高密度電阻率法四電極系橫向分辨率探討

殷 勇

(福建省建筑設計研究院,福州 350001)

0 前言

高密度電阻率法橫向分辨率,是指水平方向對地質體的分辨能力,它與地質體大小、埋深,以及地質體的水平距離、采集方式、地質環境和反演處理技術等有關。與地質體的可探測性不同,除了要有足夠大電阻率異常外,在實際應用時,還能夠利用電法反演技術,將二個地質體分離。

在一般情況下,①地質體越小,產生的電阻率異常越小,越不易分辨;②埋深越大,越不易分辨;③電性差異越小,越不易分辨;④反演技術越好,分辨地質體的能力越強。目前,高密度電阻率法已經成為工程中探測地下地質體的一種常用方法技術[1、2],而在高密度電阻率法裝置選擇上,四電極系(α1、β、γ、α2)又最為常用。因此,對四電極系下,高密度電阻率法橫向分辨能力探討具有現實意義。

1 高密度電阻率法工作原理及四電極系布極方式

高密度電阻率法實際上是一種陣列式電法勘探方式,野外電極一次布設,然后利用電極轉換開關和微機工程電測儀,實現數據的快速和自動采集。在采集完成后,可對數據進行處理,并給出關于地電斷面分布的各種物理解釋。相對于常規電阻率法而言,高密度電阻率法具有快速、高效、成本低、信息量大,分辨率高等特點。

四電極系布極方式是根據供電電極和測量電極的相對位置關系來確定的。根據供電電極A、B和測量電極M、N相對位置關系,四電極系通常有α1裝置(AMNB),β裝置(ABMN),γ裝置(AMBN)和α2裝置(見圖1),不同采集裝置對相同地電模型的反映能力不同。

圖1 α1,β,γ,α2裝置布極方式Fig.1 α1,β,γ,α2 electrode arrangements

2 四電極系橫向分辨能力探討方式

RES2DMOD正演軟件采用矩形網格化,使用了有限元或有限差分法對模型進行正演計算,保證了模型斷面數據來源的可靠性。例如,圖2模擬了二個地質體大小為5 m,水平距離為12.5 m的地電模型,采集裝置為α2,電極距為5 m,背景電阻率值為300Ω·m,地質體電阻率值為5 000Ω·m,從視電阻率圖中可以清楚地分辨出為二個地質體。

RES2D INV反演軟件進行反演時,采用平滑約束最小二乘法進行模型優化。利用地面上的電阻率數據,生成地下的二維模型,把地下空間分為許多模型子塊,確定這些子塊的電阻率,使得正演計算出的視電阻率擬斷面與實測擬斷面相吻合。對于每一層子塊的厚度與電極距之間,給出一定的比例系數。利用最優化方法調節模型子塊的電阻率,減小正演值與實測視電阻率值的差異。這種差異用均方誤差(RMS)來衡量,謹慎地逼近經選取迭代后均方誤差不再明顯改變的模型,通常在第三和第五次迭代之中得到反演結果。在實際使用時,作者采用了修整數據,調節阻尼系數,選擇等值線間隔,利用ROBUST等技術綜合提高反演效果。野外探測中,并不是每種四極系裝置視電阻率圖像都能將圖2中二地質體較好的分辨,因此,需要對野外數據進行反演,觀察反演結果能否分離地質體。圖3(見下頁)就是利用圖2模型產生的視電阻率值,加入1%隨機干擾后的反演結果。在圖3中可明顯分辨出地質體,但也同時對周圍電阻率有一些影響。由此可知,野外采集數據質量對分辨率有較大影響,采集質量好,可較好提高分辨率;質量差則分辨率降低,甚至作出錯誤判別。

3 橫向分辨率衡量標準及分析結果

在野外實際工作中,地電斷面非常復雜,衡量某種裝置的橫向分辨率是一個非常困難的問題,因此,必須對野外地質環境進行簡化,在建立模型時應做以下假設:

(1)地質體與周圍背景值有足夠大電阻率差異,本次模型采用的背景電阻率值為300Ω·m,地質體電阻率值為5 000Ω·m。

(2)在正演模擬產生的視電阻率后,反演時均加入相同1%的隨機干擾。

(3)地質體處于同一平面,同一深度,并且大小相等。

(4)模型不考慮地形對分辨率的影響。

那么推什么？一言以蔽之，就是推進廉潔政治建設。干部清正、政府清廉、政治清明，是習近平總書記推進反腐倡廉建設思想的目標和理念。干部清正，不僅僅對執政黨自身的建設和國家政權體系的建設有利，更是對整個社會風氣的健康發展有重要作用。清廉是共產黨領導的人民政府應有的本質特征。政治清明，是社會主義國家的內在要求。中國共產黨領導廣大人民群眾進行民主政治建設，理應是清明的政治。

