超高密度电法的 原理和应用

1. 超高密度电法的原理和应用 折京平 澳大利亚ZZ Resistivity Imaging Research Center 西安澳立华勘探技术开发有限公司

2. 内容 • 超高密度直流电法勘探的概念 • 多通道数据采集技术 • 电法正演和反演技术 • FlashRes64 系统 • 实例

3. 超高密度电阻率法的概念 自由数据采集方式: 　　　超高密度电阻率法不受普通电法电极装置和数据采集方式的限制，所以可以采集大量的数据。例如对一个64电极的排列，采用我们的超高密度电阻率法能采集60000多个数据，而采用高密度电法仅能采集1000个左右的数据，我们所采集的数据量是普通高密度电法的几十倍。所以我们称这种方法为超高密度电阻率法。\n 在这种方法中确定好一对供电电极AB的位置后，测量电极MN就可以在除AB以外的其他电极上进行任意组合测量。特别要指出的是，在其他常规电法中，不会出现象我们的方法一样，有供电电极AB和测量电极MN出现交叉进行测量的现象。由于我们得到了除AB电极以外其他任何电极间的电位差，所以我们采集的数据非常全面，这样就避免了普通电法中数据采集时侧重点各不相同的缺点。

4. RESISTIVITY PSEUDO-SECTION FOR SURFACE SURVEYS

5. How to display the resistivity crosshole data?

6. New Developments in the Resistivity Method Based on • Modern Electronic Techniques • Inversion Technique

7. New Developments in the Resistivity Method Based on • Modern Electronic Techniques • Inversion Technique

8. Distributed control box system

9. Multi-core cable system

10. ２、多通道技术 1)、为什么需要多通道 　　　普通电法仪器一般是进行单通道数据采集，供电电极AB通一次电，然后测量一次测量电极MN之间的电位差，最后算出视电阻率值，完成一个数据的采集。如下图，如假设我们用偶极法来采集数据，我们要采集如下图的一组数据，即AB-M1N1、AB-M2N2、……AB-MnNn。如果用普通电法仪器那么工作顺序如下：

11. 　（1）、AB通电测电流，同时测M1N1 间电位差，AB断电； 　（2）、AB通电测电流，同时测M2N2 间电位差，AB断电； 　（3）、…… 　（n）、AB通电测电流，同时测MnNn 间电位差，AB断电　　　 从以上工作流程可以看出，要采集这n组数据，就要给AB通n次电。实际上这n次所测电流在理论上应保持不变，AB通电后所形成的电场也应保持不变，但所用时间却是n次AB通电时间。 　　　如果用多通道技术进行数据采集，那么对以上n个数据，只需要在AB上通一次电，就可以同时测得n个MN间（M1N1、2N2、……MnNn）的数据，仅用了一次AB通电的时间。即用了单通道数据采集时间的1/n。这样一次通电后就可以测得一组数据，所以叫多通道数据采集技术。

12. 3)、多通道的优势 　　　使用多通道技术进行数据采集，可以大大提高工作效率。对于用普通电法和高密度电法一次只测量几百到几千个数据来说，多通道的优势好象并不明显。但是对于我们的超高密度电阻率法来说，一次需要采集6万多个数据，使用多通道技术就可大大节省工作时间，提高工作效率。\n如果采集一个数据点耗费2秒时间，那么采集6万多个数据就需要30多个小时，这在实际工作中是不可接受的。而采用我们的61通道数据采集方法后，就可在不到1小时内完成数据采集工作。多通道数据采集和单通道数据采集在原理上并无两样，但是由于它打破了传统的单通道数据采集思路，从而大大提高了工作效率，缩短了工作时间。 现国际上已开始流行多通道数据采集技术，但道数最多的仪器GDP-2仅有16道，而我们的仪器是61道。

