王 帝

（北京東方新星勘察設(shè)計有限公司，北京 100000）

當(dāng)今社會，地質(zhì)勘察工作所面臨的形勢日新月異，對高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用提出了更高要求，使該技術(shù)方法的運用實施過程面臨著挑戰(zhàn)與考驗。當(dāng)前形勢下，有必要立足地質(zhì)勘察工作實際需求，靈活運用高密度電法物探技術(shù)的核心方法，提高勘察工作效率，優(yōu)化勘察工作成效。本文就此展開了探討。

1 研究背景

在現(xiàn)代地質(zhì)勘察工作中，高密度電法物探技術(shù)所展現(xiàn)出的應(yīng)用優(yōu)勢與價值愈發(fā)突出，在地質(zhì)數(shù)據(jù)獲取與處理等方面的準(zhǔn)確性不斷提高，使傳統(tǒng)技術(shù)條件下難以完成的地質(zhì)勘察任務(wù)更具可執(zhí)行性。通過運用高密度電法物探技術(shù)，可充分利用地下介質(zhì)的電學(xué)特性，對地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)進行連續(xù)性獲取與搜集，并運用特定的數(shù)據(jù)處理與分析方法，構(gòu)造形成直觀的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)模型，以準(zhǔn)確全面地反映地質(zhì)勘察狀態(tài)的空間分布情況。長期以來，廣大勘察設(shè)計單位不斷創(chuàng)新與總結(jié)高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，細(xì)化分解地質(zhì)勘察工作的具體流程等方面進行了積極探索與研究，對含磁性、介電性、導(dǎo)電性等介質(zhì)電學(xué)特性進行了充分整合，構(gòu)建形成了基于基礎(chǔ)電法理論的地質(zhì)勘察技術(shù)體系，為新時期高密度電法物探技術(shù)的高效運用注入了源源不斷的動力與活力，使其適用場景與環(huán)境更為寬泛，所彰顯出的現(xiàn)實價值愈發(fā)重要。實踐表明，在地質(zhì)勘察中深入運用高密度電法物探技術(shù)方法，可深度整合多樣化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)方式，大大提高地質(zhì)勘察效率，確保地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性，有效優(yōu)化提升地質(zhì)勘察整體工作成效[1]。

2 高密度電法的基本理論

2.1 高密度電法的基本原理

高密度電法物探技術(shù)的應(yīng)用需要以巖土電性差異為主要載體，通過采用地下電極轉(zhuǎn)換儀等儀器，對巖土層數(shù)據(jù)信息進行測量、收集、存儲與處理，并根據(jù)有效數(shù)據(jù)的客觀實際狀態(tài)，構(gòu)造形成地下視電阻率剖面圖，進而對地下環(huán)境的構(gòu)造特點進行分析研判，完成地質(zhì)勘察的整個過程。通常情況下，高密度法物探技術(shù)需要將電極預(yù)先埋設(shè)在特定區(qū)域和位置內(nèi)，然后通過電極轉(zhuǎn)換開關(guān)對其進行控制，根據(jù)不同的電極裝置形式獲取不同的電極信號轉(zhuǎn)換效果。在獲得數(shù)據(jù)的同時，電極信號同通過電極轉(zhuǎn)換裝置進入測量主機。測量主機根據(jù)電極信號強度、類型與大小等，進行處理并存儲，然后通過相應(yīng)的計算機軟件進行繪圖，形成直觀形象的剖面圖。高密度電法工作流程如圖1所示。

