1、2009年2月物探裝備第19卷第1期重磁電技術高密度電法不同裝置的勘探效果對比馬志飛3劉鴻福葉章楊建軍(太原理工大學礦業工程學院,山西太原030024摘要高密度電法由于自身的優勢而在工程地質勘察等領域得到越來越廣泛的應用。其工作裝置有很多種,在實踐中應根據各種跑極方式的特點來選取最合適的裝置模式。通過野外實驗研究,溫納裝置的垂向分辨率相對較高,施倫貝爾1裝置對地質體的水平分辨率很高,溫施1裝置在測深方面具有明顯優勢。為了保證物探數據的準確性,野外數據的采集最好采用兩種或兩種以上的裝置,以便于資料的對比和室內解釋。關鍵詞高密度電法溫納裝置施倫貝爾1裝置溫施1裝置ABSTRACTMa Zhifei

2、,Liu H ongfu,Ye Zh ang and Yang Jianjun.Comparison of exploration effect for different devices of high2den2 sity electrical prospecting.EGP,2009,19(1:5255,67High2density electrical prospecting has been more and more widely used in the region of engineering geological exploration since own superiorit

3、y.There are many varieties of work devices,and more appropriate device pattern should be selected according to different electrode arrangement in practice.Through experimental study in the field, the Wenner device is characters of higher vertical resolution;Schlumbeger21device is characters of highe

4、r lateral res2 olution of geologic body;Wenner2Schlumberger21device has clear superiority in sounding.In order to ensure the ac2 curacy of geophysical prospecting data,it is best to use two or more than two devices for acquisition of field data, ensuring the data correlation and indoor interpretatio

5、n.K ey w ordshigh2density electrical prospecting,Wenner device,Schlumbeger21device,Wenner2Schlumberger21device0引言在眾多的直流電阻率測深方法中,高密度電阻率法憑借其工作效率高、反映的地電信息量大、工作成本低、測量簡便等突出優勢,在煤礦采空區調查、水庫大壩的壩體穩定性評價、壩基滲漏勘查、堤壩裂縫檢測、建筑選址的地基勘探、涵洞和溶洞位置勘查、巖溶塌陷和地裂縫探測、尋找地下水、管線探測以及巖土工程勘察等方面,發揮著越來越重要的作用1。其原理與普通電阻率法相同,所不同的是在觀測中設置了高密度

6、的觀測點,工作裝置組合實現了密點距陳列布設電極,是一種陣列勘探方法,野外測量時只需將全部電極(幾十至上百根置于測點上,然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集,增加了空間供電和采樣的密度,提高了縱橫向分辨能力和工作效率。1高密度電法的不同跑級方式高密度電法集合了多種常規直流電法的跑極方式,因此在實際工作中可以根據情況選擇合適的裝置。具體的跑極方式有:溫納裝置方式(WN、施倫貝爾1裝置方式(SB1、施倫貝爾2裝置方式(SB2、溫施1裝置方式(WS1、溫施2裝置方式(WS2、偶極裝置方式(DP、微分裝置(DF等25。比較常用的是溫納、施倫貝爾1和溫施1方式。1.1溫納(

7、WN裝置方式溫納裝置方式(WN又稱為對稱四極裝置方式。A、M、N、B等間距排列,其中A、B是供電電3馬志飛,男,1984年出生,現為太原理工大學地球探測與信息技術碩士生。第19卷第1期馬志飛等:高密度電法不同裝置的勘探效果對比53 極,M 、N 是測量電極,A M =M N =N B 為一個電極距,電極間距按隔離系數由小到大的順序等間隔增加,四個電極之間的間距也均勻拉開。該測量方式為剖面測量方式,所得斷面為倒梯形(跑極方式見圖1。 圖1溫納裝置跑極方式設測線上共有m 個電極,隔離系數為n ,則對應于每一層位(n 的測量數據個數為:m -n ×3;n 層數據乘以-3為公差的等差數列分布

