聚束電阻率法探測能力提升試驗研究★

李延卓,李姝昱

(黃河水利委員會黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

1 概述

聚束電阻率法是一種傳統的物理勘探方法之一,在礦產普查、能源勘探、地質填圖以及水文、工程地質調查等方面,都取得大量成果,發揮了重要作用[1]。傳統的聚束直流電阻率法采用7個電極組成的聚束電極系或單點源進行探測,此方法探測效率低,探測深度和精度無法保證,通過減少電極數量、增加點源數量,簡化測試過程,從而改善聚束效果、提高探測效果和工作效率。

改進的聚束電阻率法采用5個電極和3個點源組成的電極系,通過理論分析、數值模擬開展了相關試驗研究。

2 理論分析與數值模擬

2.1 改進的聚束電極系

改進的聚束電極系共5個電極。A0為供電電極,A1，A2為屏蔽電極,M，N為測量電極,所有電極呈一條直線。探測時3個供電電極同時供電,并記錄供電電流I1，I0，I2,通過測量電極M，N記錄M，N的電位差UMN。電極M，N的中心為O點，見圖1。

探測時保持電極A1,A0，A2的相對位置不變,M,N的相對位置也保持不變,A0O的中心位置根據勘探深度隨極距增大而增加的原理,通過大量的試驗,最終確定了兩個屏蔽電極的移動步距的范圍為0.2 m～0.3 m,固定屏蔽極距后,調節電流使電場聚束,然后測量視電阻率。改進后的聚束電阻率法工作效率有所提高,同時保留了探測精度和探測深度方面的優點。

2.2 理論分析

電阻率法采用人工場源,其異常幅度,除決定于目標體與周圍介質的物性差異、規模及埋深等條件外,還決定于流經目標體的電流密度的大小。

ρs=(jMN/j0)·ρ0

(1)

令：

(2)

電阻率的相對異常為:

(3)

2.2.1 半無限空間中點電源電場分析

從圖3中可見,單點源供電時以點源為圓心的圓環區域電流密度均勻分布,當3個點源供電時,在3個點源下方產生電流密度分布較大的區域,因為大的電流密度區域的形狀呈花瓣型的束狀,向下方延伸,稱為“聚束”效應,如圖4,圖5所示。

單點源和3個點源供電時在水平方向的電流密度大小見圖6。在深度1 m時,當水平距離小于1 m時,單點源的電流密度大于3個點源供電的電流密度;當水平距離大于1 m時,3個點源供電的電流密度大于單點源的電流密度;當水平距離接近1 m時,電流密度均達到最大,然后隨著水平距離的增加,電流密度逐漸減小,但3個點源供電的電流密度大于單點源供電的電流密度。在深度為2 m,3 m,4 m深度時,3個點源的電流密度在不同的水平距離均大于單點源供電的電流密度。

由以上分析可知,3個點源供電時,增加了地下不同深度的電流密度,提高了電流的穿透距離,有利于探測到深部介質的電性參數。

由圖7可見,當測量電極MN與供電電極A的距離增加時,在不同深度的電流密度與地表的電流密度比值逐漸增大。說明隨著電極距的增大,深部的電流密度與地表的電流密度的比值相應增加,從而說明本次電極設計方案具有測深功能。

2.2.2 兩層介質計算分析與數值模型分析

在兩層介質的情況下,計算3個點源與單點源的探測結果,用來對比檢測方案的有效性。兩層介質的地表電流密度的計算公式為:

(4)

(5)

其中,ρ1,ρ2分別為第1層和第2層介質的電阻率;r為距離;h1為第1層介質的厚度;I為電流密度。

根據計算式(4),式(5)建立數值模型，模型參數：ρ1為100 Ω·m，ρ2為200 Ω·m,I為1 A，h1=10 m，模型示意圖見圖8。

根據模型計算結果,3個點源供電時增大了地表測量電極的壓差,3個點源供電的電壓差異大于單點源的電壓差異,證明優化的探測方案有利于探測地下是否存在異常體,綜合圖9,圖10,優化后的聚束電阻率探測方法具備探測深部異常體的有效性和可行性。

3 結語

在原有的聚束電阻率探測方法基礎上,通過改變點源的數量和電極數量,結合理論分析和數值模擬結果,當存在基底介質時,3個點源在地表產生的電壓差異大于單點源的電壓差異,說明在3個點源供電情況下,更容易測量到由于基底介質的變化產生的電壓差異,提高了基底介質的識別能力。優化后的聚束電阻率探測方法在探測效率和探測能力方面都有不同程度的提升。