基于隔離系數-比值校正高密度電法淺部不均勻體效應的方法

楊庭偉，盧超波，姜洪亮，潘隆武

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

高密度電法作為工程地質勘察常用的物探方法，在眾多學者不斷優化發展下已非常成熟，但淺部不均勻體效應易造成解析結果失真，導致高密度電法探測深部地質體具有較大的難度。理論研究成果指出：位于地表覆蓋層淺部的不均勻體對探測成果有極大的影響，主要表現在兩個方面：(1)由于深部目標地質體反射信號較弱，造成探測接收信號與干擾信號疊加，信號的異常特征不明顯。(2)深部目標體信號被淺部不均勻體所覆蓋，繼而導致儀器接收的信息對深部目標體的分辨能力不足。大量的外業探測以及室內物理模型試驗均表明：在較為簡單的地質情況下，淺部不均勻地質體會造成視電阻率嚴重畸變，若忽略此影響直接進行反演解釋，對結論的準確性將造成顯著的影響，甚至可能得到錯誤的解釋結論。

為消除淺部不均勻體效應對反演解釋結果的影響，許多學者提出了針對特殊地質條件下提高反演解釋結果準確性的方法，如溫納偏置裝置測深法、圓滑濾波法及三維有限元數值模擬法等，取得了一些效果，但實際應用的普遍性仍有所不足，如裝置為非常規形式、難以預估淺部不均勻體的具體尺寸及電性參數等。

為將觀測數據中隱含的信息充分利用，根據高密度電法中淺部不均勻體具有深度小、信號強、反演分辨率高的特點，結合隔離系數n以及地質體深度h之間存在的對應關系，可選取主要反映淺部信息的較小n值情況的視電阻率數據，并進行反演獲得淺部不均勻體展布規模信息；然后根據“比值法”原理對原始視電阻率數據進行校正；將經校正后的視電阻率數據進行反演解釋，得到的結果更凸顯深部目標體信息，從而提高了對深部目標體的分辨能力。

1 提出問題

在高密度電法勘察中，偶極-偶極裝置是最常用裝置，其供電偶極子AB和測量偶極子MN一般均位于同一測線上，實際應用中一般采用AB=MN=a。在數據采集過程中，通過改變隔離系數n而使整個排列在測量剖面上不斷滾動，增加探測深度。其工作原理如圖1所示。

圖1 偶極-偶極裝置工作原理示意圖

為更好演示淺部低阻不均勻體效應對反演結果的影響，以高密度電法偶極-偶極裝置探測為例，采用數值模擬方法建立如圖2所示的地電模型，設有2.5維的水平地層，埋深1 m處存在1 m厚的低阻不均勻體，長25 m，電阻率10 Ω·m；深部目標體取正方體，位于低阻不均勻體底部以下2 m，邊長4 m×4 m，電阻率20 Ω·m；低阻不均勻體及深部目標體在測線垂直方向上均無限延伸，地層背景電阻率為100 Ω·m；測線共長46 m，電極數量為47個，測點距1 m，AB=MN=a=1 m，計算得到圖3所示的視電阻率擬斷面圖。

圖2 模型示意圖

圖3 視電阻率擬斷面圖

圖4 最小二乘法直接反演斷面圖

模型采用最小二乘法對視電阻率觀測數據直接反演的結果如圖4可見，淺部的低阻異常幾乎覆蓋了深部目標體的信息，在淺部低阻不均勻體下方存在閉合低阻異常，電阻率值與背景電阻率值差異較小，分辨較為困難，且目標體的空間位置偏移較大。

2 校正原理與方法

根據偶極-偶極裝置的工作原理，n增大而其探測深度h增加，對地下深部介質的反映能力也隨之增加，在反演解釋中對淺部地質體分辨能力較優，n與地質體深度之間為正相關關系。因此，可通過選取主要反映淺部信息的較小n值情況下的視電阻率數據進行反演獲得淺部不均勻體展布規模信息；然后根據“比值法”原理對原始視電阻率數據進行校正；將經校正后的視電阻率數據進行反演解釋，從而提高了對深部目標體的分辨能力。

采用“比值法”進行校正的計算式為：

(1)

式中：ρs——實測視電阻率；

ρd——淺部不均勻體正演計算視電阻率；

ρ0——背景(圍巖)電阻率；

ρa——經校正后的視電阻率。數據處理具體步驟如圖5所示。

圖5 校正方法流程圖

3 算例

對圖2所示模型，通過提出的校正方法流程進行數據處理，將原始視電阻率數據按照不同的n值進行分層排序，并選取n=1～10的數據進行首次反演，將反演得到的地電斷面構建模型進行正演，得到的結果通過采用“比值法”對原數據進行校正，最后將校正數據進行二次反演，得到最終深部目標體的反演結果如圖6所示。

由圖6反演結果分析可知：采用提出的方法進行數據的處理更顯著凸顯了深部目標體的信息，其深部目標體電阻率值及位置與真實模型相比均較為接近；但是在淺部低阻不均勻體下方出現高阻異常，這是由于比值校正過程中，初次反演的結果和實際淺部不均勻體模型相比位置存在一定的偏差，模型發生錯位導致數據處理出現“次生”的假異常。結果同時顯示n值選取對淺部不均勻體首次反演結果準確性有較大影響，如選取不當可能會帶來最終反演結果的虛假異常。

圖6 模型一校正后的反演斷面圖

4 n值篩選

在穩恒電場中，任意一處探測到的視電阻率其實是周邊空間介質對供電電流引起的反應結果。供電極距與地質體深度之間的對應關系均較為復雜，其電性結構的深度估計量只能根據簡單的模型給出，要精確得到實際的對應深度難度較大。主要通過試算結合現場鉆探對偽深度進行修正，以獲取合適的n值。

下頁圖7為選取不同n值進行校正的反演結果，當選取(f)n=1～10或(g)n=1～11時，目標體電阻率和空間位置與真實模型比較吻合。與文獻[9]中提出的偽深度約為真實目標深度的1.5倍也較為吻合。

5 結語

(1)提出利用隔離系數-比值法對高密度電法進行視電阻率數據解釋以提高對深部目標體的分辨能力，利用隔離系數將原始視電阻率數據分為不同深度的若干層，然后結合鉆探結果選擇合適的層數對數據進行首次反演，以獲得淺部不均勻地質體的地電信息；將得到的地電信息構造模型進行正演，結合“比值法”對視電阻率數據進行校正，以消除淺部不均勻體效應引起的影響，最后通過二次反演凸顯深部目標地質體的信息。

(a)n=1～5

(b)n=1～6

(c)n=1～7

(d)n=1～8

(e)n=1～9

(f)n=1～10

(g)n=1～11

(h)n=1～12

(i)n=1～15

(j)n=1～20

(2)校正效果的好壞與首次反演中對淺部不均勻體規模計算的準確性有較大相關性。選擇合適的隔離系數對視電阻率數據進行校正較為重要，隔離系數設置過大或過小均會對處理結果造成不利的影響。實際工程勘察中應結合合理鉆探結果對偽深度進行修正，提高隔離系數選取的合理性。