13. 3、2.5维正反演系统 1)、视电阻率图 　　　在所有实际的直流电法勘探中，对于每一个数据点都必须用4个电极（无论二极、三极或四极法），都能测得一个电流值I和一个电压值V。另外根据ABMN4个电极的位置可以算得一个几何参数K，人们称ρ=K×V/I为视电阻率。根据不同装置的要求，人们将这个视电阻率放到剖面图上的一个确定位置。由多个数据点所测的数据所计算出的被放到剖面图上不同位置的视电阻率组成的图象，被称为视电阻率图。以前人们对直流电法数据的解释就依据此视电阻率图。 　　视电阻率虽然不是地下岩石的真电阻率，但却是地下电性不均匀体和地形起伏的一种综合反映。在电法勘探发展的很长一段时间里，也是普通电法勘探的最终成果图。

14. 2)、为什么要使用视电阻率图 (1）、在电法勘探发展初期和计算机不发达的时代，没有先进的反演方法来进行数据处理，只能用视电阻率图作为电法勘探的最终成果图。 (2）、视电阻率图作为一种广泛使用的电法成果图，如果地下地质异常体并不复杂，还是能够反映地下不同地质体之间的电阻率差异，是电法勘探资料解释的常用手段。下面我们做了2个模型来说明这个问题：

15. 　①、如图所示： 　　　地电模型-1分为左右两层，以测线中心为分界线。左边电阻率为500Ω·M，右边电阻率为1000Ω·M。模拟地下有一垂直断层构造，断层两边电阻率不同。对同一地电模型，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图，也还能够反映出地电模型的基本特征，但不是很明显。视电阻率图对不同地电体之间的界限（断层）反映不够，只是大概的显示出了断层的位置，在进行资料解释时，困难就相对大一些。

16. 　②、如图所示： 　　　地电模型-2背景电阻率为100Ω·M，其中有一个高阻异常区域，电阻率为3000Ω·M。模拟地下一定深度处有一岩溶空洞，且被空气所充满，电阻率比周边区域高很多。对同一地电模型，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图，对模型中高阻异常体的反映很明显，但是对异常体的大小和位置反映较差。在进行资料解释时，就很难得到岩溶空洞准确的信息。

17. 　如图所示： 　　　地电模型-3中背景电阻率为100Ω·M，其中有两个异常区域，都为2×2M大小。一个高阻异常区是3000Ω·M，一个低阻异常区是3Ω·M。模拟地下为一均匀地质构造，其中有一些岩溶空洞。空洞中充水的电阻率较低，充满空气的电阻率较高。 　　　采用同一地电模型，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图大不一样。对电阻率异常体的显示都不是很明显，而且各不相同。有些方法所得到的视电阻率图，会出现几个异常体的假象，对于资料解释来说困难相对大一些。

18. 如图所示： 　　　地电模型-4分为上下两层，其中上层电阻率为500Ω·M；下层电阻率为2000Ω·M。其中下层有3个异常区域，都为5×5M大小。一个高阻异常区电阻率为10000Ω·M，2个低阻异常区电阻率为10Ω·M。模拟的地下地质构造情况较为复杂，上层为浮土覆盖电阻率较低，下层为基岩电阻率较高，基岩中有一些岩溶空洞。空洞中充水的电阻率较低，充满空气的电阻率较高。 　　　在地下地质情况较为复杂时，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图，对于模型的反映能力相对较差。对异常体的位置和大小不能很清楚的反映，反映比较好的是模型的上下分层情况。这样在进行资料解释时，就不能得到关于地下地质情况的准确信息，造成及时困难。

19. 3)、视电阻率图的缺点 　　（1）、对同一地电模型，采用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图大不一样。各种方法的侧重点不同，在实际勘探工作中对于电法类型的选择，往往成为电法勘探的一个难点。用模型-3来说明这个问题： 　　（2）、在地下地质构造情况较为复杂时，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图就不能很好的反映地下不同地质构造异常。用模型-4来说明这个问题：

