超高密度电法（共7篇）
超高密度电法 篇1
0 引言
为适应物探发展的需要,上世纪八十年代提出高密度电阻率法,并且在众多实践中取得了良好的应用[1,2,3,4,5,6]。随着计算技术的发展,数据的采集方式由原始的单通道采集发展至多通道采集,类似于地震方法中的数据采集方式,通过多通道覆盖得到满通道数据,提高已布好电极的使用率。由于更丰富的数据量,使获得的结果更加真实可靠。这种方法称为超高密度电法。
超高密度电法勘探反演系统采用全自动、自由组合的数据采集方式,使得同样电极数的情况下,采集的数据量超过常规方法的40倍以上,无须顾忌各种不同的数据采集装置的优缺点。同时,其多通道的工作模式能够同时采集n-3组V/I数据,其中n表示测线电极数,所以不会因为采集数据过大而影响采集速度[7]。因为与常规高密度电阻率法相比拥有诸多的优势,所以超高密度电法越来越多地被应用于各类工程勘察中,并取得了良好的效果[8,9,10,11,12,13]。
与传统方法相比,该方法有诸多优点:首先,不受传统采集技术的限制,采用多通道采集技术,所有电极可同时进行数据采集,能充分利用已布置好的电极,提高电极利用率;其次,不受固有采集模式的限制,可以结合多种数据采集方式,例如AM=NB时为α排列、AM=MN=NB时为温纳排列、AB=MN时为偶极排列等,在超高密度电法进行数据采集时,多种排列均出现,故不受固有模式的限制;最后,在没有过多影响采集速度的条件下得到更丰富的地下介质数据,从而获得更加真实的反演结果。
1 超高密度电法基本原理、观测方式
1.1 基本原理
超高密度电法是常规电法的改进形式,其基本原理同样是以岩、矿石的电性差异为基础,通过观测与研究人工建立的稳定电场分布规律来解决各类水文、环境和工程地质问题。
在视电阻率测量过程中,通过供电电极向地下半空间输入供电电流I,同时由观测电极记录在介质中产生的电位差△U,并且通过以下公式计算地下介质的视电阻率ρs:
式中:ρs为地下介质的视电阻率(Ω·m);ΔU为电位差(V);I是供电电流(A);K为电极系数(与A、B、M、N的排列及间距有关;对于固定的电极排列K为常数)。
在地球物理勘测中,根据计算所得视电阻率值,通过正演计算和反演成图,最终得到地下半空间环境的视电阻率反演示意图,从而判断可能存在的地下介质异常。
1.2 采集方式
超高密度电法的数据采集实际上是一种加密的列阵方法。其工作原理基于垂向直流电测深、电剖面和电阻率层析成像。
现场测量时,只需将全部电极布置于一定间隔的测点上,然后用多芯电缆将其连接到所有电极上,如图1所示,采用64电极为例,将排列的64电极分为奇数组(1、3、…、61、63)和偶数组(2、4、…、62、64),然后在两组电极中各选取一个作为供电电极,配对方式采用电极的奇偶配对,供电电极为AB,其变化规律为1-2,1-4,…,1-62,1-64;3-2,3-4,…,3-62,3-64;……;63-2,63-4,…,63-62,63-64。在一次测量过程中同时测量其他电极所能组成的MN电位差,就可以得到最多61个电位(MN1,MN2,…,MN61)数据信息。而奇数组32个电极和偶数组32个电极互相配对作为供电电极,即有32×32=1024次供断电过程,若在保证所有电极接触良好的条件下,每次供电可最多同时采集61个电位差数据,故总的数据量大约最多为32×32×61个。 常规高密度电法相同条件下仅仅能采集650个不同电压信号数据[14]。
2 超高密度电法对于模型的响应分析研究
一种典型的模型,如图2。
模型简述:模型为双层结构模型(如图2),地表为低阻、低极化覆盖层,深度为2m,电阻率ρ2=10Ω·m;覆盖层下方为一低阻、高极化正方体模型,边长为4m×4m,中心位置为(24m,6m),电阻率ρ1=5Ω·m;每行排列48根电极,数据层数为12层,模型背景电阻率ρ0=100Ω·m。
3 超高密度电法与常规高密度电法的对比
3.1 超高密度电法三极装置与常规三极装置对比分析
本节采用超高密度电法三极装置和常规三极AMN装置进行对比分析。
图3为模型的超高密度电法三极装置视电阻率反演示意图,图4为模型的三级AMN装置反演示意图。
对比图3、图4可以很清晰地看出,超高密度电法三极装置对于第二层正方形模块具有更明显的分辨能力。
3.2 超高密度电法四极装置与常规四极装置对比分析
本节使用超高密度电法中四极装置与常规高密度电法两种四极装置对比。
图5为模型超高密度电法四极装置数据采集方式视电阻率反演示意图,图6、图7分别为对比模型的偶极排列和施伦贝谢尔排列视电阻率反演示意图。
由图5可以看出,超高密度电法数据采集方式反演抗干扰能力较好;对比图5和图6、图7可知,不同采集装置采用所得到的视电阻率反演示意图因装置特点的不同也呈现出不同的探测效果。对于上层低阻覆盖层模型,各种装置虽有反映出来,但对其厚度不能准确给出;对于覆盖层下方低阻正方体模型,偶极排列虽能反映出很好的形态,但深度偏浅;施伦贝谢尔排列反映出的异常深度和形态均出入较大。而超高密度电法四极装置数据采集方式的视电阻率反演示意图能很好地反映模型的形态和位置,低阻覆盖层的厚度与模型吻合,正方体异常也能与模型对应,较好地反映出了地下的电性分布状况。