8、,數據總數為:S =n (m -3-3n (n -121.2施倫貝爾1(SB1裝置方式該裝置的測量方式是測深測量。測量時,M 、N 保持不動,A 、B 同時逐點分別向左、向右移動,得到一條滾動掃描測量線,然后A 、M 、N 、B 同時向右移動一個電極,再按照同樣的方式跑極,得到另一條滾動掃描測量線。所得斷面為矩形(跑極方式見圖2。 圖2施倫貝爾1裝置跑極方式設測線上共有m 個電極,隔離系數為n ,則對應于每一層位(n 的測量數據個數為:m -2n -1;每層的數據量一樣,數據總數為:S =n (m -2n -11.3溫施1(WS1裝置方式此裝置的測量方式是測深測量,它是溫納和施倫貝爾的結合,在

9、整條剖面測量中M N 要由小到大變化幾次,但在M N 為某一固定值時,A 、B 按施倫貝爾1的方式移動。當溫施間隔選擇一固定值a 時,則M 、N 間的間距每隔a 層增加兩個電極距,即M 、N 間的間距按1,3,5,7,等間隔增加,A 和M 、N 和B 之間的電極距也按照隔離系數由小到大的順序等間隔增加。所得斷面為矩形(跑極方式見圖3。設測線上共有m 個電極,隔離系數為n ,則對應于每一層位(n 的測量數據個數為:m -2n -1;每層圖3溫施1裝置跑極方式的數據量一樣,數據總數也滿足公式:S =n (m -2n -12勘探效果對比試驗2.1實驗區地質條件為了確保探測結果具有可對比性,選擇同一地

10、點分別用溫納、施倫貝爾1和溫施1三種不同的跑極方式進行實驗,電極一次性鋪設之后位置不再變動,以保證獲取的是同一斷面的數據。實驗區位于山西省晉城市澤州縣某煤礦。該區域井田位于太行山西麓,沁水塊坳的東翼南段,晉獲褶斷帶以東,為低山區,區域地層總體走向北北東,傾向北西。由東向西依次出露奧陶系、石炭系、二疊系等地層,第四系松散沉積物廣泛覆蓋于各時代地層之上。3號煤為可采煤層,煤層平均深度為60m 。所選實驗剖面線處在煤礦3號煤層采空區之上,地形平緩,部分地段出現因采空而造成的沉陷。采空區內因停產數月而積水嚴重。2.2所用儀器及參數使用儀器為重慶地質儀器廠生產的DU K -2A 高密度電法測量系統。主要

11、參數為:供電電壓180V ;電極總數81;點距10m ;剖面層數20;選用的跑極方式有溫納、施倫貝爾1和溫施1。2.3勘探結果S1實驗線對同一斷面按照不同的跑極方式分別采集數據,經過室內處理和反演,得到三條斷面圖(見圖4、圖5和圖6。其中橫坐標表示距離,單位為m ;縱坐標表示深度,單位為m ;右側的刻度為視電阻率,單位為m 。從三幅圖上可以看出,在各個裝置自身能探測到的區域,視電阻率異常變化比較一致,水平方向上,在220280m 、320360m 、580600m 的區域都出現視電阻率的相對低值,其他區域為相對高值,特別是在深度60m 附近,這種低值異常恰恰表明了該深度范圍內存在的煤礦采空區。

12、54物探裝備2009年 圖4S1實驗線溫納反演 圖5S1實驗線施倫貝爾1反演 圖6S1實驗線溫施1反演從理論上講,當煤層未被采動時,地層一般呈現成層性和完整性,在小區域內同一地層的電性差異不會太大。通常情況下,視電阻率值以采空區(空洞為最高,其次是石灰巖、煤層,泥巖及充水巖溶裂隙巖層為最低。煤層被采空后,在煤層上下巖層間形成一定的空襲,破壞了巖石的完整性、連續性,故該處電阻率值明顯高于周邊完整巖石處的電阻率,表現出明顯的局部高阻特性。當采空區的空隙被水充填,其電阻率呈低阻反映,沒有被水充填的采空區和巷道為特高阻,灰巖層為高阻,煤層呈中到相對高阻。灰巖層和未開采煤層橫向較均勻且分布范圍一般很大,

