以看出，在同一剖面相同电极距相同供电条件下，观测层数均为26层时，各排列装置的视电阻率反演结果基本相似，视电阻率异常垂向变化规律比较一致，均能揭露地下地质体的垂向分布规律，地下地质体整体呈相对高阻—低阻—高阻—低阻的电性组合，浅部0～3m电阻率以中高阻为主，3～20m电阻率以低阻为主，20～65m以高阻为主，65m以深以低阻为主；温纳排列与施伦贝谢尔排列的电阻率异常横向变化特征较为相似，在剖面0～300m主要为中低阻异常区，在剖面300～550m主要为低阻异常区，其中剖面300～400m及450～550m深度20～65m为两处高阻异常区，550m至测线尾主要为中低阻；偶极排列的电阻率异常横向变化特征与温纳排列与施伦贝谢尔排列并不完全相同，上述的两处高阻异常形态更加细化，呈现为鞍形［6］。

综合上述3种排列装置各自反演效果的特点，在此次地下第四系松散孔隙水勘查应用中［7］，温纳装置的应用效果最优，施伦贝谢尔（剖面）装置次之，偶极—偶极装置再次之。以温纳装置视电阻率反演断面图对测线地下地层分布情况进行解释，0～65m相对高阻区域为第四系覆盖层，0～3m中高阻区为地表松散砂砾层，3～20m低阻区为砂砾黏土层，20～65m高阻区为大小不等、磨圆不同的卵石层，电阻率升高至400Ω·m以上，65m深部低阻区为泥质红层，泥质红层孔隙度小，虽然表现为低阻异常，但含水性较差，测线距起点750m，深度50m处，存在一处相对低阻异常，电阻率在10～30Ω·m之间，为孔隙度较大的砂砾层，推断为潜水含水层富水区。

在水库坝体渗漏检测与第四系松散孔隙水勘查应用时，三种排列装置在分辨能力、施工效率、有效剖面长度和抗干扰能力等方面还是存在一些差异［8］。

（1）在分辨能力方面，本次工作中温纳装置的抗干扰能力更强，纵向分辨率高，垂向地层分界线明显，异常的垂向分辨率高于横向分辨率；施伦贝谢尔（剖面）装置横向分辨率高，水平方向异常更细化，可较好地反映地层横向的地电结构特征；偶极装置横向分辨率更高，但水平方向异常形态更加复杂，不利于数据的解释，垂向分辨能力较差。

（2）在施工效率方面，本次工作中在相同的供电条件下，采用相同电极距、电极数及观测层数时，温纳装置与偶极—偶极装置的数据采集时间要小于施伦贝谢尔（剖面）装置；可见温纳装置与偶极—偶极装置效率更高，施伦贝谢尔（剖面）装置效率较低。

（3）有效剖面长度方面，本次工作中施伦贝谢尔（剖面）装置反演结果的深部剖面有效长度要明显大于温纳装置和偶极—偶极装置反演结果的深部剖面有效长度，可见水平方向上施伦贝谢尔（剖面）装置能够获取更多的深部地层地电结构特征信息。

（4）抗干扰能力方面，在第四系松散孔隙水勘查应用中，测线在距剖面起点650m处横穿一条水泥路，因路面硬化问题影响附近电极供电和观测，偶极—偶极装置抗干扰能力较差，反演结果中仍能明显看到因公路干扰产生的虚假高值异常，温纳装置与施伦贝谢尔（剖面）装置抗干扰能力较强，反演结果中无明显的虚假异常。

3 结论

从实际应用效果可以看出，由于温纳装置、偶极—偶极装置和施伦贝谢尔（剖面）装置的排列方式不同，观测跑极方式不同，导致在相同观测条件下对同一剖面的观测效果不尽相同。三种排列装置在水库坝体渗漏检测与第四系松散沉积层地下水勘探方面，都能取得较为理想的数据，能清晰地反映地下的地电特征分布规律，并且各排列装置的视电阻率反演断面图显示的异常体电阻率均与实际地下结构基本类似。

从上述的应用效果可以看出，三种排列装置在应用效果上还是有差异和优劣的，温纳装置施工效率高，纵向分辨率高，抗干扰能力较强；偶极装置施工效率较高，横向分辨率高，水平方向异常更细化，异常形态更为复杂，异常解释难度较大，抗干扰能力较弱；施伦贝谢尔（剖面）装置具有较高的横向与纵向分辨率，采集数据点更密，获取地电断面信息更丰富，浅部抗干扰能力较强，但施工效率较低。综合考虑施工效率、纵向分辨率、横向分辨率、异常解释难度及抗干扰能力情况，温纳装置相较于另两种排列装置在勘探第四系松散孔隙水勘查中效果更明显，施伦贝谢尔（剖面）装置在水库坝体渗漏检测应用中效果更明显。

在正式开展高密度电阻率法工作之前，应根据工作目标、探测深度、目标体规模、施工效率、地形条件及地质条件等情况具体分析，先进行不同排列装置的试验，根据试验结果对装置类型及工作参数做出合理的选择，从而实现勘探效果的最优化。

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Comparative Study on the Application Effect of Three Different Devices of High Density Resistivity Method

LI Ziyong，  ZHANG Lifeng， WANG Xiaotian

（Yantai Center of Coastal Geological Surveying， China Geological Surveying， Shandong Yantai 264000， China）

Abstract： As an array electrical exploration method， high density resistivity method can realize the function of data acquisition with various arrangement devices by changing the arrangement of power supply and observation electrodes. It has the characteristics of low cost and high efficiency， and has been widely used in the fields of environmental geology， engineering geology and mineral geology. In order to explore the characteristics of the application effect of each arrangement device in different geological backgrounds and exploration targets， three kinds of devices， such as Wenner， dipole—dipole and Schlumberger （section） are selected in this paper to compare their application effects in the seepage detection of reservoir dam and groundwater exploration， and to study the characteristics of each arrangement device. It is showed that Wenner device has obvious advantages in exploration depth， high longitudinal resolution， high construction efficiency， good data fitting effect， high signal-to-noise ratio and strong anti-interference ability. The dipole—dipole device has high lateral resolution， more detailed horizontal anomalies， and higher construction efficiency. The Schlumberger （profile） device has higher transverse and longitudinal resolution， more  collected data points， richer obtained geoelectric section information， stronger anti-interference ability， deeper exploration depth， and better data fitting effect. It is concluded that Schlumberger （profile） device is suitable to be applied in seepage detection of reservoir dam， Wenner device is suitable to be used in exploration of quaternary aquifer.

Key words： High density resistivity method; Wenner device; Dipole—dipole device; Schlumberger （profile） unit; effect comparison

收稿日期：2023-03-21；

修訂日期：2023-04-21；

编辑：曹丽丽

基金项目：中国地质调查局项目“新安江流域地下水资源调查评价”（项目编号：DD20211571）；中国地质调查局项目“胶东北海岸带与岛礁综合地质调查”（项目编号：DD20220604）

作者简介：李子永（1991—），男，山东威海人，硕士研究生，主要从事地球物理勘探和数据处理工作；E-mail：790006874@qq.com