董浩斌中国地质大学

Ⅰ 高密度电法反演问题求助

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高密度电法的发展与应用
董浩斌,王传雷
(中国地质大学地球物理系,湖北武汉!"##$!)
摘要:文中从电极排列,反演处理方法,仪器等几个方面,介绍了高密度电法的发展,说明了所有电
极排列方式是从对称四极,单极偶极和单极单极发展而来.在反演方法软件方面,介绍了基于圆滑
约束最小二乘法及计算机反演快速计算程序.同时,提出供电时间,极化补偿和电极转换开关是高密
度电法仪器发展的关键技术.文中列举了高密度电法在多个领域的应用简况,最后提出了高密度电
法在今后发展的趋势为高密度激发极化法,三维高密度电阻率法.
关键词:高密度电法;电极排列;反演软件;仪器;电阻率成像
中图分类号:%&"'("文献标识码:)文章编号:'##*+"+'(+##")#'#'$'#&
收稿日期:+##"#''#;修订日期:+##"#++#
基金项目:国家"九五"重点攻关项目(,&-++'-#'-#+)
作者简介:董浩斌(',&!—),男,博士,教授,地球物理及智能化仪
器专业,主要从事地学,工控等智能化仪器仪表的研究开发,信号
处理等研究和教学工作.
'高密度电法发展概况
这里的高密度电法指的是直流高密度电阻率法,
但由于从中发展出直流激发极化法,所以统称高密度
电法.高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法,
野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于测
点上,然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪
便可实现数据的快速和自动采集.当测量结果送入
微机后,还可对数据进行处理并给出关于地电断面分
布的各种物理解释的结果.显然,高密度电阻率勘探
技术的运用与发展,使电法勘探的智能化程度大大向
前迈进了一步.由于高密度电阻率法所具备的上述
优势,因此相对于常规电阻率法而言,它具有以下特
点:(')电极布设是一次完成的,这不仅减少了因电极
设置而引起的故障和干扰,而且为野外数据的快速和
自动测量奠定了基础.(+)能有效地进行多种电极排
列方式的扫描测量,因而可以获得较丰富的关于地电
断面结构特征的地质信息.(")野外数据采集实现了
自动化或半自动化,不仅采集速度快(大约每一测点
需+.*/),而且避免了由于手工操作所出现的错误.
(!)可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态,脱
机处理后还可以自动绘制和打印各种成果图件.(*)
与传统的电阻率法相比,成本低,效率高,信息丰富,
解释方便,勘探能力显著提高.
关于阵列电探的思想在+#世纪$#年代末期就
有人开始考虑实施,英国学者所设计的电测深偏置系
统实际上就是高密度电法的最初模式,0#年代中期,
日本地质计测株式会社曾借助电极转换板实现了野
外高密度电阻率法的数据采集,只是由于整体设计的
不完善性,这套设备没有充分发挥高密度电阻率法的
优越性.0#年代后期,我国原地质矿产部系统率先
开展了高密度电阻率法及其应用技术研究,从理论与
实际结合的角度,进一步探讨并完善了方法理论及有
关技术问题,也研制成了几种类型的仪器.
目前,研究高密度电法的方法技术和仪器的主要
有中国地质大学等,生产仪器的还有原长春地质学
院,重庆的有关仪器厂家.
近年来该方法先后在重大场地的工程地质调查,
坝基及桥墩选址,采空区及地裂缝探测等众多工程勘
察领域取得了明显的地质效果和显著的社会经济效
益.
+高密度电法电极排列的发展
(')高密度电阻率法测量方式:高密度电法开始
时,研究的排列方式主要有"种:!,"和#['.0].现在
排列方式已发展到十几种.不过仔细研究就可发现,
所有排列都是从对称四极(施伦贝谢尔,123456789:-
'$'第'#卷第'期
+##"年"月
地学前缘(中国地质大学,北京)
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!"),偶极偶极(#$%&'!(#$%&'!),单极偶极(%&'!(
#$%&'!),单极单极(%&'!(%&'!)演变而来(其中,!排列
方式无变种).如:!")"#)#$时,*+,'-./!"0!"排
列就变成"排列;!$)$")"#时,偶极偶极排列
就变成#排列;对于单极偶极排列,就有!"#,
"#$,!")"#和!"!"#等1种.至于所谓的滚
动排列装置,在电极排列方式上基本不变,只不过是
其排列方式有利剖面滚动衔接而已.
