基于水平差分場線處理方法的高密度電阻率法實驗設計

劉立家

摘要：目前高密度電阻率法勘探存在很多問題，主要包括反演出的假異常以及異常體的傾向問題，這些問題無論從教學角度還是從實踐角度來看都是急需解決的。設計高密度電法教學實驗，設置不同傾向的異常體，利用水平差分場線處理方法計算不同異常體的響應，以還原介質真實結構。該實驗設計在實驗教學及野外實踐都取得了良好的效果，解決了高密度電阻率測量方法的弊端。

關鍵詞：教學實驗高密度電阻率法水平差分場線實驗設計

中圖分類號：P631.3文獻標識碼：A ? 文章編號：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： At present， there are many problems， including the introduction of false anomalies in inversion and the tendency of anomalies， in high-density resistivity method， which need to be solved urgently from both teaching and practice perspectives. The teaching experiment of high-density resistivity method is designed. We set up the abnormal bodies with different tendencies and calculate the response of different bodies by using the horizontal differential field line processing method， so as to restore the real structure of the medium. The experimental has achieved good results in experimental teaching and field practice， and solved the disadvantages of high-density resistivity method.

Key Words： Teaching experiment; High-density resistivity method; Horizontal differential field line processing method;Experimental design

高密度電阻率法是一種主動源陣列勘探方法，測深和剖面測量同時進行，基于探測目標和圍巖在電性上的差異，通過觀測穩定電流場的分布規律，獲得沿測線下方斷面的電阻率結構，判斷目標體位置和埋深[1- 2]。全部接收電極一次性布設完成，測量過程中無需跑極，避免了由于電極移動帶來的影響，實現數據的快速采集，大大提高了工作效率。該方法具有數據量大、精度高、施工效率高等特點，目前在水利水電、環境地質、工程地質、工程檢測、市政工程以及考古等領域得到了廣泛應用，實現勘探、統計分析的全自動化[3]，產生了極大的社會效益及經濟效益[4]。但是高密度電阻率法目前仍存在問題，主要表現為異常體形態刻畫不準確。該文設計實驗以研究水平差分場線處理方法在高密度電阻率法中的應用效果，利用該處理技術，對高密度電阻率法數據進行精細分析，還原地下異常體的真實結構[5]。

1 高密度電阻率法采集原理

高密度電阻率法以直流電法的測量原理為基礎，由供電電極A、B向地下輸出直流電，由接收電極M、N輸入信號以獲得地下結構信息。視電阻率由以下計算公式得到：

當裝置和供電電流一定時，測點視電阻率大小取決于MN之間的電流密度（j_MN ） ?和測點真電阻率ρ_MN。

當裝置和供電電流一定時，測點視電阻率和電場強度有關。當存在高阻體時，場強呈高值，低阻結構則對應低場強，那么根據電場強度等值線分布即可識別地質體結構。水平差分場線盡管無法細致的刻畫地下異常體的產狀，但可以通過實踐的辦法或實驗室模擬的方法來定性的理解復雜地質體存在條件下場線的變形狀態。進而利用這一方法在實際中來定性的分辨地下地質異常體的構造關系。

3實驗內容及目的

3.1 實驗內容

地下均勻各向同性電性介質的情況下（以自來水為例），基于高密度電阻率法采集數據，計算水平差分場線分布情況。

（2）存在不同傾向異常板的情況下（以水中不同角度放置的高阻板為例），基于高密度電阻率法采集數據，計算水平差分場線分布情況。

3.2 實驗目的

促進學生對高密度電法理論的了解及相關理論的理解。

提高學生自身的科研能力、創新實踐能力。

通過組員之間的協調配合，提高他們自身的動手能力以團隊協作精神。

4 結果與討論

4.1均勻各向同性電性介質

均勻各向同性電性介質中，場線呈現出近乎水平的等值線，隨著深度增加，差分場線由密變疏。這是由于，一方面隨著深度增加，電流密度逐漸減小，導致差分場線隨深度增加逐漸變稀疏;另一方面介質為均勻的水，所以差分場線呈水平分布。上述結果證明了水平差分場線方法在高密度電阻率法應用中的可行性，結果準確，效果良好。

4.2不同產狀異常板

圖1為利用水平差分場線處理方法，獲得的不同傾向異常體存在的情況下沿測線的場線分布圖，（a）（b）（c）（d）分別對應24°、45°、64°、90°傾斜的高阻板的結果。高阻板存在于場線峰值連線位置，直立板的差分曲線呈軸對稱分布，隨著板的傾角減小差分曲線峰值連線的角度隨之減小。對于單個傾斜異常體的結果，從左向右，距離異常較遠位置時，場線近乎水平延伸，距離高阻異常較近時，場線沿著異常傾向方向向下延伸出現谷值，之后場線向上延伸，在異常的中心出現峰值，越過異常后場線向下延伸，直到遠離異常場線又水平延伸。

將大量實驗做出的不同傾斜角度的板的異常曲線疊在一起，做成標準量板。將測量得到的未知傾角模型的差分曲線與標準曲線量板對比，即可推測未知模型的傾角。

5 結語

水平差分場線處理方法在高密度電阻率法中的應用效果良好，可達到進一步圈定異常的作用。排除常規反演結果引入假異常的情況，相對于電阻率斷面圖更精確，更能準確圈定異常體位置。另外當異常體具有傾向，從差分場線圖上可以判斷異常的傾向，甚至獲得準確的傾角。該實驗將教師的科研成果納入實驗教學，能夠較好地解決目前高密度電阻率法存在的問題，理論與實踐相結合，有利于激發學生對科學研究的興趣，培養學生的動手能力和科研素養，為將來的科研工作打下良好基礎。

參考文獻

王世界，毛聰，王元洪，等.高密度電法在斷裂構造探測中的應用[J].資源信息與工程，2021，36（5）：56-57，63.

王鵬.高密度電阻率法高分辨率成像與解釋[D].濟南：山東大學，2020.

辛歡.淺探工程物探中高密度電法的應用[J].西部資源，2021（5）：95-97.

朱紫祥，胡俊杰.高密度電法在巖溶地區溶洞勘查中的應用[J].工程地球物理學報，2017，14（3）：290-293.

廖建華.高密度電法勘探在工程勘察中的應用[J].工程建設與設計，2019（4）：75-76.

XIN Z H，HAN J T， LI Z Y， et al. Viability of High-density Resistivity method for Evaluating Mountain Slope Stability in Erdaojiang District，Tonghua City，China[J]. Global Geology， 2020，23（4）： 225-233.

XIN Z H， LIU L J， HAN J T， et al. Application of Electrical Resistivity Tomography （ERT） in Archaeological Investigation of Chengsijiazi Ancient City ruins[J]. IOP Conference Series Earth and Environmental Science，2021，660（1）：012118.