高密度电法不同装置的勘探效果对比.pdf

2009年2月 物 探 装 备第19卷 第1期 重磁电技术 高密度电法不同装置的勘探效果对比 马志飞 3 刘鸿福 叶 章 杨建军 太原理工大学矿业工程学院,山西太原030024 摘 要 马志飞,刘鸿福,叶章,杨建军.高密度不同装置的勘探效果对比.物探装备,2009 ,191 52～55 ,67 高密度电法由于自身的优势而在工程地质勘察等领域得到越来越广泛的应用。其工作装置有很多种,在实践 中应根据各种跑极方式的特点来选取最合适的装置模式。通过野外实验研究,温纳装置的垂向分辨率相对较高, 施伦贝尔1装置对地质体的水平分辨率很高,温施1装置在测深方面具有明显优势。为了保证物探数据的准确 性,野外数据的采集最好采用两种或两种以上的装置,以便于资料的对比和室内解释。 关键词 高密度电法 温纳装置 施伦贝尔1装置 温施1装置 ABSTRACT Ma Zhifei, Liu Hongfu,Ye ZhangandYang Jianjun. Comparison of exploration effect for different devices of high2den2 sity electrical prospecting. EGP, 2009 , 191 52～55 ,67 High2density electrical prospecting has been more and more widely used in the region of engineering geological exploration since own superiority. 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; Schlumbeger21 device is characters of higher lateral res2 olution of geologic body; Wenner2Schlumberger21 device 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 interpretation. Key words high2density electrical prospecting , Wenner device , Schlumbeger21 device , Wenner2Schlumberger21 device 0 引言 在众多的直流电阻率测深方法中,高密度电阻 率法凭借其工作效率高、 反映的地电信息量大、 工作 成本低、 测量简便等突出优势,在煤矿采空区调查、 水库大坝的坝体稳定性评价、 坝基渗漏勘查、 堤坝裂 缝检测、 建筑选址的地基勘探、 涵洞和溶洞位置勘 查、 岩溶塌陷和地裂缝探测、 寻找地下水、 管线探测 以及岩土工程勘察等方面,发挥着越来越重要的作 用[1]。其原理与普通电阻率法相同,所不同的是在 观测中设置了高密度的观测点,工作装置组合实现 了密点距陈列布设电极,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,增加了空间供电 和采样的密度,提高了纵横向分辨能力和工作效率。 1 高密度电法的不同跑级方式 高密度电法集合了多种常规直流电法的跑极方 式,因此在实际工作中可以根据情况选择合适的装 置。具体的跑极方式有温纳装置方式WN、 施伦 贝尔1装置方式 SB1、 施伦贝尔2装置方式 SB2、 温施1装置方式WS1、 温施2装置方式 WS2、 偶极装置方式DP、 微分装置DF等[2～5]。 比较常用的是温纳、 施伦贝尔1和温施1方式。 1. 1 温纳 WN装置方式 温纳装置方式WN又称为对称四极装置方 式。A、M、N、B等间距排列,其中A、B是供电电 3 马志飞,男,1984年出生,现为太原理工大学地球探测与信息技术硕士生。 第19卷 第1期马志飞 等高密度电法不同装置的勘探效果对比53 极, M、N是测量电极, AMMNNB为一个电极 距,电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增 加,四个电极之间的间距也均匀拉开。该测量方式为 剖面测量方式,所得断面为倒梯形跑极方式见图 1 。 图1 温纳装置跑极方式 设测线上共有m个电极,隔离系数为n,则对应 于每一层位 n的测量数据个数为 m-n3; n层 数据乘以- 3为公差的等差数列分布,数据总数为 Sn m- 3- 3n n- 1 2 1. 2 施伦贝尔1 SB1装置方式 该装置的测量方式是测深测量。测量时, M、N 保持不动, A、B同时逐点分别向左、 向右移动,得到 一条滚动扫描测量线,然后A、M、N、B同时向右移 动一个电极,再按照同样的方式跑极,得到另一条滚 动扫描测量线。所得断面为矩形跑极方式见图 2 。 