高密度电阻率法数据处理方法研究.docx

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高密度电阻率法数据处理方法研究

题目：

高密度电阻率法数据处理方法研究

英文题目：

Theresearchofhigh-densityresistivitymethoddatahandling

绪论1

第一章高密度电阻率法2

第一节高密度电阻率法原理2

第二节高密度电阻率法的工作方法3

第三节高密度电阻率法装置选择4

第二章数据处理概述6

第一节常规数据处理概述6

第二节改进的数据处理方法概述7

第三章理论模型研究8

第一节一个高阻柱状模型8

第二节两个高阻柱状模型10

第四章实例分析12

第一节高密度电阻率法实例12

第二节反演分析12

结论15

致谢16

参考文献17

摘要

简述了高密度电阻率法的工作原理。

对高密度电阻率法数据处理方法进行了探讨，并从理论模型和实例数据进行反演解释。

在理论模型中，通过对单个高阻柱状模型及两个高阻柱状模型的分析研究，表明T参数等值线图在反映高阻异常时具有较好的效果。

在实例中，采用α、β、γ装置进行高密度数据采集，对β、γ装置的视电阻率进行T参数分析。

通过对各二维视电阻率反演成果图及T参数等值线图的综合对比和解释，能够清晰的划分出存在的地质异常的区段。

结果表明通过高密度电阻率法多装置、多参数勘探，对各种装置真电阻率剖面图及T参数等值线图图综合分析解释，对确定地下地质体特征有较好的效果。

关键词:

高密度电阻率法；数据处理；T参数；理论模型

ABSTRACT

Thepaperintroducedtheworkingprincipleofthehigh-densityresistivitymethod.Wediscussedthedataprocessingtechniqueofhigh-densityresistivitymethodandinterpretedthedatainversionfromtheoreticalmodelsandinstancedata.Inthetheoreticalmodels,Throughanalyzingandresearchingintothetheoreticalmodelsofonedrumandtwodrums,showedthatwhenwewanttoreflectthehigh-resistanceabnormalitythattheTparametercontourmapcandoagoodjob.Intheexample,wemadeuseofα、βandγdevicesforhigh-densitydataacquisitionandanalyzedtheTparameterofβandγdevices,apparentresistivity.Throughthecomprehensivecomparisonandinterpretationofeachtwo-dimensionalinversionofapparentresistivityimagesandcontourmapsofTparameter,wecandistinguishtheabnormalsectionofgeologyclearly.Theresultsshowedthatbymeansofmulti-device,multi-parameterexplorationofhigh-densityresistivitymethodandthecomprehensiveanalysisandinterpretationofthevariousdevices，apparentresistivityprofilesandcontourmapsofTparameter,itisreallyachievedgoodresultsondeterminethecharacteristicsoftheundergroundgeologybody.

Keywords:

Thehigh-densityresistivitymethod;Dataprocessing;Tparameters;Theoreticalmodel

绪论

电法勘探作为地球物理勘探的一个重要分支，已广泛应用于矿产地质、水利水电工程、冶金工业、石油勘查等领域，并取得了较好的效果。

但其地质解释均以视电阻率ρs为依据，分析判断剖面上ρs的异常特征，结合地质情况，给出定性或定量解释。

有时由于对某些特征异常的分析不够确切，甚至得出错误的结论。

如果，我们针对视电阻率ρs的这一弱点采用某种数据处理手段，进而提高异常解释精度，那么将达到与客观实际更加相符的地质解释的目的。

高密度电阻率法是电阻率法勘探中的一个重要分支。

高密度电阻率法在实际工作中有多种装置可以选择。

在实际工作中采用多装置进行数据采集，这样能够提供比较丰富的地质信息，来推断解释地质体的位置及分布等特征。

然而，由于野外地质条件通常都较为复杂，致使真电阻率断面图一般均受到不同程度的影响，有的甚至会给资料解释造成很大困难。

因此，研究复杂条件下高密度电阻率法资料解释的理论和方法是物探工作者共同关注的问题之一。

在实际工作中，由于β装置和γ装置的垂向分辨率不如α装置好，所以在实际多装置工作中充分利用有用信息，前人提出对β装置和γ装置视电阻率做比值处理，即T参数，然后对T参数做等值线图。

