高密度电阻率法在水文地质勘查中的应用.pdf

第5卷 第2期 2007年6月 中国水利水电科学研究院学报 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research Vol15 No12 June ,2007 收稿日期2007203222 基金项目国家自然科学基金项目50569001 ;内蒙古重点科技攻关项目20040702 作者简介刘晓民1981 - ,男,蒙古族,内蒙古赤峰人,博士生,研究方向3S技术与水资源管理。 E2mail wanzheng1020 文章编号16722303120070220154204 高密度电阻率法在水文地质勘查中的应用 刘晓民,刘廷玺,万峥 内蒙古农业大学 水利与土木工程建筑学院,内蒙古 呼和浩特 010018 摘要介绍了近年来在水文、 工程、 环境物探领域中兴起的高密度电阻率勘测方法的基本原理,并针对内蒙古扎鲁 特旗南部地区开展高密度电阻率法测试的研究与应用。通过高密度电阻率法测量获得实测数据,进行反演分析, 求得差异反演区内地层的空间分布,同时结合钻孔实验资料及同期核磁共振数据,得到最终G MS数值模拟的较准 确的含水层空间分布模型,确定出该区域含水层厚度的空间结构特征,对区域地下水系统的识别分析提供了可靠 依据。 关键词高密度电阻率;扎鲁特旗;地层剖面;含水层;水文地质 中图分类号P641文献标识码A 近年来,电阻率法勘探在水文、 工程与环境地质调查中应用较为广泛。然而,常规的电阻率法由于 其观测方式的限制,不仅测点密度较稀,而且也很难从电极排列的某种组合上去研究地电断面的结构与 分布。因此,其所提供的关于地电断面结构特征的地质信息较为贫乏,无法对其结果进行统计处理和对 比解释。在工程与环境地质调查中,常规电阻率法已难以满足实际工作的要求。为此,人们开始将一些 新的思想应用于传统电法测量上,对其进行改进。高密度电阻率法就是阵列思想应用于电阻率法的产 物 [1 ,2] 。 阵列电法勘探的思想在20世纪70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。80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,所以并未引起人们的重视。直到90年代随着电子计算机的普及和发展,高密度电阻率 法的优点才被越来越多的人认识。 1 方法概述 111 工作原理 高密度电阻率法的物理前提是地下介质间的导电性差异。同常规电阻率法一样,它通 过A、B电极向地下供电流I,然后在M、N极间测量电位差UMN,从而可求得该点M、N之间的视电 阻率值ρaKUMNΠI见图 1 。实际上,高密度电阻率法是一种阵列勘探方法,测量时只需要将全部电极 几十至上百根沿测线按一定的电极间距布设在测点上,然后用多芯电缆线将各电极按一定的顺序连 接到电极转换器和多功能直流测仪上,进入正常测量时,利用程控电极转换开关和直流电测仪,便可实 现数据的快速和自动采集,观测数据将有序地逐次存入随机存储器内。当测量结果送入微机后,还可以 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 [3～5] 。 112 测点布设 野外实际测量中,先根据勘测目的、 勘测区域的大小及地质条件确定需要采用的电极 装置类型及测量布置方案,并按照测量顺序准备好测量电极文件,然后进行电极的布置。安置电极时要 451 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1 高密度电阻率法工作原理 注意使电极与介质充分接触,尽可能减小接地电阻,同时要注意防止勘测中出现电极极化现象,宜采用 不极化电极。 本次野外测量主要采用温纳法,温纳装置的电阻率测量方式及观测值表示如图2。图中A、B为供 电电极,M、N为测量电极,测量点为装置的中点。 图2 高密度电阻率法温纳装置排列方式及观测值示意 图3 高密度电阻率数据处理系统流程 高密度电阻率法温纳装置实质上是一种组合式的温纳装置。即首先选取基本点距a为极距电极 距离 , 作剖面测量,即极距不变,电极沿测线方向依次顺移一个。然后分别改变A、M、N、B之间相互 位置再进行剖面测量,即加大极距,增加测量深度;一般情况下选取AMMNNBnan 2 ,3 ,4⋯ ; 不论n等于多少,每次剖面测量时电极向前顺移的 距离均为a。因此对每一个固定的n值来说就是一 条剖面,而各重复观测的记录点又相当于一个测深 点,所以高密度电阻率法是电剖面法和电测深法的 综合,其测量值可以反应被测介质空间包括水平方 向和垂向上电阻率的变化。 113 数据处理 高密度电阻率的数据处理工作全 部在计算机上进行。处理工作一般分为预处理如 圆滑、 剖面调换、 数据格式转换等、 反演处理包括 地形校正等及剖面成图断面图 3 步进行见图 3 。 其中,反演计算是数据处理的核心部分。 根据最大相似反演理论进行介质电阻率反演计 算的步骤是 1 根据上述获得的视电阻率数据和其 他已知信息建立初始的介质电阻率模型 ; 2 针对该 电阻率模型,求解正问题,获得空间上的三维电势分 551 高密度电阻率法在水文地质勘查中的应用 刘晓民 刘廷玺 万峥 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 布 ;3 将计算所得的电势值与实测值进行比较,计算二者间的误差,并判断该误差是否小于事先给定的 某一误差范围 ;4 如果是,则认为该电阻率模型为计算区域介质的真实电阻率值,并结束反演结算;否 则,根据所得的误差和感度矩阵对电阻率模型进行修正,并重复上述计算,直至所得的误差小于给定的 误差范围为止。 反演处理中,地形校正是重要的一环。因为野外实地探测时,地形往往起伏不平,使得所采集到的 观测数据含有地形干扰因素,在分析与处理实测数据资料时,如不能很好地剔除地形影响,则有用异常 的反应往往变形变态,甚至被淹没。利用有限元正演数字模拟方法,可以进行有效的地形校正工作 [6] 。 具体步骤如下 图4 高密度电阻率法地形校正方法 1假定地下是均匀介质,通过有限元方法计算出纯地形影 响,见图4。 2按如下公式计算校正系统 CMMfΠUMt 式中C为校正系数;UMf为水平地表的电位计算值;UMt为实际地 形条件下的电位计算值。 3实际观测值按如下公式进行地形校正 ρacρamC 式中ρac是经过地形校正后的视电阻率值;ρam为野外实测视电阻率值。 