高密度電法中的兩種不同裝置應用效果對比研究

歐澤文，聶小力，羅敏玄

（中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙410600）

0 引言

高密度電法采集系統可選取直流電法中采用的任意裝置進行數據采集，而對于不同的地質背景，不同的勘探目標，不同裝置的應用效果將會存在差異。因此，如何根據不同的工區條件及勘探目標選擇最合適的測量裝置顯得尤為重要［1］。本文針對打井找水和隱伏斷裂勘探兩個目標任務，選用野外工作中的溫納裝置和偶極裝置實測數據，對同一地電斷面分別進行測量，在保證供電及測量參數一致的情況，用相同的數據處理方法進行數據處理并反演，對比二者的反演結果，給出了各裝置的優缺點，并從多個方面對比了兩種裝置的不同之處。

1 裝置介紹

1.1 溫納裝置

溫納裝置是一種電極按A、B、M、N依次等間距布置的對稱四極裝置。由于測量電極在供電電極內部，所以測得的一次場電壓VP值較大。即使地面干燥，接地電阻較大或供電電流較小時也具有較高的信噪比，且地形起伏干擾也較小［2］。但是溫納裝置的測量極距MN隨AB的增大而增大，故在深部測量時它的分辨率也隨之降低。其視電阻率ρs及裝置系數k的表達式為：

其中：

溫納（Wenner）裝置中，AM＝MN＝NB＝a，其裝置系數為：

1.2 偶極裝置

偶極裝置與溫納裝置不同，電極按照A、B、M、N的順序依次排列。同樣設置AB＝BM＝MN＝a時，溫納裝置與偶極裝置在相同電極數情況下所測得的數據點數是一致的［3］。但是由于測量電極位于供電電極外部，因此測得的一次電位為負值且幅度較小，同時信號強度也極易受到地下異常體的影響，且供電條件的改變也會影響信號的強度，因此偶極裝置對差異較小的地質體也能有明顯的異常反應，但需要較強的供電電流，地形起伏的干擾也較大。其 及裝置系數K表達式為：

其中：

如果取AB＝MN，則：

偶極裝置常取OO′中點為記錄點（其中O為AB中點，O′為MN中點）。OO′＝（n＋1）a。

2 野外工作情況

為更全面地研究溫納裝置和偶極裝置的應用效果，分別從打井找水和隱伏斷裂勘探兩個方面來展開對比。高密度儀器采用重慶地質儀器廠的DUK－4型高密度電法儀，G401線點距5 m，G801線點距10 m，供電時長0.5 s，停供時長0.2 s。供電高壓500 V。

2.1 打井找水中的應用

工區位于潘新鎮南約1 km處祁家村內，出露地層為第四系晚更新統，上古界泥盆系南灣巖組一段（Dn1）黑云變粒巖、黑云斜長片巖。根據地質情況并結合水文地質條件將找水目標定為第四系的松散空隙水。因此布置剖面G401，方位28°，垂直地下水滲透方向及查明地下水流通路徑，測量裝置使用溫納和偶極裝置。

數據處理采用儀器設備配套的二維高密度電法分析軟件和瑞典高密度（Res2Dinv）反演軟件。首先通過二維高密度電法分析軟件刪除測量過程中的明顯故障電極，再根據一次電位大小，供電電流大小以及Vp誤差等參數，人工剔除數據質量較差的數據點，最后整合測地工作中獲取的點位高程信息，對高密度電法剖面做相應地形校正，最后通過瑞典高密度反演軟件進行反演，得到兩種裝置電阻率剖面圖（圖1、圖2）。根據高密度剖面解譯成果顯示，電阻率普遍在100Ω·m以下，其下電阻率增高，電阻率約1 000Ω·m，第四系覆蓋層厚度約20 m，為坡積物層、沖積物層和風化層等，含水性較好，地下10～40 m有一低阻異常帶，推測為含水層，含水層較厚，多為孔隙水，具備開采價值，為此布置鉆孔進行驗證。下部電阻率較高，推測為下覆基巖，且有一定的傾斜角度，與以往調查結果基本吻合。