结合各种装置反演得到的真电阻率剖面图和T参数等值线图，对实际工作做地质推断解释，以达到最好的解释效果。

本人借此次毕业论文之际，从常规高密度电阻率法数据处理方法和改进的数据处理方法两方面进行论述，较为深入的在理论和实例两方面对此种改进的数据处理方法的效果做分析。

在理论模型研究中，分别绘制出了一个高阻柱状体和两个高阻柱状体的β装置和γ装置真电阻率剖面图及T参数等值线图，并对其效果做分析，表明数据经过T参数处理之后有较好的效果。

在实际应用中，对常规处理方法的真电阻率值剖面图及改进的数据处理方法的T参数等值线图进行对比分析解释，得出T参数等值线图对推断解释有较好的效果，达到解释推断的目的。

第一章高密度电阻率法

高密度电阻率法（或简称高密度电法）最早起源于20世纪70年代末期的阵列电探思想，英国学者所设计的电测深偏置系统实际上就是高密度电阻率法的最初模式。

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，但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，其优点才被越来越多的人认识。

经过20多年的发展，高密度电法在仪器、软件、方法及应用上已取得了明显的成绩。

尤其是近几年，高密度电法勘探在各领域得到广泛的应用。

第一节高密度电阻率法原理

高密度电阻率法是常规电阻率法的一个变种，就其原理而言，与常规电阻率法完全相同，仍然以岩、矿石的电性差异为基础，通过观测和研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决水文、环境和工程地质问题等[13]。

高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法，是多种排列的常规电阻率法与资料自动处理相结合的一种综合方法。

现场测量时，只需将全部电极布设在一定间隔的测点上，测点的密度较常规电阻率法小，一般1m—10m。

然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换器上，电极转换器是一种由单片机控制的电极自动转换装置，它可以根据需要自动进行电极装置形式、电极距及测点的转换。

测量信号通过电极转换开关送入微机工程电测仪，并将测量结果依次存入随机存储器。

将数据回放到微机便可按给定程序对原始资料进行处理，图1为高密度电阻率法勘探系统结构示意图。

由于高密度电阻率法可以实现数据的快速采集和微机处理，从而改变了电法勘探的传统工作模式，大大提高了工作效率，减轻了劳动强度，使电法勘探的智能化程度向前迈进了一步。

图1高密度电阻率法工作系统示意图

第二节高密度电阻率法的工作方法

在现场测量时，只须在预先选定的测线上，将全部电极设置在一定间隔的测点上，然后选择合适的装置类型和电极距，仪器便可进行自动化数据采集。

再配上相应的数据处理、成图和解释软件，便能够完成给定的勘探任务。

高密度电法野外工作装置形式较多，总电极数与点距可根据场地条件及勘探深度任意选择，而且同一断面还可选用多种装置进行测量，减少仅用一种装置类型测量所造成的多解性。

高密度电阻率法所使用的装置是一种联合式剖面装置，装置形式约有九种:

α排列（温纳装置AMNB）、β排列（偶极装置ABMN）、γ排列（微分装置AMBN）、δA排列（联合正装置AMN∞）及δB排列（联合反装置∞MNB）适合于固定断面扫描测量；A—M（二极排列）、A—MN（三极排列）、AB—M（三极排列）及AB—MN（偶极排列）适用于变断面连续滚动扫描测量。

其中α排列因其具有操作方便和对地下异常体的反映比较直观等优点，故该装置在野外工作中最为常用。

图2为上述装置电极排列示意图。

图2高密度电阻率法装置排列示意图

固定断面扫描测量方法在测量时以剖面线为单位进行测量，启动一次测量最少测一条剖面线，一个断面由若干条剖面线组成。

由于剖面上的测点数随剖面号的增大而向下减少，故断面上的测点数呈倒梯形分布。

变断面连续滚动扫描测量方法在测量时以滚动线为单位进行测量，启动一次测量至少测一条滚动线，滚动线是一条沿深度方向的直线或斜线，各测点等距分布其上，所有滚动线上具有相同测点号的测点构成一条剖面，不同深度的测点位于不同的剖面上，一条滚动线上的测点数等于断面的剖面数。