2 应用实例及效果分析 211 任务与目的 近几年来,内蒙古扎鲁特旗的经济高速发展,为满足当地的发展需求,扎鲁特旗政府 委托内蒙古农业大学、 南京大学等高校对全旗进行水资源评价。将扎鲁特旗乌力吉木仁河以北的山前 丘陵平原区约2 900km 2 的地区作为研究区,并在研究区内规划水源地,为工业供水。本次评价通过高 密度电法测量获得实测数据,进而进行反演分析,求得差异反演区内地层的空间分布,同时结合钻孔实 验资料及同期核磁共振数据,得到最终G MS数值模拟的较准确的含水层空间分布模型,确定出区域含 水层厚度的空间结构特征,对区域地下水系统的识别分析提供了可靠依据。 212 研究区概况 研究区主要包括扎鲁特旗乌力吉木仁河以北的山前平原区和香山镇、 巴彦塔拉苏木 五陵区。西北边以山区和丘陵区界限为界,东北边以山区和平原区界限为界,东、 西边均以扎鲁特旗行 政边界为界,南部以乌力吉木仁河为界。 213 野外测试 在研究区钻探6眼地质、 水文地质孔,15眼观测孔,并严格按照 供水水文地质勘查规 范 提取岩样,进行室内试验求得水文地质参数。同时对水文地质孔进行垂向数字测井,获得地层年代、 地层岩性、 含水层厚度等资料见图 5 。根据地形、 地貌选择较为平坦的地方,布设长度不一的高密度 电阻率法物探地层剖面163条,测线穿过所钻探地质、 水文地质孔和研究区内前人所钻探地质、 水文地 质孔。根据测量结果和同期同地点获取的钻孔资料及原有资料对比,最后连出模拟研究区内相对均匀 分布的38条剖面,根据高密度电法测量的电阻率值分析求得差异反演区内地层的空间分布。 214 应用效果 采用由MH. loke博士设计的RES2DINV软件,对野外高密度电阻率数据进行二维反 演,并与钻探的地质、 水文地质孔对比分析。根据反演及分析结果,在G MS610中用SOLID模块,生成研 究区的地层剖面。与本地区已知地质资料对比发现,模拟结果和该区实际情况基本一致,具有较好的可 用性。 3 结论 高密度电阻率法将实测数据与便携式微机通讯,可进行现场实时处理,实现了野外数据采集、 收录、 处理、 成图成像自动化。与传统电阻率法相比,成本低、 效率高、 信息丰富、 解译方便、 勘探能力显著提 651 高密度电阻率法在水文地质勘查中的应用 刘晓民 刘廷玺 万峥 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图5 某水源地地质钻孔柱状图及垂向数字测井 高。表明该方法对研究区的浅层地层分布、 地质构造均可取得较理想的探查效果,为准确掌握该地区水 文地质条件提供了可靠依据。 高密度电阻率法虽有其独特的优越性,但也存在局限性和不足之处,如测线附近的电力设施、 地下 管线等都可能引起视电阻率曲线的畸变,影响探测成果的精度,另外采用该法不能了解岩土的力学性 质,因此需要与钻探配合方可取得优质高效的勘察成果。 参 考 文 献 [1] 杨进,郑于文.高密度电阻率的原理与技术[J ].工程勘察,1989 ,2 73 - 76. [2] 王兴泰.高密度电阻率及其应用技术研究[J ].长春地质学院学报,1991 ,213 341 - 348. [3] 王文龙,陈天逵.浅论高密度电阻率法在工程勘测中的应用效果[J ].物探与化探,1995 ,193 229. [4] 张献民,王俊茹,刘国辉.应用高密度电法探测煤田陷落柱[J ].物探与化探.1994 ,185 363 - 370. [5] 寇绳武,李克祥,郭舜,等.高密度电法探测洞穴、 采空区的效果分析[J ].工程勘察,1994 ,6 61 - 65. [6] Shima H. T wo2dimensional automatic resistivity inversion technique using alpha centers[J ]. G eophysics , 1990 ,556 682 - 694. Application of high density resistivity in hydrogeology reconnaissance LIU Xiao2min , LIU Ting2xi , WAN Zheng College of Water Resource and Water2Soil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Huhhot 010018 ,China Abstract This paper introduces the fundamental theory of high density resistivity applied in hydrology , civil engineering and geophysical exploration. An actual detection has been made in the south area of Zhalute County , Inner Mongolia by applying this . Results obtained with this were combined with the drill data for same items and at the same site obtained with the common hydrogeology , as well as the nuclear magnetic resonance. The SOLID module of G MS has been ulated for accurately modeling the special distribution of aquifer. The stratum section of aquifer in the study area is worked out. A reliable reference for confirming the hydrogeology condition in study area can be provided. Key wordshigh density resistivity; Zhalute County; stratum section;aquifer ; hydrogeology 责任编辑李福田 751 高密度电阻率法在水文地质勘查中的应用 刘晓民 刘廷玺 万峥 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.