高密度电法

2009.9
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2. 1 高密度电阻率法概述
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。
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。
2)．高密度电阻率法的测量过程
动态演示
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高密度电阻率法测点分布示意图
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2)．高密度电阻率法的测量过程
说明：
① 点距x的选择主要依据勘探的详细程度（1～10米）。
② 最大电极距 anx
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.
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。
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② 比值参数Ts：
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。
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2)．高密度电阻率法的测量过程
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
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集中式开关箱 (内置)
集中式开关箱(外接)
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。
Booster Box = 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
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2. 4 野外工作方法技术
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2. 4 野外工作方法技术
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2. 4 野外工作方法技术 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。
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
• 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
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2)．高密度电阻率法的测量过程
总电极数： N
测量层数： nlint(N1) 3
每层序号： i
每层点数： ni N3i
nl
总测点数：Ndot (N3i) n1
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3)．视参数及特点
（1） 视电阻率参数
对于活动电极间距 anx的观测剖面，各装置形式
的视电阻率公式，分别为：
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。
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。
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2. 2 高密度电阻率法的基本原理 1)．高密度电阻率法的装置形式
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。
TS (i)
r
b
s
(i)
r
g
s
(i)
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。
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2. 3 高密度电阻率法勘探仪器 1）、对电测仪器的一般要求
工程与环境地球物理勘探
第二讲 高密度电法及其在工程与环境中的应用
刘志新
liuzhx@cumt.edu.cn 2009－9
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§2 高密度电法及其在工程与环境中的应用
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§2 高密度电法及其在工程与环境中的应用
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§2 高密度电法及其在工程与环境中的应用
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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
主机
单通道
SuperSting R1
八通道
SuperSting R8
单通道, SuperSting R1
八通道, SuperSting R8
高密度电法仪器
电极开关
集中式
Centralized
分布式
Distributed
r
g s
1 2
(3
r
a s
r
g s
)
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（2） 视比值参数
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：
① λ参数
(i,i1)rrssB A((ii))/rrssB A((ii 1 1))
系数的增大，测点数便逐渐减少，当 n=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：
15
N (603n) n1
200Leabharlann Baidu.9
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2. 4 野外工作方法技术
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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：
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2. 1 高密度电阻率法概述
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2. 1 高密度电阻率法概述
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2. 1 高密度电阻率法概述
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。
2. 1 高密度电阻率法概述 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 。
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。
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2. 1 高密度电阻率法概述
（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
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2. 3 高密度电阻率法勘探仪器
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2. 3 高密度电阻率法勘探仪器
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SuperSting R8 Marine, 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
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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。
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1)．高密度电阻率法的装置形式 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。
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2)．高密度电阻率法的测量过程
分布式与集中式电缆对比
分布式
• 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
集中式
• 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
连接 连接
被动电缆
Passive Cable
主动电缆
Active Cable
内置电极开关箱
集中式开关箱(外接) Centralized Switch Box
集中式开关箱(内置) Centralized Switch Box (Built inside SuperSting R8)
分布式主动开关 Distributed Active Switch
地面上的电极电缆
拟断面散点图
AGI SuperSting 可以同时联结并自动控制 65536 个电极。
单通道与多通道对比
• 单通道仪器
• 八通道仪器
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
I
V1 V2 V3 V4 V5 V6 V7 V8
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2. 4 野外工作方法技术 （2） 极距的确定
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 an.Dx,其中 n为隔离系数，可以由1改变到15或更大，也可 任选，Dx 为点距。
（3） 测点的分布
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
r1 r2 r3r4
r5r6r7r8
拟断面图
每一次供电，AGI SuperSting R8 可以同时在八道上测量电位差。
双模式分布式电极
不锈钢电极用于供电
可同时进行高精度电阻率和 激发极化测量
不极化电极用于测量电位差
单模式分布式电极
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。
r
a s
2pa
DU a I
r
b s
6pa
DU b I
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r
g s
3pa
DU g I
r
B s
4pa
DU I
B
r
A s
4pa
DU I
A
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（1） 视电阻率参数
各装置形式的视电阻率之间的关系为：
r
a s
1 2
(r
A s
r
B s
)
r
a s
r1 b
3s
r2 g
3s
r
b s
3
r
a s
2
r
g s