4 改进型的超高密度电法对于模型的响应分析
本节采用改进型的超高密度电法对模型的响应进行分析,采用三级装置和其他装置进行联合反演。
图8为AMN三极装置视电阻率反演示意图;图9为AMN三极装置与偶极偶极装置混合视电阻率反演示意图;图10为AMN三极装置与施伦贝谢尔装置混合视电阻率反演示意图;图11为AMN三极装置与偶极偶极、施伦贝谢尔装置混合视电阻率反演示意图。
在稍复杂模型异常条件下,由图8～图10可知,当在三极装置探测效果不理想的情况下,结合四极装置中单一排列进行联合反演,综合比较几种反演图,可提高解释的准确性,避免任意一种单一装置存在的缺陷;由图11可知,将多种排列的数据混合反演,效果要比单一排列更为准确。
结合以上所讨论的结果,可得出在物探反演解释时,选择较多不同装置的混合反演时,反演精度较高,有助于提高物探解释的准确性。改进型超高密度电法采用了不同装置采集的数据进行联合反演,能达到较准确的探测效果。
5 结论
通过实验对同一地电模型的模拟分析可以证明超高密度电法在目标体与围岩存在良好的电性差异时,在确定目标体的范围、深度以及不同岩性分界面方面具有比常规电法更高的探测精度。
除此之外,超高密度电法相比于常规的高密度电法还有诸多的优势。
首先,充分利用已布置好的电极,通过多通道数据采集得到满通道数据,增加数据量,提高电极利用率,最终提高实际工作效率。
其次,改进之后的超高密度电法可以将多种装置进行联合反演,相对于单一装置反演,可以有效避免数据畸变,提高地下介质地电信息的精确度,达到更好的探测效果。
但是在目前,与此方法配套的硬件软件均没有得到合理的开发,还不能大规模地应用于生产,尤其在软件方面,因为算法的限制,反演示意图并没有更好地模拟出真实的地下环境。以后的研究过程中需对此问题加以重视。
摘要：超高密度电法是建立在常规高密度电阻率法基础上的一种新型地球物理探测方法,其继承了高密度电法的诸多优势。首先在数据采集过程中使用多通道数据采集方式,充分利用已经布好的电极,除供电电极以外其他电极均可以进行数据采集,在此过程中缩短了因为进行单一数据采集而消耗的时间,并且增大了数据采集量,从而提高了工作效率;其次,改进型的超高密度电法可以进行多种装置采集所得到的数据联合反演,避免单一数据反演产生的结果畸变,从而提高了探测精度。本文首先介绍了此方法的基本原理、观测方式等;其次通过一个典型模型进行超高密度电法和常规高密度电法的对比分析,确认此方法在实验过程中明显提高了工作效率;此后,在进一步的分析过程中,使用改进型超高密度电法,将若干种装置采集得到的数据分别进行联合反演,还进行了多参数联合反演,取得了良好的应用效果。
关键词：超高密度电法,改进型,模型响应
超高密度电法 篇2
关键词：工程地质,超高密度直流电法,电阻率分布图,综合地质分析,边坡
随着高速公路建设向山区大规模发展,将遇到越来越多、越来越严峻的深路堑高边坡问题。一般情况下,边坡岩体的地质条件差异较大,尤其是易发生变形或失稳的边坡,其微单元的地质条件较为复杂,勘察设计阶段按现有规范要求无法完成详细的地质资料收集工作,由此造成实际工作中需要等到边坡开挖揭示地质隐患、甚至发生变形之后,才研究解决的方法,这时往往问题已经发生,必须付出更高的代价进行方案的变更;另外在已竣工的高速公路工程中,高边坡的稳定性问题依然突出,由于支护结构设计和施工环节均存在对诱发坡体变形的地质因素认识不足,导致有时在设计偏于保守的情况下大变形仍然发生,时刻威胁着高速公路的运营安全。本文在利用超高密度直流电法勘探反演系统获取更多的边坡地质信息方面做一些探讨。
1 超高密度直流电法勘探反演系统的理论及工作原理
1.1 超高密度直流电法勘探反演系统的理论原理
超高密度直流电法勘探反演系统的基本工作原理与高密度电阻率电法相同,都是以岩土的电性差异为基础的电探方法,通过对人工施加电场的作用下传导电流在岩土体中的分布规律,利用数值模拟方法,包括电阻率的正演与反演计算,最终得到电阻率分布图。
1)正演基本原理。假设一个可能的地电模型,根据给定的地质边界条件,求解以下偏微分方程:
式中:;、x、z为电场点坐标;、xc、zc为点电源坐标,δ为狄拉克函数。
2)反演基本原理。通过正演求出假定模型的电位分布后,求解与实际所测电位的差值后修改假定的地电模型再进行正演计算,直到两者的差值在可接受的范围内时认为该地电模型为实际的地电模型。其反演基本方程式如下:
式中:,m为电阻率数据;λ为平衡因子;d(m)为正演推算的电场数据;d0为实测电场数据;m0为反演初始模型电阻率数据;Wd和Wm为加权因子。
1.2 超高密度直流电法勘探反演系统组成
超高密度直流电法勘探反演系统由仪器主机箱、便携式计算机、电缆、电极、数据采集控制软件、数据处理和反演成像系统组成。该系统采用全自动化操作,在布设电极过程中,不需要因勘测的要求而选择不同的数据采集装置,系统准确检查电极连接效果,采集过程中,随时可以监控电流大小,以及数据的可靠性(数据受外界影响的情况),整个采集过程只需一人在几十分钟内完成。