一个断面由若干条滚动线组成，断面上的测点呈平行四边形分布。

第三节高密度电阻率法装置选择

通常来说，勘探装置的选择[12]取决于场地范围、地形状况、探测精度等因素。

（1）场地条件通常场地条件允许，一般都使用四极装置，因为该方法会获得最大的测量点位。

这对于节省外接电源、减小供电电压，特别是压制干扰、增强有效信号有着重要的意义。

但是如果场地条件不允许，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，但必须放置无穷远电极。

对于一些特殊场地的电法勘探，其空间固定且不易展开，可适当利用二极方法进行数据采集，其探测区域较大。

（2）地形条件地形的高低起伏对高密度电法勘探带来了一定得影响，因此现场采集数据时首先应尽量避免地形的起伏，同时考虑不同装置对地形的影响程度。

通常在高密度电法众多装置中，偶极装置受地形的影响最为剧烈，其本身的电阻率剖面图就已经复杂，如果加上地形的因素，其电阻率剖面图形态会变的很难辨别。

其次是三极装置，该装置遇到山谷或山脊时电阻率剖面图会出现多个峰值。

并且AMN和MNB两个装置的反应程度不同，故而判别起来困难较大。

相比来说，二极和四极装置受地形的影响较小，电测剖面形态比较好判别。

（3）探测精度探测精度（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。

依据相关试验结果显示，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[3]，不等距偶极最灵敏，β次之，α又次之，γ最次，许多生产单位只单纯使用α一种装置。

实际工作中如果同一条测线剖面选择多种装置进行数据采集，由此通过不同方法进行综合辨别与解释，可以提高探测精度。

第二章数据处理概述

数据处理是高密度电阻率法勘探中重要的一步，数据处理的好于坏直接关系到反演解释的成果。

高密度电法数据处理工作全部是在计算机上进行的。

首先，将野外原始观测数据传输到计算机中，根据需要启动相应的处理流程进行处理，最终处理结果以图件的形式表示。

第一节常规数据处理概述

由于地下不均匀体的存在、布设电极的接地电阻大、地形起伏及地质噪声等因素的影响，都会产生干扰异常。

为能得到真实的结果，一般要对原始数据进行预处理，以达到剔除干扰异常的目的。

常规处理主要是针对这些在实际工作中经常遇到的问题所作的，以便为后续实质性处理作好准备。

预处理方法主要包括剔除坏点、滤波处理和地形改正等几个方面。

在高密度电阻率法测量中由于电极接触不好或存在其它方面的干扰等原因，常常使数据断面出现一些虚假点或突变点，进而造成电阻率拟断面图的虚假异常，难于对其进行准确解释，所以要剔除数据断面中的坏点。

在仪器开始扫描之前，一定要对电极的接触情况进行检查，对接触不好的电极要设法处理，条件允许时，最好对电极进行浇水处理，改善电极接地条件，提高数据的采集质量。

但是当野外条件不允许，无法改善电极接地条件时，先将数据记录下来，然后再剔除掉断面记录中的虚假数据。

高密度电阻率法与其它电磁场测量方法一样,观测的视电阻率曲线亦受地形影响而发生畸变,常使反演结果出现假异常或假构造。

在野外实际工作中,地形往往是起伏不平的,起伏较大的地形有时足可以掩盖地下的真实异常,使得地形的影响是不可忽视的,所以大大地增加了分析难度甚至失去了探测的意义。

因此,为了充分发挥高密度电阻率法的探测效果,必须进行地形校正[7]。

使用瑞典ABEM公司的RES2DINV高密度电法处理软件可以对地形进行校正，前提是必须有地形文件。

本次数据数据处理使用RES2DINV高密度电法处理软件自动成图。

其工作原理是采用平滑约束最小二乘法算法（LokeandBarker,1996）[8,9]进行模型优化，利用地面上的电阻率数据生成地下的二维模型。

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以一定的比例系数。

最优化方法主要靠调节模型子块的电阻率来减少正演值与实测视电阻率值的差异。

这种差异用均方误差（RMS）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和不切实际的变化，从地质勘察角度而言，这并不是最好的模型。

一般情况向下，最合适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代迭代之中出现，即得到较为满意的反演结果[4]。

资料处理流程图如图3。

图3资料处理流程图

第二节改进的数据处理方法概述

由于高密度电阻率测量系统支持多种电极排列方式，只要把电极一次性布设好以后，就可以使用多种电极排列方式进行视电阻率参数测定，并且还可以把不同排列方式测得的视电阻率参数换算为比值参数。

利用比值参数的目的是为了提高视电阻率参数的分辨率和解释精度，减少因仅用单一参数经常出现的多解性。

目前，高密度电阻率法中比值参数有两类:

一类是直接用三电位电极系测量结果加以组合而成的;另一类是利用联合三极测量结果加以组合换算出来的[5]。

两种比值参数不仅具有以更加醒目的方式再现原有异常的特征;而且某些比值参数，在一定程度上还具有抑制干扰和分解复合异常的能力，从而大大改善了视电阻率参数反映地下目标物赋存状况的能力。