20. 　（3）、视电阻率图对地下地质构造的反映能力，不如反演后得到的真电阻率图反映能力强。用下面的模型-4来说明这个问题：　（3）、视电阻率图对地下地质构造的反映能力，不如反演后得到的真电阻率图反映能力强。用下面的模型-4来说明这个问题： 　如图所示： 　　　地电模型和（1）中相同。采用同一地电模型，用普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所得到的视电阻率图，与经过反演后所得到的真电阻率图相比较（图中1为视电阻率图，2为真电阻率图），可以明显的看出，经过反演后所得到的真电阻率图在对地下地质构造异常区域的反映能力上，比普通电法所得到的视电阻率图有很大的改善。对于资料解释来说，无疑增加了很多可靠的依据。

22. 4)、反演和真电阻率图 （1）、随着计算机技术的发展和勘探技术的不断进步，作为一种可以直接反映地下不同物质之间物理特性（电阻率）差异的电法勘探数据处理方法，反演方法在地球物理勘探中，发挥着越来越重要的作用。从国外电法勘探仪器发展的趋势来看，反演已经成为一种必不可少的数据处理方法。可见反演方法在电法勘探应用中的重要性。 　　（2）、已知电阻率的空间分布求电场分布的过程称为正演或解正问题。反之，已知电场分布求地下电阻率分布的过程则称之为反演或解反问题。 　　如下图：已知模型的电阻率分布情况和电极ABMN的位置，理论上供电电极AB通电后的电流不变，求测量电极MN之间电位差的过程，称之为正演过程。已知电极ABMN的位置和测量电极MN之间电位差，理论上供电电极AB通电后的电流不变，求模型的电阻率分布情况，称之为反演过程。

23. 2.5D 和 3D 电法正演的基本方程式 3D Basic equation for resistivity modelling 2.5D Helmholtz equation where

24. 电法反演的基本方程式 • Inversion formula where

25. 如图：最上面图--为地电模型分为上下两层，两层分界处有一高阻异常区呈扁平状，下层有一渐小低阻异常区为正方形形状。中间图为--模拟超高密度电阻率法采集数据，用2.5维反演成象系统所做的真电阻率剖面图。最下面图为--模拟温纳法采集数据，经反演所得到的真电阻率剖面图。从这个例子可以看出，采用超高密度电阻率法所得到的真电阻率图比普通电法所得到的真电阻率图，在对地下异常体的反映能力上有较强的优势。这是因为我们的超高密度电法所采集的数据是普通电法的40倍以上。如图：最上面图--为地电模型分为上下两层，两层分界处有一高阻异常区呈扁平状，下层有一渐小低阻异常区为正方形形状。中间图为--模拟超高密度电阻率法采集数据，用2.5维反演成象系统所做的真电阻率剖面图。最下面图为--模拟温纳法采集数据，经反演所得到的真电阻率剖面图。从这个例子可以看出，采用超高密度电阻率法所得到的真电阻率图比普通电法所得到的真电阻率图，在对地下异常体的反映能力上有较强的优势。这是因为我们的超高密度电法所采集的数据是普通电法的40倍以上。 　　　我们提出的超高密度电阻率方法，其有关概念和阐述已经在权威杂志《Geophysics》上发表。

26. 1、超高密度电阻率法 高密度电阻率法的概念 　　　高密度电阻率法其实是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极置于测点上，利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现剖面中不同电极距、不同电极排列方式的数据自动采集。其本质仍然是采取普通电法的电极装置和数据采集方式，只是利用电子技术提高了数据的采集速度，在方法上没有什么创新。几乎所有的国内高密度电法勘探仪器，都仅局限于采用普通电法的数据采集方式来采集数据，所以数据采集量非常有限。例如对一个64电极的排列，一般仅能采集1000个左右的数据。

27. 超高密度电阻率法的优势 　　（1）、我们的超高密度电阻率法不受普通电法电极装置和数据采集方式的限制，只需布置好电极，连接好仪器就可进行勘测工作，所以操作简单、方便，不需专业物探人员就可进行现场操作和数据采集，轻松完成勘测工作。 　　（2）、反演方法已经发展为电法勘探中非常重要的一种数据处理方法，而采集数据量的多少直接影响反演结果的好坏。普通电法的不同电极装置和数据采集方式，所采集的数据量都很有限，就会使反演结果的可靠性和精度受到很大影响，对资料解释造成很大困难。而采用我们的超高密度电阻率法，所得到的数据是普通电法的40倍以上，所以反演后的结果就更准确、精度更高。

