高密度电法勘探的装置选择和资料解释
祁增云，任海翔，乔佃岳
（国家电力公司西北勘测设计研究院，甘肃兰州 730050）
摘 要：本文就高密度电法勘探做了一些综合性论述，重点就装置的选择、资料解释、限制因素以及高密度电法勘探后期展望做了一些探讨。
关键词：高密度电法；装置；解释
1 概 况
高密度电法勘探的出现使得电法勘探的野外数据采集工作得到了质的提高和飞跃，同时使得资料的可利用信息大为丰富，使电法勘探智能化程度向前迈进了一大步。但高密度电法其核心只是实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集，它的工作实质依然是常规电法勘探原理，所以说它只是一种基于老原理的采集手段的提高，它并未脱离直流电法的框架，并算不得是一门全新的勘探方法。但是，由于其采集密度的增大、排列装置的增多，为传统电法带来了新的活力，同时也为技术处理带来了新的课题。
高密度电法勘探的装置选择、资料解释是两个关键环节。排列装置选择得合适与否，直接关系到是否测试出探测目的所反映出的异常。资料解释则是探测目的最终反映和探测效果最直接表达。
2 装置的选择
选择哪种装置取决于场地大小、地形起伏、探测任务以及探测精度等因素。
2.1 场地因素
如果场地开阔，一般都使用四极装置（α、α2），因为该方法会获得最大的测量电位。这对于节省外接电源，减少供电电压，特别是压制干扰，增强有效信号，有着重要的意义。如果场地不允许，那么最好使用三极装置（AMN 、MNB ），三极装置比四极装置将节省一半的场地。
2.2 地形因素
高密度电法勘探应尽力避免地形的起伏, 然而事实常难随人意，这时候就得考虑哪种装置受地形的影响最小。在众多装置中，偶极装置受地形影响最为剧烈，它本身的电测曲线就已经复杂，如果加上地形的因素，其电测剖面形态会变得很难辨别。其次是三极装置，该装置遇到山谷或山脊时电测曲线会出现多个峰值，并且AMN 和MNB 两个装置的反映程度不均衡，故而判别起来困难较大。相对而言，四级装置受地形的影响较小，电测剖面形态比较好判断。
2.3 探测精度因素
掌握探测精度(灵敏度) 与装置的关系，是高密度电法中很重要的环节，也是众说纷纭，很难形成一个定论的问题。根据《高密度电法探测岩溶试验》结果，β装置灵敏度最高，γ次之，α最次，而据中国地质大学罗延钟教授研究，不等距偶极最灵敏，β次之，α再次之，γ最次，许多生产单位只单纯使用α一种装置。
Dr.M.H.Loke 认为:
（1）α装置对于电性的垂向变化比水平向变化反映灵敏些。一般来说，此装置解决垂向变化（例如水平层状结构）问题比较有利，而去探测水平变化（例如狭窄垂向结构）就相对差一些。
（2）不等间距偶极装置对于电阻率变化有着最大的灵敏度，它对垂向电性变化十分灵敏而对水平变化相对不灵敏。
（3）α2是最常用的方法之一。这种装置在水平和垂向结构中都有着适度的灵敏度。在希望这两方面都有好效果的一些地质构造领域中，这种装置往往是α和β之间的一个调和。
2.4 MNB 装置的特殊作用
MNB 装置除了场地狭窄时候很有用处之外，还可以利用它来详勘。
图1 忠和互通式立交D 匝道桥α装置ρs 视电阻率断面图
例如图1中采用α装置进行勘查，对于57.5m 桩号处的高阻异常区受“倒梯形”勘探面积的限制，该异常测量不够完整。这时可以采用三极中的MNB 装置对该部位进行详细勘查（图2），工作结果可以发现，该异常得到了较完整的测量。
图2 忠和互通式立交D 匝道桥MNB 装置ρs 视电阻率断面图