在滿足以上條件的情況下,可以利用地質體的水平距離來衡量橫向分辨率。當二地質體在一定大小、深度環境下,總會存在某一距離,使得二地質體能夠分離,我們稱這一距離為最小分辨距離。當二地質體距離小于最小分辨距離時,則不能分辨,在進行解釋時,會將二地質體合為一個地質體看待;反之,則可分辨。

圖2 α2裝置正演模擬圖Fig.2 For ward modeling diagram ofα2 electrodes arrangement

圖3 α2裝置反演成果圖Fig.3 Inversion results ofα2 electrodes arrangement

圖4模型反映的是并排放置的五個地質體,地質體大小為5 m,埋深為10 m。從左到右,地質體間隔水平距離分別為7.5 m、12.5 m、17.5 m和22.5 m的模型和正、反演結果。從圖4中可以看出,左邊三個地質體異常融合成了一個大異常,它們之間不能分辨,后面二個地質體有明顯、單獨的異常,可以分辨。因此,在這種地電條件下,最小分辨距離在12.5 m～17.5 m之間。

圖5(見下頁)模型中反映的是并排布置的二個地質體,大小為5 m,水平間距為12.5 m,地質體埋深分別為5 m、10 m、15 m和20 m的反演結果。從圖5中可以看出,埋深15 m是能夠分辨的,但埋深為20 m時,二個異常合并一起,不能分辨。

為了能較好地討論四種裝置的不同橫向分辨能力,作者分別對四種裝置進行模擬,得到結果見下頁表1。

從Model 6和Model 11結果可以得出結論:α2裝置橫向分辨率稍好,α1裝置次之,β、γ裝置稍差。在以上模型中,地質體大小均為5 m,采用同樣的方法,我們改變地質體大小為2.5 m和3.75 m,重復以上模擬過程,便可得到地質體大小、埋深與最小分辨距離的關系,如圖6所示。為了簡化結果,模型均采用α2裝置測試方式,電極距為5 m,圖6中①、②和③曲線分別表示地質體大小為2.5 m、3.75 m和5 m。曲線左側為不可分辨區域,右側為可分辨區域,從圖6中可以得出以下結果:

(1)地質體埋深越大,最小分辨距離越大,橫向分辨率降低。

(2)地質體越小,最小分辨距離變小,但地質體產生的異常變小,可探測性變弱。

(3)減小電極距可以提高探測地質體的能力,但受排列長度和儀器測試精度影響,探測深度會變小。

圖4 α2裝置水平多個地質體正、反演成果圖Fig.4 Forward and inversion modeling of horizontal multi-geological body

圖5 α2裝置地質體不同深度反演成果圖Fig.5 Inversion results ofα2 arrangement for various depth geological body

圖6 地質體大小、埋深～最小分辨距離圖Fig.6 Diagram of geological body size and buried depthminimum horizontal resolution

4 如何提高橫向分辨率

由于影響四電極系橫向分辨率的因素較多,要提高分辨率必須從野外到室內資料處理及解釋各個環節進行考慮,總體要注意以下幾點:

(1)要根據不同的探測要求,選擇不同的觀測參數和裝置。電極距越小,可分辨地質體越小,探測深度也變小。在野外工作時,在不影響工作效率的前提下,應盡量采用多種裝置進行觀測。在四電極系中,一般優選α2裝置、α1裝置,其次為β、γ裝置。

(2)測線布置時,應盡量符合二維地質體模型,以減少地形影響。

表1 不同地質模型模擬成果表Tab.1 The outcome table of different geologicalmodels to s imulate

(3)資料處理時,對異常點應進行剔除。探測深部地質體時,如果淺部數據變化較大,存在較多不均勻體,可適度使淺部數據不參與反演運算。

(4)選用較好的反演算法,可提高對地質體的分辨能力,高密度電法反演中異常總是比地質體大得多,不同的反演處理方法,反演出地質體異常大小不一,因此,具有不同的分辨能力。

(5)適當的運用某種算法也可提高橫向分辨率,如T比值法,測深曲線切向角～深度剖面法,以及測深曲線反射系數法等。

(6)采用多種裝置結合地質資料進行解釋,可較好地提高解釋精度和分辨能力。

5 結論

作者在本文中運用高密度電法正演技術,模擬野外數據,通過反演確定模型的分辨能力,較好的運用了最小分辨距離來衡量高密度電阻率法四電極系的橫向分辨能力,得出了地質體大小、埋深與最小分辨距離的關系曲線,對高密度電法野外工作及室內資料解釋具有較強的指導作用。

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