图2高密度电阻率法常用排列示意图
3$0425&..&67""789-9!#:&";$=8$.70$609-">!89
!,$—供电电极;",#—测量电极;%—电极距;&—电极系数
(;)高密度电阻率法反演的发展:国内研究反演
方法的很多,如王兴泰等"电阻率图像重建的佐迪
( &,#8)反演及其应用效果"(2@@A年)[2BC];王若等
"用改进的佐迪反演方法进行二维电阻率图像重建"
(2@@C年);张大海等"二维视电阻率断面的快速最小
二乘反演"(2@@@年);王丰等"改进的模拟退火方法
及其在电阻率图像重建中的应用"(2@@@年);王运生
等"用目标相关算法解释高密度电法资料"(;DD2
年);但真正推出商用软件的不多.
国外主要研究计算机自动二维,三维反演.二维
反演程序是基于圆滑约束最小二乘法(#!E"&&=(F!#'$6
和5&69=7/'!2@@D,*797G$2@@;)的计算机反演计算程
序,使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘新算法
(H&G!和I7"G!",2@@A)[J,C],使得大数据量下的计算
速度较常规最小二乘法快2D倍以上.圆滑约束最小
二乘法基于以下方程
('(')*+),-'(.(2)
其中,+)/
0
/
0
(K/
1
/
1
(;/
0
)水平平滑滤波系数矩阵
(,&"$L&6=7':'7=6!99:$'=!");/
1
)垂直平滑滤波系数矩阵
(>!"=$+7':'7=6!99:$'=!");')偏导数矩阵;'()'的转置
矩阵;*)阻尼系数;,)模型参数修改矢量(.&#!'
%!"=-"/7=$&6>!+=&");.)残差矢量(#$9+"!%76+8>!+=&").
这种算法的一个优点是可以调节阻尼系数和平
滑滤波器以适应不同类型的资料.
反演程序使用的二维模型把地下空间分为许多
模型子块.然后确定这些子块的电阻率,使得正演计
算出的视电阻率拟断面与实测拟断面相吻合.对于
每一层子块的厚度与电极距之间给一定的比例系数.
最优化方法主要靠调节模型子块的电阻率来减小正
演值与实测视电阻率值的差异.这种差异用均方误
差(MN*)来衡量.然而,有时最低均方误差值的模型
却显示出了模型电阻率值巨大的和不切实际的变化,
从地质勘察角度而言,这并不总是最好的模型.通
常,最谨慎的逼近是选取迭代后均方误差不再明显改
变的模型,这通常在第三和第五次迭代之中出现.
N4F4H&G!的二维,三维电阻率法和激发极化法
反演程序已商品化,被国内外大多数公司,单位所使
用,并与仪器相配套.
(O)深度问题:电阻率法的探测深度随着供电电
极!$距离的增加而增大,当隔离系数&逐次增大
时,!$电极距也逐次增大,对地下深部介质的反映
能力亦逐步增加.常规电阻率法在资料处理时多是
以!$2;为深度,为此,国内一些单位在处理高密度
电法资料时,用*P3QM软件形成视电阻率断面图进
行解释,没有进行反演处理.解释多数凭人的经验.
在高密度电法中,由于极距小,地电信息丰富,人工解
释的方法往往会造成误解.在N4F4H&G!的二维反
演软件中,层厚的设置:对于温纳和施伦贝谢尔排列,
第一层子块的厚度设置为D4R倍电极距.对于单极
单极,偶极偶极和单极偶极排列,首层层厚分别设
置为D4@,D4O及D4A倍电极距.后继层的厚度依次
递增2DS(或;RS).层厚也可由使用者设置改变.
(1)图示方法:高密度电阻率剖面一般采用拟断
面等值线图,彩色图或灰度图表示,由于它表征了地
电断面每一测点视电阻率的相对变化,因此该图在反
映地电结构特征方面具有更为直观和形象的特点.
