高密度電阻率法三種不同裝置應用效果對比研究

李子永 張利峰 王小天

摘要：高密度電阻率法作為一種陣列式電法勘探方法，通過改變供電、觀測電極的排列方式，可實現多種排列裝置進行數據采集的功能，具有低成本、高效率的特點，已廣泛應用于環境地質、工程地質和礦產地質等領域。為探究在不同地質背景、勘探目標時，各排列裝置應用效果的特點，本文選取溫納、偶極—偶極和施倫貝謝爾（剖面）三種裝置，對其在水庫壩體滲漏檢測和地下水勘查中的應用效果進行對比，研究各排列裝置的特點。結果表明，溫納裝置在勘探深度方面有明顯的優勢，縱向分辨率高，施工效率高，數據擬合效果好，信噪比高，抗干擾能強；偶極—偶極裝置橫向分辨率高，水平方向異常更細化，施工效率較高；施倫貝謝爾（剖面）裝置具有較高的橫向與縱向分辨率，采集數據點多，獲取地電斷面信息更豐富，抗干擾能力較強，勘探深度較深，數據擬合效果較好。綜合對比研究認為，施倫貝謝爾（剖面）裝置適宜在水庫壩體滲漏檢測中推廣使用；溫納裝置具適宜在勘探第四系潛水含水層中推廣使用。

關鍵詞：高密度電阻率法；溫納裝置；偶極—偶極裝置；施倫貝謝爾（剖面）裝置；效果對比

中圖分類號：P641.8

文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.008

引文格式：李子永，張利峰，王小天.高密度電阻率法三種不同裝置應用效果對比研究［J］.山東國土資源，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

高密度電阻率法是淺層地球物理勘探的主要方法之一［1］，近年來已廣泛應用于環境地質、工程地質、礦產地質和災害地質等眾多行業［2-3］。高密度電阻率法有多種觀測裝置，常用的觀測裝置有溫納裝置、施倫貝謝爾裝置、單極—單極裝置、單極—偶極裝置和偶極—偶極裝置［4-5］，不同觀測裝置的應用效果有不同的特點。目前已有諸多學者對不同觀測裝置的觀測效果開展了研究工作，研究指出，在實際工作中要因地制宜地綜合地質情況，選擇合適的裝置進行探測［6-7］。因此，如何根據不同的地質背景、施工條件和勘探目標選擇合適的觀測裝置顯得十分重要。本文針對水庫壩體滲漏和地下水勘查任務，選用溫納裝置、施倫貝謝爾（剖面）裝置和偶極—偶極裝置進行觀測試驗，對比3種觀測裝置的反演結果，給出各觀測裝置的優缺點，并從多個方面對比3種裝置的不同之處，為高密度電阻率法在庫壩體滲漏和地下水勘查任務的生產實踐提供一定的參考。

1 高密度電阻率法概述

1.1 高密度電阻率法基本原理

高密度電阻率法的基本原理與常規電阻率法相同，是以巖礦石的電阻率差異為基礎［8-9］，研究人工條件下穩定電流場在地下的分布規律，進而查明地下地質體及地質構造分布規律的一種電法勘探方法［10-12］。作為一種陣列式勘探方法［13］，高密度電阻率法具有低成本、高效率、采集信息豐富、抗干擾能力強、適用范圍廣等優點［14-15］。

1.2 裝置類型

電阻率法勘探中將一定的電極排列方式稱為裝置類型，在電阻率法勘探中，根據不同的地質任務和不同的地電條件，需采用不同的裝置類型。常用的觀測裝置主要有二極、三極和四極等裝置類型，高密度電阻率法以此為基礎，演變出十幾種裝置類型［16］，各裝置在探測深度、垂向和橫向分辨率、斷面數據覆蓋范圍和信息強度等方面各有特點。實際工作中，四極裝置因不需要布設無窮遠電極，可以壓干擾，增強有效信號，應用較為廣泛。本次工作主要研究溫納裝置、施倫貝謝爾（剖面）裝置和偶極—偶極裝置的各自特點。