28. A B M N A M N B

29. FlashRES64 多通道、超高密度直流电法勘探反演系统技术创新特点 1）、具有世界先进水平的2.5维电法反演软件（而不是简单的二维），这使得数据输出结果直接是真电阻率分布图，从而和视电阻率图永远的 Byebye了。这样的电法数据结果使得资料解释变得准确、容易和直观。 2）、打破常规的电法数据采集模式。如双极、wenner模式等等，而用我们全自动、全组合的数据采集方式，使得同样电极数的情况下，采集的数据将超过常规方法40倍以上，这种数据采集方式使非电法专业的人员都可马上学会使用，而无须顾及各种不同的数据采集方式和他们的优缺点。 3）、电法数据解释人员都知道，用不同的数据采集方式所得到的视电阻率图或经过反演得到的真电阻率图都不同，这是由于这些数据采集方式中数据采集的不全面性所致，从而使数据解释的可靠性成为了问题。我们的系统由于从各种不同的位置采集了大量的数据，所以产生的反演结果是可靠的。 4）、不仅能做地表电法勘探，还可用于井井透视、井地斜视的勘探，这完全不同于常规的MISE-A-LA-MESSE方法，在这种MISE-A-LA-MESSE方法中，仅将一个电流电极放入井中，而在地表测量电位。而我们的井井和井地方法是将数个电极放入井中，并把它们既用于电流极也用于电位极，这样可以更全面的测量数据，更重要的是我们将测量的数据进行反演而得到一个真电阻率分布剖面图。由于在井中的电极距异常体较近，所以较容易勘测到这些异常体，这种利用井孔勘测百米以内的地质异常体非常有用。 5）、我们的系统不仅是多电极，而且是多通道。它能够同时采集61组V/I数据，所以采集数据速度非常快。

30. FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探反演系统的主要用途FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探反演系统的主要用途 1、可以为隧道工程和桥梁工程提供更详细的地质构造信息。 2、铁路和公路的路基勘查，寻找路基下的空洞和不稳定区。 3、探测灰岩中的溶洞和岩溶发育状况。 4、寻找地下埋藏有害物，地下空洞，采空区和墓穴。 5、寻找地下水资源，大坝漏水区。 6、矿山帷幕注浆工程效果检测。 7、在金属矿山巷道内勘测巷道四周及巷道之间的金属矿藏的分布状况。

31. 四、系统组成 便携式计算机　　　　仪器主机箱 电缆 　　　　　　　　数据采集控制软件 数据处理和反演成象软件 电极

32. 五、施工和数据处理 1、简单化的模式 2、施工方法 3、数据处理方法

33. 1、简单化的模式 　我们的FlashRES反演成象系统，大大简化了电法勘探工作，不仅使野外工作的设计更加简单化，而且使数据处理和解释更加容易。这使得直流电法勘探有可能由非专业物探人员，经过简单培训就可完成现场勘测。 2、施工方法 对于野外施工，再无须由专业物探人员来确定使用何种电法的电极装置（如四级、三极等）来采集数据。使用我们的系统和仪器，在实际的勘测工作中，只要将电极、电缆和仪器连接好后，就可以开始自动进行数据采集。 FlashRES64直流电法勘探仪器所采集的数据，是其它普通电法装置所采集的数据的40倍以上，所以只需确定系统各组件之间连接正常，任何人都可轻松完成现成数据采集工作。目前，在国内外使用这种方法的只有我们一家。

34. 3、数据处理方法 　　　对于数据处理和反演成象，除了2-3个参数的选择外，基本上都是流程化的简单操作。与视电阻率图和由常规电法采集数据经反演得出的真电阻率图相比，Flash- RES64-2.5维反演系统得出的反演结果更为精确和直观。由我们的系统反演计算得出的真电阻率图，可以真实反映出地下不同电性异常体的位置和大小，资料解释时非常直观易懂，地质人员也很容易接受。这也大大减少了人为解释时造成的一些主观错误，比如在解释有多个异常体相关的视电阻率图时，人为造成的错误就会很多。再如采用同一地下地质模型时，用普通电法的不同装置和数据采集方式所得到的数据，经反演后得出的结果也不尽相同，这都是现阶段电法勘探面临的重要问题。

