淺析提高深部高密度電法探測精度的方法

趙希正

摘要： 針對目前國內用于勘探的高密度電法儀器存在的供電缺限，提出重新設計高密度電法儀的供電系統、人工電流場穩定性智能檢測系統及電壓轉換智能控制系統的解決方案。本方案可以實現在一個完整的測量排列中，根據勘探區地電條件只要設定好參數，整個排列斷面的測量及供電電壓的跳轉將自動完成，無需人為干預。同時在整個排列測量斷面上建立了穩定的供電電流場，增強了抗干擾能力，保證了勘探精度與勘探深度，使高密度電法勘探的工作效率得到了很大的提高。

Abstract： In view of the power supply shortage existing in high-density electrical instruments used for exploration in China， the solutions for redesigning power supply system for high-density electrical apparatus， intelligent detection system for artificial current field stability， and voltage conversion intelligent control system are proposed. This scheme can be realized in a complete measurement arrangement. According to the geoelectrical conditions in the exploration area， as long as the parameters are set， the measurement of the entire arrangement section and the jump of the power supply voltage will be automatically completed without human intervention. At the same time， a stable power supply current field has been established across the entire surveying section， which has enhanced the

anti-jamming ability， ensured the exploration accuracy and exploration depth， and greatly improved the working efficiency of high-density electrical surveying.

關鍵詞： 高密度電法；人工電流場；視電阻率；干擾電平；信噪比

Key words： high-density electrical method；artificial current field；apparent resistivity；interference level；signal-to-noise ratio

中圖分類號：P631.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0276-04

0 引言

上世紀90年代初日本OYO公司和英國伯明翰大學最先研制出陣列電法勘探觀測系統，使電法勘探象地震勘探一樣使用覆蓋式觀測方式，可獲取地下介質的地電信息，這種電阻率陣列勘探方法稱高密度電阻率法。之后國外多家地質儀器公司開始研發此類先進設備。功能最突出的是德國DMT公司生產的RESECS高密度電法儀，該儀器將開關單元分布在各個電極上（解碼器），其主機有一個電流測量通道和能夠擴展為6個的電位測量通道，在單通道和多通道情況下均可最高控制960個電極。90年代末期我國自行研制的儀器開始使用于勘探領域。具有代表性儀器為重慶奔騰數控技術研究所生產的WDJD-3多功能數字直流激電儀與WDJD-3多路電極轉換器，實現了直流電法的高密度測量功能。以后隨著電子技術及計算機智能控制技術的發展該儀器在原來的基礎上作了改進與升級，研發了多種型號的電法儀，目前國內應用較多的為WDA-1和WDA-1B型超級數字直流電法儀，以此機為測控主機，可通過選配WDZJ-4或WDZJ-120多路電極轉換器、集中式高密度電纜、電極，實現集中式二維高密度電阻率測量；也可選配分布式高密度電阻率電纜或激電電纜、電極，實現分布式二維、三維高密度電阻率測量、分布式二維高密度激電測量。這些儀器在電路設計與智能控制及數據存儲與數據處理上有了很大的提高，但測量原理及供電控制方式基本沒有改變。

1 常規高密度電法勘探的供電測量方式

圖1是以A-MN-B四極測深裝置為例來表示高密度電法的供電測深原理。由圖中可以看出A與B為供電電極，M與N為測量電極，測量時M、N不動，A 逐點向左移動，同時B 逐點向右移動， A、B移動到設計的最大電極距為止，得到一條滾動線；接著A、M、N、B同時向右移動一個電極，M、N不動，A 逐點向左移動，同時B 逐點向右移動，得到另一條滾動線；這樣不斷滾動測量下去，得到矩形測量斷面。在完成整個斷面測量的過程中AB、MN電極的選通是根據設置的觀測裝置而自動完成的。

A-MN-B四極測深裝置在高密度直流電法勘探中是一個最基本的觀測裝置。它能代表直流電法勘探的基本原理，在每個觀測點上的供電測量方式等同于傳統的直流電測深的工作原理。