考虑到三电位电极系[10]（α温纳装置、β偶极装置、γ微分装置）中三种视电阻率参数（

、

、

;）的异常分布规律，选择以β和γ两种电极排列的测量结果为基础设计了

比值参数[6]，其表达式为:

由于

比值参数综合了β和γ两种视参数在反映同一地电体时异常的相对变化关系，因而用该比值参数所绘制的拟断面图，在反映地电结构的分布形态方面，远比相应排列的真电阻率拟断面图清晰的多。

所以TS参数不仅保留了二者的原有特点，还扩大了异常的幅值，从而使TS参数在反映地电结构的某些细节方面具有很强的表现，尤其在突出高阻异常上。

由于本次数据采集中采用三电位观测系统，故联合三极测量结果加以组合换算出来的比值参数在次不在叙述。

第三章理论模型研究

为研究改进的数据处理方法在异常解释中的应用效果，进行了一些规则异常体模型的研究工作。

模型正演方面，采用瑞典ABEM公司的RES2DMOD二维高密度电法正演处理软件，分别得出一个、两个高阻柱状模型的β、γ装置的视电阻率值。

并用RES2DINV对上述视电阻率数据进行反演，得到真电阻率断面图，并对理论模型的视电阻率值进行T参数处理，T参数等值线图用Surfer绘制，并对T参数等值线图和真电阻率断面图进行分析对比，得出对数据进行T参数处理后得到的等值线图在反映高阻异常方面具有较好的效果。

第一节一个高阻柱状模型

理论模型中，柱状高阻体长4米，高4.4米，分布在测线14.0米-18.0米段，柱状高阻顶板埋深位置在3.6米左右，底板埋深位置在8.0米。

高阻柱状地电模型、β、γ装置反演成果图及T参数等值线图如图4。

对β、γ装置在同一点的视电阻率求比值得到T比值，用surfer软件绘制T参数等值线图。

从图4（b）图中可以看出有明显高阻异常区，在测线13.0-18.0米段，顶板埋深位置在2.7米，但是没有反映出底板的埋深位置，并且高阻区电阻率值和背景值相差不大，与模型真实情况有一定得差异。

从图4（c）图中可以看出有明显高阻异常区，在测线13.5-19米段埋深2.5米处，同（b）图一样没有反应处高阻体底板埋深位置，并且高阻区电阻率值和背景值差异不太明显，与模型真实情况存在一定得差异。

从图4（d）图中可以看出有明显高阻异常区，在测线14.5-20.0米段顶板埋深位置3.7米，底板埋深位置在7.6米，由于T比值是无量纲的，故不能反映高阻体实际电阻率值，但是T参数等值线图对高阻体的埋深位置反映较好。

综上所述，T参数能很好的反映高阻体特征，和理论模型特征大致相同，而β、γ装置反演成果图中反映的高阻异常体的位置和理论模型有一定得差异，这验证了对数据进行T参数处理对地质体有较好的反映效果。

（a）

（b）

（c）

（d）

（a）高阻柱状地电模型；（b）β装置反演成果图；

（c）γ装置反演成果图;（d）T参数等值线图

图4

第二节两个高阻柱状模型

理论模型中，两个高阻柱状体长均为3.25米，高2.8米，顶板埋深位置均在5.2米，底板埋深位置均在8.0米。

两高阻柱状体分别在测线7.5-10.75米和22.25-25.5米。

两个高阻柱状地电模型、β、γ装置反演成果图及T参数等值线图如图5。

对球体β、γ装置在同一点的视电阻率求比值得到T比值，用surfer软件绘制T参数等值线图。

从图5（b）图中可以看出有明显两个高阻异常区，分别在测线9.7-13.8米段顶板埋深位置在3.3米和测线18.6-25米段顶板埋深位置在3.3米，和3.1章节中的一个高阻柱状模型的β装置反演成果图一样，不能突出高阻体底板位置，同时高阻区电阻率和背景值相差不大，与真实情况有一定得差异，反映不是很明显。

从图5（c）图中可以看出有明显两个高阻异常区，分别在测线6.8-12.8米段顶板埋深位置在2.6米和测线18.5-27米段顶板埋深位置在2.6米，同β装置反演图一样不能反映高阻体底板埋深位置。

从图5（d）图中可以看出有明显两个高阻异常区，分别在测线7.2-11.3米段顶板位置在4.1米底板位置在7.1米和测线22.1-27.5米段顶板位置4.1米底板深度7.1米。