35. 六、井间与井地电法 1、系统说明 2、井间电法介绍 3、井地电法介绍

36. 1、系统说明 　　　我们的仪器不仅可以做地表电法勘探，也可以做井间、井地结合勘探，其应用范围比普通电法大大增强。我们的井间电法是将全部电极放入井中，即供电电极AB都在井中。井地结合电法是将一部分供电电极放在井中，另一部分放在地表进行测量。 　　　井间和井地电法不同于其它普通电法，普通电法一般只能在地表进行勘测，勘探的深度有限。我们的井间和井地电法是部分或全部在井中进行勘测，这样对地下较深处不同电性体之间的电阻率差异和异常，其反映能力就会更好。 2、井间电法介绍 我们的仪器和方法能够做井间的电法勘探，这在国内电法勘探市场上是独此一家。对两井之间的电阻率异常和分布，有比较好的勘测效果。 （见工程实例--井间电法实例部分）

37. 3、井地电法的介绍 1）、井地电法是将一部分电极放在井中，另一部分放在地表进行联合勘探。这样不仅能够做到普通电法可以做的近地表勘测，还可利用井中电极距地下异常体较近的优势，勘测更深处地下异常体的电阻率分布情况，结合我们的超高密度电阻率法，就会得到比普通电法更多、更准确的数据和信息。 2）、井地电法不同与充电法。充电法是将一个供电电极A放入井中，而另一个供电电极B则放在地表，再通电进行测量。我们的井地电法是将一部分（多个）电极放入井中另一部分放在地表，而且在井中的多个电极既可作为电流电极也可作为电势电极。这样就能够更好的反映地下较深处不同电性体之间的电阻率差异和异常。 3）、井地勘探比地表勘探具有更高的精度，和对地下较深处地质构造异常体的反映能力。用下面的模型来说明这个问题：

38. 　　　我们的电法勘探仪器在许多方面都有比较广泛的应用，下面用一些我们做过的工程实例，来说明FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探反演系统的优势。　　　我们的电法勘探仪器在许多方面都有比较广泛的应用，下面用一些我们做过的工程实例，来说明FlashRES64多通道、超高密度直流电法勘探反演系统的优势。 1、地表电法实例 2、井间电法实例 3、井地电法实例 七、工程实例

39. 1、地表电法实例 1）、工程名称：西安曲江碧水西岸小区古墓勘测 勘测时间：2005年8月 电极间距：4米 　　　我们已知古墓应在2－6米深的位置。从上面的反演剖面图可看出，有数个独立的高阻区在这一深度。所以我们推测这些高阻区可能就是古墓。后经与勘查的图纸核对，确实在除过12电极下的所有高阻区都与查出的古墓位置相符。为验证我们的数据，考古队又在12电极位置打钻孔，最后发现在12电极下面确实有一个被漏的古墓。

40. 　　　上面两个图的电极间距是1米，这是我们在已知古墓的准确位置后作的勘测。在第一个图上，红色的地方是高阻区，即是我们测到的古墓，由于我们的测线刚好与墓道墓室平行，所以高阻区比较长，大约有9－10米。从第二个图上，红色的地方也是高阻区，即是测到的古墓。由于我们的测线与墓道墓室垂直，所以高阻区比较短，只有2－3米。从这个工程实例中我们可以很清楚的看到，我们的仪器和反演方法所做的地表电法勘测，在对地下电阻率异常体的反映上，是很明显和准确的。对于我们的勘测结果，委托方也是很满意。　　　上面两个图的电极间距是1米，这是我们在已知古墓的准确位置后作的勘测。在第一个图上，红色的地方是高阻区，即是我们测到的古墓，由于我们的测线刚好与墓道墓室平行，所以高阻区比较长，大约有9－10米。从第二个图上，红色的地方也是高阻区，即是测到的古墓。由于我们的测线与墓道墓室垂直，所以高阻区比较短，只有2－3米。从这个工程实例中我们可以很清楚的看到，我们的仪器和反演方法所做的地表电法勘测，在对地下电阻率异常体的反映上，是很明显和准确的。对于我们的勘测结果，委托方也是很满意。

