高密度電法物探技術在地質勘察中的應用

王 帝

（北京東方新星勘察設計有限公司，北京 100000）

當今社會，地質勘察工作所面臨的形勢日新月異，對高密度電法物探技術的應用提出了更高要求，使該技術方法的運用實施過程面臨著挑戰與考驗。當前形勢下，有必要立足地質勘察工作實際需求，靈活運用高密度電法物探技術的核心方法，提高勘察工作效率，優化勘察工作成效。本文就此展開了探討。

1 研究背景

在現代地質勘察工作中，高密度電法物探技術所展現出的應用優勢與價值愈發突出，在地質數據獲取與處理等方面的準確性不斷提高，使傳統技術條件下難以完成的地質勘察任務更具可執行性。通過運用高密度電法物探技術，可充分利用地下介質的電學特性，對地質勘察數據進行連續性獲取與搜集，并運用特定的數據處理與分析方法，構造形成直觀的地質勘察數據模型，以準確全面地反映地質勘察狀態的空間分布情況。長期以來，廣大勘察設計單位不斷創新與總結高密度電法物探技術的應用經驗，細化分解地質勘察工作的具體流程等方面進行了積極探索與研究，對含磁性、介電性、導電性等介質電學特性進行了充分整合，構建形成了基于基礎電法理論的地質勘察技術體系，為新時期高密度電法物探技術的高效運用注入了源源不斷的動力與活力，使其適用場景與環境更為寬泛，所彰顯出的現實價值愈發重要。實踐表明，在地質勘察中深入運用高密度電法物探技術方法，可深度整合多樣化的數據采集技術方式，大大提高地質勘察效率，確保地質勘察數據信息的準確性，有效優化提升地質勘察整體工作成效[1]。

2 高密度電法的基本理論

2.1 高密度電法的基本原理

高密度電法物探技術的應用需要以巖土電性差異為主要載體，通過采用地下電極轉換儀等儀器，對巖土層數據信息進行測量、收集、存儲與處理，并根據有效數據的客觀實際狀態，構造形成地下視電阻率剖面圖，進而對地下環境的構造特點進行分析研判，完成地質勘察的整個過程。通常情況下，高密度法物探技術需要將電極預先埋設在特定區域和位置內，然后通過電極轉換開關對其進行控制，根據不同的電極裝置形式獲取不同的電極信號轉換效果。在獲得數據的同時，電極信號同通過電極轉換裝置進入測量主機。測量主機根據電極信號強度、類型與大小等，進行處理并存儲，然后通過相應的計算機軟件進行繪圖，形成直觀形象的剖面圖。高密度電法工作流程如圖1所示。

圖1 高密度電法工作流程示意圖

2.2 高密度電法的常用裝置

現代基礎理論與硬件裝置技術的發展，使高密度電法物探技術的常用裝置類型更加豐富，可針對不同的地質勘察任務靈活采用各具優勢的裝置儀器設備等，以完成差異化的地質勘察任務。一般而言，高密度電法物探技術的常用裝置主要包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置及溫納-斯倫貝謝裝置等。上述不同類型的勘察裝置在技術標準、方法過程與性能條件等方面存在顯著差異，以根據地質勘察工作的客觀實際需求，予以靈活配置。注重溫納裝置和微分裝置等在跑極方式方面的不同，這對高密度電法物探技術的整個實施流程與規則具有直接影響，應對其適用環境進行有效區分[2]。

2.3 高密度點法野外數據采集

2.3.1 野外工作準備階段

一方面，應根據地質勘察目標區域的實際特點，確定符合實際的布線條件，將電極間距控制在合理范圍內，避免間距過大或過小而導致的勘察效率降低，防止出現數據采集狀態的異常波動起伏。另一方面，對探測對象進行深入分析，結合地質環境的分布形態等對勘察方案的可行性做出論斷分析，為野外探測工作有序推進提供可靠保障。此外，在準備階段還應對相關儀器設備進行校驗，收集相關資料，對顆粒電阻率、孔隙度和含水量等技術參數作出初步研判。最后，確定觀測裝置及電極極距，并確定勘察深度和測線長度等，使其能夠與探測深度、儀器分辨率等有序銜接。

2.3.2 野外工作測試階段

在高密度電法野外數據采集中，測試階段的重要性同樣不容忽視，這直接關系到后續數據采集階段的效率性。在此階段，應制定詳細可行的測試方案，對電極電阻值等數據參數的客觀狀態進行有效監測，防止因電路短路等要素而對測試結果造成的干擾。對測量儀器測得的電極電阻數據信息進行密切監測，對于監測發現的數據偏差進行及時處理，以充分保證野外數據信息的客觀性。

2.3.3 野外數據采集階段

在排除各類潛在影響因素的干擾基礎上，野外數據采集階段可具有更高的平順性與穩定性，使數據采集效果更趨穩定。在此階段，還應格外注重現場安全問題，防止地層數十到幾百毫安電流通過而對技術人員造成的安全威脅。通過野外數據采集，獲取地層原始數據信息，并根據數據信息類型的不同與客觀差異，予以分類存儲，為后續數據處理及模型構造提供依據[3]。

