張文泰

(甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院)

超高密度電阻率法測(cè)得數(shù)據(jù)的地形改正

張文泰

(甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院)

超高密度電阻率法測(cè)得的視電阻率曲線因受地形影響容易發(fā)生畸變，當(dāng)?shù)匦螐?fù)雜時(shí)甚至?xí)谏w有意義的地電信息。提出了向轉(zhuǎn)換得到的RES2DINV格式數(shù)據(jù)中添加地形信息的方法，并結(jié)合實(shí)例將RES2DINV軟件的反演效果與超高密度電法系統(tǒng)自帶軟件的反演效果進(jìn)行了對(duì)比分析，并進(jìn)行了地質(zhì)推斷解釋，取得了較好的效果。

超高密度電阻率法 地形改正 地形信息 RES2DINV軟件

高密度電阻率法起源于20世紀(jì)70年代末期，英國(guó)學(xué)者所設(shè)計(jì)的電測(cè)深偏置系統(tǒng)實(shí)際上便為高密度電法的雛形，80年代中期，日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株式會(huì)社為適應(yīng)山地地形的需要借助電極轉(zhuǎn)換板實(shí)現(xiàn)了野外高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集[1]。超高密度電阻率法是對(duì)高密度電阻率法的改進(jìn)，其原理與常規(guī)電法完全相同。兩者存在的共同問(wèn)題在于，無(wú)法有效反應(yīng)出復(fù)雜地形下的真實(shí)異常信息，容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的推斷解釋，為此，通過(guò)對(duì)超高密度電阻率法的測(cè)量數(shù)據(jù)中加入了地形改正信息來(lái)提高數(shù)據(jù)的解譯精度。

1 高密度電阻率法與超高密度電阻率法

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是在常規(guī)電法的基礎(chǔ)上借助陣列思想發(fā)展起來(lái)的一種應(yīng)用廣泛的物探方法，集合了多種常規(guī)電法的跑極方式，在勘探實(shí)踐中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇合適的電極排列方式即裝置形式，進(jìn)行高密度的數(shù)據(jù)采集，使每次采集的數(shù)據(jù)足以形成1個(gè)視電阻率剖面。通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到較密集的地電信息，從而反映出地下地質(zhì)體。在設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)施上，高密度電測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)的自動(dòng)控制理論和大規(guī)模集成電路，使用的電極數(shù)量多，便于提取更多的地電信息，使電法勘探類似于地震勘探使用覆蓋式的測(cè)量方式。

與常規(guī)電法相比，高密度電法優(yōu)點(diǎn)有：①電極布設(shè)一次性完成，減少了因電極設(shè)置引起的干擾和由此帶來(lái)的測(cè)量誤差；②能有效地進(jìn)行多種電極排列方式的測(cè)量，可以獲得較豐富的關(guān)于地電結(jié)構(gòu)狀態(tài)的地質(zhì)信息；③數(shù)據(jù)的采集和收錄全部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化(或半自動(dòng)化)，不僅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出現(xiàn)的誤差和錯(cuò)誤；④可以實(shí)現(xiàn)資料的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理和脫機(jī)處理，根據(jù)需要自動(dòng)繪制和打印各種成果圖件，大大提高了電阻率法的智能化程度。該方法不足之處在于受裝置程式化模式限制，未能充分利用電極陣，采集數(shù)據(jù)信息非常有限，反演的精度也較低，很難滿足復(fù)雜地質(zhì)問(wèn)題的實(shí)際勘探要求[2]。為此，通過(guò)對(duì)高密度電法的測(cè)量數(shù)據(jù)中加入了地形信息進(jìn)行修正。

1.2 超高密度電阻率法

以巖礦石的電性差異為前提，通過(guò)觀測(cè)和研究人工建立穩(wěn)定電場(chǎng)的分布規(guī)律，采用專門的儀器設(shè)備，來(lái)觀測(cè)巖土體的電性變化，從而解決各種地質(zhì)問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)有：

