李忠平,王曉華

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局 山東正元地質(zhì)勘查院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

高分辨率地質(zhì)礦產(chǎn)三維勘探是電法發(fā)展的方向，高分辨率電法三維觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集和三維反演的實(shí)現(xiàn)是測(cè)量區(qū)域電阻率三維精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)的關(guān)鍵。目前，電阻率測(cè)深的三維觀測(cè)方法是研究的一個(gè)重要方面。它不僅與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的效率和成本有關(guān)，而且與數(shù)據(jù)的分辨率和反演有關(guān)。

現(xiàn)有資料表明，常用電阻率的三維反演只能滿足淺層三維勘探的要求，主要用于淺層水文、工程和環(huán)境勘探。Loke提出了一種簡(jiǎn)單的三維觀測(cè)模式，當(dāng)分辨率不受影響時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)減少三分之一，可減少現(xiàn)場(chǎng)的工作量，也減少了計(jì)算量，應(yīng)用前景較好。從滿足地質(zhì)深部勘探來(lái)看，常用三維勘探難以滿足深度的要求。前人多是基于高密度電阻率法二維勘探數(shù)據(jù)開(kāi)展的淺部三維反演。在這種情況下，使用大極距電測(cè)深數(shù)據(jù)的3D反演更為實(shí)際，因?yàn)槠矫嫔隙鄠€(gè)等距或不等距測(cè)量的電測(cè)深數(shù)據(jù)是三維的，并且其現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)易于實(shí)現(xiàn)，包括可以重復(fù)使用的大量現(xiàn)有電法探測(cè)數(shù)據(jù)[1-11]。

3DRES用于處理三維電阻率成像測(cè)量，是基于測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)形成三維電阻率模型。 在這種類型的測(cè)量中，電極布置成矩形網(wǎng)格。 需要強(qiáng)調(diào)的是，三維電阻率成像測(cè)量并不是一系列二維數(shù)據(jù)疊加，而是一種成熟的三維反演方法，具有自身的應(yīng)用特征。在實(shí)踐中經(jīng)常使用的三維電極布置，例如單極—單極、單極—偶極和偶極—偶極，由于有效數(shù)據(jù)的覆蓋范圍有限，很少使用其他排列。當(dāng)計(jì)算機(jī)具有1.5 GB的RAM時(shí)，該程序支持最多77×77(或5 929)個(gè)電極點(diǎn)的網(wǎng)格[12-14]。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)采用簡(jiǎn)單的2D方法(或1D電測(cè)深)效果不好時(shí)，使用常規(guī)2D電阻率儀和十字—對(duì)角線觀測(cè)技術(shù)進(jìn)行3D測(cè)量，或使用支持多重并行電纜線的儀器和多次覆蓋技術(shù)將2D測(cè)量可轉(zhuǎn)換為3D測(cè)量，均可獲得明顯的淺部三維反演模型[15-19]。

本次使用直流2D電阻率儀、大網(wǎng)度電測(cè)深剖面組建三維電阻率數(shù)據(jù)體，電極排列為對(duì)稱四極裝置，使用有限差分進(jìn)行了三維反演。該觀測(cè)方法增大了探測(cè)深度，降低了成本，有效反映了基巖面的空間特征，為鉆孔布設(shè)提供了詳細(xì)資料。這種常用電測(cè)深剖面由于是人工布設(shè)電極，接地條件可以人為控制。而采用繼電器吸合開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制布設(shè)電極的高密度電法布極方式，由于受接地條件的影響，存在繼電器無(wú)法吸合的情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)畸變，影響質(zhì)量，并增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量，工作精度降低。

采用基于二維測(cè)深電極排列方式的三維數(shù)據(jù)格式無(wú)需遵循高密度電法溫納或等距四極排列的要求，只要電極的相對(duì)位置或坐標(biāo)確定，就可以組成三維電極排列數(shù)據(jù)格式用于三維反演，電測(cè)深剖面可以等距或不等距排列。只是電測(cè)深剖面測(cè)點(diǎn)不可過(guò)于稀疏，這樣會(huì)增大三維反演地質(zhì)體邊界誤差，增加反演耗時(shí)。下面以山東某地的城市地質(zhì)調(diào)查為例進(jìn)行介紹。

1 二維測(cè)深剖面布設(shè)方式

如圖1所示，布設(shè)對(duì)稱四極電測(cè)深剖面5條，編號(hào)為0、1、2、3、4，剖面間距均為100 m，測(cè)深點(diǎn)距50 m，剖面方位均為0°，點(diǎn)號(hào)為0、1、2、…、10，剖面長(zhǎng)度為500 m，最小AB距=50 m，最大AB距=1 000 m。