与高密度电法勘探技术相比较,实现了数据采集的自动化和智能化,不需针对工区特点设置各种装置形式,打破常规数据采集模式,采用全组合形式对数据进行采集;采用多通道技术,能同时采集61组数据,采集数据量是高密度电法的几十倍,数据采集速度非常快,大大提高了工作效率;通过全波形动态显示能直观的实时监控数据质量;通过装置全组合方式采集数据,弥补了高密度电法数据采集的不全面性;利用其先进的2.5维电法反演软件(不是简单的二维),对全组合装置采集数据进行联合反演,使反演结果更接近实际情况。
2 工程实例
某高速公路边坡长度约142m,最大坡高45m,边坡共分五级。仪器采用由澳大利亚ZZResistivity Imaging研发中心最新研制成功的―Flash RES64多通道超高密度地表、井地、井井直流电法勘探系统的地表勘探方法。
2.1 工程地质条件
地形地貌:属于低山沟谷地貌,地形起伏较大,自然斜坡上缓下陡(25°~35°),坡顶平缓,植被发育。路线切削自然斜坡中前部通过,坡脚为V型沟谷,切至山梁顶部,小里程方向为1条走向为90°发育冲沟。
地层岩性及构造:丘陵表部分布残坡积的含角砾粉质粘土,黄褐色,可塑状,厚度约4m;下伏基岩为凝灰岩,岩体节理裂隙发育,风化强烈,具有差异风化的特点,全-强风化层厚度可达26.72m以上,岩体完整性差。结构面产状:315°∠50°,295°∠35°。浅部的残坡积的粉质粘土和全风化凝灰岩,为高液限土,可塑状,厚约6~9m。
水文条件:受大气降水影响比较明显,也与地表径流互相侧向补给,地下水位随季节及附近地表水体水位变化而变化。坡脚为小溪,常年流水,边坡两侧冲沟发育。地下水丰富,地下水位高。
2.2 数据反演成果
根据该边坡的现场条件共布置三条纵向测线,分别为K145+810剖面、K145+790剖面、K145+770剖面,电极间距采用3m,测线长度为186m,每个边坡所采集的数据经过数据检查系统检查后良好率达95%以上,远大于反演系统(75%)的要求,经过反演成像后形成以下电阻率分布图,如图1~3所示。
2.3 成果解释
1)K145+810剖面。横坐标0~60m范围内(坡脚至坡顶),表层存在一条低阻带,即图1中白色曲线以上,阻值0~1000Ω,覆盖厚度为4~8m,有地质资料得知该层岩体由高液限粘土层及坡残积土构成,在降雨条件下含水量较高使得电阻率值最低。在横坐标40~60m,纵坐标20~40m的范围内存在一个闭合低阻区域,阻值为-500~500Ω,两侧均为高阻区,推测该区域岩体结构破碎,易于水的聚集而形成低阻区域。白色曲线以下推测为基岩范围,阻值2500~8000Ω,以此推测白色曲线代表岩土分界面,且倾斜度与坡面坡率基本相同。横坐标60~170m,纵坐标10~30m范围形成一条低阻带,带宽平均约为6m,推测该区域岩土体结构破碎且孔隙较大,雨水易渗入并在此聚集。
2)K145+790剖面。与K145+810剖面类似,横坐标0~30m范围内(坡脚至四级平台),表层存在一条低阻带,阻值为0~500Ω,白色曲线以上为覆盖层,以下为基岩,基岩赋存范围较K145+810剖面大,白色曲线代表岩土分界面,倾斜度约为50°,横坐标90~120m,纵坐标10~28m范围内存在一个近似圆形的闭合低阻区域,位于冲沟以下,两侧地势较高,地下水在此聚集,在地下水的侵蚀作用下岩体风化较为强烈,考虑凝灰岩地区溶洞较易发育的特点,推测该区域有溶洞发育,横坐标130~170m,纵坐标20~40范围内存在两个闭合低阻区,推测该区域存在溶洞发育。
3)K145+770剖面。该剖面与前两个剖面类似,横坐标0~40m范围内(坡脚至坡顶),也存在一条低阻带,阻值0~1000Ω,白色曲线以上为覆盖层,以下为基岩,基岩赋存范围在三个剖面中最大,白色曲线代表的岩土分界面,倾斜度约为30°,横坐标90~180m范围内存在大小不一的闭合低阻区域,推测有溶洞发育。
2.4 成果应用
针对边坡而言,坡脚至坡顶范围内的岩土体构造及坡体内地下水是影响边坡稳定的关键因素,通过以上的分析,覆盖层的厚度可以得到确定,K145+810剖面中覆盖层厚度为2~4m,K145+790剖面及K145+770剖面覆盖层厚度为3~9m,设计采用的防护措施为坡脚设置挡墙,坡面设置系统锚杆及厚层基材,对于K145+810剖面,该防护措施可以起到良好的防护作用,但对于K145+790剖面及K145+770剖面,尤其对于K145+790剖面,由于覆盖层较厚易于积水且岩土分界面倾角较大,系统锚杆长度不足,且坡体没有相应的排水措施,在强降雨的情况下易发生滑塌。为此可将一、二级坡面改为锚杆框架,并在一级坡面中部设置排水管,可起到良好的防护作用。
3 结语
1)超高密度直流电法勘探反演系统能够很好的完成边坡地质勘查任务,特别对二元边坡的岩土分界面,具有很好的探测精度。
2)超高密度直流电法勘探反演系统集数据采集、数据分析、反演计算于一体,采用多通道、多电极数据采集方法,采集效率非常高,在边坡工程地质勘查中既便捷又经济,有良好的应用前景。