圖1 高密度電法工作流程示意圖

2.2 高密度電法的常用裝置

現(xiàn)代基礎(chǔ)理論與硬件裝置技術(shù)的發(fā)展，使高密度電法物探技術(shù)的常用裝置類型更加豐富，可針對不同的地質(zhì)勘察任務(wù)靈活采用各具優(yōu)勢的裝置儀器設(shè)備等，以完成差異化的地質(zhì)勘察任務(wù)。一般而言，高密度電法物探技術(shù)的常用裝置主要包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、三極裝置及溫納-斯倫貝謝裝置等。上述不同類型的勘察裝置在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、方法過程與性能條件等方面存在顯著差異，以根據(jù)地質(zhì)勘察工作的客觀實際需求，予以靈活配置。注重溫納裝置和微分裝置等在跑極方式方面的不同，這對高密度電法物探技術(shù)的整個實施流程與規(guī)則具有直接影響，應(yīng)對其適用環(huán)境進行有效區(qū)分[2]。

2.3 高密度點法野外數(shù)據(jù)采集

2.3.1 野外工作準(zhǔn)備階段

一方面，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察目標(biāo)區(qū)域的實際特點，確定符合實際的布線條件，將電極間距控制在合理范圍內(nèi)，避免間距過大或過小而導(dǎo)致的勘察效率降低，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集狀態(tài)的異常波動起伏。另一方面，對探測對象進行深入分析，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境的分布形態(tài)等對勘察方案的可行性做出論斷分析，為野外探測工作有序推進提供可靠保障。此外，在準(zhǔn)備階段還應(yīng)對相關(guān)儀器設(shè)備進行校驗，收集相關(guān)資料，對顆粒電阻率、孔隙度和含水量等技術(shù)參數(shù)作出初步研判。最后，確定觀測裝置及電極極距，并確定勘察深度和測線長度等，使其能夠與探測深度、儀器分辨率等有序銜接。

2.3.2 野外工作測試階段

在高密度電法野外數(shù)據(jù)采集中，測試階段的重要性同樣不容忽視，這直接關(guān)系到后續(xù)數(shù)據(jù)采集階段的效率性。在此階段，應(yīng)制定詳細(xì)可行的測試方案，對電極電阻值等數(shù)據(jù)參數(shù)的客觀狀態(tài)進行有效監(jiān)測，防止因電路短路等要素而對測試結(jié)果造成的干擾。對測量儀器測得的電極電阻數(shù)據(jù)信息進行密切監(jiān)測，對于監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)偏差進行及時處理，以充分保證野外數(shù)據(jù)信息的客觀性。

2.3.3 野外數(shù)據(jù)采集階段

在排除各類潛在影響因素的干擾基礎(chǔ)上，野外數(shù)據(jù)采集階段可具有更高的平順性與穩(wěn)定性，使數(shù)據(jù)采集效果更趨穩(wěn)定。在此階段，還應(yīng)格外注重現(xiàn)場安全問題，防止地層數(shù)十到幾百毫安電流通過而對技術(shù)人員造成的安全威脅。通過野外數(shù)據(jù)采集，獲取地層原始數(shù)據(jù)信息，并根據(jù)數(shù)據(jù)信息類型的不同與客觀差異，予以分類存儲，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理及模型構(gòu)造提供依據(jù)[3]。

3 高密度電法數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1.1 剔除壞點

剔除壞點的主要作用在于排除存?zhèn)螖?shù)據(jù)對地質(zhì)勘察結(jié)果的影響，提高勘察結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。在高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中，對壞點的有效剔除可從源頭上防止電阻率模擬斷面的虛假或異常狀況。導(dǎo)致壞點存在的原因主要是相鄰點電阻率差異較大，測量電極或供電電極不穩(wěn)定，地下不良接地條件，等等。在壞點剔除中，應(yīng)結(jié)合目標(biāo)測區(qū)的客觀實際特點，對存在明顯突變的數(shù)據(jù)點進行去除，使最終形成的成像圖更加清晰，符合數(shù)據(jù)預(yù)處理的基本邏輯要求。