圖1 二維測(cè)深剖面布置Fig.1 2D sounding profile layout

2 平面電極點(diǎn)位構(gòu)建

在有關(guān)電阻率成像測(cè)量教程中提到，三維電極排列網(wǎng)格包括不同方位單極—單極測(cè)量、2D平行測(cè)線測(cè)量、折線網(wǎng)格測(cè)量、不同方位測(cè)線測(cè)量。本次實(shí)驗(yàn)為基于二維測(cè)深的平行測(cè)線測(cè)量(圖2)。

圖2 平面電極點(diǎn)位分布Fig.2 Distribution of plane electrode point

二維測(cè)深以對(duì)稱四極測(cè)深等比排列AB、MN為依據(jù)。測(cè)區(qū)電測(cè)深A(yù)B、MN極距關(guān)系如下：AB/2分別取25,37.5,50,62.5,75,100,125,175,225,300,375,500；MN/2分別取5,7.5,10,12.5,15,20,25,35,45,60,75,100。依此，各剖面電測(cè)深點(diǎn)對(duì)應(yīng)A、B、M、N電極位置設(shè)置為：以0號(hào)剖面起始測(cè)深點(diǎn)0號(hào)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)，以剖面間距(100 m)為橫坐標(biāo)，以每個(gè)測(cè)深點(diǎn)對(duì)應(yīng)A、B、M、N電極位置為縱坐標(biāo)，建立所有電極點(diǎn)位與電阻率、高程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 三維反演數(shù)據(jù)格式

由平面電極電位及測(cè)網(wǎng)間距，結(jié)合三維反演程序要求，得出三維反演數(shù)據(jù)格式：

1 BLOCK

10 469

Nonuniform grid

x-location of grid-lines

0 100 200……900

y-location of grid-lines

0 100 120 200 220280 300 320 330 370 380 400……1700 1720 1780 1800 1880 1900 2000

7

1650

0 490 0 510 0498 0 502 11

0 486 0 514 0 497.20 502.8 20.29

0 4800 520 0 496 0 504 26.2

……………………………………………………

Topography

2

26.9 27 27.1………………………27.3

0

0

0

0

0

4 測(cè)區(qū)地質(zhì)概況及電性特征

該區(qū)域的深部閃長(zhǎng)巖具有最高的電阻率值，平均值為665 Ω·m，最大值達(dá)1 280 Ω·m，奧陶系馬家溝組五陽(yáng)山段灰?guī)r電阻率平均值為45 Ω·m，二者均呈相對(duì)中高阻特征，第四系電阻率值最低，平均值為20 Ω·m。因此，該區(qū)域基巖的特征是有相對(duì)中高阻值的異常。通常隨著基巖風(fēng)化程度的不同其電阻率值有不同的變化，強(qiáng)風(fēng)化和中度風(fēng)化基巖的電阻率值一般較低，完整基巖的電阻率一般較高。

基于測(cè)區(qū)巖性存在明顯的電阻率差異，選擇電阻率測(cè)深方法來(lái)探測(cè)基巖。

5 電測(cè)深剖面二維反演

圖3給出了測(cè)區(qū)5條對(duì)稱四極電測(cè)深剖面的二維測(cè)深反演結(jié)果，剖面間距均為100 m，測(cè)深點(diǎn)距50 m。從反演斷面圖上看，0、1、2、4號(hào)剖面高阻區(qū)連續(xù)，反映了基巖的起伏變化，3號(hào)剖面高阻區(qū)在斷面圖右下角不連續(xù)。

圖3 測(cè)區(qū)二維測(cè)深反演電阻率斷面Fig.3 Two-dimensional inversion in study area

6 測(cè)區(qū)二維電測(cè)深的三維反演

數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后，使用RES3D軟件進(jìn)行了三維反演，反映了基巖面沿空間變化的形態(tài)。圖4為三維反演基巖面立體圖，是以反演電阻率1 158.82 Ω·m為邊界推斷基巖面后繪制的基巖面(體)三維立體圖，基巖面上部第四系和風(fēng)化層(低阻區(qū))程序設(shè)置為未顯示。圖5為三維反演基巖面水平垂直切片。圖6為60、120、200 m深度三維反演基巖面切片。在5條剖面的SW—NE部均有相對(duì)中高阻帶，推斷為奧陶系灰?guī)r所致，反演基巖面埋深在32～47 m之間。在中高阻帶位置布設(shè)4個(gè)驗(yàn)證鉆孔ZK5、ZK3、ZK1、ZK11，深度分別為47.9、52.3、83.1、73.9 m，灰?guī)r地層均向深部延伸，三維反演基巖面深度與鉆探驗(yàn)證結(jié)果大致相同(圖7)。圖5、圖6、圖7均為在三維反演基巖面(體)三維立體圖上所作的基巖面切片。