超高密度电法 篇3
在灰岩地区, 溶洞的探测常用的方法是直流电法勘探, 尤其是高密度电法的应用较多。在现代公路和铁路建设的岩土勘察工作中, 经常会碰到灰岩地质构造, 而灰岩中往往会有各种不规则的溶洞, 给地质勘察工作带来很大的困难。尤其是桥基或桩基下面的深层岩溶的探测, 更是工程物探中的一大难题。目前探测桥基或桩基下面深层岩溶常用的方法是逐桩钻探, 即在每个桩下面钻孔取岩芯来判断桩下面是否有溶洞, 但是由于钻孔数量与钻孔直径有限, 单独的钻探孔只能判断钻孔的有限区域是否有溶洞, 而对钻孔周围是否还有溶洞出现很难判断。如果钻探孔正好错过这类溶洞, 上部桩基坐落在上面就会存在很大的安全隐患。而地表高密度电法, 由于电极距离溶洞太远, 探测精度达不到要求。
对这种精度要求比较高的桥基或者桩基岩溶勘察问题, 超高密度电法井-井透视方法有着独特的优势。超高密度电法打破了常规电法勘探中数据采集方式的限制, 而采用自由无限制的任何四极的组合方式来采集数据, 正是基于此, 这种超高密度方法可采集到几十倍与常规电法数据采集方式采集不到的数据, 提高了勘探的精度。而它的井-井透视方法在溶洞的探测方面能做到对勘探剖面的CT透视, 从而能全面探明下部灰岩面深度和起伏、溶洞乃至溶洞群的连通状况。
2 基本原理
电法勘探探测溶洞是根据基岩与溶洞电阻率的差异来实现的。只要基岩与溶洞及溶洞中的填充物有电阻率上的差异, 就能用电法勘探探测到这种电阻率的差异从而间接探测溶洞位置及大小。这与所有的其他地球物理方法一样是间接探测, 而不象钻探是直接探测。但电法勘探可探测的范围却远远大于钻探方法。
超高密度电法井-井透视方法是在两个钻孔中分别放入两根电缆, 根据钻孔的深度, 可选择参与数据采集所需电极的数量, 布设井下电极阵, 进而观测跨孔间的电流、电压数据, 最后反演获得井井之间的电阻率分布断面图。这样不但可以探测两孔之间的电阻率异常体, 还可以探测钻孔下方一定范围 (3～5m) 内的异常。因为勘测电极距地下较深部的电阻率异常体较近, 就可以获取更多的电阻率信息, 提高勘测精度。
3 工程应用
3.1 桩基钻孔井-井透视探测溶洞
在花都文化艺术中心桩基工程用钻探孔探查溶洞时, 发现有较大溶洞, 由于对溶洞周围情况无法判断, 施工方沿钻探孔注浆也不见效果。于是我们应用超高密度电法井-井透视方法, 将两个电缆分别置于267号桩和268号桩的注浆孔内, 用FlashRes64系统采集了一组井井透视数据。然后经过对这一组数据的处理和反演后产生了一个两个孔之间的电阻率反演成果剖面图 (或电阻率分布图) 。再根据这个剖面图和一些已知的地质资料对这个剖面图做进一步地质解释。
从已知的地质状况, 钻探资料和初步数据处理后的结果, 我们知道在这一区域, 从电阻率分布的角度看, 主要分为两层。上层 (从0m至11m左右) 为低阻带, 阻值在0.1～120之间。这一层主要由含水的砂岩与淤泥组成, 所以电阻率较低。下层为高阻带, 阻值在400～1000之间。这一层主要是微风化灰岩, 所以电阻值较高。而溶洞就在这一层, 已充水, 半填充塑性粘性土, 电阻值较低。所以找溶洞的基本思路是在高阻阻区域找相对低阻异常。
如图1, 两钻探孔孔间距9.1m, 井下电极为267、268, 图中电阻率为180～200欧姆显示的等值曲线为基岩面。从电阻率剖面图中可以看出, 在267号桩地表以下21m深度, 存在低阻异常, 推断为一个溶洞A。在268号桩地表以下约15m处有一个低阻异常, 推断存在一个溶洞B。结合钻孔资料可知A和B两个溶洞均充水, 半填充塑性粘性土。两个溶洞不连通, 两孔间高阻部分为为微风化灰岩。
3.2 广州至乐昌高速公路北江特大桥桥基钻孔井-井透视探测溶洞群
为查明北江特大桥25号桥墩底部岩溶发育分布状况, 以确保桥墩的基础安全, 应用超高密度电法井-井透视的勘探方法, 解决了对桥基下溶洞群的勘探难题。
如图2, 在ZK4, ZK5, ZK9三个钻孔间布设了三个剖面L1, L2, L3。
根据以上电法勘探结果和其它有关地质资料综合分析, 我们对L1、L2和L3剖面得出以下推断:
异常区Y1和溶洞T3相通, 此区应是顶板很薄的充填溶洞区。溶洞T1和溶洞T2并不直接相连, 异常区Y2是T2溶洞的延伸, 而异常区Y2有可能和溶洞T1通过不大的裂隙相连。异常区Y3和Y4不相连, 但这两孔间的40～45m段为泥土或充填溶洞所占据。溶洞T1未向ZKB5孔方向延伸。T2向ZKB5孔方向仅延伸约6m左右, Y7是一个顶板很薄的充填溶洞。
4 结语
⑴超高密度井-井透射方法的主要优势在于可以探测钻探孔之间及下部一定范围内的岩溶发育状况, 并且其探测精度较高。
⑵结合详尽的地质资料及钻孔资料, 超高密度井-井透射方法在溶洞探测方面可以取得很好的勘查效果。
参考文献
[1]刘兴国.电法勘探原理与方法[M].北京:地质出版社, 2005.
[2]对黄杰, 钟韬, 马文德, 等。超高密度电法在追索破碎带中的应用[J].物探化探计算技术, 2009, 31, (6) 587-589.