1.2.1 溫納裝置簡介

如圖1所示，溫納裝置是一種電極按A、M、N、B依次等間距排列的對稱四極裝置。測量時，AM=MN=NB=na（A、B為供電電極，M，N為測量電極，n為剖面層數，a為電極間距），AM、MN、NB逐點增大一個電極間距，得到第一條斜測深剖面；接著A、M、N、B同時移動一個電極，重復測量，得到下一條剖面；不斷測量下去，得到一個倒梯形斷面［17-18］。溫納裝置的視電阻率ρs=2πa△UMN/I1。由于測量電極在供電電極內部，溫納裝置信號強度較高，具有較高的信噪比較，抗干擾性較強［19-20］。

1.2.2 偶極—偶極裝置簡介

如圖2所示，偶極—偶極裝置是一種電極按A、B、M、N依次等距排列的裝置［21］。測量時，AB=MN=a，BN=na，AB、BM、MN逐點增大一個電極間距，得到第一條斜測深剖面；接著A、B、M、N同時移動一個電極，重復測量，得到下一條剖面；不斷測量下去，得到一個倒梯形斷面。偶極—偶極裝置的視電阻率ρs=πan（n+1）（n+2）△UMN/I1。由于測量電極在供電電極外部，一次電位幅度較小，對較小的異常體也有較好的靈敏度，但抗干擾能力較弱。

1.2.3 施倫貝謝爾（剖面）裝置簡介

如圖3所示，施倫貝謝爾（剖面）裝置是一種電極按A、B、M、N依次等距排列的裝置。測量時，MN固定不動，AM=NB按間隔系數由小到大逐次移動，得到第一條斜測深剖面；接著A、B、M、N同時移動一個電極，重復測量，得到下一條剖面；不斷測量下去，得到一個倒梯形斷面［22］。施倫貝謝爾（剖面）裝置的視電阻率ρs=π（AM×AN）MN△UMN/I1。相同剖面長度下，施倫貝謝爾（剖面）裝置的觀測數據點更密集，所以該裝置具有更高的分辨率。

2 應用實例對比

為研究溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置在實際應用中的效果和特點，分別在水庫壩體滲漏檢測和地下水勘查兩個方面進行對比分析。高密度儀器采用武漢捷探科技公司生產的GT-CEW型常規電法工作站及專業電纜設備。儀器供電時長、停供時長均設為0.2s，觀測周期設為2個周期，供電電壓大于400V。按照儀器內置的溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置跑極方式分別采集觀測數據并存儲在儀器內。反演計算前，運用儀器配套的A5高密度二維預處理軟件對觀測數據進行預處理，剔除因電極故障和地表干擾等原因造成的畸變異常點［23］。

采用Res2sinv軟件對預處理后的數據進行反演計算，阻尼系數設為0.16，阻尼系數增長因子設為1.05，模型正演計算算法選擇有限差分法，單位電極距節點數設為2節點，層厚度隨深度增加系數設為1.1，采用最小二乘法對實測數據進行反演，分別計算三種裝置的反演模型，得到對應的反演視電阻率斷面圖。

2.1 水庫壩體滲漏檢測中的應用

研究區位于牟平區高陵鎮東約1km處某水庫，工區壩體為小型土石壩，壩體長約240m，寬約6m，經過多年的運行，壩體土壤、砂、礫石等第四系堆積物的孔隙一般處于飽水狀態，存在滲漏的風險［24］。通常而言，滲漏點電阻率值會低于20Ω·m，含水的砂、礫等堆積物電阻率一般低于50Ω·m，不含水的基巖等電阻率一般高于100Ω·m。

測線布置于壩頂邊坡處，沿壩體走向布設，測線長240m，點距3m，測線方位130°，共布置電極80根，觀測層數為24層。壩頂地勢平坦，無地形起伏，數據處理時無需進行地形校正。3種裝置的反演模型視電阻率斷面圖如圖4所示。