3.1.2 數(shù)據(jù)拼接

數(shù)據(jù)拼接的過程即是對高密度電法物探技術(shù)數(shù)據(jù)信息進行整合與梳理的過程，可完成對不同類型數(shù)據(jù)的拼接，為形成特定地質(zhì)構(gòu)造對象提供良好條件。在數(shù)據(jù)拼接中，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察的目標(biāo)任務(wù)，將不同數(shù)據(jù)坐標(biāo)值進行轉(zhuǎn)換加工，與同類型數(shù)據(jù)組進行有效合并，然后對兩個合并的數(shù)據(jù)取平均值。通過上述環(huán)節(jié)，考慮到目標(biāo)測區(qū)單獨剖面的獨立性特征，可測得各個不同剖面，并合并成一條大的長剖面，得到數(shù)據(jù)拼接后的反演圖，有助于降低數(shù)據(jù)誤差，更加有效地反映不同斷面之間的邏輯關(guān)系，統(tǒng)一反演圖色調(diào)。

3.1.3 地形校正

受測區(qū)地形起伏等要素影響，高密度電法在數(shù)據(jù)獲取過程中會發(fā)生一定畸變，若畸變幅值過大，超出技術(shù)條件約束范圍，則極易導(dǎo)致最終勘察效果偏差，因此應(yīng)通過地形校正方法，對上述問題予以技術(shù)處理。通過對介質(zhì)電阻率和電流強度等技術(shù)參數(shù)，根據(jù)微分方程分析自然邊界條件和本質(zhì)邊界條件，再經(jīng)過余弦傅立葉變換進行偏微分方程關(guān)系式轉(zhuǎn)換，進而得到地形矯正后的視電阻率。

3.2 數(shù)據(jù)實質(zhì)性處理

數(shù)據(jù)實質(zhì)性處理的過程具有系統(tǒng)性特征，可根據(jù)相關(guān)技術(shù)方法，將該過程細(xì)化分為多個不同的子階段，通過強化各個子階段的匹配性，獲得最終數(shù)據(jù)處理的整體效果。在電腦接受采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)依次進行存盤、圓滑整理，然后對數(shù)據(jù)格式進行轉(zhuǎn)換及合并文件，最后編輯斷面數(shù)據(jù)，形成視電阻率斷面圖（如圖2所示）。在此過程中，可充分有效運用軟件技術(shù)，將相關(guān)高密度電法技術(shù)探測到的數(shù)據(jù)進行層次化導(dǎo)入，通過其自動處理與分析功能，結(jié)合電極排列異常關(guān)系，得到與實際地質(zhì)勘察狀態(tài)相符的數(shù)據(jù)，使最終構(gòu)建形成的模型更具可信性[4]。

圖2 數(shù)據(jù)處理相關(guān)的流程圖

3.3 數(shù)據(jù)的分析解釋

在數(shù)據(jù)分析解釋中，用重點對偏導(dǎo)數(shù)矩陣、轉(zhuǎn)置矩陣、阻尼系數(shù)、擾動系數(shù)和差異矢量等進行方程構(gòu)造，以確保反演準(zhǔn)確有效。對異常體的定性解釋和定量解釋應(yīng)與高密度電法的實施全過程密切銜接，遵循數(shù)據(jù)分析解釋的基本原則，大致確定異常體所在的具體位置及分布狀態(tài)等。通常條件下，探測對象和所選取的地質(zhì)巖層的電阻率情況符合基本技術(shù)要求，通過埋深和位置等參數(shù)資料，可通過二維反演形成地質(zhì)勘察剖面圖，進而確定地下空間分布情況。

4 高密度電法正演分析

4.1 高密度電法正演的基本原理

4.1.1 點電流源的基本方程

在電流場穩(wěn)定變化的前提下，可通過點電流源基本方程進行高密度電法正演操作，得到以電流強度、電場強度、電流密度、電荷密度與介質(zhì)電阻率等為基礎(chǔ)變量的關(guān)系式，通過求散度得出方程求解結(jié)果。在該環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察實際環(huán)境的差異性，對點電流源的基本方程進行離散分析，對部分不符合高密度電法物探技術(shù)規(guī)則的信息予以消除，充分確保點電流源基本方程的可解性。同時，嚴(yán)格按照高密度電法的具體方法要求，對前期處理與分析完畢的數(shù)據(jù)進行函數(shù)構(gòu)造，防止高密度電法正演分析出現(xiàn)技術(shù)性偏差。