试论高密度电法勘探技术的应用 篇4
1 高密度电法工作原理
高密度电法是工程物探有效方法之一, 由常规电法发展而来, 就其原理而言, 与常规电阻率法完全相同, 仍然以岩、土的电性差异为基础, 通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决矿产资源、环境和工程地质问题。当人工向地下加载直流电流时, 在地表利用相应仪器观测其电场分布, 研究在施加电场的作用下, 地层中传导电流的分布规律即视电阻率的分布规律, 根据不同部位电阻率的差异性来推断岩溶发育情况等。
高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异。和常规电阻率法一样, 它通过A、B电极向地下供电流I, 然后在M、N极间测量电位差ΔV, 从而可求得该点 (M、N之间) 的视电阻率值ρs=KΔV/I。根据实测的视电阻率剖面, 进行计算、分析, 便可获得地下地层中的电阻率分布情况, 从而可以划分地层, 判定异常等。
2 高密度电法的特点
高密度电阻率法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电测仪便可实现数据的快速和自动采集。当测量结果传送至电脑后, 对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种物理解释的结果。相对于常规电阻率法而言, 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。
(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 (大约每一测点需2~5s) , 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, 脱机处理后还可以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。
3 结果讨论
在某工程中对温纳剖面法、施伦贝尔测深法进行了比较分析。勘察路线约1km, 针对勘察路段的岩溶发育规律, 为了达到应有的勘察深度拟选用温纳剖面法、施伦贝尔测深法两种测量方法, 具体的参数相同, 电极间距为4m, 最大电极数60根, 最大隔离系数为10, 最小隔离系数为1。测线长度为236m, 理论勘察深度为40m, 符合勘察要求。
图1为温纳剖面法成果反演图像, 反演误差为43.9%, 迭代次数为7次, 反演结果可信度较低。
图2为施伦贝尔测深法成果反演图像, 反演误差为122%, 迭代次数为6次, 反演结果可信度非常低。而且两种的方法所得数据在反演时收敛极限几乎为零, 即反演已经到了极限步骤, 无法继续反演。根据该地段的岩溶发育规律可知, 发育较大溶洞的可能性较小, 溶洞内多为粘土充填, 所以在推断时应选择低阻区为可能存在溶洞的区域。
从图1中可以看出低阻区分布比较集中, 区域较大, 发育如此大的溶洞可能性较低, 所以反演的结果不能采用。
而图2中的图像, 杂乱无章毫无规律可言, 甚至出现不正常的现象, 如对称出现的高阻区。可以说施伦贝尔测深法在该地段的勘察基本失效。
为了证明接地条件较差时反演结果不理想, 把电极布设在土壤中, 用温纳剖面法测得一段数据, 如图3所示。所用电极总数为24, 最大隔离系数为7, 反演误差为9.4%, 迭代次数为10次, 而且在反演过程还未达到收敛极限。可以看出, 在接地条件较好时, 数据反演的结果也具有较高的可信度。
结语
根据高密度电法在实际工程中应用可以得到如下结论:
(1) 高密度电法勘探具有成本低、效率高、解译方便等特点。
(2) 在接地条件较差时, 温纳剖面法的测量效果远大施伦贝尔测深法, 实际运用时宜选择剖面法。
(3) 接地条件较差时所测得的数据在反演时误差较大, 可信度偏低, 解译时不可迷信反演结果。
参考文献
[1]刘晓东, 张虎生, 黄笑春等.高密度电法在宜春市岩溶地质调查中的应用[J].中国地质灾害与防治学报, 2002, 13 (1) :72-75.
[2]田玉昆, 刘怀山, 张晶等.高密度电法寻找地下水在即墨地区的应用[J].工程地球物理学报, 2008, 5 (6) :670-674.
[3]祁明星, 白军会.高密度电法勘察地下防空洞的效果[J].石油仪器, 2008, 22 (6) :56-59.
[4]江玉乐, 张楠, 周清强, 等.高密度电法在岩溶路基勘察中的应用[J].物探化探计算技术, 2007, 29 (6) :511-516.
[5]董浩斌, 王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘 (中国地质大学, 北京) , 2003, 10 (1) :171-176.
[6]郭秀军, 王兴泰.用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题[J].物探与化探, 2001, 25 (4) :306-315.
超高密度电法 篇5