图2 施伦贝尔1装置跑极方式 设测线上共有m个电极,隔离系数为n,则对应 于每一层位 n的测量数据个数为m- 2n- 1 ;每层 的数据量一样,数据总数为 Sn m- 2n- 1 1. 3 温施1 WS1装置方式 此装置的测量方式是测深测量,它是温纳和施 伦贝尔的结合,在整条剖面测量中M N要由小到大 变化几次,但在M N为某一固定值时, A、B按施伦 贝尔1的方式移动。当温施间隔选择一固定值a 时,则M、N间的间距每隔a层增加两个电极距,即 M、N间的间距按1 ,3 ,5 ,7 ,⋯⋯ 等间隔增加,A和M、 N和B之间的电极距也按照隔离系数由小到大的顺 序等间隔增加。所得断面为矩形跑极方式见图 3 。 设测线上共有m个电极,隔离系数为n,则对应 于每一层位 n的测量数据个数为m- 2n- 1 ;每层 图3 温施1装置跑极方式 的数据量一样,数据总数也满足公式 Sn m- 2n- 1 2 勘探效果对比试验 2. 1 实验区地质条件 为了确保探测结果具有可对比性,选择同一地 点分别用温纳、 施伦贝尔1和温施1三种不同的跑 极方式进行实验,电极一次性铺设之后位置不再变 动,以保证获取的是同一断面的数据。 实验区位于山西省晋城市泽州县某煤矿。该区 域井田位于太行山西麓,沁水块坳的东翼南段,晋获 褶断带以东,为低山区,区域地层总体走向北北东, 倾向北西。由东向西依次出露奥陶系、 石炭系、 二叠 系等地层,第四系松散沉积物广泛覆盖于各时代地 层之上。3号煤为可采煤层,煤层平均深度为60m。 所选实验剖面线处在煤矿3号煤层采空区之上,地 形平缓,部分地段出现因采空而造成的沉陷。采空 区内因停产数月而积水严重。 2. 2 所用仪器及参数 使用仪器为重庆地质仪器厂生产的DU K- 2A 高密度电法测量系统。主要参数为供电电压 180V ;电极总数81 ;点距10m ;剖面层数20 ;选用的 跑极方式有温纳、 施伦贝尔1和温施1。 2. 3 勘探结果 S1实验线对同一断面按照不同的跑极方式分 别采集数据,经过室内处理和反演,得到三条断面图 见图4、 图5和图 6 。其中横坐标表示距离,单位 为m ;纵坐标表示深度,单位为m ;右侧的刻度为 视电阻率,单位为Ωm。 从三幅图上可以看出,在各个装置自身能探测 到的区域,视电阻率异常变化比较一致,水平方向 上,在220～280m、320～360m、580～600m的区域 都出现视电阻率的相对低值,其他区域为相对高值, 特别是在深度60m附近,这种低值异常恰恰表明了 该深度范围内存在的煤矿采空区。 54 物 探 装 备2009年 图4 S1实验线温纳反演 图5 S1实验线施伦贝尔1反演 图6 S1实验线温施1反演 从理论上讲,当煤层未被采动时,地层一般呈现 成层性和完整性,在小区域内同一地层的电性差异 不会太大。通常情况下,视电阻率值以采空区空 洞为最高,其次是石灰岩、 煤层,泥岩及充水岩溶裂 隙岩层为最低。煤层被采空后,在煤层上下岩层间 形成一定的空袭,破坏了岩石的完整性、 连续性,故 该处电阻率值明显高于周边完整岩石处的电阻率, 表现出明显的局部高阻特性。当采空区的空隙被水 充填,其电阻率呈低阻反映,没有被水充填的采空区 和巷道为特高阻,灰岩层为高阻,煤层呈中到相对高 阻。灰岩层和未开采煤层横向较均匀且分布范围一 般很大,充水的巷道呈低阻但范围很小[6]。这些特 性成为电法探测地下采空区良好的地球物理前提。 所不同的是,温纳剖面在120～180m之间还存 在一个低值异常区域,而在施伦贝尔1反演剖面和 温施剖面上都没有反映,这是由于它们的测量方式 不同所造成的。对于一条完整的剖面,温纳装置的 数据在测线的首尾部分都有分布,但是越靠近测线 的端点,数据量越少,勘探深度越来越浅,虽然取得 了很大的数据量,但是缺乏可以对比的周边数据,因 此温纳装置对于水平变化较大的地质体反映相对较 差,而其垂向分辨率相对要好一些。 施伦贝尔1反演剖面上视电阻率异常横向变化 很强烈,在220m、280m、320m附近都出现了横向突 变,在水平方向上的高低阻异常很明显,而且在420 ～440m和580～600m的区域,出现的低阻异常比 温纳剖面清晰很多,在260m附近出现的高阻异常 在深度60m处还有反映,而在温纳剖面和温施1剖 第19卷 第1期马志飞 等高密度电法不同装置的勘探效果对比55 面上基本没有显现。这表明,施伦贝尔1装置对地 质体在水平方向上的变化反应灵敏,水平分辨率相 对较高。 温施1反演剖面在60m深度范围的视电阻率 低值异常也能够清晰反映出来,和温纳装置相比,在 580～600m附近的反映更加突出一些,而且深部的 信息反映更多,温纳装置在深部的视电阻率曲线较 为平缓,而温施1反演剖面测深分辨率较高,抗干扰 的能力相对较强,它对地质体的垂向和横向都有着 适度的灵敏度。 2. 4 数据检验 为检验数据的稳定性和可重复性,做第二条实 验线S2 ,仅采用温纳装置,测线为EW方向,分两次 采集数据,分别是自东向西方向跑极和自西向东方 向跑极见图7和图 8 。图中显示,两次跑极所获 得的反演剖面图除了在细微部分稍有区别外,整条 断面呈镜像对称,反映了采集到的该断面的数据具 有可重复观测性。