4.1.2 邊界條件

在當(dāng)前高密度電法物探技術(shù)條件下，其邊界條件通?？杉?xì)化分為三類，既第一類邊界條件、第二類邊界條件和第三類邊界條件，上述不同的邊界條件在標(biāo)準(zhǔn)要求與約束范圍等方面存在一定不同，在有效求解過程中的現(xiàn)實作用同樣存在顯著差異，應(yīng)根據(jù)點源之間的距離和分別密度等進行綜合擇定。在邊界條件確定后，需要按照常數(shù)要求和矢量要求等，設(shè)定研究區(qū)域，以更加清晰準(zhǔn)確地排除干擾因素，提高地質(zhì)勘察成果的可靠性。通過邊界條件的優(yōu)化，可更好地輔助地質(zhì)勘察結(jié)果準(zhǔn)確有效，避免正演效果出現(xiàn)偏離[5]。

4.2 點源二維場域的有限差分正演計算

4.2.1 有限差分法網(wǎng)格剖分

根據(jù)點源二維場域的分布狀況，按照二維有限差分法對地下半空間區(qū)域進行網(wǎng)格剖分，將其細(xì)化剖分為一個二維剖面，并通過三維立體平面坐標(biāo)系對本部分區(qū)域進行網(wǎng)格細(xì)化，設(shè)定每個網(wǎng)格的邊長，對不同網(wǎng)格區(qū)域的電位置進行求解。通過分析網(wǎng)格中心區(qū)域狀況，可得到離散電位的電位狀況。在當(dāng)前技術(shù)條件下，有限差分法網(wǎng)格剖分應(yīng)注重其變化規(guī)律，將求解整個區(qū)域的電位置作為關(guān)鍵路徑。通常情況下，平面區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格步長會保持在相對恒定狀態(tài)，且網(wǎng)格剖分的過程同樣可根據(jù)步長變化狀態(tài)做出動態(tài)調(diào)整。

4.2.2 有限差分法在二維場域條件下的表現(xiàn)方式

在表現(xiàn)方式方面，有限差分法的應(yīng)用關(guān)鍵在于對二維場域條件的分類與整合，通過任意選取一個網(wǎng)格模型，取中心節(jié)點和與其相鄰的四個節(jié)點之間的關(guān)系，對有限差分法計算方法進行解釋，得到基于網(wǎng)格中心點及其相鄰節(jié)點的網(wǎng)格圖，以標(biāo)識中心點的具體坐標(biāo)位置，形成一行虛構(gòu)的網(wǎng)格單元。在此過程中，應(yīng)注重地質(zhì)勘察實際環(huán)境的約束條件，按照地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)獲取的整個方案與流程，對有限差分法的表現(xiàn)方式進行微調(diào)，清晰表示電場空間分布狀態(tài)。

4.2.3 異常場電位和總電場電位的計算方法

在高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中，如何對異常場電位進行精準(zhǔn)有效處理，向來都是地質(zhì)勘察剖面圖模型構(gòu)造中的難點問題，這關(guān)系到最終剖面圖的直觀性。在總電場電位計算中，應(yīng)參照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，強化計算過程的標(biāo)準(zhǔn)性，防止計算方法偏離，使計算獲得的均勻半空間電導(dǎo)率更加符合地質(zhì)狀況實際。對異常場電位計算分析與處理的過程，同時也是對有限差分法計算總電位值改進的過程，且不在地表處的電流源的異常場電位邊值，只有在異常體存在的節(jié)點處電位才不為零。