圖1 G401溫納裝置電阻率剖面圖

圖2 G401偶極裝置電阻率剖面圖

2.2 隱伏斷裂勘探中的應用

工區位于羅山縣周黨鎮北約3 km處楊柳村內，區內出露中古元界龜山巖組一段白云石英片巖、絹云石英片巖，中古元界龜山巖組二段斜長角片巖、夾斜長角片麻巖，中古元界龜山巖組三段斑點狀二云石英片巖、含斑黑云石英片巖、夾角閃片巖，白堊系下統陳棚組灰紫色安山玢巖、凝灰巖、凝灰質鈣質頁巖。為探明隱伏的角礫巖帶具體空間展布，設置了一條北東南西主測線G801，方位為28.9°，點距10 m，測量采用溫納裝置和偶級裝置。

在斷裂帶內，斷層面及破碎的巖塊造成的空隙使得斷裂帶與上、下盤圍巖通常存在電性差異，在電法勘探中表現為高阻異常或低阻異常。一般來說，如果斷裂帶區域內有地表水或地下水，地表水會順著破碎的巖塊空隙下滲，地下水也容易在斷裂帶內大量富集，這就會導致斷裂帶內的視電阻率下降，明顯低于圍巖，出現低阻異常；如果斷裂帶內區域內不含水，斷裂和破碎的巖塊會大大降低巖石的導電性，使得其視電阻率明顯高于上、下圍巖，出現高阻異常［4］。斷裂帶的這種電性特征為高密度電法勘探提供了良好的物理前提。

實驗線G801對同一斷面按照不同的跑極方式分別采集數據，經過室內的處理和反演，得到兩種裝置電阻率剖面圖（圖3、圖4）。由電阻率剖面圖可以看出左側區域電阻率在1 000Ω·m以上，推測為基巖區，右側電阻率小于100Ω·m，推測第四系覆蓋區。對比兩種裝置可以看出它們所反映的巖性分界面對應良好，均位于剖面420 m位置處，傾向陡。

圖3 G801溫納裝置電阻率剖面圖

圖4 G801偶極裝置電阻率剖面圖

3 應用效果對比

可以從實際應用效果中看出：兩種不同裝置電阻率剖面圖有所不同，溫納裝置和偶極裝置能夠明顯分析出電阻率的分布規律。溫納裝置所表現出來的測量電極距大，具有較高信噪比，其垂向分辨率相對較高，對地質體電性垂向分布特征反映較好，但是橫向分辨率不夠；偶極裝置對地質體在水平方向上電性變化反應相對更為靈敏，水平分辨率相對較高，而該裝置測量電極MN始終是一個電極間距，信噪比相對較低。溫納裝置垂向信噪比高，在打井找水中有較高的性價比，偶極裝置橫向信噪比高在反演圖中能明顯根據高低阻判斷出隱伏斷裂帶的位置。

4 結論

通過本次野外實際探測，得出溫納裝置在探測等軸狀低電阻率局部不均勻地質體的效果不佳，只可以對地下地質異常體的位置、走向進行大致的分析和判斷。其主要優點是對垂向視電阻率異常分辨率較高，抗干擾能力強。常用來解決垂向視電阻率的變化問題，特別是劃分層位，確定覆蓋層厚度及基巖面，抗干擾能力強且耗時較少，但其數據量有限。通常該裝置解決垂向變化（如水平層狀結構）問題比較有利，而對水平變化較大（如狹窄垂向結構）相對較差，在打井找水中有著事捷功倍的效果。

通過本次野外探測，認為偶極裝置對于電阻率變化有著最大的靈敏度和分辨率，特別是對等軸狀低電阻率異常地質體分辨率較好，可以較準確判斷地下異常體的中心位置、范圍、形狀、埋深等，解釋結果也較為準確，可以應用于實際探測中，適合用于地下管道，地下隧道，溶洞，隱伏斷裂勘探。

在實際工作中需要結合當地的地電條件，具體情況具體分析，先做試驗，選取最適合當地地電條件的裝置及方法，從而取得最佳的物探效果。