(R)资料处理:数据圆滑是资料处理的常用方法
之一,原则上适用于各种电极排列的测量结果,但是
考虑到偶极排列(包括偶极偶极,单极偶极和#排
列)异常和地电体之间具有较复杂的对应关系,因此,
一般只对温纳四极排列(即"和施伦贝谢尔排列)的
测量结果进行圆滑处理.圆滑处理一般采用坏点切
除和滑动平均等.
;J2
董浩斌,王传雷T地学前缘(Q7"=,*+$!6+!3"&6=$!"9);DDO,2D(2)
!高密度电法仪器的发展
高密度电法是在常规电法基础上发展起来的,高
密度电法仪实质上是一个多电极测量系统,所以,高
密度电法仪形式是普通的电测仪"电极转换开关.
早期,电极转换由人工进行,后来微型计算机(处理
器)的发展,电极转换开关实现了自动化.
高密度电法测量系统包括数据收录和资料处理
两大部分.高密度电法仪器结构上的主要问题是:如
何实现测量主机与众多电极之间的连接.为此,出现
两种形式:传统式高密度电法仪和分布式智能化高密
度电法仪.(#)传统式高密度电法仪结构如图$,一
般%&根电极,通过%&根导线(有的做法是用#&芯或
#$芯的电缆,有的干脆用工程浅层地震仪的检波器
图$传统式高密度电法仪结构示意图
'()*$+,-./01(,231405(1(2607/871(9,-066.7
$:4.;(;1(5(;14( 81.5/871(9,-066.7
$:4.;(;1(<(1=(/0)(6)/.1.4
电缆,这样势必会造成耐压低,电流小)与电极转换器
连接.电极转换器有前述的两种,一种是步进电机驱
动的机械触点式,由%&路触点底盘,@路触点,电极
排列选择开关,驱动隔离电路及步进电机等部件组
成,由工程电测仪控制步进电机的转动,以实现不同
的电极极距和不同的排列方式.再一种是继电器型
电极转开关,工程电测仪输出一定的控制数码,通过
译码电路分别驱动不同的继电器的吸合,释放,达到
不同电极,不同极距的切换.这两种转换开关的仪器
有两点问题值得注意:机械式的问题主要是机械触点
接触可靠性;继电器式主要是连接电线问题(前者同
样存在此问题).($)新型分布式智能化高密度电法
仪结构示意如图![A].主要由笔记本式计算机(或工
控机),主机,主电缆和电极连接盒等组成.主机包括
发送控制命令,接收信号等部分;主电缆由#&芯电线
组成,主要作用是信号传输;电极连接盒根据主机的
命令进行电极转换和数据采集,传输.由于是一根电
缆覆盖所测量的剖面,并且使用微机进行控制,使得
每一个电极都可能成为!,",#,$极,中国地质大
学(武汉)研制生产的分布式高密度电法仪最多可进
行$@&道电极输入,原则上可方便地进行无限扩展
(由于受导线电阻,工作电流,工作电压和干扰的原因
的限制,所以建议道数不要过分追求),整套仪器体积
小,重量轻;再者,电极的连接是任意的,使用十分方
便.
!*"国外仪器
国外生产高密度电法仪的主要有日本的BCB公
司,瑞典的DEFG公司,法国的HIH+公司,美国的DJH
公司.这些仪器价位在%KL万美元(%&个电极配
置).国外仪器大多数是将电测仪与电极转换开关分
开的.$&&$年#$月份,美国的DJH公司出品一款新
仪器将电测量主机与开关单元结合在一起.但未见
国外仪器中使用MN机或类似MN机作为仪器主控制
器,实现现场测量曲线的报道.
!*#国内研制仪器的概况
国内自引进高密度电法以来,有不少单位投入了
该方法的理论,方法技术和仪器准备的研制.最早的
做法是:电极"连接导线或多芯电缆"机械式电极转
换开关(由步进电机控制)"工程电测仪.#AA@年的
《地学仪器》杂志上发表文章,报道了原地质矿产部机
电研究所研制的GHI高密度电法仪,其结构将机械
式电极转换开关改进成由单片机控制的电子开关.