3 高密度電法數據處理與分析

3.1 數據預處理

3.1.1 剔除壞點

剔除壞點的主要作用在于排除存偽數據對地質勘察結果的影響，提高勘察結果的準確性與可靠性。在高密度電法物探技術應用中，對壞點的有效剔除可從源頭上防止電阻率模擬斷面的虛假或異常狀況。導致壞點存在的原因主要是相鄰點電阻率差異較大，測量電極或供電電極不穩定，地下不良接地條件，等等。在壞點剔除中，應結合目標測區的客觀實際特點，對存在明顯突變的數據點進行去除，使最終形成的成像圖更加清晰，符合數據預處理的基本邏輯要求。

3.1.2 數據拼接

數據拼接的過程即是對高密度電法物探技術數據信息進行整合與梳理的過程，可完成對不同類型數據的拼接，為形成特定地質構造對象提供良好條件。在數據拼接中，應根據地質勘察的目標任務，將不同數據坐標值進行轉換加工，與同類型數據組進行有效合并，然后對兩個合并的數據取平均值。通過上述環節，考慮到目標測區單獨剖面的獨立性特征，可測得各個不同剖面，并合并成一條大的長剖面，得到數據拼接后的反演圖，有助于降低數據誤差，更加有效地反映不同斷面之間的邏輯關系，統一反演圖色調。

3.1.3 地形校正

受測區地形起伏等要素影響，高密度電法在數據獲取過程中會發生一定畸變，若畸變幅值過大，超出技術條件約束范圍，則極易導致最終勘察效果偏差，因此應通過地形校正方法，對上述問題予以技術處理。通過對介質電阻率和電流強度等技術參數，根據微分方程分析自然邊界條件和本質邊界條件，再經過余弦傅立葉變換進行偏微分方程關系式轉換，進而得到地形矯正后的視電阻率。

3.2 數據實質性處理

數據實質性處理的過程具有系統性特征，可根據相關技術方法，將該過程細化分為多個不同的子階段，通過強化各個子階段的匹配性，獲得最終數據處理的整體效果。在電腦接受采集數據的基礎上，對數據依次進行存盤、圓滑整理，然后對數據格式進行轉換及合并文件，最后編輯斷面數據，形成視電阻率斷面圖（如圖2所示）。在此過程中，可充分有效運用軟件技術，將相關高密度電法技術探測到的數據進行層次化導入，通過其自動處理與分析功能，結合電極排列異常關系，得到與實際地質勘察狀態相符的數據，使最終構建形成的模型更具可信性[4]。

圖2 數據處理相關的流程圖

3.3 數據的分析解釋

在數據分析解釋中，用重點對偏導數矩陣、轉置矩陣、阻尼系數、擾動系數和差異矢量等進行方程構造，以確保反演準確有效。對異常體的定性解釋和定量解釋應與高密度電法的實施全過程密切銜接，遵循數據分析解釋的基本原則，大致確定異常體所在的具體位置及分布狀態等。通常條件下，探測對象和所選取的地質巖層的電阻率情況符合基本技術要求，通過埋深和位置等參數資料，可通過二維反演形成地質勘察剖面圖，進而確定地下空間分布情況。

4 高密度電法正演分析

4.1 高密度電法正演的基本原理

4.1.1 點電流源的基本方程

在電流場穩定變化的前提下，可通過點電流源基本方程進行高密度電法正演操作，得到以電流強度、電場強度、電流密度、電荷密度與介質電阻率等為基礎變量的關系式，通過求散度得出方程求解結果。在該環節，應根據地質勘察實際環境的差異性，對點電流源的基本方程進行離散分析，對部分不符合高密度電法物探技術規則的信息予以消除，充分確保點電流源基本方程的可解性。同時，嚴格按照高密度電法的具體方法要求，對前期處理與分析完畢的數據進行函數構造，防止高密度電法正演分析出現技術性偏差。

4.1.2 邊界條件

在當前高密度電法物探技術條件下，其邊界條件通常可細化分為三類，既第一類邊界條件、第二類邊界條件和第三類邊界條件，上述不同的邊界條件在標準要求與約束范圍等方面存在一定不同，在有效求解過程中的現實作用同樣存在顯著差異，應根據點源之間的距離和分別密度等進行綜合擇定。在邊界條件確定后，需要按照常數要求和矢量要求等，設定研究區域，以更加清晰準確地排除干擾因素，提高地質勘察成果的可靠性。通過邊界條件的優化，可更好地輔助地質勘察結果準確有效，避免正演效果出現偏離[5]。

