用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题

第25卷第4期物　探　与　化　探Vol.25,No.4 2001年8月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORA TION Aug.,2001用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题

郭秀军1,王兴泰2

(1.青岛海洋大学地学院,山东青岛　266003;　2.长春科技大学,吉林长春　130026)

摘要:通过大量的正演计算,重点阐明了利用高密度电阻率法进行洞室探测的前提、不同采集装置

异常形态特征及判别方式、对相邻洞体的分辨能力和提高洞室探测定量解释精度的方法,明确了

该项技术在洞室探测应用中的模糊点,提高了该项技术的应用效果。

关键词:高密度电阻率法;空洞探测;有限元正演计算;异常特征;比值参数

中图分类号:P631.3 文献标识码:A 文章编号:1000Ο8918(2001)04Ο0306Ο06

对防空洞、涵管、涵洞、溶洞、地下局部不明障碍物、动物洞穴等物理性质有别于周围介质的地下有形体的探测,在此都归纳为空洞探测。近年来,随着高密度电阻率应用技术的发展,空洞探测已经成为其应用的主要内容(特别在堤坝隐患探测中)并取得了良好的效果。但是在利用高密度电阻率法开展工作的过程中也出现了许多问题,例如某些情况下不能确定是否对目标体进行有效探测、某些情况下对探测目标体异常形态的认识各不相同、大多数情况下对洞体的量化解释精度不高等。在静电场理论的基础上,通过有限元正演计算手段给出了不同地电模型的异常分布情况,从而说明了产生这些问题的原因和解决方法。文中新提出的一些提高解释精度的数据处理方法在实际应用中也取得了良好的效果。

1　对空洞进行有效探测的前提

从物性差异的角度来说,高密度电阻率法的理论基础是静电场理论,是以探测目标体和周围介质存在明显的电性差异为探测前提的。也就是说如果在低阻背景中对空洞进行探测,空洞不能被水或其他低阻物质充填;而在高阻背景中对空洞进行探测,必须要求空洞被水或其他低阻物质充填,否则便不能进行有效探测。

从探测目标体的几何尺寸来说,洞径埋深比一直是人们评定是否对空洞进行有效探测的指标。在早期的电法研究中,许多学者从电场理论的角度,结合对计算电测深、电剖面曲线和实测曲线的分析,认为洞径埋深比为1∶1、最小为1∶2为有效探测的界限。近年来,随着勘探新技术手段的出现、电测仪器测量精度及数据解释水平的提高和应用范围的扩大,人们对电法勘探能力的要求越来越高。

图1、图2为不同地层背景下,对不同尺寸的高阻洞进行正演模拟得到的视电阻率剖面。为计算方便,设定1个电极间距为1m。

图1中地电模型按60×16网格构制,高阻洞和周围介质电阻率充填值分别为498Ω・m 和98Ω・m。从图中可以看到2种情况下洞体的异常分布形态基本相同。

图2中地电模型按60×16网格构制,背景电阻率充填值1～4层为98Ω・m,5～12层为收稿日期:2000Ο10Ο23

图1　均匀低阻介质中洞径埋深比不同的高阻洞模型及正演模拟计算视电阻率剖面

a —洞径埋深比1∶3;

b —洞径埋深比1∶

6

图2　复杂地电背景中不同洞径埋深比的高阻洞模型及正演模拟计算视电阻率剖面

a —模型尺寸7×7,洞径埋深比7∶6;

b —模型尺寸7×5,洞径埋深比7∶6;

c —模型尺寸8×8,洞径埋深比8∶5;

d —模型尺寸2×2,洞径埋深比2∶6

198Ω・m ,13～16层为398Ω・m ;高阻空洞的电阻率充填值为980Ω・m ,在二极采集方式下正演计算得到视电阻率断面。从图中可以看出即使洞径埋深比很大,视电阻率剖面对空洞的反映能力也不够明显。这种情况下,需要采取一定的数据处理手段消除原始地层的地电影响。

对比图1、图2中不同情况下的视电阻率剖面可以得到如下结论:如果空洞的赋存介质均匀,采集装置选用得当,即使洞径埋深比很小也可以得到良好的有效视电阻率剖面;如果空洞所赋存地层的地电结构比较复杂,即使空洞的洞径埋深比很大,测得的视电阻率剖面也不能对空洞的分布状况进行有效反映。

2　野外采集装置的合理设置是保证空洞探测效果的重要因素

高密度电阻率法的野外数据采集是通过阵列电极装置形式来实现的。电极排列的长度和电极间距的大小直接影响采集数据剖面对洞室的反映能力。我们知道电极间距越小对目标体的探测精度越高,但是如果电极数固定不变,随着电极间距的减小,排列长度也相应减小,从而・

703・4期郭秀军等:用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题

减小了剖面的探测深度,也影响了对埋深较大的空洞的探测能力。因此野外探测时,要先收集相关资料,对空洞的尺寸大小和分布深度有大致了解,然后设计合理的数据采集排列使探测目标体落在排列探测区域的有效范围内。

图3　探查区域示意

图3为测线长度、探测深度、探测剖面数据分

布区和探测有效区域之间的关系示意。从图中可

以看到设计探查深度D 约为探查目标体深度的

1.5倍。如果现场条件允许,2倍为最佳。在测线

两端的区域,采集数据和进行分析的精确度降低,

测线的总长应为探测区域的分布长度l 加上两侧

各D /2的长度。虽然高密度电阻率探测结果具有体积效应,但是剖面分析的分辨率仍和最小电极间距相当。从这一点考虑,最小电极间距一般应为探查深度的1/10～1/15。如果电极间距小于探查深度的1/15,测得的结果中就包含一些不稳定随机因素,同时也容易产生“伪像”。

3　对不同采集装置形成视电阻率剖面异常形态的认识

由于利用不同采集装置测量时,供电点和测量点的相对位置不同,测得电位值和计算视电阻率值也不相同,对空洞的反映能力也不同,表现在视电阻率剖面图上为相同空洞的异常形态各不相同,我们利用有限元法正演模拟了用不同采集装置对相同空洞探测时所得视电阻率剖面的异常形态,并确定了应用于洞室探测的最佳采集装置。利用不同装置对均匀介质中高阻空洞进行探测,所得视电阻率剖面见图4

。

图4　不同电极装置形式下高阻洞的计算视电阻率剖面

a —地电模型;

b —温纳装置;

c —施龙贝尔装置;

d —DP 方式;

e —DP ΟP 方式;

f —二极装置

从图中可以看到对相同地电模型不同装置测得的视电阻率剖面图各不相同。无论从异常形态还是勘探深度来看,二极装置对空洞的反映能力较强;三极装置对确定空洞的分布位置比较明显;温纳装置和施龙贝格装置对空洞的反映能力较弱;但所有装置形式对空洞分布形态和尺寸的准确判定都比较困难,要利用其他资料进行综合分析。另外从其他资料中我们了解到偶极装置对空洞的反映能力也较强。

低阻洞体的情况和高阻洞体类似,只是视电阻率值的大小有差别。

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