在保证各种参数不变的情况下, 只有采集到重复、 一致的数据,才说明该测量数据的 可靠性,才能真实地反映断面的地电状况。 图7 S2实验线温纳反演自东向西方向 图8 S2实验线温纳反演自西向东方向 3 结论 1温纳、 施伦贝尔1和温施1装置视电阻率 反演断面图基本情况比较一致,说明这三种装置都 能很清晰地反映勘探区的地电条件,具有很高的可 信度。 2温纳装置的垂向分辨率相对较高,对地质 体垂向分布的反映有比较高的灵敏度,因此,在工程 地质勘探中对垂向分辨率要求较高的勘探任务可以 选用该装置。 3施伦贝尔1装置对地质体在水平方向上的 变化反应非常灵敏,水平分辨率很高,实际工作中对 水平分辨率要求较高的勘探任务应选用此装置。 4温施1反演剖面测深分辨率较高,抗干扰 的能力相对较强,垂直方向和水平方向都有一定的 灵敏度,比较适合于做测深测量。 5三种跑极方式均有各自的优势,但由于高 密度电法的勘探深度有限,一般为测线长度的二分 之一到三分之一,因此不太适合于深度较大的勘探, 一般是用来进行剖面勘探。 6这三种跑极方式都是四极装置,比起三极 装置,受到地形的影响较小,而且不需要放置无穷远 电极,可以减少供电电压,并有利于压制干扰,增强 有效信号。 7工作中应根据工作区的地形地质条件、 勘 探目的、 勘探深度和勘探精度等因素来选择合适的 下转第67页 第19卷 第1期刘全利 VTS系统安装中工区底图的制作67 表3 华北某地的测量参数 projection parametersdatum shift WGS - 84 to local ellipsoid projection typetransverse mercatorDx- 4.754 grid zonezone 20 NDy- 122.286 false easting500000. 0000Dz- 47.476 false northing0. 0000 lat of origin000′00.00000″Nsatellite ellipsoid parameters central meridian11700′00.00000″Eellipsoid nameWGS 1984 scale at origin1semi2major axis a6378137. 0000 measurement unit international metersreciprocal flattening 1/f298. 25722356300 ellipsoid namekrassovsky semi major axisa 6378245. 0 inverse flattening298. 3 根据表3中的参数,建立华北某地的坐标系统 如下七参数格式 “ Gauss2Kruger Beijing195462degree zone ” “GK Zone 20 Beijing1954”, 8 , 9999 , 3 , 4.754 , 122.286 , 47.476 , 0.00 , 0.00 , 0.00 , 1.0 , 0 , 7 , 117 , 0 , 1 , 20500000 , 0 根据表3中的参数,也可以这样的华北某地的 坐标系统三参数格式 “ Gauss2Kruger Beijing195462degree zone ” “GK Zone 20 Beijing1954”, 8 , 999 , 3 , 4.754 , 122.286 , 47.476 , 0 , 7 , 117 , 0 , 1 , 20500000 , 0 3 结束语 VTS自推广使用以来,在各地震队生产指挥、 车辆管理中得到了较好的应用。今后还要不断地安 装VTS并进行软件升级,且各地震队开始新项目施 工后需要更新工区地图。希望本文能够对VTS系 统的安装、 维护起到参考作用。 参考文献 1 MapInfo公司. MapInfo用户手册. 1999 收稿日期 2007211223 上接第55页 装置。最好是选取两种或两种以上的跑极装置进行 工作,以便于进一步室内解释。 参考文献 1 董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J ].地学前 缘,2003 ,101 171～176 2 刘国兴.电法勘探原理与方法[M].北京地质出版社, 2005 3 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,20071 72～75 4 王怀坤,肖宏跃.高密度电法对垂向目标体勘探效果比 较[J ].物探装备,2008 ,182 113～117 5 秦福刚,戴隆沛,李磊等.高密度电阻率法的装置特点及 其在水源勘察中的应用.工程地球物理学报,2007 ,4 4 323～326 6 张进国,徐新学.高密度电法在地下煤矿采空区探测中 的应用[J ].西部探矿工程,2004 ,99 65～66 收稿日期 2008208226