2 高密度電法供電電壓對探測深度的影響

理論上講直流電法的勘探深度主要取決于供電電極距的大小。工作中通常把AB/2的深度看作電阻率法的影響深度，而把AB/4的深度作為作為勘探深度。所以人們在高密度電法勘探實際工作中為了提高勘探深度而增大電極數量與電極間距是理所當然的。但是，當供電電極距擴大到一定程度，就必須有足夠高電供電電壓來保證地下半空間所建立的人工電流場的穩定，否則將是探測成果質量受到嚴重影響甚至產生錯誤。

在直流電測深法勘探中，當供電電極增大到一定程度時MN測量電極所測得電壓值就會變得很小，或不穩定，我們通過提高供電電壓及增大MN測量極距來提高地下半空間人工電流場強度與測量信號強度，這樣很好的解決了大極距測深的供電問題。

下面來討論高密度電法供電電壓對探測深度的影響：

直流電法勘探的基本原理是根據人工電流場在地下半空間的分布特征來研究解釋地下半空間的不同電性地質體的分布情況，如何在地面真實準確的觀測到人工電流場的分布特征，最基本的是要保證人工電流場的穩定，有足夠的抗干擾能力。就是要有足夠大的供電電流強度，來維持電流場的穩定。

在地面通過測量電極MN觀測到的電壓信號是直流電法勘探的原始數據，利用該數據和MN及供電電極AB的距離求取地下不同深度的視電阻率，所以整個探測過程中MN之間的測量信號的穩定性是至關重要的。下面我們還是以A-MN-B對稱四極測深裝置為例：

根據 I=K

I——AB極的供電電流強度；K=π——對稱四極的裝置系數；UMN—MN之間的測量電壓； ρs—視電阻率。

可以看出，在觀測裝置及地下半空間ρs一定的情況下，△UMN的大小取決于AB極的供電電流強度I。

我們假設地下為均勻半空間，視電阻率 =100ΩM；探測區工業干擾電平和極化電位為Ug=2mv，為了保證勘探質量，我們取在MN上能觀測到最小大于10倍干擾電平的電壓信號強度來滿足抑制干擾的要求，保證觀測數據質量。在最大供電電極距AB=55M；測量電極距MN=5M的條件下，計算高密度電法在最大供電電極距排列時所需要的最小供電電流強度為：

也就是說在AB=55M；MN=5M時AB的供電電流強度應≥94.25mA可滿足以上地電條件下的勘探質量。

上式也表明，如果勘探區的地電條件確定，要滿足≥10倍的干擾電平的測量信號需要的最小供電電流強度I的大小主要取決于裝置系數K，只要分別計算出不同最大供電極距AB與測量極距MN時的K值；再計算出他們之間的比例大小，也就確定了不同電極距時所需供電電流的比例大小。

表1是在上述地電條件下，不同最大供電極距AB與測量極距MN時計算出來的各個K值的比值，即各個供電電流強度的比值。

由表1可以看出：當供電電極距AB由55M增加到105M時，其對應的K值增加了3.667倍，直到AB增加到405M時，K值是55M時的54.667倍，同理所需的供電電流強度也要以同樣的比例增加才能保證上述地電條件下的探測質量。

高密度電法的電極排列布設完成后，每個電極的接地電阻也就確定。在一個完整的排列中供電電極AB之間的等效直流阻抗也已確定，所以通過AB供入地下的電流強度IAB大小取決于AB之間的供電電壓。所以得出：AB供電電壓的大小是影響高密度電法勘探深度的主要因素之一，勘探深度越大，AB所需要的供電電壓越高。

但是目前國內用于勘探的高密度電法儀器的供電方式是在一個測量斷面排列中供電電壓是固定不變的，這樣隨著供電電極距的增大地下半空間的電流密度變低，增大到一定程度使建立起來地下半空間人工電流場變弱或不穩定，尤其是大極距長斷面排列，電極數量較大，在供電電極A-B之間的電壓固定不變的情況下要保證小極距測量供電要求必然會影響大極距的供電，在接地條件不均、工業干擾嚴重的勘探區表現的更為突出。其結果導致在一個測量斷面上相對深部測量信號不穩，重復性變差，使探測深度受到限制，給勘探成果資料的解釋帶來較大困難。

