第二讲(高密度)

中国矿业大学刘志新[e-mail]2009－9第二讲高密度电法及其在工程与环境中的应用工程与环境地球物理勘探2009.9中国矿业大学§2高密度电法及其在工程与环境中的应用2009.9中国矿业大学§2高密度电法及其在工程与环境中的应用2009.9中国矿业大学高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法。野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的决速和自动采集，当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并得出关于地电断面分布的各种图示结果。高密度电阻率法是集测深和剖面法于一体的一种多装置、多极距的组合方法，它具有一次布极即可进行多装置数据采集以及通过求取比值参数而能突出异常信息的特点。§2高密度电法及其在工程与环境中的应用2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学高密度电阻率相对于常规电阻家法而言、它具有以下特点：①电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。②能有效的进行多种电极排列方式的扫描测量，团而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。③野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快，而且避免了由于手工操作所出现的错误。④可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可自动绘制和打印各种成果图件。⑤与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便。勘探能力显著提高。2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学关于阵列电探的思想早在70年代末期就有人开始考虑实施。英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电法的最初模式，80年代中期，日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集。只是由于整体设计的不完善性，这种设备没有充分发挥高密度电阻宰法的优越性。80年代后期，我国地矿部系统率先开展了高密度电阻率法及其应用技术研究，从理论与实际结合的角度，进一步探讨并完善了方法理论及有关技术问题、研制成了几种类型的仪器。近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝探测等众多工程勘察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效益。这一讲的主要内容是学习高密度方法原理、野外工作方法技术、资料解释及实际应用等方面。2.1高密度电阻率法概述2009.9中国矿业大学1)．高密度电阻率法的装置形式2.2高密度电阻率法的基本原理高密度电阻率法的电极排列原则上可以来用二极方式，即当依次对某一电极供电时，同时利用其余全部电极依改进行电位测量，然后将测量结果按需要转换成相应的电极排列方式。这虽然是一种很好的设计方案，但由于必须增设两个无穷远极、给实际工作带来很大不便。其次，当测量电极逐渐远离供电电极时，电位测量幅度变化较大、需经常改变电源．不利于自动测量方式的实现。因此，我们在方法设计中采用了三电位电极系。2009.9中国矿业大学三电位电极系是将温纳四极、隅极及微分装置按一定方式组合后所构成的一种统一测量系统。该系统在实际测量时，只须利用电极转换开关、便可将每四个相邻电极进行一次组合。从而在一个测点便可获得多种电极排列的测量参数。1)．高密度电阻率法的装置形式2009.9中国矿业大学施工过程为：先以固定间距x沿测线布置若干根电板，这些电极在整个测量过程中固定在原处不动；取a=nx(n=1，2，3，...)，对每一个取定的活动电极间距a，将两两相距为a的四根电极经电极转换开关连接到仪器上，通过电极转换开关换接电极，一次完成各种装置形式的电阻率测量(各装置形式的记录点均选在电极排列的中点)；一个测点的全部测量完成后，将整个电极排列向前移动一个x距离，然后进行下一测点的观测，这种过程重复进行，直到活动电极间距为a的整条剖面全部测完为止。活动电极间距为a=(n+1)x的剖面测量与此相同。2)．高密度电阻率法的测量过程2009.9中国矿业大学由于一条剖面地表测点总数是固定的，因此，当极距扩大时，反映不同勘探深度的测点数将依次减少。我们把三电位电极系的测量结果置干测点下方深度为a的点位上。于是，整条剖面的测量结果便可以表示成—种倒三角形的二维断面的电性分布2)．高密度电阻率法的测量过程2009.9中国矿业大学动态演示2)．高密度电阻率法的测量过程高密度电阻率法测点分布示意图2009.9中国矿业大学说明：①点距x的选择主要依据勘探的详细程度（1～10米）。nxa②最大电极距的大小，取决于预期勘探深度；隔离系数n一般不超过10。③无穷远极C要求CO＞（3～5）AO.2)．高密度电阻率法的测量过程2009.9中国矿业大学总电极数：测量层数：)31int(nlNN每层点数：iNni3每层序号：inlniN1)3(Ndot总测点数：2)．高密度电阻率法的测量过程2009.9中国矿业大学3)．视参数及特点对于活动电极间距的观测剖面，各装置形式的视电阻率公式，分别为：xna（1）视电阻率参数IUaIUaIUaIUaIUaBBsAAssssDDDDDprprprprprggbbaa443622009.9中国矿业大学各装置形式的视电阻率之间的关系为：（1）视电阻率参数)3(23)(21323121gaggabgbaarrrrrrrrrrrrsssssssssBsAss2009.9中国矿业大学（2）视比值参数)1()1(/)()()1,(iiiiiiBsAsBsAsrrrr反映了沿剖面水平方向的变化率。