第４５卷第３期 ２０１６年５月 内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．４５ ＮＯ．３ Ｍａｙ ２０１６ 高密度电阻率法勘察技术及其应用 尹兵祥，徐凯军，刘 展 （中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛２６６５８０） 摘 要：高密度电阻率法是浅部地质研究的一种重要方法，该方法采用阵列电极布置和程控自动测量，数据 量大、精确度高．对实测的视电阻率资料进行电阻率反演，得到的介质电阻率剖面可以很好地显示介质的电性结 构．根据电阻率数据的变化进行垂向分层和横向分区，可以开展金属矿产、水文地质、工程地质、环境地质、探测断 层、洞穴探测、管线探测、考古等浅层地质研究．物探实验场地、百尺河断裂和安丘一莒县断裂等应用实例验证了 高密度电阻率法的有效性和精确度． 关键词：高密度电阻率法；装置类型；佐迪反演；浅层地质；工程勘察 中图分类号：ＴＰ １８ｉ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１－８７３５（２０１６）０３－０３３８－０６ 高密度电阻率法是在传统电阻率法的理论基础上结合自动化技术发展而成的，野外测量时，将众多电极 一次性布置完毕，采用多芯电缆连接到仪器后，利用程序控制电极排列中每次测量所用的几个电极及其与供 电和测量电极的对应关系［１－４３． 高密度电阻率法的众多电极为一次布设和连接完成，自动化测量，提高了测量效率和数据精度，减少了 手工操作所出现的错误；对数据进行预处理显示和分析评价，通过反演得到介质电阻率分布，可以很好地显 示介质的电性结构，进而根据电阻率数据进行纵向分层和横向分区，解决诸如金属矿产Ｌ５］、水文地质口 】、工 程地质 、环境地质 、断层探测ｍ 、洞穴探测 ］、管线探测ｍ］、考古ｒ１５ １６３等多方面的浅层地质问题．高 密度电阻率法目前已经成为工程与环境领域重要的勘探技术之一． １ 基本原理 高密度电阻率法的基本原理与传统的电阻率法相同，即通过接地电极在地下建立电场，观测因不同导电 地质体存在时地表电场的变化，从而推断和解释地下地质体的分布或产状． 假设地面水平，地下半无限空间为各向同性均匀介质，供电电极Ａ、Ｂ处的电流强度分别为＋Ｊ和一，，测 量电极Ｍ和Ｎ之间的电位差为△ＵＭ ．计算大地介质电阻率的公式为 ２丌 △ＵＭＮ ｒ，Ａ ＵＭＮ １／ＡＭ一１／ＢＭ一１／ＡＮ＋１／ＢＮ 一“ Ｉ ’ “＿——————————一 Ｌ１／ＡＭ一１／ＢＭ一１／ＡＮ上１／ＢＮ 其中ＡＭ，ＢＭ，ＡＮ，ＢＮ分别为对应两个电极之间的水平距离，Ｋ称为装置系数，或布极系数． 传统的电阻率法采用４个电极，每次测量完毕需改变电极位置做下一次测量，这种跑极的工作方式既影 响工作效率，也不利于提高测量精度．高密度电阻率法在这一方面做了重大改进，将大量电极排成阵列，采用 自动化技术控制数据的采集，每次在电极阵列中选取一组电极组合进行测量，然后改变电极组合做下一次测 量，直到设计的组合方式全部测量完毕．在此过程中不需要人工干预和改变电极，极大地提高了测量效率，也 有利于避免同一位置多次布极之间的差异． 图１为高密度电阻率法示意图，代表了这种方法仪器设备的两个阶段．其中图１（ａ）为高密度电法的最 收稿日期：２０１５ ０９—０６ 基金项目：国家青年自然科学基金资助项目（４１３０４０９４） 作者简介：尹兵祥（１９７０一），男，山东德州人，中国石油大学（华东）副教授，博士，主要从事地球物理勘探研究 内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版） 第４５卷 ． Ｌ ｊ Ｌ． Ｊ ． ．１ ． ．ｊ 一Ｌ ．．．．．． ． ｏ ０ ０ 囝 Ｏ ０ 国 谚 囝 国 囝 磅 ｏ ０ 囝 窃 囝 Ｏ ０ 囝 囝 ０ Ｏ 西 ０ ０ （ｂ）偶极装置 接无穷远 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● 糖 鸯 谚 謦 辔 臻 精 尊 精 帮 辔 ● 簟 磅 精 ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● （ｃ）微分装置 Ａ Ｍ Ｎ （ｄ）三极装置 Ｂ Ｂ接无穷远 ！ ！ ！ ！ ！ ！ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ’ 一 ’ ： ：● ● ： ● ： ： ： ● ● ● （ｅ）三极装置 · · · · · · ■ ■ ■ ■ ■■ （ｆ）测深装置 图３典型电极装置类型与数据点分布 Ｆｉｇ．３ Ｔｙｐｉｃａｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄａｔａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ４ 资料处理解释 高密度电法资料的处理解释主要是统计、滤波和反演等。其中统计处理的主要是对测量数据作分析评 价；滤波处理的主要作用是消除不合理的奇异值，使视电阻率数据的纵横变换趋势合理；反演则是根据视 电阻率求取介质电阻率分布，是资料处理解释的核心步骤，经过反演处理得到的介质电阻率分布数据可以方 便地用于地质解释．目前常用的佐迪反演是基于施伦贝格和温纳测深的一种最小二乘优化法，该方法假设地 层的层数和测深曲线上的点数相同，将视电阻率当做介质电阻率构建初始模型，每一层的平均深度采用测得 相应电阻率的电极距再乘以某一常数．采用模型正演视电阻率曲线与实测资料对比，修改电阻率模型，如此 迭代，直至实测曲线和模型曲线的均方根误差减至最小Ｌ２ ．每次迭代按下式用实测视电阻率和计算视电阻 率之比为系数调整各层的电阻率， ， 、 （ ）一１０ （ ） ；卜＼ｊ Ｊ ， ｎ其中：ｉ为已进行的迭代次数； 为层数（或电极距数）；Ｐｆ（ ）为第ｉ次迭代第Ｊ层的电阻率；ｐｏ（ ）为实测曲 线第Ｊ个极距的视电阻率； （ ）为理论曲线第Ｊ个极距的视电阻率． ５ 实际应用效果 第１个应用实例是中国石油大学（华东）青岛校区的物探实习场地探测，该场地南北长约１００ ｍ，东西宽 约６０ｍ．最初南半部分为低洼地，北半部分为村庄，后经填埋整平作为运动会的投掷场地，表面为草坪，其下 埋设有铁罐、矿石等目标． 测线沿南北方向，使用８根电极电缆，每根连接８个电极，极距１ ｍ，采用温纳（ａ）装置，测量深度为 １—２ｌ层，每个排列测量完毕，向前滚动一根电缆线（即一串８个电极），长度８ｍ，进行下一个排列的测量，总 计９个排列，测线总长１２８ ｉｎ，９个排列的测量结果拼接在一起进行反演解释．图４所示相当于１２８个电极的 排列，测量Ｉ～２１层．其中上图为实测的视电阻率，从中可以看到纵、横向的变化，但由于视电阻率的体积综 第３期 尹兵祥等：高密度电阻率法勘察技术及其应用 ·３４３· Ａ Ｃａｓｅ Ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００９，１４（３）：１４５—１５１． ［１１］ 玄月，王金萍，冯军，等．高密度电法在隐伏断裂探测中的应用［Ｊ］．大地测量与地球动力学，２０１１，３１（２）：５６—５９． ［１２］ 程邈，傅焰林，李振宇．高密度电法在查明潜伏断裂中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２０１１，８（４）：４１７—４２０． ［１３］ 雷旭友，李正文，折京平．超高密度电阻率法在土洞、煤窑采空区和岩溶勘探中应用研究］Ｊ］．地球物理学进展，２００９， ２４（１）：３４０—３４７． ［１４］ 张玮，肖宏跃，钟宙灿．高密度电阻率法在城市地下水网管道探测中的应用［Ｊ］．工程勘察，２００９（７）：９１—９４． ［１５］ 宋洪柱，李守春，张素梅．高密度电阻率法在古墓探测中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２００７，４（２）：１２３—１２６． ［１６］ 刘士毅，袁炳强，吕国印，等．综合地球物理方法在探测秦始皇帝陵地宫中的应用［Ｊ］．工程地球物理学报，２００４，１（３）： ２１３—２１９． ［１７］ 张晓培，张琪，黄祥林，等．分布式高密度电法仪的设计［Ｊ］．吉林大学学报：地球科学版，２００２，３２（增刊）：９－１０． ［１８３ 马志飞，刘鸿福，叶章，等．高密度电法不同装置的勘探效果对比［Ｊ］．物探装备，２００９，１９（１）：５２—５５，６７． ［１９］ 王爱国，马巍，王大雁．高密度电法不同电极排列方式的探测效果对比［Ｊ］．工程勘察，２００７（１）：７２—７５． ［２Ｏ］ Ｓａｓａｋｉ Ｙ．Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｉｎ｛ｅｒｒｅｄ｛ｒｏｍ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，１９９２， ４０：４５３—４６４． ｄ ｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅｓ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｐｓｅｕｄｏ—ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｂｙ ａ ｑｕａｓｉ—Ｎｅｗｔｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ［２１１ Ｌｏｋｅ Ｍ Ｈ，Ｂａｒｋｅｒ Ｒ Ｄ．