(1)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化和智能化，無(wú)需針對(duì)工區(qū)特點(diǎn)設(shè)置各種裝置形式(雙極、WENNER模式等等)，打破常規(guī)的數(shù)據(jù)采集模式，采用全組合形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)采集61組數(shù)據(jù)。使得在同樣電極數(shù)的情況下，采集的數(shù)據(jù)量超過(guò)常規(guī)方式的10倍以上，且無(wú)須估計(jì)各種不同的數(shù)據(jù)采集方式和它們的優(yōu)缺點(diǎn)[3-4]。相對(duì)于高密度電法，超高密度電法數(shù)據(jù)采集密度更大，工作效率更高，同時(shí)彌補(bǔ)了高密度電法單裝置數(shù)據(jù)采集的不全面性。

(2)通過(guò)全波形動(dòng)態(tài)顯示能直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量。

(3)利用2.5維反演軟件，對(duì)全組合數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合反演，反演結(jié)果直接是真電阻率分布圖，使得解釋變得準(zhǔn)確、容易和直觀[5-8]。

超高密度電阻法數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括預(yù)處理和反演。預(yù)處理過(guò)程：①編輯視電阻率值，對(duì)突變點(diǎn)和噪聲引起的畸變數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除；②對(duì)由多個(gè)測(cè)量斷面組成的剖面進(jìn)行拼接；③將各電極所對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中；③對(duì)于地形起伏較大的剖面，將高程坐標(biāo)添加到數(shù)據(jù)文件中，以備反演處理時(shí)進(jìn)行地形校正處理。反演處理是指將野外采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)反演計(jì)算，轉(zhuǎn)換為深度-電阻率關(guān)系，以獲得地下地點(diǎn)斷面的特征。反演處理包括根據(jù)地質(zhì)調(diào)查資料家里初始的二維地電模型、選擇反演參數(shù)(阻尼系數(shù)、迭代次數(shù)、收斂極限)等，采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，查看反演結(jié)果，得到地下地電斷面，用于地質(zhì)解釋。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 RES2DINV軟件

RES2DINV是一款2D電阻率和IP反演軟件，除了通常的地表勘探外，該軟件還支持地下水和跨鉆孔勘探。該軟件支持帶有多達(dá)16 000個(gè)電極以及27 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的勘探測(cè)線，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多次改正，最大程度地削弱了地形影響。而以往的地形改正方法主要或大量應(yīng)用的是比值法或畸變張量法，或者在此方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。近年來(lái)，隨著電法勘探數(shù)據(jù)2D、3D模擬和解釋技術(shù)的發(fā)展，該類方法不能完全消除地形帶來(lái)的影響。

2.2 工程概況

為了對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)某工區(qū)中、新生代不同時(shí)期不同類型沉積層進(jìn)行劃分并研究第四紀(jì)含水層規(guī)律，設(shè)計(jì)布置了超高密度電阻率剖面測(cè)量，其勘探深度為0～100 m，100 m以淺垂向分辨率較高，預(yù)期可以揭示不同時(shí)期沉積層的分層情況。

2.3 實(shí)施步驟

2.3.1 加入地形數(shù)據(jù)

非標(biāo)準(zhǔn)排列電極布局有無(wú)限種可能性，采用了一種列出所有4個(gè)電極的位置的“普通排列數(shù)據(jù)格式”——必須給出測(cè)量中的x位置以及所有使用電極的高程。文件“MIXED.DAT”是這種格式數(shù)據(jù)文件的1個(gè)例子，該文件實(shí)際上是1個(gè)將Wenner-Schlumberger和dipole-dipole排列綜合起來(lái)的數(shù)據(jù)組。

在RES2DINV軟件中若無(wú)地形文件，則按水平地形計(jì)算，需要注意的是地形文件要求包含所有電極的記錄，這與電極標(biāo)準(zhǔn)排列不同。采用gawk語(yǔ)言及批處理命令添加地形信息，采用gawk中的字符串函數(shù)gsub，可以在整個(gè)文檔中匹配記錄，并采用替換字符串替換該類字符串，如果沒有指定目標(biāo)字符串便默認(rèn)使用整個(gè)記錄。函數(shù)gsub在字串 target 內(nèi)，尋找符合 regexp 的所有區(qū)域，以字串 replacement 代替所有的 regexp。將gawk.exe程序和超高密度“-1_IV_inv _res2dinv.dat”放在同1個(gè)文件夾，并將下面的代碼復(fù)制到文本文檔，1 069、1 070，…，1 083分別是1～64號(hào)電極的高程。將其另存為擴(kuò)展名為“.bat”文件。