灰岩区内的地质灾害发育主要是土洞和溶洞、溶蚀带。从地质资料可知, 土洞是发育在覆盖土层中, 要么是空的, 要么充填很松散的土, 电阻率偏高, 而土层的电阻率又普遍偏低, 因此, 土洞在等值线剖面中的反映是仅次于土层中的高阻异常;溶洞位于基岩面以下, 由溶蚀带逐渐溶蚀形成的, 多充填有水土, 从而电阻率偏低, 由于完整灰岩的电阻率普遍偏高, 因此在灰岩面下明显的封闭或半封闭低阻异常基本上是有充填溶洞的反映, 不能封闭的带状低阻异常则是溶蚀带的反映, 由于土洞、溶洞发育的位置、形状、大小都难有规律可循, 确定了利用高密度电法进行孔洞勘查。高密度电法获取信息量大, 分辨率高, 在岩溶地区地下岩溶分布空间定位中有许多成功的例子。
1高密度电阻率法概述
高密度电阻率法是近几十年发展起来的一种电法勘探新技术, 它在工程勘察领域得到了广泛的应用, 其基本原理与传统的电阻率法完全相同, 所不同的是高密度电法在观测中设置了较高密度的测点, 现场测量时, 只需将全部电极布置在一定间隔的测点上, 然后进行观测。在设计和技术实施上, 高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路, 使用的电极数量多, 而且电极之间可自由组合, 这样就可以提取更多的地电信息, 使电法勘探能像地震勘探一样使用覆盖式的测量方式, 图1为高密度电法工作系统示意图。与常规电法相比, 高密度电法具有以下优点: (1) 电极布设一次性完成, 减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差; (2) 能有效地进行多种电极排列方式的测量, 从而可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息; (3) 数据的采集和收录全部实现了自动化 (或半自动化) , 不仅采集速度快, 而也避免了由于人工操作所出现的误差和错误; (4) 可以实现资料的现场实时处理和脱机处理, 根据需要自动绘制和打印各种成果图件, 大大提高了电阻率法的智能化程度。由此可见, 高密度电阻率法是一种成本低、效率高、信息丰富、解释方便且勘探能力显著提高的电法勘探新方法, 流程见图1。
2高密度电阻率法探测及解译成果
根据勘察区内地形地貌以及已发生岩溶塌陷现状, 在工作区内布设高密度电法剖面线3条, 其中Ⅰ、Ⅱ号剖面线平行布设于勘察区内五线公路两侧, Ⅲ号剖面垂直布设于五线公路东侧。剖面线共60根电极, 电极间距为5-10m, 采用A-MN排列法进行探测。探测解译结果如下:
(1) 下图Ⅰ剖面线高密度电法测量的电阻率反演图 (见图2) , 该图为A-MN排列高密度电法探测的反演结果, 从图中可以看出, 在170m-185m之间, 距地表6m-13m之间出现电阻率低值区, 推测之下为溶洞或溶裂, 顶部第四系为5-10m。
根据本条高密度电法测量解译结果在电阻率异常区布设钻孔验证, 在地表下5-15m处出现两处溶洞 (见图3) 。
(2) 下图为Ⅱ号剖面高密度电法测量的电阻率反演图 (见图4) , 该图为A-MN排列高密度电法探测的反演结果, 在120m-150m之间, 距地表20m左右出现电阻率低值区, 推测之下为溶洞或断裂带, 顶部第四系为5-10m。
根据本条高密度电法测量解译结果在电阻率异常区布设钻孔验证, 在地表下18m处出现溶洞 (见图5) 。
(3) 下图Ⅲ剖面高密度电法测量的电阻率反演图 (见图6) , 该图为A-MN排列高密度电法探测的反演结果, 该条剖面电阻率变化均匀, 未出现电阻率异常区, 因此推断该区域地下灰岩较完整, 无地下溶洞活裂隙。根据该区域钻孔验证, 该区域灰岩较完整, 未发现溶洞、溶隙等。
根据本次高密度电阻率法探测的结果, 进行钻孔验证, 说明本次高密度电阻率法进行岩溶塌陷地质灾害勘察是成功的。
结语
高密度电法兼具剖面法和测深的功能, 具有点距小、数据采集密度大的特点, 能较直观、形象地反映断面电性异常体的形态、产状等。在灰岩分布区应用高密度电法, 了解第四系土洞发育、灰岩岩溶、断裂发育情况以及确定灰岩的分布情况, 能取得较好的地质效果。高密度电法断面结果反映的是灰岩与上覆第四系地层的平均电性反映, 当灰岩表面溶蚀发育而呈锯齿状时, 断面测量资料能反映灰岩面总体起伏状况。地形起伏地段的断面实测结果, 应进行二维地形校正, 以消除地形影响, 使测量断面与实际断面更接近。
探地雷达、浅震法也是岩溶勘察的有效物探方法。灰岩分布区, 地形、地质情况相对复杂, 各种物探方法都受一定条件限制, 如高密度电法要求接地条件较好并有一定的排列展布长度, 因此, 在城区等一些地形、地物条件相对复杂的地区进行岩溶物勘察时, 应进行综合物勘察, 利用不同方法对不同的地形、地物、地质条件适用性, 尽可能多的获取物探资料进行综合解释, 便能取得理想的勘察效果。本次探测表明高密度电阻率法用于勘察灰岩地区的岩溶塌陷地质灾害是可行的, 结合钻探资料及其它物探资料, 探测的准确度较高。由于高密度电阻率法所具备的优点, 使其能在灰岩区的勘探中起到重要的作用。因此建议在灰岩地区的地质灾害勘察中, 首先采用高密度电阻率法并辅以其他物探方法进行普查, 再做钻探, 必能起到事半功倍的效果。
摘要：高密度电法具有效率高、信息量大、直观、工作条件宽松等特点, 是近些年引入的物探方法, 广泛应用于灾害地质勘察中。在灰岩分布区应用高密度电法勘察第四系土洞、灰岩岩溶、断裂发育等, 能取得较好的地质效果。
关键词：地灾勘察,灰岩,高密度电法,土洞,岩溶
参考文献
[1]张旭升.大连市金州区钓鱼台岩溶塌陷地质灾害治理补充勘察报告[R].2005.
[2]王兴泰.高密度电阻率法及其应用技术研究[J].长春地质学院学报, 1991 (3) :341-344.
