引用本文
杨兴沐, 黄卓雄, 葛为中, 梁炳和, 高建东. 遥控电极阵列拓展高密度电阻率法勘探深度研究[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 73-77.
YANG Xing-Mu, HUANG Zhuo-Xiong, GE Wei-Zhong, LIANG Bing-He, GAO Jian-Dong. Research on electrical resistivity imaging with telecontrol electrode array in surveying depth[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 73-77.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.13  
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遥控电极阵列拓展高密度电阻率法勘探深度研究
杨兴沐1, 黄卓雄1, 葛为中2,3, 梁炳和3, 高建东4
1.海南水文地质工程地质勘察院,海南 海口 571100
2.桂林理工大学,广西 桂林 541004
3.广西地球物理学会,广西 南宁 530000
4.山东正元地质勘查院,山东 济南 250101

作者简介: 杨兴沐(1957-),男,高级工程师,合肥工业大学毕业。从事地球物理勘探工作,已发表论文数篇。

收稿日期: 2015-07-06
摘要

高密度电阻率法测量道数多,工作效率高,但是受排列长度的限制,勘探深度较浅。在海南岛西南部裂隙型地热资源勘查评价中,使用遥控电极阵列新技术。在排列的两端延长地段,增加 A、 B导线和电极阵列,进行常规装置和任意极距测深观测,所得数据合并反演,勘探深度达到常规装置的三倍。取得良好地质效果,具有进一步完善、推广应用的价值。

关键词: 电法勘探; 高密度电阻率法; 遥控电极阵列; 勘探深度; 电测深; 地热资源
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0073-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.13
Research on electrical resistivity imaging with telecontrol electrode array in surveying depth
YANG Xing-Mu1, HUANG Zhuo-Xiong1, GE Wei-Zhong2,3, LIANG Bing-He3, GAO Jian-Dong4
1.Hainan Hydrogeologic and Engineering Geological Investigation Institute, Haikou 571100, China
2. Guilin University of Technology, Guilin 541004, China
3. Guangxi Geological Society, Nanning 530000, China
4. Zhengyuan Geological Exploration Institute of Shandong, Jinan 250101, China
Abstract

It can be seen that electrical resistivity imaging method, with high efficiency and multiple measuring lines, has shallow surveying depth limited by array length. The combination of arbitrary pole pitch sounding and telecontrol electrode array method placing two wires A, B and telecontrol electrode array at the ends of array can triple the conventional measurement length through data merging and inverting in the prospecting of crevasse geothermal resources in Hainan Island. It is suggested that further improvement and promotion of the method mentioned above is still needed, though it has already achieved good geological effect.

Keyword: electrical resistivity imaging; telecontrol electrode array; surveying depth; electrical sounding; geothermal resources

高密度电阻率法测量道数多, 作业效率高, 数据密度大, 目前已得到广泛应用[1]。但其勘探深度由于受排列长度的限制, 相对较浅[2, 3, 4]。以国内常用的集中式60道仪器为例, 一般情况下, 勘探深度约为排列长度的1/6或者10倍的道距, 当道距为10 m时, 排列长度约为 600 m, 勘探深度约100 m。若要加深勘探深度, 必须增加排列长度, 一是加大道距, 二是增加道数, 但这又带来一个难题, 排列越长, 电缆的长度、电极的重量将成倍增加, 这给外业施工, 特别是地形地貌条件较差的山区作业带来极大的困难。使用常规的电测深方法, 虽然AB极供电只需要单股导线, 线缆比较轻便, 但是MN道数少, 测量效率低的缺点难以克服。因此, 需要寻找一种增加少量的装备, 能成倍地加深勘探深度的方法。

数年前, 葛为中科研团队提出梯度电测深[5]、多极距中梯测深[6]后, 又研究出遥控电极阵列新技术[7], 其应用前景之一, 就是拓展电法的勘探深度; 此外, 单边三极滚动测深装置亦可扩展高密度电阻率法勘探深度[8]。在海南岛西南部裂隙型地热资源勘查评价中, 使用了借线遥控电极阵列新技术, 组合JYT-A型借线遥控发射机(以下简称JYT发射机)、高密度电阻率法自定义装置和GradSInv反演软件的优点, 使得勘探深度达到高密度电阻率法常规装置的三倍, 取得了较好的效果。