13、充水的巷道呈低阻但范圍很小6。這些特性成為電法探測地下采空區良好的地球物理前提。所不同的是,溫納剖面在120180m 之間還存在一個低值異常區域,而在施倫貝爾1反演剖面和溫施剖面上都沒有反映,這是由于它們的測量方式不同所造成的。對于一條完整的剖面,溫納裝置的數據在測線的首尾部分都有分布,但是越靠近測線的端點,數據量越少,勘探深度越來越淺,雖然取得了很大的數據量,但是缺乏可以對比的周邊數據,因此溫納裝置對于水平變化較大的地質體反映相對較差,而其垂向分辨率相對要好一些。施倫貝爾1反演剖面上視電阻率異常橫向變化很強烈,在220m 、280m 、320m 附近都出現了橫向突變,在水平方向上的高低阻異常

14、很明顯,而且在420440m 和580600m 的區域,出現的低阻異常比溫納剖面清晰很多,在260m 附近出現的高阻異常在深度60m 處還有反映,而在溫納剖面和溫施1剖第19卷第1期馬志飛等:高密度電法不同裝置的勘探效果對比55面上基本沒有顯現。這表明,施倫貝爾1裝置對地質體在水平方向上的變化反應靈敏,水平分辨率相對較高。溫施1反演剖面在60m 深度范圍的視電阻率低值異常也能夠清晰反映出來,和溫納裝置相比,在580600m 附近的反映更加突出一些,而且深部的信息反映更多,溫納裝置在深部的視電阻率曲線較為平緩,而溫施1反演剖面測深分辨率較高,抗干擾的能力相對較強,它對地質體的垂向和橫向都有著適度

15、的靈敏度。2.4數據檢驗為檢驗數據的穩定性和可重復性,做第二條實驗線S2,僅采用溫納裝置,測線為EW 方向,分兩次采集數據,分別是自東向西方向跑極和自西向東方向跑極(見圖7和圖8。圖中顯示,兩次跑極所獲得的反演剖面圖除了在細微部分稍有區別外,整條斷面呈鏡像對稱,反映了采集到的該斷面的數據具有可重復觀測性。在保證各種參數不變的情況下,只有采集到重復、一致的數據,才說明該測量數據的可靠性,才能真實地反映斷面的地電狀況。 圖7S2實驗線溫納反演(自東向西方向 圖8S2實驗線溫納反演(自西向東方向3結論(1溫納、施倫貝爾1和溫施1裝置視電阻率反演斷面圖基本情況比較一致,說明這三種裝置都能很清晰地反映勘

16、探區的地電條件,具有很高的可信度。(2溫納裝置的垂向分辨率相對較高,對地質體垂向分布的反映有比較高的靈敏度,因此,在工程地質勘探中對垂向分辨率要求較高的勘探任務可以選用該裝置。(3施倫貝爾1裝置對地質體在水平方向上的變化反應非常靈敏,水平分辨率很高,實際工作中對水平分辨率要求較高的勘探任務應選用此裝置。(4溫施1反演剖面測深分辨率較高,抗干擾的能力相對較強,垂直方向和水平方向都有一定的靈敏度,比較適合于做測深測量。(5三種跑極方式均有各自的優勢,但由于高密度電法的勘探深度有限,一般為測線長度的二分之一到三分之一,因此不太適合于深度較大的勘探,一般是用來進行剖面勘探。(6這三種跑極方式都是四極裝

17、置,比起三極裝置,受到地形的影響較小,而且不需要放置無窮遠電極,可以減少供電電壓,并有利于壓制干擾,增強有效信號。(7工作中應根據工作區的地形地質條件、勘探目的、勘探深度和勘探精度等因素來選擇合適的(下轉第67頁第19卷第1期劉全利:V TS系統安裝中工區底圖的制作67表3華北某地的測量參數projection parameters datum shift(W GS-84to local ellip soid projection type transverse mercator D x-4.754 grid zone zone20N D y-122.286false easting50000

18、0.0000D z-47.476false northing0.0000lat of origin0°0000.00000N satellite ellipsoid parameterscentral meridian117°0000.00000E ellipsoid name W GS1984scale at origin1semi2major axis(a6378137.0000 measurement unit:international meters reciprocal flattening(1/f298.25722356300ellipsoid name krassovskysemi major axis(a6378245.0inverse flattening298.3根據表3中的參數,建立華北某地的坐標系統如下(七參數格式:“Gauss2Kruger(Beijing195462degree zone”“GK Zone20(Beijing1954”,8,9999,3, 4.754,122.286,47.476,0.00,0.00,0.00,1.