下面以實地工作為例來分析研究供電電壓對探測深度的影響。

在工業干擾嚴重的勘探區進行電法勘探，首先要通過實驗了解勘探區內電、磁干擾的程度，選擇有效的觀測裝置及參數來壓制干擾，提高信噪比。神木市某煤礦生產礦井在開采3-1煤層時需要查明上覆2-2煤層采空區的富水情況，勘探區內2-2煤的埋深為60M～78M之間，所以選用高密度電法勘探，設計最大勘探深度為100M。本勘探區處在工業干擾嚴重的生產礦區，為了作好勘探工作，首先在區內地形平緩、地層穩定、無采空區的已知地段進行試驗以確定工作方法的有效性。

圖2是用相同測量裝置，不同的供電電壓所測得的視電阻率試驗斷面圖。由圖可知看出，在供電電壓分別為180V、270V、450V時測得三個視電阻率斷面圖在深度40M以上其視電阻率的分布特征基本一致，在180V供電的斷面上在深度大約40M～100M范圍，視電阻率等值線跳變嚴重，無連續性，與試驗區已知的穩定平緩地層的電性分布特征不符。在270V供電的斷面上在深度大約70M～100M范圍，視電阻率等值線曲變嚴重，同樣與試驗區已知的穩定平緩地層的電性分布特征不符。當供電電壓達到450V時，在深度100M范圍內整個視電阻率斷面表現為穩定平緩的層狀電性分布特征，與試驗區已知的穩定平緩地層的電性分布特征完全吻合。

試驗結果表明：在本區的地電條件下，高密度電法要達到100M的勘探深度，即最大供電極距等于400M時，需要450V的供電電壓才能能建立地下半空間的穩定電流場，這時MN之間才能觀測到穩定的電壓信號，受干擾電平影響較小，其探測成果才能真實的反映勘探深度范圍內的視電阻率分布情況。

但要說明的是，本區高密度勘探采用的電極道距是10M，所以最小供電電極距為30M。如果用5M電極道距、或勘探深度再次增大而需要提升電壓時，就會產生MN測量信號過大而影響勘探質量。如果采用增大起始供電極距，就會損失斷面淺層數據使整個測量斷面數據不完整。為了保證勘探質量在實際工作中在勘探深度較大的情況下，對一個斷面的掃描觀測要分兩次測量，即采用適當供電電壓完成淺部范圍的供電測量，再升高供電電壓完成深部范圍的供電測量。

3 如何解決高密度電法電供電電壓對探測深度的影響

以上通過理論與實踐的分析研究，表明影響高密度電法勘探深度的主要因素為：電極排列與供電電壓。電極排列可以根據勘探要求靈活設定，但在要求勘探深度較大的大極距長斷面探測中，目前儀器所采用的單一固定的供電電壓方式是滿足不了一個完整斷面掃描觀測的要求，需要設定不同深度范圍供電電壓進行多次測量，在數據處理中一個斷面的原始數據要經過對接生成，在野外工作方法上體現不了高密度電法的工作特點與效率。

如何解決上述問題，本文提出采取以下方案：重新設計高密度電法儀的供電系統、增加人工電流場穩定性智能檢測系統及電壓轉換智能控制系統。具體方案如下：

方案的內容主要包括以下三個電路單元，如圖3系統工作原理示意圖所示。

3.1 多路階梯式供電單元

該電路單元，用于提供階梯式的供電電壓，和/或用于輸出連續變化的供電電壓，初步確定輸出電壓分別為：DC30V；DC50V；DC90V；DC150V；DC270V；DC400V；DC600V。