圖4 三維反演基巖面立體圖Fig.4 Three-dimensional inversion resistivity data volume

圖5 三維反演基巖面水平垂直切片F(xiàn)ig.5 Three-dimensional inversion of horizontal and vertical slices of bedrock surface

圖6 不同深度三維反演基巖面切片F(xiàn)ig.6 Three-dimensional inversion bedrock surface slice at different depths

1—第四系山前組；2—推斷基巖面；3—奧陶系馬家溝組五陽(yáng)山段；4—驗(yàn)證鉆孔1— Quaternary Piedmont Formation; 2— inferred bedrock surface; 3—Ordovician Majiagou formation Wuyangshan section; 4—verification drilling圖7 三維反演基巖面驗(yàn)證成果Fig.7 Verification results of three-dimensional inversion of bedrock surface

7 三維反演與二維反演對(duì)比分析

該區(qū)0、1、2、3、4號(hào)對(duì)稱四極電測(cè)深剖面經(jīng)電阻率二維反演，迭代次數(shù)為7次時(shí)反演基本收斂，均方誤差在13.8%～19.5%之間，平均均方誤差為16.5%；三維反演當(dāng)?shù)螖?shù)為7次時(shí)反演收斂，均方誤差為15.6%。 鉆探驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明三維反演經(jīng)7次迭代后的結(jié)果反映了基巖面的展布形態(tài)。

該區(qū)3號(hào)剖面二維測(cè)深反演斷面(圖8a)高阻區(qū)推斷為基巖所致，經(jīng)鉆探驗(yàn)證實(shí)際基巖面為中高阻梯級(jí)帶，在二維反演斷面圖的右下角深部基巖不連續(xù)。經(jīng)構(gòu)建三維測(cè)網(wǎng)，開(kāi)展三維電阻率反演，獲得如下認(rèn)識(shí)：

1)高阻體形態(tài)由淺至深連續(xù)變化比較清晰(圖8b)，經(jīng)ZK11鉆孔驗(yàn)證3號(hào)剖面深部為閃長(zhǎng)巖引起,從而校正了3號(hào)剖面二維測(cè)深反演深部右下角為相對(duì)低阻的誤差,準(zhǔn)確反映了基巖面位置。

2)三維反演具有深度上的優(yōu)勢(shì)，從三維反演Y-Z平面斷面圖上可以看出,三維反演深度比二維反演稍深。因此，三維電阻率反演不僅效果好，而且更能滿足基巖面深部探測(cè)要求，對(duì)指導(dǎo)鉆探，降低成本起到較好的作用。

1—第四系山前組；2—推斷基巖面；3—奧陶系馬家溝組五陽(yáng)山段；4—驗(yàn)證鉆孔1— Quaternary Piedmont Formation; 2— Inferred bedrock surface; 3—Ordovician Majiagou formation Wuyangshan section; 4—verification drilling圖8 3號(hào)剖面二維測(cè)深反演斷面及三維Y-Z平面反演斷面Fig.8 2D sounding inversion and 3D inversionY-Z plan inversion of section 3

8 結(jié)論與討論

基于二維測(cè)深電極排列三維反演適合于快速大極距三維反演技術(shù)，因儀器精度及施工條件限制了其應(yīng)用效果，數(shù)據(jù)體經(jīng)轉(zhuǎn)換整理能滿足三維反演要求，在加密剖面間距及極距的情況下，其反演結(jié)果更加清晰，但將增加反演耗時(shí)。本次試驗(yàn)使用常規(guī)電測(cè)深工作方式，外業(yè)施工效率低，數(shù)據(jù)整理工作量大，若用梯度測(cè)深數(shù)據(jù)構(gòu)建就很簡(jiǎn)捷。

本文通過(guò)對(duì)山東某地城市地質(zhì)調(diào)查布設(shè)的二維電測(cè)深剖面獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維反演數(shù)據(jù)格式，經(jīng)三維反演得到了三維基巖面模型，高阻體經(jīng)鉆探驗(yàn)證為灰?guī)r。從本次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)二維測(cè)深電極排列三維電阻率反演基巖面深度大于二維測(cè)深反演深度，效果較好，可用于城市地質(zhì)探測(cè)工作。