另外，高密度电法一般用来进行剖面勘探，不太适合于勘探深度较大的电测深，而水电行业中电测深用得广泛。在实际中，我们发现如果在勘探深度较浅的情况下，并且采取是两根电缆的仪器，那么可采用MNB 装置，先后将电缆互倒则可以快速、省力地得到整条剖面的电测深成果。
2.5 小 结
综合以上内容，根据我们的实践经验，得出这样的认识和结论：
（1）四极装置是公认的最稳妥的装置，所以在工作中一般应予以选用。如果探测精度要求高，则采用α2装置，否则，只宜采用α装置。β装置的灵敏度略高于四极装置，但假象增多，电阻率剖面形态复杂，一般不提倡使用。
（2）不等距偶极装置灵敏度最高，但引起假象的可能性也同时增大了，并且此装置信号衰减最快，信噪比会随探测深度的加大迅速降低，以有效信号限
制在间隔系数小于8来计算，其勘探深度偏小。
（3）对于剖面测量任务，应采用多种装置，但不主张采用过多装置。一则避免扩大工作成本和采集耗时，二则避免解释复杂，引起混乱。
（4）完成上述步骤后，对于局部重点部位显露不完整的部位，应采用三极装置中的MNB 装置进行详勘。
3 资料解释与分析
高密度电法资料解释一般分数据传输、定性分析和定量解释几个步骤。
3.1 定性分析
等值线绘图程序做出等ρs 视电阻率断面图，一般用美国Goldon 公司的Surfer 软件。使用此软件应注意两点：（1）它的网格系数不能偏小，否则会出现明显锯齿状的边缘，如图3a 。（2）对于具有梯形剖面形态的装置要进行空白处理，否则会出现虚假外延现象，如图3b 。
a b
图3 ρs 视电阻率断面图做图处理说明
ρs 视电阻率断面图是资料处理的重要分析依据，也是高密度电法勘探主要的定性图件之一。根据断面图中显示的电性分布特征，判断出地质体的视电阻率范围，圈定出电性异常，此时充分应用已知地形、地质资料以及所采用的电极装置，分析引起电性异常的原因，例如地形引起的假异常、局部不均匀体引起的异常和探测目的地质体引起的真异常等，从而剔除干扰留下真实异常，并判断出目的体的位置。
在自然界中，地质体的形状是不规则的，由于正演计算复杂，很多正演资料只提供了少数装置下的几个规则体的理论模型。在野外资料的定性分析中，一般用相近的理论模型去近似逼进已知地质体。比如用二维板状近似断层、三维球体近似溶洞等等。如果所取得的野外资料效果好，就可以应用相关理论判断出地质体的倾向等半定量的参数。
3.2 定量解释
高密度电法勘探的定量解释一直是个难题。时至今日，还没有一个完善的、公认的高密度电法反演软件。如何克服多解性，正确地反演出定量的结果一直困扰着电法勘探。大部分生产单位的解释工作也就停留在定性或半定量的阶段。对于规模、埋深等定量参数，行业不同，要求有所不一。象地质矿产部门，这方面的要求要低一些，他们更注重探测目标的平面位置及电性参数，而在水电行业，寻求埋深、规模的实际意义远大于电性参数，故而各行业采取的解释方法差别较大。有的单位靠人工挖掘，有的单位凭地质推断，有的单位避而不提。值得参考的一种方法是依据钻孔资料取得真实深度与相应电极距间的比值关系去推算整个测区。这一比值有些单位直接固定为1/2或1/3的经验值，根据实践经验来看，
固定比值法是一种不得已的方法。
一些科研单位一直在积极研究此方面的工作，陆陆续续地推出了一些软件。其中比较好的有：国外M.H.Loke 工作组开发的“RES2DINV 软件”，中国地质大学“2.5维反演软件”和河北廊坊中石油物探所的“电法工作站”。前者已进入商业化阶段，但价格不菲，网上有它的限制版，后两者尚在完善当中。综观其功能，它们共同的缺点是：过于智能化，人工参与性不强，仍未摆脱多解性的限制，还停留在二维反演阶段等。
3.3不良地形、地质体条件下的勘探技术