set filename=超高密度-1_IV_inv _res2dinv.dat

gawk "{gsub(/ 0.00 0.00/,""" 0.00 1069""");print}" %filename% > 1.dat

gawk "{gsub(/ 10.00 0.00/,""" 10.00 1069""");print}" 1.dat > 2.dat

…

gawk "{gsub(/ 630.00 0.00/,""" 610.00 1083""");print}" 63.dat > 64.txt

del *.dat

rename 64.txt %filename%

2.3.2 利用自帶ZZRESINV軟件反演

雙擊“.bat”批處理文件，成功將各電極的高程添加到超高密度“-1_IV_inv_res2dinv.dat”數(shù)據(jù)組中。若需加入地形，則需先編輯“.inp”控制文件：

Topo data ---number of topo data---topo data in format: x,z

n

x1,z1

x2,z2

…

xn,zn

其中，“number of topo data”是地形校正點(diǎn)個(gè)數(shù)，無(wú)地形校正則為0。每個(gè)校正點(diǎn)的x,z占1行。第1個(gè)校正點(diǎn)的x必須為“.inp”控制文件中的xmin，最后1個(gè)校正點(diǎn)的x必須等于xmax。且各校正點(diǎn)的z值等于各點(diǎn)高程減去所有高程中的最小值。

插入軟件狗后，運(yùn)行ZZRESINV軟件，導(dǎo)入擴(kuò)展名為“.inp”的控制文件進(jìn)行反演計(jì)算。反演結(jié)束后會(huì)生成4個(gè)文件：“*_IV_inv.OUT”、“*_IV_inv.dat”、“*_IV_inv.grd”和“rmsd_check.txt”，其中“*_IV_inv.OUT”用來(lái)存放每次反演迭代的結(jié)果和校正量，“*_IV_inv.dat”存放電極位置數(shù)據(jù)，“*_IV_inv.grd”用以存放最新1次的反演迭代結(jié)果，“rmsd_check.txt”保存所有完成的反演計(jì)算的反演誤差收斂情況。未加地形的反演結(jié)果與添加地形后的反演結(jié)果見圖1。

圖1 ZZRESINV軟件反演結(jié)果對(duì)比

2.3.3 RES2DINV軟件反演

打開超高密度數(shù)據(jù)文件“-1_IV_inv_res2dinv.dat”，將第1行修改為實(shí)際排列名“超高密度-1”，第2行修改為電極距10，然后保存。通過(guò)程序主界面中的“Read data file”將帶有地形的數(shù)據(jù)文件超高密度“-1_IV_inv_res2dinv.dat”導(dǎo)入程序，在各參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行反演處理，點(diǎn)擊“Inversion”菜單，此時(shí)的反演結(jié)果未考慮地形因素。若無(wú)地形數(shù)據(jù)，此反演完成的圖件就是下一步進(jìn)行分析解釋的成果圖；若有地形文件，則需要進(jìn)一步加載地形數(shù)據(jù)，使用“Topography options”菜單選擇合適的地形走向方式，形成地形趨勢(shì)圖。地形數(shù)據(jù)加載完成后，點(diǎn)擊“Display”菜單顯示反演剖面窗口。點(diǎn)擊“Edit data”選擇“RMS error statistics”，選擇視電阻率誤差限，設(shè)置完畢后后退出“RMS Error Analysis Window”回到“Display Sections Window”，在此操作界面上可以顯示加載地形數(shù)據(jù)前后的反演圖像(見圖2)和電阻率反演模塊。

圖2 RES2DINV軟件反演結(jié)果對(duì)比

將ZZRESINV軟件反演結(jié)果(見圖1)和RES2DINV軟件反演結(jié)果(見圖2)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)二者反演得到的電阻率值相差不大，高阻和低阻體形態(tài)相似。但RES2DINV軟件的反演深度更大，對(duì)地質(zhì)體的反映更精細(xì)一些，總體來(lái)說(shuō)其成圖效果優(yōu)于ZZRESINV軟件。