综上所述，T参数等值线图能很好的反应出高阻体的埋深情况，而β、γ装置反演图只对高阻体的埋深顶板埋深情况有反映，但仍和实际模型体的情况有一定得差异，T参数等值线图对高阻体的反映更接近模型实际情况。

通过对以上理论模型的研究可以得出，高密度电阻率法数据经过T参数处理后能够较好的反映出高阻异常的特征。

和理论模型的β、γ装置反演成果图相比，具有很好的反映能力，效果较好。

对数据做T参数研究可以很好的弥补β、γ装置的垂向分辨率的缺陷，两者结合起来具有很好的解释效果。

（a）

（b）

（c）

（d）

（a）两个高阻柱状地电模型；（b）β装置反演成果图；

（c）γ装置反演成果图;（d）T参数等值线图

图5

第四章实例分析

第一节高密度电阻率法实例

本次高密度电阻率法实例中使用的仪器为WGMD—1型高密度电阻率测量系统[11]，场地选择在地势比较平坦，远离高压线以及埋设的各种通信线缆、电缆等，避免了由地形起伏和电磁感应的干扰。

数据采集前对仪器及配套辅助设备均进行了检查，其各项技术指标均满足要求；工作期间仪器性能稳定，工作正常。

本次高密度电阻率法实例勘探装置选择α、β、γ三种装置，排列电极总数相等，60根电极，电极点距为5m，最小间隔系数为1，最大间隔系数16。

在测量前，均先测量接地电阻，对接地条件较差的电极做浇水处理。

接地电阻均正常后，开始进行数据采集测量。

第二节反演分析

在数据反演解释中，使用瑞典ABEM公司的RES2DINV二维高密度电法反演软件和Surfer软件对数据进行处理。

在数据预处理中，首先对数据进行格式转换，转换成RES2DINV二维高密度电法反演软件类型，并剔除坏点。

用RES2DINV对数据坏点剔除，并做出视电阻率反演剖面图。

用Surfer对β、γ装置的视电阻率值求比值，然后画等值线图。

由于比值无量纲，所以不能代表各点的真电阻率值。

α、β、γ装置反演成果图及T参数等值线图如下（图6）。

从图6（a）图上可以看出，在测线100米处存在一个高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为5米；在测线195米处存在一高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为4米；在90米-110米段埋深28米处存在以高阻体，在140米-255米段埋深约6米处存在高阻区，推测为均为灰岩体。

在140米处灰岩面起伏较大，此处可能存在断层。

图6（b）图中，在测线101米处存在一个高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为5米；在测线195米处存在一高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为4米；在105米-155米段深度25米处及在175米-235米埋深8米处存在高阻区，推测为灰岩。

在160米处灰岩面起伏较大，上下错动，推断为断层发育。

从图6（c）图上可以看出，在测线98米处存在一个高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为5米；在测线195米处存在一高阻体，推测此处存在溶洞，埋深5米，直径约为4米；在85米-105米埋深33米处和150米-255米段埋深9米处存在高阻区，推断此高阻区为灰岩。

在110米-145米段基岩面起伏较大，推测此处可能存在断层。

从图6（d）图中可以看出，在测线100米埋深5米处存在一高阻体，T比值大于2，推断此处为溶洞发育，直径约为5米；在测线195米处存在一高阻体，埋深5米，推测此处存在溶洞，直径约为4米。

在85米-100米段埋深50米处存在一高阻体，在140米-230米段埋深8米处，存在高阻异常区，T比值大于1.5，推测为灰岩，由于此两处灰岩面起伏较大，推测在140米处可能存在断层。

综合以上各图可推测出，在测线100米埋深5米处存在一直径约5米的溶洞；在195米埋深5米处存在一直径约4米的溶洞；在测线140米处存在一断层。

T参数等值线图在解释方面有较好的帮助，在异常体的位置处出现高阻等值闭合圈，比处理前的β、γ真电阻率断面图要清晰和醒目的多，且细节明显。

但是由于物探异常多解性的存在，而却野外的实际情况也是千变万化，即使经T比值处理后，有事仍然不能完全消除各种影响，这点值得注意。

（a）

（b）

（c）

（d）

（a）α装置剖面图；（b）β装置剖面图；

（c）γ装置剖面图；（d）T参数等值线图

图6

参考文献

[1]曾玉娇.李文尧.刘志荣.高密度电阻率法不同装置在岩溶勘查中的效果对比.科技情报开发与经济.2008,18卷,18期.

[2]李金铭.地电场与电法勘探.