高密度电阻率法

2．3．8　高密度电阻率法

高密度电阻率法测量实际上是一种分布式阵列勘探方法。野外测量时将几十至上百根电极置于测点上，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快速和自动采集，一般由分布式三维高密度电阻率成像系统主机、分布式开关适配器、分布式开关电缆及电极等构成。当将测量结果传输至微机后，还可以对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。

高密度电阻率法勘探技术的运用与发展，使电法勘探的智能化程度大大向前迈进了一步。相对于常规电阻率法而言，它具有以下优点:电极布设一次完成，可减少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;能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。该方法具有存储量大、测量准确快速、操作方便等特点，可广泛应用于能源勘探与城市物探、铁道与桥梁勘探、金属与非金属矿产资源勘探等方面，亦可用于寻找地下水、确定水库坝基和防洪大堤隐患位置等水文、工程地质勘探中，除此以外，还能在地热勘探等领域发挥重要作用。

下文将分别讲述二维高密度电阻率法和三维高密度电阻率法的测量工作原理。

1.二维高密度电阻率法

高密度电阻率法本质上仍属直流电阻率法，其基本原理与直流电阻率法相同，不同的是它的装置是一种组合式剖面装置。其测量方式包括固定断面扫描测量和变断面连续滚动扫描测量。根据电极排列方式不同，可分为18种测量装置，包括:α排列、β排列、γ排列、δA排列、δB排列、α2排列、自电M排列、自电MN排列、充电M排列、充电MN排列等适用于固定断面扫描测量;A-M、A-MN、AB-M、AB-MN、MN-B、A-MN、A-MN-B、跨孔等电极排列适用于变断面连续滚动扫描测量。分别介绍如下:

(1)固定断面扫描测量:该测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量，启动一次测量最少测一条剖面线，存储与显示时亦以剖面线为单位进行。一个断面由若干条剖面线组成，且每条剖面线有唯一编号，称为剖面号。

对于α排列(温纳装置AMNB，见图2-17(a))，测量某一剖面N时，AMNB相邻电极保持极距a，每测量完一点向前移动一个基本点距x，直至B极为最后一个电极止，剖面上的测点数随剖面号增大而减少，其断面上测点呈倒梯形分布。

对于β排列(偶极装置ABMN，见图2-17(b))测量，AB=BM=MN为一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线;接着AB、BM、MN增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

对于γ排列(微分装置AMBN，见图2-17(c))测量，AM=MB=BN为一个电极间距，A、M、B、N逐点同时向右移动，得到第一条剖面线;接着AM、MB、BN增大一个电极间距，A、B、M、N逐点同时向右移动，得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去，得到倒梯形断面。

图2-17　固定断面扫描测量断面测点示意图

(2)变断面连续滚动扫描测量:该测量方法在测量时以滚动线为单位进行测量，启动一次测量最少测一条滚动线，存储与显示时则仍以剖面线为单位进行。滚动线是一条沿深度方向的直线或斜线(不可视线)，各测点等距分布其上，所有滚动线上相同测点号的测点构成一条剖面，不同深度的测点位于不同剖面上，一条滚动线上的测点数等于断面的剖面数。一个断面由若干条滚动线组成，且每条滚动线有唯一编号，称为滚动号。测量一条滚动线的过程称为单次滚动，即在保持供电电极与某个电极接通不动的情况下沿测线方向(电极号由小到大)移动测量电极，测量电极与供电电极间距起始为一个基本点距，测量并存储当前点电阻率后便移动一次测量电极，每次移动一个基本点距，重复上述测量移动过程直至测量点数等于剖面数为止。

A-M二极排列(图2-18(a))测量时，A不动，M逐点向右移动，得到一条滚动线;接着A、M同时向右移动一个电极，A不动，M逐点向右移动，得到另一条滚动线;这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。

A-MN三极排列(图2-18(b))测量时，A不动，M、N逐点向右同时移动，得到一条滚动线;接着A、M、N同时向右移动一个电极，A不动，M、N逐点向右同时移动，得到另一条滚动线;这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。

AB-M三极排列(图2-18(c))测量时，A、B不动，M逐点向右移动，得到一条滚动线;接着A、B、M同时向右移动一个电极，A、B不动，M逐点向右移动，得到另一条滚动线;这样不断滚动测量下去，得到平行四边形断面。