2.3.4 定性解釋

區(qū)內(nèi)10～100 m深度的地表為沖湖積，其成分為砂、礫、泥質(zhì)粉砂和黏土等，110～620 m深度的地表為碳酸鹽巖夾碎屑巖。在280 m以下，存在一高角度的低阻線性結(jié)構(gòu)，而且呈現(xiàn)出高角度的線性梯度帶，在該梯度帶兩側(cè)的電阻率結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體性差異，這表明該處可能存在一逆沖斷層：0～280 m為下盤，280～640 m為上盤。需要注意的是，圖2(b)中存在一明顯的低阻體，西側(cè)300 m左右有一選礦廠，且有一面積約3 000 m2的礦化水池，高礦化度的水的電阻率非常低，其電阻率往往顯示出面團(tuán)狀特征、局部水平延伸等特征，這一切充分表明該低阻體極有可能為砂巖水。由于地下水層深度往往朝某個(gè)固定方向逐漸增加，這與圖2(b)中低阻體形態(tài)吻合得很好。結(jié)合已知巖石電阻率，區(qū)內(nèi)地質(zhì)解譯結(jié)果見圖3。

圖3 地質(zhì)解釋結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)地形起伏較大時(shí)，地形信息將導(dǎo)致視電阻率曲線嚴(yán)重畸變，歪曲、淹沒地質(zhì)體大小及位置信息，使得不能進(jìn)行正確的推斷解釋，降低了超高密度電法的勘探精度，甚至導(dǎo)致得出錯(cuò)誤結(jié)論。應(yīng)用RES2DINV軟件進(jìn)行地形改正，在一定程度上提高了電法勘探數(shù)據(jù)的解釋水平。但是在野外數(shù)據(jù)采集工作中務(wù)必記錄地形變化各點(diǎn)的(相對(duì))高程。

(2)注意搜集工區(qū)地質(zhì)信息，如果有必要可以進(jìn)行實(shí)地野外踏勘以觀察地層巖性，測(cè)量各巖性的電阻率值范圍，便于進(jìn)行地質(zhì)分層和地質(zhì)解釋。

(3)為了確保采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在野外施工時(shí)要確保電極接地良好，對(duì)低阻覆蓋造成的異?；儯枰Y(jié)合已知地質(zhì)信息(露頭、鉆探等)對(duì)推斷解釋成果進(jìn)行必要的校正。

(4)應(yīng)用結(jié)果表明RES2DINV軟件無(wú)論是反演深度、對(duì)地質(zhì)體的分辨率還是成圖效果均優(yōu)于ZZRESINV軟件，實(shí)用性較強(qiáng)。

[1] 王廣倉(cāng)，董延朋.高密度電阻率法數(shù)據(jù)的地形改正[J].地質(zhì)裝備，2008，9(3)：35-38.

[2] 熊 晉，王建松，廖小平，等.超高密度電法在山區(qū)公路滑坡勘探中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2013(8)：97-100.

[3] 戴前偉，邰曉勇，王鵬飛.超高密度電法的模型響應(yīng)對(duì)比分析研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2013，10(3)：383-388.

[4] 宋洪偉，張翼龍，夏 凡，等.超高密度電法和激電法在河北某地找水實(shí)例分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9(4)：1-4.

[5] 鮑世才.高密度電法在尾礦壩地基勘查中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2013(1)：53-54，60

[6] 熊 勇.高密度電法勘探中地形影響校正方法探討[J].人民長(zhǎng)江，2014，45(14)：47-48,55.

[7] 簡(jiǎn)興祥，王緒本，楊利容，等.高密度電阻率法地形影響校正[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2008，30(4)：304-308.

[8] 楊洪志，劉慶成，龔育齡.邊界單元法在高密度電阻率法二維地形改正中的應(yīng)用效果[J].物探與化探，2001，25(6)：457-459，479.

2014-10-11)

張文泰(1989—)，男，助理工程師，730000 甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)舊大路213號(hào)。