4.2 點源二維場域的有限差分正演計算

4.2.1 有限差分法網格剖分

根據點源二維場域的分布狀況，按照二維有限差分法對地下半空間區域進行網格剖分，將其細化剖分為一個二維剖面，并通過三維立體平面坐標系對本部分區域進行網格細化，設定每個網格的邊長，對不同網格區域的電位置進行求解。通過分析網格中心區域狀況，可得到離散電位的電位狀況。在當前技術條件下，有限差分法網格剖分應注重其變化規律，將求解整個區域的電位置作為關鍵路徑。通常情況下，平面區域內的網格步長會保持在相對恒定狀態，且網格剖分的過程同樣可根據步長變化狀態做出動態調整。

4.2.2 有限差分法在二維場域條件下的表現方式

在表現方式方面，有限差分法的應用關鍵在于對二維場域條件的分類與整合，通過任意選取一個網格模型，取中心節點和與其相鄰的四個節點之間的關系，對有限差分法計算方法進行解釋，得到基于網格中心點及其相鄰節點的網格圖，以標識中心點的具體坐標位置，形成一行虛構的網格單元。在此過程中，應注重地質勘察實際環境的約束條件，按照地質勘察數據獲取的整個方案與流程，對有限差分法的表現方式進行微調，清晰表示電場空間分布狀態。

4.2.3 異常場電位和總電場電位的計算方法

在高密度電法物探技術應用中，如何對異常場電位進行精準有效處理，向來都是地質勘察剖面圖模型構造中的難點問題，這關系到最終剖面圖的直觀性。在總電場電位計算中，應參照相關技術標準，強化計算過程的標準性，防止計算方法偏離，使計算獲得的均勻半空間電導率更加符合地質狀況實際。對異常場電位計算分析與處理的過程，同時也是對有限差分法計算總電位值改進的過程，且不在地表處的電流源的異常場電位邊值，只有在異常體存在的節點處電位才不為零。

4.3 二維正演計算算例

結合上文高密度電法正演分析方法，可采用二維正演計算模型對高密度電法物探技術應用中存儲與整理的數據進行建模求解，得出模型中電阻率和電位等數值信息，進而對整個勘察勘測區域的節點電位進行計算，得到分布式電場電位值。由于水平方向和垂直方向下的網格劃分之間分別存在橫向關聯和縱向關聯，因此可按照兩個不同方向進行二維正演計算，充分體現其二者之間的正相關關系或負相關關系。

5 高密度電法反演分析

5.1 球體模型

基于高密度電法物探技術的地質勘察過程同時也是對地下介質狀態進行分析研判的過程，也是對高密度電法物探數據信息進行整合并獲得電位值的過程。為完成上述過程，可通過運用球體模型對高密度電法反演進行處理。在球體模型中，應首先設定球心在水平方向上的具體位置，并根據球體頂部的埋設深度，分別獲取低阻條件和高阻條件下的球體模型。對于低阻條件下的球體模型將會在球體反演圖中呈現出低阻圓狀態，且會隨著球體半徑的增大而低阻區域相應擴大；對于高阻條件下的球體模型則需要處理球體與地下介質之間的明顯電性差異，以形成完全封閉式的高阻體圓[6]。

5.2 水平板狀體模型

在水平板狀體模型中，應首先對水平板狀體結構的長度和寬度進行設定，并同步設定水平板距離地面深度。為有效提高水平板狀體模型結構的可視化水平，應對正常狀態下的電阻率進行模擬構造，并觀察水平板狀體與地下介質之間的電性差異。在此狀況下，若均方誤差相對較小，則說明高密度電法物探所獲取到的數據信息相對可靠，反之則不然。根據原始數據資料，在電阻率差異狀況下，可對均方誤差進行反演，得到水平板狀體反演圖，使所形成的地質勘察模型更具直觀性。

5.3 直立板狀體模型

與球體模型與水平板狀模型不同，直立板狀體模型的核心在于在更加縱向的范圍內進行數據獲取，這對于高密度電法物探技術數據獲取過程的一致性具有類似特征。通過對相對低阻異常反應狀況的分析，可對直立板狀體模型的細節部位進行優化充實，對高密度電法物探技術應用過程中的數據缺失環節進行重點補充，最大限度上豐富地質勘察反演圖的內涵。在該模型異常體形態中，可有效反映測線的地電特征，異常位置結果與實際更為相符，表明高密度電法物探技術測量裝置的整體運行效果較好。可以預見，在未來地質勘察中，高密度電法物探技術對直立板狀體模型的構造要求將更為細致準確。

6 結語

綜上所述，高密度電法物探技術的核心優勢作用決定了其在地質勘察工作中的關鍵地位。因此，技術人員應從地質勘察工作的核心目標要求出發，創新高密度電法物探技術的運用流程與規則，強化對相關設施設備與儀器的配置，提高具體技術人員的實操技能，通過多樣化的模型構造與數據處理方法，排除各類偏差數據，為全面深入挖掘高密度電法物探技術的現實價值奠定基礎，為促進現代地質勘察工作邁向更高層次保駕護航。