在地形起伏较大或者存在不利于电法勘探的地质结构的测区中开展高密度电法勘探时，消除或压制干扰对于实际生产中的意义是不言自明的，也是困难的。根据国内外的资料，结合实际生产经验，通常采用且比较有效的方法有：
（1）同一测线采用两种以上的装置。装置选择的原则要考虑分辨率、受地形影响大小等等因素。
（2）正演。有些地质构造对高密度电法勘探如局部不均匀体、透镜体、特殊隐伏构造等，单纯依靠软件反演会造成很大的误差。此时应根据已知情况进行正演，在正演取得好的效果的基础上进行反演解释。
（3）地形校正。
起伏较大的地形引起的电性异常足可以掩盖真异常，从而大大在增加了分析难度甚至失去探测的意义。地形校正一般采用“比值法”：
ρs =ρst ρo ρs / （1）
式中，ρst 为实测视电阻率；ρo 为地表无起伏时的理论视电阻率；ρs 为实际地形的理论视电阻率。
对于ρo 、ρs 一般采用有限元法、有限差分法等进行计算，这是一项计算量复杂而且庞大的工作，只能用软件来完成。目前，只有少数程序才具有此项功能，一般为二维校正，与实际勘探中的三维地形有一定的差距。
4 应用的制约因素
由高密度电法的产生发展可知，高密度电法的基础原理还是常规电法，所以它依然继承了常规电法固有的制约因素。在水电行业应用中，主要呈现的制约因素有：
（1）地形的影响是本行业最常见的影响因素，尽管目前也出现了地形改正软件，但功能完善的并不多，总体效果不是很理想。
（2）探测体埋深过大。根据电法理论，探测体的规模与埋深需达到一定比例后方能被探测。如果规模偏小，埋深偏大，则不能被仪器有效接收。理论推导，直流电阻率法的最大垂向分辨能力（探测深度）深径比对二度体不超过7/1，对三度体不超过3/1。
（3）多解性。由电法理论可知，探测体的电阻率和埋深之间存在S 等值和T 等值关系，如果其中一个参数不确定，那么就可能对应多个结果而曲线形态和曲线拟合结果完全一样。这就会在工程应用中造成很大的误差。
（4）旁侧影响。两个相邻的测点，其中一个点靠近山体或水边，那么其曲线形态就会发生较大变化，相应的解释也会发生大的变动，然而事实上地质结构却没有多大变化。这种旁侧影响也会引起高密度电法产生较大误差。
图4 三维高密度电法勘探电极排列示意图
5 展 望
从国外网站上了解到，高密度电法探讨领域已面向三维勘探方向发展，国内一些科研单位也进行了试验性工作， 它的工作布置和数据采集如图4所示，它的资料解释图件也从二维的xz 平面发展成三维中任一平面，参看图5。
可以看出这种方法的解释更接近于实际，精度大为提高，参数更加丰富。但是此方法还停留在实验阶段，制约这一方法发展的主要原因是解释运算的数据量太大，尤其是反演中的雅可比函数矩阵尚无简便快速算法，它的计算量是目前最先进的个人计算机无法胜任的，所以只能等待先进算法的研究和计算机性能的提高了。
图5 三维高密度电法勘探成果图
参考文献：
[1] M.H.Loke ，Electrical imaging surveys for environmental and engineering studies,1999年8月，.
[2] 资源、环境与工程电法勘探方法技术交流会论文集[C]. 地质与勘探，2003年增刊.
[3] 水利水电工程物探新技术论文集[C].郑州：黄河水利出版社，2001.
[4] 刘善军, 等. 高密度电法数据处理及成图[M].北京:水利出版社，1997.
[5] 周颐善、钟本善, 等. 电法勘探数值模拟技术[M].成都:四川科学技术出版社，1986.
[6] M.H.Loke ，Rapid 3D Resistivity & IP inversion using the least-squares method , 2001.