41. 2）、工程名称：澳大利亚地表电法勘探实例 勘测时间：2005年11月 电极间距：6米 　　　这是为澳洲澳宝开采公司所做的一个地表电法勘探结果。这是用FlashRES28系统采集的数据，经反演得出的真电阻率剖面图。

42. 2、井间电法实例 1）工程名称：澳大利亚ASR注水流向勘测 工程时间：2003年6月 电极间距：2米 　　　为了将冬季多余的水存入地下含水层供夏天再用，澳大利亚科学院做了这种ASR（含水层的存水和取水研究）实验。作为实验的一部分，就是利用电法勘探找出注入含水层的水的流向。 　　　如图孔A距孔B仅35米远，孔A距注水孔3米远，我们就利用这2个孔做井井透视，分别将两根带有28个电极（电极距为2米）的电缆放入两个待测的钻孔中进行勘测。由于地下含水层中的水是咸水，所以它的电阻率应低于注入淡水的电阻率。从这个反演的剖面上可以看出，左上方的电阻率较大，说明注入的淡水主要流向左上方，然后逐渐向下扩散。

43. 2）、工程名称：帷幕注浆效果检测 工程时间：2006年11月 电极间距：8米 　　　如下图中，W6和W604钻孔间距为48米，为了做井间透视勘测，我们分别将两根带有16个电极（电极距为8米）的电缆放入两个待测的钻孔中（未下套管部分），来检测两个钻孔之间区域内的电阻率的分布情况。注浆后混凝土填充岩石中的裂隙挤走水分，相对电阻率升高。从图中我们可以看出，井孔周围的高阻区域即为注浆效果较好的区域。 　　　通过以上2个工程实例可以明显的看出，我们的FlashRES64电法仪器也可以很好的完成井间勘测的任务，并且能很好的反映井井之间的电阻率分布情况。

45. 2）、工程名称：大连轻轨3号线桥基勘测 工程时间：2006年9月 电极间距：4米 　　　该工程是大连市三号轻轨线路中的桥基勘测，甲方已将直径1.5米的桩基坑打至26米深，准备将桩基坐落于26米深的基岩中，但由于事先没有做钻孔勘探，所以不能确定26米以下的基岩中是否有溶洞存在。委托我们公司用井－地电法勘测的方法确定26米基岩以下3－5米内是否有溶洞。 　　　我们用我公司开发研制的多通道、超高密度直流电法勘探系统对此项目进行了勘测，结果如下： 　　　从平面图上可看出，我们做了2条测线，每条测线上我们都将两个电极放入2个直径1.5米、深度26米的井中，每条测线共有28个电极，其中2个在井中。真电阻率剖面图是测得的数据经特殊的数据处理所得。在数据采集时，井深为26米，井中水位距地面约10米，从真电阻率剖面图中看出两个井的位置比较明显可见，这是因为井中的水导致井筒呈现为低阻。在井的下部呈现均匀高阻，但并未见团状高阻或低阻，所以可以断定没有溶洞存在，后经电话询问甲方井下确实未发现有溶洞，且桥墩已竖起。在此剖面图的电极20和21之间有一高阻柱状体，这一柱状体是由于正在做一个大的方形桥墩所挖的大坑所引起的。从这个剖面可看出在井的周围，特别是井底的分辨率是较为清晰的，这是因为两个在井底的电极的作用。单独用地表电法是绝不可能做出这样的结果。

47. 3 DEMONSTRATION MODELS

48. Inversion Results For The 3 Models

49. 引领电法勘探新革命 FlashRES64 　多通道、超高密度直流电法勘探反演系统