從圖4可以看出，在同一剖面相同電極距相同供電條件下，觀測層數均為24層時，各排列裝置視電阻率反演結果的電阻率異常垂向變化規律比較一致，均能揭露壩體內部巖土體的垂向分層規律，呈現低阻—高阻的電性組合，在剖面36～201m間，淺部0～27m的電阻率值以中低阻為主，27m深部電阻率以高值為主，電阻率主要呈層狀分布，兩側的電阻率梯度變化較為平緩；溫納排列與施倫貝謝爾排列的電阻率異常橫向變化特征較為明顯，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m處圈出了3處明顯的低阻異常區；施倫貝謝爾裝置在剖面213m和222m處圈出兩處低阻異常區，其位置與水庫排水洞一致；偶極排列的電阻率異常橫向變化特征與溫納排列與施倫貝謝爾排列并不相同，上述3處低阻異常特征不明顯，低阻異常呈現“凹”字形。

綜合上述3種排列裝置視電阻率反演效果的特點，在土石壩壩體滲漏檢測應用中，施倫貝謝爾（剖面）裝置的應用效果最優［5］，溫納裝置次之，偶極—偶極裝置較差。以施倫貝謝爾（剖面）裝置視電阻率反演斷面圖對水庫壩體滲漏情況進行解釋，土石壩壩體位于剖面60～195m，深度0～15m的區域，兩側為第四系沉積物，深部為基巖巖體，壩體由于多年的運行已處于飽水狀態，在深度10～14m，剖面84m、141m、174m處存在3處低阻異常區，電阻率值低于20Ω·m，電阻率特征與排水洞類似，推斷3處低阻異常區為滲漏隱患點。

2.2 地下水勘查中的應用

研究區位于屯溪區傍霞村內，地表為第四系覆蓋層，北鄰新安江，根據地質條件及水文地質條件，研究區內紅層泥巖分布廣泛［25］，將找水目標定為第四系松散孔隙水。研究區內，第四系松散沉積物電阻率高于100Ω·m，含水砂層電阻率低于50Ω·m，飽水紅層泥巖電阻率低于10Ω·m。本次測量工作測線長900m，點距10m，測線方位340°，共布設電極90根，觀測層數26層。工區內地勢平坦，無地形起伏，數據處理時無需進行地形校正。3種裝置的反演模型視電阻率斷面圖如圖5所示。

從圖5可以看出，在同一剖面相同電極距相同供電條件下，觀測層數均為26層時，各排列裝置的視電阻率反演結果基本相似，視電阻率異常垂向變化規律比較一致，均能揭露地下地質體的垂向分布規律，地下地質體整體呈相對高阻—低阻—高阻—低阻的電性組合，淺部0～3m電阻率以中高阻為主，3～20m電阻率以低阻為主，20～65m以高阻為主，65m以深以低阻為主；溫納排列與施倫貝謝爾排列的電阻率異常橫向變化特征較為相似，在剖面0～300m主要為中低阻異常區，在剖面300～550m主要為低阻異常區，其中剖面300～400m及450～550m深度20～65m為兩處高阻異常區，550m至測線尾主要為中低阻；偶極排列的電阻率異常橫向變化特征與溫納排列與施倫貝謝爾排列并不完全相同，上述的兩處高阻異常形態更加細化，呈現為鞍形［6］。

綜合上述3種排列裝置各自反演效果的特點，在此次地下第四系松散孔隙水勘查應用中［7］，溫納裝置的應用效果最優，施倫貝謝爾（剖面）裝置次之，偶極—偶極裝置再次之。以溫納裝置視電阻率反演斷面圖對測線地下地層分布情況進行解釋，0～65m相對高阻區域為第四系覆蓋層，0～3m中高阻區為地表松散砂礫層，3～20m低阻區為砂礫黏土層，20～65m高阻區為大小不等、磨圓不同的卵石層，電阻率升高至400Ω·m以上，65m深部低阻區為泥質紅層，泥質紅層孔隙度小，雖然表現為低阻異常，但含水性較差，測線距起點750m，深度50m處，存在一處相對低阻異常，電阻率在10～30Ω·m之間，為孔隙度較大的砂礫層，推斷為潛水含水層富水區。