1 借线遥控电极阵列

遥控电极阵列由梁炳和研制成功[9], 分为无线遥控和借线遥控两种。借线遥控供电电极阵列的整套装备由一台JYT发射机、数十个遥控接收盒和电极、数个绕线架组成(图1)。

图1 JYT-A借线遥控发射机

JYT发射机配合高密度电阻率法主机(以下简称主机)工作, 起到电极控制器的作用。不同的是, 集中式电极箱中有数十根导线连接到电极, 每一根导线对应1道电极; 而JYT发射机只需连接A、B、M、N共4根普通导线至电极阵列, 每根导线可并联数十根电极, 在导线与相应的电极之间串联一个遥控接收盒。测量时由JYT发射机发出遥控指令, 接通相应的A、B、M、N电极, 主机采集电位差、供电电流数据。从这点而言, JYT发射机和分布式高密度电阻率法工作原理[10]相似。

采用高密度电阻率法原有排列测量电位差时, JYT发射机只需连接A、B两根供电导线。这种轻便、经济的遥控电极阵列为二、三维阵列电法勘探技术开辟了新的途径[11]。

2 高密度电阻率法自定义装置

高密度电阻率法仪器一般都内置温纳、偶极、微分以及联合剖面等十几种装置。测量时由操作人员选择其中一种装置, 仪器按照该种装置设定的A、B、M、N各电极的供电、测量顺序, 依次接通相应的电极, 自动进行数据采集作业, 完成一个断面的测量。

2014年, 重庆奔腾数控技术研究所推出了高密度电阻率法测量自定义装置[12], 为仪器功能的扩展提供了基础, 用户可以编辑文本文件, 预设测量过程中电极接通顺序。自定义装置文件后缀为ary, 格式见表1。

表1 WDA-1超级数字直流电法仪自定义装置文件

当A、B、M、N电极号为数字时, 测量时仪器接通相应道号的电极; 为0时, 表示该电极不接通, 由用户自己控制该电极的接通位置。这就使得用户可以在常规排列之外增加一定数量的A、B供电电极, 配合主机进行常规装置+任意极距测深数据采集作业。

3 GradSInv反演软件

GradSInv反演软件由高建东针对遥控电极阵列、高密度阵列、梯度电测深和传统装置等编写, 具有数据编辑、反演、显示电阻率影像等功能。独特之处在于该软件用A、B、M、N桩号来表示数据点的位置, 不要求同一条剖面的数据具有相同的视深度[13], 可以将高密度电阻率法常规排列采集的数据和任意极距测深数据合并在一起进行反演, 得到深度方向加深的断面影像。

4 拓展高密度电阻率法勘探深度思路

使用遥控电极阵列拓展高密度电阻率法勘探深度的思路, 就是将高密度电阻率法测量道数多, JYT发射机装备轻便和GradSInv软件的灵活性结合在一起。在常规排列两端, 布置A、B供电遥控电极阵列, 延长排列长度, 从而加深勘探深度。

高密度电阻率法装置最大供电极距ABmax=排列长度, 而可测量电位差范围MN=1/3AB。随着供电极距AB逐步加大, 可测量的MN范围逐层减少。对于温纳装置, 每增加一层, 数据就减少3点, 测量结果反演后形成倒梯形电阻率断面影像, 见图2实线部分。

图2 温纳装置、任意极距测深勘探范围示意

在集中式测站的两侧, 增加一根供电导线A、B; 在排列两端延长地段, 再布置一些供电电极, 电极距逐渐加大; 各电极与供电导线之间串联遥控接收盒。 测量时, 首先采集装置数据, 之后, 仍然由主机控制测量电极M、N接通位置并测量电位差、电流; 但测线两端延长段的A、B极供电位置改由JYT发射机控制, 测量任意极距测深数据。内业数据处理时, 先将高密度电阻率法数据按照GradSInv反演软件格式要求重新编排, 再把任意极距测深的若干条剖面数据加进, 经过GradSInv反演, 最终得到广口瓶状断面影像, 如图2所示, 断面影像深度方向得到充分的拓展。

5 野外作业与数据处理

常规装置+任意极距测深测量之前需要预先编辑好自定义装置文件。一般情况下, 全排列60道电极全用于MN电位差测量, 排列两端延长地段遥控电极阵列用于供电。每一对供电电极编辑一个自定义装置文件, 文件中A、B参数置为零, M、N间距根据测区电阻率高低情况选择, 可取2~8倍的道距, 测点间距可取1~3倍道距。野外作业布置见图3。