现在,有的仪器厂生产的高密度电法仪就是引用的该
技术.#AAL年#$月,《地学仪器》杂志发表了中国地
质大学(武汉)在国内首创的分布式智能化高密度电
法测量系统的文章[A].
可见,国内高密度电法仪电极转换开关方面分!
类:机械式电极转换开关,电子式电极转换开关及分
布式智能化电极.
在主机方面,多数仪器使用的是单片机(微处理
器),而使用MN机(或工控机)作为主控制器,并在屏
幕进行现场曲线显示的只有中国地质大学(武汉)和
原长春地质学院骄鹏公司等少数仪器.
!L#
董浩斌,王传雷O地学前缘(F041-+,(.6,.'4261(.4;)$&&!,#&(#)
!!!高密度电法仪的关键技术
(")极化补偿,供电时间问题["#]:电法勘探中,电
极的极化电位成分是非常复杂的,笔者认为有如下电
位:!金属电极插入地面,金属表面与土壤之间就会
产生接触电位."地面本身存在自然电位.#在通
过一定电流时,电极与土壤之间,土壤内部(特别是潮
湿土壤)发生离子迁移,断电后,离子继续扩散,这一
系列过程产生各种电位[$].而且,这些电位是随时
间,随温度变化的,其变化范围在毫伏(%&)级以上.
就这一点而言,分辨率太高的仪器发挥不了作用.
图$不同供电情况下电极电位变化曲线
'()!$*+,-./,0/(123456,(07(88,5,0/94--2:
在激发极化法中,第三种电位是待测的有用信
号,而在电阻率法中,该信号是干扰.第一和第二种
电位相对讲是比较稳定的,而离子迁移产生的电位与
电场强度,供电时间成比例.高密度电法数据采集较
快,供电电极供完电后,马上又转换成测量电极,如果
转换的时间较短,而极化电位下降较慢,这就给测量
结果带来较大的误差.做过高密度电法的人都有体
会,在极距较大,电位差信号较小时,同一极距的剖面
曲线蹦跳得较厉害.实际上这种现象是电位差测量
不准造成的.这也许是前述中,美国仪器做偶极偶
极工作时要求!;=9),这一点与工作效率矛盾.
图$(1),图$( )是高密度电法测量系统中,两种
出现最大电极电位的情况.电极",#之间的供电电
压都是"@&直流,电极距都是=%,在断电瞬间开始,
每隔"9测量一次电位变化.经过"<#9,电极电位都
不能恢复到供电前的水平.可见,极化补偿在高密度
电法测量系统中是比较关键的技术.
(A)电极转换开关:对于传统式仪器,电极与电缆
是一一对应,但对于分布式仪器来说,智能电极是仪
器的关键所在.从主机电缆输出的信号,通过接口电
路控制电极转换开关进行电极切换.对此电路的要
求是:!抗干扰能力强,正确执行主机的指令,不能有
差错,否则造成测量结果不对或对仪器带来损害;"
对意外情况有一定的保护功能;#由于电极道数较
多,要求道间干扰小,对采集的数据无畸变.