在水庫壩體滲漏檢測與第四系松散孔隙水勘查應用時，三種排列裝置在分辨能力、施工效率、有效剖面長度和抗干擾能力等方面還是存在一些差異［8］。

（1）在分辨能力方面，本次工作中溫納裝置的抗干擾能力更強，縱向分辨率高，垂向地層分界線明顯，異常的垂向分辨率高于橫向分辨率；施倫貝謝爾（剖面）裝置橫向分辨率高，水平方向異常更細化，可較好地反映地層橫向的地電結構特征；偶極裝置橫向分辨率更高，但水平方向異常形態更加復雜，不利于數據的解釋，垂向分辨能力較差。

（2）在施工效率方面，本次工作中在相同的供電條件下，采用相同電極距、電極數及觀測層數時，溫納裝置與偶極—偶極裝置的數據采集時間要小于施倫貝謝爾（剖面）裝置；可見溫納裝置與偶極—偶極裝置效率更高，施倫貝謝爾（剖面）裝置效率較低。

（3）有效剖面長度方面，本次工作中施倫貝謝爾（剖面）裝置反演結果的深部剖面有效長度要明顯大于溫納裝置和偶極—偶極裝置反演結果的深部剖面有效長度，可見水平方向上施倫貝謝爾（剖面）裝置能夠獲取更多的深部地層地電結構特征信息。

（4）抗干擾能力方面，在第四系松散孔隙水勘查應用中，測線在距剖面起點650m處橫穿一條水泥路，因路面硬化問題影響附近電極供電和觀測，偶極—偶極裝置抗干擾能力較差，反演結果中仍能明顯看到因公路干擾產生的虛假高值異常，溫納裝置與施倫貝謝爾（剖面）裝置抗干擾能力較強，反演結果中無明顯的虛假異常。

3 結論

從實際應用效果可以看出，由于溫納裝置、偶極—偶極裝置和施倫貝謝爾（剖面）裝置的排列方式不同，觀測跑極方式不同，導致在相同觀測條件下對同一剖面的觀測效果不盡相同。三種排列裝置在水庫壩體滲漏檢測與第四系松散沉積層地下水勘探方面，都能取得較為理想的數據，能清晰地反映地下的地電特征分布規律，并且各排列裝置的視電阻率反演斷面圖顯示的異常體電阻率均與實際地下結構基本類似。

從上述的應用效果可以看出，三種排列裝置在應用效果上還是有差異和優劣的，溫納裝置施工效率高，縱向分辨率高，抗干擾能力較強；偶極裝置施工效率較高，橫向分辨率高，水平方向異常更細化，異常形態更為復雜，異常解釋難度較大，抗干擾能力較弱；施倫貝謝爾（剖面）裝置具有較高的橫向與縱向分辨率，采集數據點更密，獲取地電斷面信息更豐富，淺部抗干擾能力較強，但施工效率較低。綜合考慮施工效率、縱向分辨率、橫向分辨率、異常解釋難度及抗干擾能力情況，溫納裝置相較于另兩種排列裝置在勘探第四系松散孔隙水勘查中效果更明顯，施倫貝謝爾（剖面）裝置在水庫壩體滲漏檢測應用中效果更明顯。

在正式開展高密度電阻率法工作之前，應根據工作目標、探測深度、目標體規模、施工效率、地形條件及地質條件等情況具體分析，先進行不同排列裝置的試驗，根據試驗結果對裝置類型及工作參數做出合理的選擇，從而實現勘探效果的最優化。

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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；

編輯：曹麗麗

基金項目：中國地質調查局項目“新安江流域地下水資源調查評價”（項目編號：DD20211571）；中國地質調查局項目“膠東北海岸帶與島礁綜合地質調查”（項目編號：DD20220604）

作者簡介：李子永（1991—），男，山東威海人，碩士研究生，主要從事地球物理勘探和數據處理工作；E-mail：790006874@qq.com