Ｒａｐｉ［Ｊ］．Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，１９９６，４４：１３１—１５２． ［２２］ 王兴泰，李晓芹．电阻率图像重建的“佐迪”反演及其应用效果［Ｊ］．物探与化探，１９９６，２０（３）：２２８—２３３． ［２３］ 支鹏遥．胶州湾地质构造特征及成因研究［Ｄ］．国家海洋局第一海洋研究所，青岛：２００８． ［２４］ 王志才，贾荣光，孙昭民，等．沂沭断裂带安丘一莒县断裂安丘～朱里段几何结构与活动特征［Ｊ］．地震地质，２００５， ２７（２）：２１２—２２Ｏ． Ａｒｒａｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｓｕｒｖｅｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｉｔ’Ｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＹＩＮ Ｂｉｎｇ—ｘｉａｎｇ，ＸＵ Ｋａｉ－ｊ ｕｎ，ＬＩＵ Ｚｈａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６５８０，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｄｅｎｓｉｔｙ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｈａｌｌｏｗ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ， ａｒｒａｙ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｇｅｔ ｍａｓｓ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｄａｔａ．Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｐｒｏｆｉｌｅ ｃａｎ ｂｅ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｐｐａｒｅｎｔ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ，ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｇｅｏｌｏｇｙ ｂｙ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌａｙｅ— ｒｉｎｇ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｚｏｎｉｎｇ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｄａｔａ，ｓｕｃｈ ａｓ ｍｉｎｅｒａｌ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｈｙｄｒｏ— ｇｅｏｌｏｇｙ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｙ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｇｅｏｌｏｇｙ，ｆａｕｌｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ，ｃａｖｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｄｅｔｅｃ— ｔｉｎｇ，ａｎｄ ａｒｃｈａｅｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｅｓｔ ａｒｅａ，Ｂａｉｃｈｉｈｅ ｆａｕｌｔ ａｎｄ Ａｎｑｉｕ—Ｊｕｘｉａｎ ｆａｕｌｔ ｄｅｍｏｎ— ｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｒｒａｙ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ ｍｅｔｈｏｄ；ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ；Ｚｈｏｄｙ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｓｈａｌｌｏｗ ｇｅｏｌｏｇｙ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ 【责任编辑陈汉忠】