高密度电法在地热勘探中的应用 篇6
1 高密度电法工作原理和特点分析
高密度电法是目前发展相当迅速且应用范围广泛的物探方法, 是以岩土导电性差异为测定基础, 对人工施加电流场的前提下研究低下传导电流分布规律, 以此推断地下不同电阻率地质体的赋存情况的电探方法, 其基本工作原理与常规电阻率测定法相似, 通过A、B电极向地下提供稳定电流场I, 然后在M、N两个电极之间对电位差进行测量, 从而计算出M、N之间的电阻率值, 根据实测电阻率剖面进行演算, 从而获得地下岩层中分布的电阻率状态, 以此为依据对地层与异常地层进行区别划分。高密度电法测量系统如图1所示。
高密度电法的特点包括以下几个方面: (1) 可进行多种电极排序方式的扫描测量, 因此高密度电法所获得的带有地电断面结构特征的地质信息较为丰富全面; (2) 电极布设分多次完成, 不仅减少了电极装置设置所产生的干扰故障, 而且能为野外环境下快速准确的自动测量提供前提条件; (3) 采用自动或半自动化的方式进行野外数据采集, 采集效率高 (每个测点约需1~5秒) , 且能规避因手工操作产生的纰漏; (4) 高密度电法可对地质资料进行预处理, 并明确显示出剖面曲线图, 脱机操作后还能打印成各种图件, 并进行自动绘制; (5) 与常规电阻率法相比, 高密度电法成本低, 效率高, 对图件进行解释时也较为方便。
2 高密度电法装置和采集系统
主机、多路电极转换装置和电极系统是高密度电法采集系统的主要组成装置。其中, 多路电极转换装置通过电缆对电极系统各电极供电与测量状态进行控制, 主机则通过供电、通讯电缆实现对多路电极转换装置的指令发布, 并向电极供电, 并接收、储存测定的地质资料数据, 自动储存采集结果, 再通过通讯软件将原始采集数据发送到计算机终端, 计算机将数据转换为预处理软件所要求的格式, 经过软件处理模块对数据进行地形校正、畸形测点删除等预操作, 做出视电阻率等值线图, 根据视电阻率变化特点, 并结合地质调查资料和钻探资料对地质进行解释, 最后对物探成果解释图件进行绘制。随着科技发展, 高密度电法仪器功能日趋成熟, 主要表现在以下方面:采用硬盘对数据进行存储, 满足野外工作环境下长时间施工的要求;采用嵌入式工控机, 提升了系统的可靠性和稳定性;多种工作模式可实现自由转换, 计算机与测定仪器一体化, 携带便捷。
3 高密度电法在地热勘探中的应用———以某工区为例
3.1 地貌、地质概况
该工区地层为二叠系, 发育有西北→东南流向的河流, 山峰分布较多, 且四周分布大小各异的山间沟谷, 地势险峻, 局部地段有悬崖, 斜坡倾斜度在60°以上。工区位于断裂带, 岩石碎裂形成压型和压扭型断裂破碎带, 经勘探, 岩层岩性包括板岩、石英岩等, 部分区域岩层岩性为燕山期侵入花岗岩。
3.2 物探目的
物探工作的主要目的是寻找含水的断裂构造, 由于含水的断裂构造地质阻值表现较低, 在正式探查前, 为了对工区电性参数进行了解, 首先需进行电性参数测量, 具体数据如下:含水构造地带电阻率值为50~300Ω·m, 基层岩石电阻率值1000~10000Ω·m, 表层碎石层电阻率值为300~800Ω·m。结果表明含水构造地带电阻率值与基层完整岩石相比差异明显, 初步具备高密度电法物探的基础条件。
3.3 勘探方法
采集装置为分辨率和稳定性交好的温纳装置, 120个电极, 点距5m, 测线排列长600m, 最大供电电压值为360V, 滚动覆盖, 保证能满足100m的勘探深度和精度。采用瑞典res2dinv软件对采集的视电阻率原始数据进行预处理, 转换数据格式, 并进行地形校正, 将三种方法进行正演, 选择最优结果, 对图像进行反演迭代处理, 最终得到视电阻率色谱图。以异常体深度和产状二维地点断面图为依据, 实现对地质信息的合理解释, 通过数据转换, 剔除坏点, 采用内插值方法对发生畸形变化的数据进行处理, 对地形进行校正后可创建模型, 断裂层面在高密度电法图件中, 与基岩电阻率有明显差异, 但需要注意的是, 若断裂层出现两盘错动的复杂地质, 纵向上断裂层电阻率会相应延伸, 断裂层电阻率值会相应偏高或偏低。
3.4 侧线剖面成果图剖析
剖面图如图2所示, 其中有a、b两处明显异常, 其电阻率均呈现明显的横向变化, 且纵向有一定程度延伸, 根据本工区已知的地质资料, 断裂层倾向与a、b倾向存在一致性, 因此a、b两处可确定为断裂层。在a、b之间的低阻区, 距已知地热露点相近, 因此可推断出该低阻区为地热上涌, 岩石空隙得到充填而产生, 处于断裂层a、b以及中间区域即为地热上涌通道, 为勘探重点异常区域, 此外, 处于450m和320m下方的两处低阻区推断为地表水渗透所导致。
4 结束语
文章对利用高密度电法勘探地热能源的工作原理和实际应用进行了分析, 结果表明, 断裂层与基岩间存在明显的电阻率差异, 因此高密度电法对断裂层有确切的勘测效果, 通过掌握断裂层横向和纵向两端的形态分布, 推断出地热资源的分布区间。文章物探工作中采用120个电极对数据进行采集, 与常规电阻率法相比, 高密度电法所能勘探的断面更长, 深度更深, 且采集数据更为丰富全面, 在地热资源的勘探中有重要的应用价值。
参考文献
[1]秦国强.EH-4电磁测深法和高密度电法在地热勘查中的联合应用[J].河南科技, 2015, (3) :154-156.
[2]田玉杰, 高玉麟, 王胜, 等.综合电法在河北某地地热勘查中的应用[J].西部探矿工程, 2015, 27 (5) :97-98+102.
[3]孙晓春.高密度电法在地热勘探中的应用分析[J].黑龙江科技信息, 2014, (6) :63-63.
[4]黄笑春, 林日深, 于建军, 等.双频激电法在某地热勘查中的应用[J].工程地球物理学报, 2015, 12 (4) :455-458.