DC30V～DC150V用于電極距小于3米，電極總數不大于60個的超淺層勘探。（深度<10米）

DC50V～DC270V用于電極距5米，電極總數不大于60個的淺層勘探。（深度<50米）

DC90V～DC400V用于電極距大于5米，電極總數60個的淺、中層勘探。（深度<100米）

DC90V～DC600V用于電極距大于5米，電極總數60～120個的中深層勘探。（深度<300米）

以上供電電壓的劃分是以往高密度電法勘探的經驗為依據的。勘探中可針對實際地電條件進行合理選擇與調整，以達到地下半空間能夠建立起穩定人工電流場為目的。

3.2 人工電流場穩定性的智能檢測與判定單元：

該功能單元，用于判斷地下半空間人工電流場是否穩定，并在確定所述地下半空間人工電場不穩定時向所述智能控制單元發送提醒信號，其判定方法為：

a.拾取測量電極MN之間的全波列信號與供電時序波形進行比較，利用比較結果來判定供電電流場是否穩定。

b.測量MN之間的電壓大小及相位來判定供電電流場是否穩定。

3.3 智能控制單元

智能控制單元，用于在接收到所述提醒信號后，對所述階梯式供電單元進行控制，實現供電電壓的自動調整。其原理為：

a.通過儀器操作面板設定人工電流場穩定性判定單元所需要的閾值參數對判定單元進行控制，達到適用不同地電條件下的人工電流場穩定性判定的目的。

b.根據判定結果信號對階梯式供電單元進行控制，實現供電電源的自動切換。

（圖3是以WDA-1型超級數字直流電法儀為主機WDZJ-4為多路電極轉換器組成的集中式高密度電法儀為基礎設計的，其原理同樣適用于分布式高密度電法儀）

儀器通過以上方案的完善后，可在一個斷面掃描排列中根據地電條件進行供電電壓的自動轉換，解決了淺層與深層的供電矛盾，可以使一個排列的測量斷面長度大大提升，同時也提高了勘探深度，克服了原儀器由于大極距供電不足而只能短斷面測量使勘探深度受到限制的缺點。真正提高了高密度電法勘探的工作效率。

由于在整個排列測量斷面上建立了穩定的供電電流場，消除非穩定場的影響，壓制工業干擾，提高了性操比，使測量成果能真實可靠的反映地下半空間探測深度范圍內的視電阻率分布情況。

4 認識及結論

①在高密度視電阻率勘探中，不但要針對探測目的層的深度設定最大供電電極距及測量電極距的大小、根據地形條件及勘探效率合理設定每個掃描斷面排列的電極總數即斷面長度，還要必須通過實驗了解勘探區工業干擾電平的大小，合理選擇能夠滿足最大供電電極距時的供電電壓，以保證最大供電極距時地下半空間人工電流場的穩定，提高信噪比。

②通過對目前國內用于勘探的高密度電法儀的工作原理和實際勘探成果的分析研究，得出影響高密度電法勘探深度的主要因素為：電極排列與供電電壓。

③針對高密度電法儀器的供電缺限提出重新設計高密度電法儀的供電系統、人工電流場穩定性智能檢測系統及電壓轉換智能控制系統的解決方案。本方案可以實現在一個完整的測量排列中，根據勘探區地電條件只要設定好參數，整個排列斷面的測量及供電電壓的跳轉將自動完成，無需人為干預。同時在整個排列測量斷面上建立了穩定的供電電流場，增強了抗干擾能力，保證了勘探精度與勘探深度，使高密度電法勘探的工作效率得到了很大的提高。

參考文獻：

[1]劉國興.電法勘探方法與原理[M].北京：地質出版社，2005.

[2]辛思華，宋仁成，楊建軍.高密度電法在煤礦采空區勘查中的應用[J].中國煤炭地質，2008，20（1）.

[3]祁明星，嚴建民.高密度電法在水庫壩基無損檢測中的應用[J].中國煤炭地質，2009，21（10）.

[4]王勃，劉盛東，張明，等.采用網絡并行電法儀進行煤礦底板動態監測[J]. 中國煤炭地質，2009，21（3）.

[5]楊玉蕊，張義平，繆玉松，等.高密度電法中勘探線長度與測深關系淺析[J].中國煤炭地質，2012，24（6）.

[6]張凌云，劉鴻福，李成友.高密度電法測量中接地電阻試驗研究[J].勘探地球物理進展，2010（03）.