$高密度电法的应用
(")国内应用:国内应用高密度电法比较多,领域
也较广,据不完全收集,主要有[""BA#]:刘晓东等(A##A
年)将高密度电法用在岩溶灾害调查中用于划分可溶
岩区,勘查基岩断裂构造,了解基岩岩溶发育情况等
方面;郭铁柱(A##"年)使用高密度电法在某水库坝
基渗漏勘查中收到了良好的效果;吴长盛(A##"年)
在某水库堤坝裂缝检测与评定研究中,运用高密度电
法,准确地确定了堤坝的隐患,并提出了水库堤坝隐
患治理的建议;王文州(A##"年)将高密度电法用在
高速公路高架桥岩溶地区地质勘探中.刘晓东等
(A##"年)在管线探测,物探找水,岩溶及地质灾害调
查等工程物探中使用了高密度电法;王玉清等(A##"
年)在高层建筑选址工作中的应用高密度电法,对区
内浅层溶洞的平面分布情况和空间展布形态,从环
境地球物理角度对工程选址及地基处理提出了合理
的建议;杨湘生(A##"年)在湘西北岩溶石山区找水
中应用高密度电法,在确定最佳井位方面发挥了重要
作用;张献民等("CC$年)应用高密度电法探测煤田
陷落柱,表明该法可有效地探测煤田陷落柱;刘康和
等("CC$年)采用高密度电法等,查明地表下一定深
度的断层;侯烈忠等("CCD年)通过对某机场主跑道
$D"
董浩斌,王传雷E地学前缘(F15/+G3(,03,'5.0/(,59)A##=,"#(")
高密度电法实测资料的处理和分析,简述了所探测的
异常体在多种处理图件上的反映特征及高密度电法
在地基勘探中的效果;王士鹏(!"""年)在水文地质
和工程地质中的应用高密度电法,在寻找地下水,查
明采空区,探测岩溶发育带和划分地层诸方面得到了
应用.值得一提的是,王传雷和董浩斌等(#$$$—!""#
年)将高密度电法应用于长江堤坝坝体电性随长江水
位变化研究中,提出使用高密度电法来监测堤坝隐患
的发展!.徐义贤,董浩斌等(!"""年)使用高密度电
法对树根分布情况进行探测,从而提出对名优树种进
行科学施肥的方案".
归纳起来看,主要应用领域和解决的问题有:
水利水电工程:!堤坝探测;"水坝粘土芯墙渗
检测;#堤坝灌注质量检测;$堤坝结构体探测;%水
库堤防渗漏检测;&水库堤防裂缝检测;'黄河堤防
隐患探测;(长江堤防垂直防渗墙质量检测.
环境工程地质:!滑坡调查;"边坡软弱夹层调
查;#冻土调查;$古岩溶探测;%岩溶探测.
工程地质勘察:!基岩面调查;"隧道渗漏探测;
#基岩面调查;$断层探测.
城市工程勘察:!城市管线探测;"人防工程探
测;#城市地下埋藏物探测;$路面塌陷调查.
工程质量检测:!隧道灌浆质量检测;"堤防灌
浆质量检测;#煤田采空区处理灌注质量检测.
考古,其它工程等.
(!)国外应用:从%&'公司公布的资料情况看,高
密度电法在国外被广泛应用,如:使用拖曳式电极对
湖底,浅海海底电阻率分布进行研究;堤坝隐患探
!王传雷,董浩斌(科学技术部重点项目,武汉市配套项目"堤坝
隐患探测技术研究"(#$$$—!""#年)(
"徐义贤,董浩斌(深圳市农科中心北侧树林探测根系试验报告,
!"""年(
测;地下水探测;隧道开挖方案确定(尽可能寻找软土
层位);污染物侵蚀分布情况探测;岩溶探测等等.
)展望
(#)二维工作方式将更加完善,特别是数据处理
方面.我国有关部门和单位应该担负起此责任,开发
出具有国产知识产权的软件产品.
(!)二维测量中,将同时进行时间域激电测量.
该功能在传统式高密度电法仪中难以实现,在分布式
仪器中,将能较好地解决.美国%&'公司,中国地质
大学(武汉)都推出了多用智能电极转换开关,可同时
接金属电极和不极化电极,以便可同时进行电阻率和
极化率测量.
(*)三维高密度电法测量将得到应用.三维高密
度电法由于其测量时间和反演运算时间长等原因,其
应用受到影响.国外%&'公司有相关报道,国内中
国地质大学(武汉)也进行了相关研究和试验[!#].随
着仪器水平的提高,软件水平的进步,相信三维高密
度电法将广泛应用.
本文应用了国内外相关的文献,但有些来源于'+,-.+-,,故
有的难以注明出处,为此特向有关人士致谢!
!"#"$"%&"'[参考文献]:
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生,王旭明(用目标相关算法解释高密度电法资料[G](勘察科
学技术,!""#(#):H!@HM(]
[H]E-&KTT8@NUL5'0J,JT0V8%W5UV(T;;4:<2+A-.<26+,63-+-.@
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董浩斌,王传雷[地学前缘(U4.,9V;2-+;-O.6+,2-.<)!""*,#"(#)
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