4.3 二維正演計算算例

結(jié)合上文高密度電法正演分析方法，可采用二維正演計算模型對高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用中存儲與整理的數(shù)據(jù)進行建模求解，得出模型中電阻率和電位等數(shù)值信息，進而對整個勘察勘測區(qū)域的節(jié)點電位進行計算，得到分布式電場電位值。由于水平方向和垂直方向下的網(wǎng)格劃分之間分別存在橫向關(guān)聯(lián)和縱向關(guān)聯(lián)，因此可按照兩個不同方向進行二維正演計算，充分體現(xiàn)其二者之間的正相關(guān)關(guān)系或負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5 高密度電法反演分析

5.1 球體模型

基于高密度電法物探技術(shù)的地質(zhì)勘察過程同時也是對地下介質(zhì)狀態(tài)進行分析研判的過程，也是對高密度電法物探數(shù)據(jù)信息進行整合并獲得電位值的過程。為完成上述過程，可通過運用球體模型對高密度電法反演進行處理。在球體模型中，應(yīng)首先設(shè)定球心在水平方向上的具體位置，并根據(jù)球體頂部的埋設(shè)深度，分別獲取低阻條件和高阻條件下的球體模型。對于低阻條件下的球體模型將會在球體反演圖中呈現(xiàn)出低阻圓狀態(tài)，且會隨著球體半徑的增大而低阻區(qū)域相應(yīng)擴大；對于高阻條件下的球體模型則需要處理球體與地下介質(zhì)之間的明顯電性差異，以形成完全封閉式的高阻體圓[6]。

5.2 水平板狀體模型

在水平板狀體模型中，應(yīng)首先對水平板狀體結(jié)構(gòu)的長度和寬度進行設(shè)定，并同步設(shè)定水平板距離地面深度。為有效提高水平板狀體模型結(jié)構(gòu)的可視化水平，應(yīng)對正常狀態(tài)下的電阻率進行模擬構(gòu)造，并觀察水平板狀體與地下介質(zhì)之間的電性差異。在此狀況下，若均方誤差相對較小，則說明高密度電法物探所獲取到的數(shù)據(jù)信息相對可靠，反之則不然。根據(jù)原始數(shù)據(jù)資料，在電阻率差異狀況下，可對均方誤差進行反演，得到水平板狀體反演圖，使所形成的地質(zhì)勘察模型更具直觀性。

5.3 直立板狀體模型

與球體模型與水平板狀模型不同，直立板狀體模型的核心在于在更加縱向的范圍內(nèi)進行數(shù)據(jù)獲取，這對于高密度電法物探技術(shù)數(shù)據(jù)獲取過程的一致性具有類似特征。通過對相對低阻異常反應(yīng)狀況的分析，可對直立板狀體模型的細(xì)節(jié)部位進行優(yōu)化充實，對高密度電法物探技術(shù)應(yīng)用過程中的數(shù)據(jù)缺失環(huán)節(jié)進行重點補充，最大限度上豐富地質(zhì)勘察反演圖的內(nèi)涵。在該模型異常體形態(tài)中，可有效反映測線的地電特征，異常位置結(jié)果與實際更為相符，表明高密度電法物探技術(shù)測量裝置的整體運行效果較好?？梢灶A(yù)見，在未來地質(zhì)勘察中，高密度電法物探技術(shù)對直立板狀體模型的構(gòu)造要求將更為細(xì)致準(zhǔn)確。

6 結(jié)語

綜上所述，高密度電法物探技術(shù)的核心優(yōu)勢作用決定了其在地質(zhì)勘察工作中的關(guān)鍵地位。因此，技術(shù)人員應(yīng)從地質(zhì)勘察工作的核心目標(biāo)要求出發(fā)，創(chuàng)新高密度電法物探技術(shù)的運用流程與規(guī)則，強化對相關(guān)設(shè)施設(shè)備與儀器的配置，提高具體技術(shù)人員的實操技能，通過多樣化的模型構(gòu)造與數(shù)據(jù)處理方法，排除各類偏差數(shù)據(jù)，為全面深入挖掘高密度電法物探技術(shù)的現(xiàn)實價值奠定基礎(chǔ)，為促進現(xiàn)代地質(zhì)勘察工作邁向更高層次保駕護航。