超高密度电法 篇7
1 高密度电法及其原理
高密度电法是对常规电阻率法的改进, 在工程测量中加大测点密度, 然后将所有电极布置在测点上进行观测, 以获得所需信息和数据。电极通常有数十甚至上百根, 且能够自由组合, 可进行覆盖式的测量。最终将所获数据输入计算机, 显示出所测对象的信息。其优势在于: (1) 电极是一次性布设, 可预防各种干扰, 有利于提高测量的精确度; (2) 电极数量多, 可提升测量信息的完整性; (3) 可进行自动化收集采录, 效率大幅提高, 且有利于减少失误率; (4) 可现场或脱机处理获得的资料数据。随着方法的不断完善, 在公路工程、桥梁建设等诸多领域都有广泛应用。
上世纪80年代, 物探技术有了新的发展, 在探测地下目标, 尤其是断层时, 因与周围介质的导电性有所不同, 根据静电场理论, 可以此为基础对地下物体进行勘探。这种集电剖面法和电测探法功能于一体的直流勘探方法就是高密度电法, 先布设电极, 然后通利用人工方式向地下加载直流电流, 通过对地下土体内部电场分布规律的探测与分析, 最终获得岩土状况, 为工程设计提供基础依据。具体而言, 即电极在测量系统软件的控制下自由组合, 形成不同的垂向测深点或探测断面, 按照系统探测装置类型合理排列电极, 并根据一定的顺序对探测断面和测深点进行探测。然后将测量数据输入计算机, 利用专业软件加以处理, 生成所需图像。
从当前状况来看, 三电位电级系数在高密度电法中应用较广, 温纳、温施、施龙贝格等方法较为常见。测量中使用这些方法, 只需通过电极转换开关, 就能完成每四个相邻电极之间的一次组合, 可在一个测点获得多种电极排列的测量参数。当通过供电电极向地下加载电流时, 利用相关仪器可测出地下土体电流I, 以及测量电极的电位差ΔV, 进而可用下面的公式表示所测土体的电阻率:
在上式中, ρ表示的是岩土的电阻率, I和ΔV分别表示所测电流以及电位差, K表示的是装置系数。
2 实例分析高密度电法在公路工程勘察中的应用
2.1 工程实例
某公路工程全长280Km, 经过途中A、B、C、D四处时, 需要修建桥梁。首要工作是获取地基的地层信息, 包括基岩埋深、分布、断层等信息, 共布置了6条高密度电法剖面。施工现场的地层出露以变质岩为主, 四处的剖面都位于河床内。A、B两地地层出露多为片麻岩和大理岩, 河滩上卵石、砂石广泛分布, B地河道有水, 而A地河道则无水。C、D地层出露多为老变质岩, 河床上的砾石和砂石偏于干燥疏松。
2.2 实际勘察
该工程采用DZD—4高密度电阻率仪, 主要组成部分包括电源、60路转换开关、电测仪、电缆线、阵列电极等。
(1) A地电测剖面:剖面长180m, 极距为2m, 从其电性测量中可知, 河中心东侧存在有一断裂层, 且为正断层。断层上盘电性比较均匀, 电阻率较低, 但在10m—20m处存在有一相对高阻区, 电阻率为1000—1500Ω·m, 可能为片麻岩透镜体, 上部为泥沙砾石层, 下部为片岩。断层下盘电性分为两层:上部电性极不均匀, 在10m—20m范围内有一高阻体存在, 可能为较完整的片麻岩, 地表为砂和卵石组成。下部电性比较均匀, 且电阻率相对要低, 约为500-1500Ω·m, 可能由片岩引起。可推断出, A地区的岩层过去极有可能出现过层间滑动, 形成了层间破碎带, 以至于上下部的电性各不一样。
(2) B地大桥电测剖面:剖面长150m, 极距为3m, 西部地层分为3层:上层是含水量丰富、10m厚的砂、卵石层;中层以风化基岩为主;下层位基岩。整个地层呈背斜状。其东面有基岩露出, 存在有一条大约20m宽的断裂带。
另一剖面长150m, 极距为3m, 地层同样分为3层:上层为砂石和卵石;中层以风化基岩为主;下层为基岩。整个地层呈小背斜状分布。
(3) C地电测剖面:剖面共长200m, 极距为5m, 从其电性成层测量结果来看, 上层的电阻率约为400Ω·m, 为砂石和卵石层, 电性呈不均匀分布;电阻率在300—400Ω·m时, 主要是砂和粘土;电阻率低于300Ω·m的是砾石层。结合该地状况, 气候较为干燥, 雨量较少, 河道上部干燥, 下部含水性较好, 可见下部的地层电阻率相对低些。
(4) D地电测剖面:剖面共长220m, 极距为5m, 其电性成层的分布于C地相似, 但厚度不同。电阻率超过500Ω·m时, 以碎砂、卵石层为主;在300—500Ω·m之间时, 含水量较少, 以砾石为主;电阻率低于300Ω·m时, 含水量丰富, 为完整的砾岩层。
2.3 结果分析
在此过程中, 为保证A、B、C、D四地的桥梁建设工作能够顺利进行, 采用高密度电法对其基岩状况进行了探测分析, 探测过程中发现了2条隐伏断层, 且断层特征在剖面上有较为明显的反映: (1) C地和D地的剖面处, 基岩产状较为平缓, 略微向东部倾斜。而西部基岩埋深较浅, 不超过8m, 东部埋深则至少为15m。 (2) B地大桥靠近河床的地层分为3层, 角砾、砂石厚度大约为10m。中间有一层风化基岩。基岩在河中心最深处在20m以上, 东部存在有断裂带, 破碎带最宽达20m。 (3) A地在河中心东侧也有断层存在, 断层西部的岩性极不均匀, 明显分为上下两层。断层东部为上升盘。 (4) A地断裂处在地表没有发现任何断裂特征, 如何判定其性质, 还需进一步验证。
3 注意事项
3.1 电极布设及接地电阻问题
受地形和地质条件影响, 电极的布设有一定难度。如在地表出露面积较大的地方极易破坏电极的完整性, 所以在设计时应尽量避免。若非要在出露的岩石上布设电极, 可用湿泥土堆成土包, 将电极插入。
3.2 排列装置选择和电极极距选择
排列装置直接影响到勘查结果, 十分重要。装置不同, 对探测目标的分辨率及探测深度也不一致。如温纳装置信号震荡良好, 异常幅值较小;微分装置的信号震荡出现最早, 异常幅值也最小。电极极距与探测精度密切相关, 应根据已有信息充分考虑后再设计。
4 结束语
勘察工作是公路工程建设的基础, 是施工方案设计的重要依据, 必须要确保勘察结果的真实性和准确性。随着勘探难度的增加, 传统方法的弊端日益显现, 因此应积极引进新技术, 如高密度电法, 值得推广应用。
参考文献