高密度电法勘探的装置选择和资料解释
祁增云，任海翔，乔佃岳
（国家电力公司西北勘测设计研究院，甘肃兰州 730050）
摘 要：本文就高密度电法勘探做了一些综合性论述，重点就装置的选择、资料解释、限制因素以及高密度电法勘探后期展望做了一些探讨。
关键词：高密度电法；装置；解释
1 概 况
高密度电法勘探的出现使得电法勘探的野外数据采集工作得到了质的提高和飞跃，同时使得资料的可利用信息大为丰富，使电法勘探智能化程度向前迈进了一大步。但高密度电法其核心只是实现了野外测量数据的快速、自动和智能化采集，它的工作实质依然是常规电法勘探原理，所以说它只是一种基于老原理的采集手段的提高，它并未脱离直流电法的框架，并算不得是一门全新的勘探方法。但是，由于其采集密度的增大、排列装置的增多，为传统电法带来了新的活力，同时也为技术处理带来了新的课题。
高密度电法勘探的装置选择、资料解释是两个关键环节。排列装置选择得合适与否，直接关系到是否测试出探测目的所反映出的异常。资料解释则是探测目的最终反映和探测效果最直接表达。
2 装置的选择
选择哪种装置取决于场地大小、地形起伏、探测任务以及探测精度等因素。
2.1 场地因素
如果场地开阔，一般都使用四极装置（α、α2），因为该方法会获得最大的测量电位。这对于节省外接电源，减少供电电压，特别是压制干扰，增强有效信号，有着重要的意义。如果场地不允许，那么最好使用三极装置（AMN 、MNB ），三极装置比四极装置将节省一半的场地。
2.2 地形因素
高密度电法勘探应尽力避免地形的起伏, 然而事实常难随人意，这时候就得考虑哪种装置受地形的影响最小。在众多装置中，偶极装置受地形影响最为剧烈，它本身的电测曲线就已经复杂，如果加上地形的因素，其电测剖面形态会变得很难辨别。其次是三极装置，该装置遇到山谷或山脊时电测曲线会出现多个峰值，并且AMN 和MNB 两个装置的反映程度不均衡，故而判别起来困难较大。相对而言，四级装置受地形的影响较小，电测剖面形态比较好判断。
2.3 探测精度因素
掌握探测精度(灵敏度) 与装置的关系，是高密度电法中很重要的环节，也是众说纷纭，很难形成一个定论的问题。根据《高密度电法探测岩溶试验》结果，β装置灵敏度最高，γ次之，α最次，而据中国地质大学罗延钟教授研究，不等距偶极最灵敏，β次之，α再次之，γ最次，许多生产单位只单纯使用α一种装置。
Dr.M.H.Loke 认为:
（1）α装置对于电性的垂向变化比水平向变化反映灵敏些。一般来说，此装置解决垂向变化（例如水平层状结构）问题比较有利，而去探测水平变化（例如狭窄垂向结构）就相对差一些。
（2）不等间距偶极装置对于电阻率变化有着最大的灵敏度，它对垂向电性变化十分灵敏而对水平变化相对不灵敏。
（3）α2是最常用的方法之一。这种装置在水平和垂向结构中都有着适度的灵敏度。在希望这两方面都有好效果的一些地质构造领域中，这种装置往往是α和β之间的一个调和。
2.4 MNB 装置的特殊作用
MNB 装置除了场地狭窄时候很有用处之外，还可以利用它来详勘。
图1 忠和互通式立交D 匝道桥α装置ρs 视电阻率断面图
例如图1中采用α装置进行勘查，对于57.5m 桩号处的高阻异常区受“倒梯形”勘探面积的限制，该异常测量不够完整。这时可以采用三极中的MNB 装置对该部位进行详细勘查（图2），工作结果可以发现，该异常得到了较完整的测量。
图2 忠和互通式立交D 匝道桥MNB 装置ρs 视电阻率断面图
另外，高密度电法一般用来进行剖面勘探，不太适合于勘探深度较大的电测深，而水电行业中电测深用得广泛。在实际中，我们发现如果在勘探深度较浅的情况下，并且采取是两根电缆的仪器，那么可采用MNB 装置，先后将电缆互倒则可以快速、省力地得到整条剖面的电测深成果。