下图为表征比值参数λ在反映地电结构能力方面所作的模拟实验，视电阻率断面团只反映了基底的起伏变化，而λ比值值断面团却同时反映了起伏基岩中的低阻构造。高密度电阻率法的野外观测结果除了可以绘相应电极排列的视电阻率断面图外，根据需要还可以绘制两种视比值参数团。其中一类比值参数是以联合三极测深的观测结果为基础，其表达式可以写成：①λ参数2009.9中国矿业大学2009.9中国矿业大学②比值参数Ts：)()()(iiiTssSgbrrars另一类比值参数是直接利用三电位电极系的测量结果并将其加以组合而构成的，考虑到三电位电极系中三种视参数的分布规律，我们选择并设计了以偶极和微分两种电极排列的测量结果为基础的一类比值参数。由于这两种电极排列在同一地电体上所获视参数总是具有相反的变化规律，因此用该参数所绘的比值断面图，在反映地电结构的分布形态方面远较相应排列的视电阻率断面图要清晰和明确的多。2009.9中国矿业大学2009.9中国矿业大学1）、对电测仪器的一般要求（1）．灵敏度高、测量范围大（2）．抗干扰能力强（3）.输入阻抗高（4）．较高的稳定性2.3高密度电阻率法勘探仪器2009.9中国矿业大学2.3高密度电阻率法勘探仪器2009.9中国矿业大学2.3高密度电阻率法勘探仪器SuperStingR8Marine,水上高密度电法和激发极化法系统,可用于水上连续电阻率剖面测量高密度电法仪器高密度电法系统主机Meter电极开关Switches电缆Cable单通道SuperStingR1八通道SuperStingR8主机单通道,SuperStingR1八通道,SuperStingR8高密度电法仪器电极开关集中式开关箱(外接)CentralizedSwitchBox分布式主动开关DistributedActiveSwitch集中式Centralized分布式Distributed被动电缆PassiveCable连接主动电缆ActiveCable连接集中式开关箱(内置)CentralizedSwitchBox(BuiltinsideSuperStingR8)内置电极开关箱分布式与集中式电缆对比分布式集中式•开关分布在每个电极上•电缆芯数少、电缆细•抗干扰能力强•信噪比高•特别适合于做激发极化测量•电极开关集中在一个箱子中•制作简便、交货快•价格相对便宜•维护容易、经久耐用•电阻率测量的信号质量不亚于分布式电缆AGI电缆和电极分布式主动电缆(地面)被动电缆(地面)水上拖缆(必须用石墨电极供电)石墨电极(水下或井中)中间是不极化电极被动电缆(水下或井中)石墨电极(水下或井中)高密度电法仪器–集中式集中式开关箱(外接)集中式开关箱(内置)•由于电极开关被集中保护在一个箱子中，所以仪器故障少•制造工艺简单，所以交货快，价钱相对低•高质量电阻率数据•可以做激发极化测量高密度电法仪器–集中式•这是一套252极的集中式系统，它由三个84极的开关箱组成。BoosterBox=信号放大器高密度电法仪器–分布式•最适合于同时做电阻率和激发极化测量•数据质量高，信噪比高多电极系统-可以同时联结并控制几十甚至几百跟电极AGISuperSting可以同时联结并自动控制65536个电极。拟断面散点图地面上的电极电缆•单通道仪器•八通道仪器单通道与多通道对比多通道仪器比单通道仪器野外数据采集快很多(八)倍，但是最终得到的结果相同多通道系统-每一次供电，同时测量多个电位差每一次供电，AGISuperStingR8可以同时在八道上测量电位差。拟断面图Ir1r2r3r4r5r6r7r8V1V2V3V4V5V6V7V8可同时进行高精度电阻率和激发极化测量双模式分布式电极不锈钢电极用于供电不极化电极用于测量电位差单模式分布式电极2009.9中国矿业大学3）、电阻率法的主要装备除了测量仪器外，电阻率法的野外工作尚须如下设备：供电电源、供电电极、测量电极导线及线架等。2009.9中国矿业大学2.4野外工作方法技术1）测区的选择和测网的布设地球物理工作的测区一般是由地质任务确定的，测区选择所应遵循的原则大体上都是一样的。但是对主要应用于工程及环境地质调查中的高密度电法而言。按地质任务所给出的测区往往是非常限定的，我们只能在需要解决工程问题的有限范围内来选择测区和布设测网，可供选择的余地往往是很少的，这是一般工程物探经常遇到的情况。2009.9中国矿业大学2.4野外工作方法技术2009.9中国矿业大学2.4野外工作方法技术2009.9中国矿业大学2）装置形式及参数的选择（1）．装置的选择高密度电阻率法采用了三电位电极系，电极排列方式有：温纳四极排列；联合三极排列；偶极排列和微分排列。上述电报排列既可联合使用，也可根据需要单独使用，此外，当进行单孔或跨孔电阻率成像的数据采集时，二极法供收方式往往成为最经常使用的电极排。2.4野外工作方法技术2009.9中国矿业大学（2）极距的确定（3）测点的分布极距取决于地质对象的埋藏深度。高密度电阻率法的探测深度与电测深的探测深度理论上是一致的。在三电位电极系的极距设计为,其中为隔离系数，可以由1改变到15或更大，也可任选，为点距。xnaD.nxD高密度电阻率法由于地表电极总数是固定的，因此，随着隔离系数的增大，测点数便逐渐减少，当=1~5变化时，对于60根电极而言，一条剖面的测点总数可由下式计算：n151)360(nnN2.4野外工作方法技术2009.9中国矿业大学2.4野外工作方法技术2009.9中国矿业大学2.5高密度电阻率法的资料解释1）统计处理方法统计处理方法原则上适用于三电位电极系中各种电极排列的测量结果，只是在考虑视电阻率的参数图示时，由于偶极和微分两种排列形式的异常和地电体之间具有较复杂的对应关系．因此，一般只对温纳四极排列的测量结果进行统计处理。统计处理包含以下内容：（1）滑动平均；（2）计算统计参数：均值、方差；（3）计算电极调整系数；（4）视参数分级。2009.9中国矿业大学统计处理结果一般采用灰度图来表示，由于它表征了地电断面每一测点视电阻率的相对变化，因此该图在反映地电结构待征方面将具有更为直观和形象的特点。resistivitysection1）统计处理方法2009.9中国矿业大学（2）比值换算方法比值换算是想改善测量结果对地电结构的分辨能力