图2-18　变断面连续滚动扫描测量断面测点示意图

2.三维高密度电法

对于一个有限的立体空间，它可以沿水平面和X、Y轴方向的铅垂面被分割为众多的矩形短柱体，在每个矩形短柱体中选择合适的一点近似为整个小柱体的电阻率，然后由这些众多的柱体就组合成为该立体的三维模型。高密度3D测量是由高密度2D测量衍生而来的，所不同的是，二维测量是把一个大的断面分割成不同的小的面，由小的面上的点测量近似而成，而三维测量在二维的基础上把这些点沿不同的方向平面近似组合而成(即以柱体方式)，但它又不仅仅是二维的简单组合，其增加了一些数据方面的处理，这些处理都在反演软件中进行，使得反演模型更加接近实际。高密度3D按照蛇形布线方式把电极布成矩阵，地面的相邻的四个电极位置作为小柱体在地面的角点，即柱体的长度、宽度都等于单位电极距。这样，采用不同的电极组合方式就可以将这些不同深度小柱体的电阻率一一测量，通过反演软件形成该测量范围的地下半空间模型。

三维高密度电法观测一般一次将整个测区或测区的一部分区域的所有电极全部打上，电极在观测区域上呈网格节点状分布，由仪器按照规定的排列方式自动选取相应位置的电极完成各种极距排列在各个方位的电阻率数据采集。仪器电缆及电极的布设方式如图2-19所示。

电极在电缆上的编号及电极在矩阵中坐标的定义见图2-20所示。

三维高密度电法可使用的电极排列方式一般为:单极-单极、单极-偶极、偶极-偶极等。

图2-19　三维高密度电法电缆及电极排列示意图

图2-20　三维高密度电法5×5矩阵电缆电极编号及电极坐标定义

分述如下:

①三维单极-单极(二极)排列:三维高密度电法勘探中使用的是单极-单极排列，其视电阻率计算公式为:

式中V、I分别为观测的电位、电流值;a为供电电极A与观测电极M之间的距离。

三维高密度电法数据的完全测量要求观测各个极距沿所有可能方位的数据。以图2-21中5×5矩阵为例，图中1～25为矩阵各点序号(与仪器中的滚动号一一对应)，需要区别的是它与分布式开关电缆上的电极编号不完全一致。根据互换原理，只需对图中序号大于供电电极的测量电极进行测量即可。

图2-21　三维高密度电法单极-单极排列示意图

②三维单极-偶极(三极)排列:单极-偶极排列是一种不对称排列(见图2-22)，测量得到的视电阻率异常也是不对称的。其视电阻率计算公式为:

式中V、I分别为观测的电位、电流值;a为观测电极M、N之间的距离;n为隔离系数，等于A、M电极距与M、N电极距之比。

图2-22　三维高密度电法单极－偶极排列示意图

单极-偶极排列相比单极-单极排列更适合于在中大型(不小于12×12根电极)三维电法测量，由于它的两个测量电极都位于测区范围之内，压制地电噪声的能力优于单极-单极排列，同时它所观测到的信号强度也高于偶极-偶极排列。由于观测电极M、N之间的电位差与系数n的平方成反比，当n的数值较大时，观测值的信噪比将急剧下降。为了增大信号强度，可以采用图2-22(b)的方式，扩大观测电极距。或者在n数值较小、信噪比较高时，采用M、N间隔等于1a的测量方式，当n增大至观测值不稳、信噪比很低时，改用M、N间隔等于2a的测量方式。这样可以增加数据密度，改善反演结果的精度。

③三维偶极-偶极(四极):此排列方式仅在电极网格节点数大于12×12、旁侧地形较差、影响电极布设时采用，电极排列见图2-23所示，其视电阻率计算公式为:

式中a为观测电极P1、P2之间的距离;V、I分别为观测的电位、电流值;n为隔离系数，等于B、M电极距与M、N电极距之比。

图2-23　三维高密度电法偶极-偶极排列示意图

偶极-偶极排列的优点是具有极高的水平分辨率，但由于观测电极M、N上的电位差与隔离系数n的立方成反比，因此当n增大时，观测信号强度衰减很快。