2.5 小 结
综合以上内容，根据我们的实践经验，得出这样的认识和结论：
（1）四极装置是公认的最稳妥的装置，所以在工作中一般应予以选用。如果探测精度要求高，则采用α2装置，否则，只宜采用α装置。β装置的灵敏度略高于四极装置，但假象增多，电阻率剖面形态复杂，一般不提倡使用。
（2）不等距偶极装置灵敏度最高，但引起假象的可能性也同时增大了，并且此装置信号衰减最快，信噪比会随探测深度的加大迅速降低，以有效信号限
制在间隔系数小于8来计算，其勘探深度偏小。
（3）对于剖面测量任务，应采用多种装置，但不主张采用过多装置。一则避免扩大工作成本和采集耗时，二则避免解释复杂，引起混乱。
（4）完成上述步骤后，对于局部重点部位显露不完整的部位，应采用三极装置中的MNB 装置进行详勘。
3 资料解释与分析
高密度电法资料解释一般分数据传输、定性分析和定量解释几个步骤。
3.1 定性分析
等值线绘图程序做出等ρs 视电阻率断面图，一般用美国Goldon 公司的Surfer 软件。使用此软件应注意两点：（1）它的网格系数不能偏小，否则会出现明显锯齿状的边缘，如图3a 。（2）对于具有梯形剖面形态的装置要进行空白处理，否则会出现虚假外延现象，如图3b 。
a b
图3 ρs 视电阻率断面图做图处理说明
ρs 视电阻率断面图是资料处理的重要分析依据，也是高密度电法勘探主要的定性图件之一。根据断面图中显示的电性分布特征，判断出地质体的视电阻率范围，圈定出电性异常，此时充分应用已知地形、地质资料以及所采用的电极装置，分析引起电性异常的原因，例如地形引起的假异常、局部不均匀体引起的异常和探测目的地质体引起的真异常等，从而剔除干扰留下真实异常，并判断出目的体的位置。
在自然界中，地质体的形状是不规则的，由于正演计算复杂，很多正演资料只提供了少数装置下的几个规则体的理论模型。在野外资料的定性分析中，一般用相近的理论模型去近似逼进已知地质体。比如用二维板状近似断层、三维球体近似溶洞等等。如果所取得的野外资料效果好，就可以应用相关理论判断出地质体的倾向等半定量的参数。
3.2 定量解释
高密度电法勘探的定量解释一直是个难题。时至今日，还没有一个完善的、公认的高密度电法反演软件。如何克服多解性，正确地反演出定量的结果一直困扰着电法勘探。大部分生产单位的解释工作也就停留在定性或半定量的阶段。对于规模、埋深等定量参数，行业不同，要求有所不一。象地质矿产部门，这方面的要求要低一些，他们更注重探测目标的平面位置及电性参数，而在水电行业，寻求埋深、规模的实际意义远大于电性参数，故而各行业采取的解释方法差别较大。有的单位靠人工挖掘，有的单位凭地质推断，有的单位避而不提。值得参考的一种方法是依据钻孔资料取得真实深度与相应电极距间的比值关系去推算整个测区。这一比值有些单位直接固定为1/2或1/3的经验值，根据实践经验来看，
固定比值法是一种不得已的方法。
一些科研单位一直在积极研究此方面的工作，陆陆续续地推出了一些软件。其中比较好的有：国外M.H.Loke 工作组开发的“RES2DINV 软件”，中国地质大学“2.5维反演软件”和河北廊坊中石油物探所的“电法工作站”。前者已进入商业化阶段，但价格不菲，网上有它的限制版，后两者尚在完善当中。综观其功能，它们共同的缺点是：过于智能化，人工参与性不强，仍未摆脱多解性的限制，还停留在二维反演阶段等。
3.3不良地形、地质体条件下的勘探技术
