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

文章摘要: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GMS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。
文章主题:高密度电阻率 扎鲁特旗 地层剖面 含水层 水文地质

文章内容：第5卷第2期中国水利水电科学研究院学报1.5.22007年6月1!!!.二!文章编号:1672.3031(2007)02-0154-04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::'641文献标识码: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'.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1.1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,日电极向地下供电流,,然后在,ⅳ极间测量电位差,从而可求得该点(,ⅳ之间)的视电阻率值=/,(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～.1.2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.安置电极时要收稿日期:2007.03—22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(1981一),男,蒙古族,内蒙古赤峰人,博士生,研究方向:3技术与水资源管理.-:020@163.一154—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,ⅳ'一面线图两密度电阻翠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,日为供电电极,,ⅳ为测量电极,测量点为装置的中点.勘测点32电极间隔数=1'2=3:4:)=643口33早图2高密度电阻率法温纳装置排列方式及观测值示意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.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,,ⅳ,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===舳(=2,3,4…);不论等于多少,每次剖面测量时电极向前顺移的距离均为0.因此对每一个固定的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.1.3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数据处理系统预处理系统主处理系统图件处理系统数据文件建立数据文件编辑图3高密度电阻率数据处理系统流程一155一006●口6..50口口5●口<>∞●<>弛一一一一一一一一一一一～一一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.具体步骤如下:(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:蛾式中:为校正系数;为水平地表的电位计算值;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=.式中:是经过地形校正后的视电阻率值;为野外实测