在地形起伏较大或者存在不利于电法勘探的地质结构的测区中开展高密度电法勘探时，消除或压制干扰对于实际生产中的意义是不言自明的，也是困难的。根据国内外的资料，结合实际生产经验，通常采用且比较有效的方法有：
（1）同一测线采用两种以上的装置。装置选择的原则要考虑分辨率、受地形影响大小等等因素。
（2）正演。有些地质构造对高密度电法勘探如局部不均匀体、透镜体、特殊隐伏构造等，单纯依靠软件反演会造成很大的误差。此时应根据已知情况进行正演，在正演取得好的效果的基础上进行反演解释。
（3）地形校正。
起伏较大的地形引起的电性异常足可以掩盖真异常，从而大大在增加了分析难度甚至失去探测的意义。地形校正一般采用“比值法”：
ρs =ρst ρo ρs / （1）
式中，ρst 为实测视电阻率；ρo 为地表无起伏时的理论视电阻率；ρs 为实际地形的理论视电阻率。
对于ρo 、ρs 一般采用有限元法、有限差分法等进行计算，这是一项计算量复杂而且庞大的工作，只能用软件来完成。目前，只有少数程序才具有此项功能，一般为二维校正，与实际勘探中的三维地形有一定的差距。
4 应用的制约因素
由高密度电法的产生发展可知，高密度电法的基础原理还是常规电法，所以它依然继承了常规电法固有的制约因素。在水电行业应用中，主要呈现的制约因素有：
（1）地形的影响是本行业最常见的影响因素，尽管目前也出现了地形改正软件，但功能完善的并不多，总体效果不是很理想。
（2）探测体埋深过大。根据电法理论，探测体的规模与埋深需达到一定比例后方能被探测。如果规模偏小，埋深偏大，则不能被仪器有效接收。理论推导，直流电阻率法的最大垂向分辨能力（探测深度）深径比对二度体不超过7/1，对三度体不超过3/1。
（3）多解性。由电法理论可知，探测体的电阻率和埋深之间存在S 等值和T 等值关系，如果其中一个参数不确定，那么就可能对应多个结果而曲线形态和曲线拟合结果完全一样。这就会在工程应用中造成很大的误差。
（4）旁侧影响。两个相邻的测点，其中一个点靠近山体或水边，那么其曲线形态就会发生较大变化，相应的解释也会发生大的变动，然而事实上地质结构却没有多大变化。这种旁侧影响也会引起高密度电法产生较大误差。
图4 三维高密度电法勘探电极排列示意图
5 展 望
从国外网站上了解到，高密度电法探讨领域已面向三维勘探方向发展，国内一些科研单位也进行了试验性工作， 它的工作布置和数据采集如图4所示，它的资料解释图件也从二维的xz 平面发展成三维中任一平面，参看图5。
可以看出这种方法的解释更接近于实际，精度大为提高，参数更加丰富。但是此方法还停留在实验阶段，制约这一方法发展的主要原因是解释运算的数据量太大，尤其是反演中的雅可比函数矩阵尚无简便快速算法，它的计算量是目前最先进的个人计算机无法胜任的，所以只能等待先进算法的研究和计算机性能的提高了。
图5 三维高密度电法勘探成果图
参考文献：
[1] M.H.Loke ，Electrical imaging surveys for environmental and engineering studies,1999年8月，.
[2] 资源、环境与工程电法勘探方法技术交流会论文集[C]. 地质与勘探，2003年增刊.
[3] 水利水电工程物探新技术论文集[C].郑州：黄河水利出版社，2001.
[4] 刘善军, 等. 高密度电法数据处理及成图[M].北京:水利出版社，1997.
[5] 周颐善、钟本善, 等. 电法勘探数值模拟技术[M].成都:四川科学技术出版社，1986.
[6] M.H.Loke ，Rapid 3D Resistivity & IP inversion using the least-squares method , 2001.