图3 常规装置+任意极距测深外业工作布置示意

假设测线长度为2 000 m, 点距10 m; 集中式测站设在1 000号点处, 观测系统采用温纳装置, 总道数60道, 道距10 m, 排列长度约600 m, 起点在700号, 终点1 290号。则700~990号地段布置高密度电缆1~30道, 1 000~1 290号地段布置31~60道, 与高密度电阻率法常规作业一样。

任意极距测深供电电极20个, 分为A、B两组, 其中A10、A9……A1布置在排列小号点方向100~680号地段, B1、B2……B10布置在大号点方向1 320~1 900号地段。供电电极A、B间距逐渐加大, 靠近高密度电缆处的A1、B1间距20 m, 以后逐渐加大, 至靠近测线两端的A10、B10间距为100 m。最大供电极距ABmax=1 800 m, 是常规排列长度的3倍。

测量时首先采集温纳装置断面数据文件一个, 然后采集任意极距测深数据文件10个。

采集任意极距测深数据前, 主机上直流高压电源接头不变, 主机与电极箱的M、N接线保持不变, 仍然由主机控制测量电极M、N接通位置并测量电位差、电流。拆除电极箱的A、B接头, 主机上A、B分别连接到JYT发射机AY、BY接线柱, JYT发射机的A柱连接到通往A10、A9……A1电极的导线, B柱连接到通往B1、B2……B10电极的导线, 改由JYT发射机控制供电电极A、B的接通位置。

测量时, 由JYT发射机控制接通第一对供电电极, 例如A1、B1供电, 主机调出该对电极供电时对应的自定义装置文件A1B1.ary, 测量后得到一条任意极距测深剖面数据, 该数据在视深度方向是变化的。再由JYT发射机控制接通下一对供电电极进行测量, 依此反复, 得到10条对称供电的剖面数据。

对于分布式高密度电阻率法而言, 不同之处主要是测站位置。集中式测站位于排列的中部, 分布式测站位于排列的起点, 野外作业布置基本上类似。

数据处理时, 需要将常规装置数据文件和任意极距测深数据文件合并。Res2dinv反演软件温纳装置的数据点格式为:MN中点水平位置, 数据层序× 道距, 视电阻率ρ s。GradSInv反演软件的数据点格式为:A, B, M, N, 视电阻率ρ s, 两者不同, 需要将Res2dinv软件格式转换为GradSInv反演软件的格式。

自定义装置数据格式为:A道号, B道号, M道号, N道号, 电位差VP, 电流IP, 自然电位SP, 也需要将道号转换为水平位置, 并按中间梯度计算装置系数K, 最后计算视电阻率ρ s。

合并后的数据用GradSInv软件反演, 其中畸变点剔除和等值线间距、电阻率色谱, 反演参数选择以及成果图像输出等等均和Res2dinv软件类似, 不详细叙述。

6 实例:燕窝岭温泉物探勘查

燕窝岭温泉位于海南省昌江县七叉镇, 是海南岛裂隙型地热资源勘查评价子项目之一。温泉出露在水田中, 自流量约150 t/d, 水温约47℃。地层结构简单, 浅部为第四系风化层, 地下基岩为白垩系晚世花岗岩。

物探勘查布置了8条测线, 在2线、5线进行了遥控电极阵列拓展高密度电阻率法勘探深度试验。2线和5线相互交叉, 2线方位20° , 5线方位129° , 两线交点1 000号, 正是温泉出露点。测线长度 2 000 m, 高密度电阻率法为集中式60道温纳、施伦贝谢尔装置, 道距分别为10 m或20 m, 测站布置在1 000号测点附近, 任意极距测深最大供电极距ABmax=1 800 m, 试验结果见图4。

图4 5线温纳装置+任意极距测深影像

温纳装置数据采用Res2dinv软件反演[14], 断面影像图见图4a, 反演断面影像图中1 000号地下100 m深度存在相对低阻凹陷异常, 相对低阻处电阻率约500 Ω · m, 外围较完整花岗岩电阻率约 1 000 Ω · m。此外, 在1 100号地段还存在一处低阻异常, 电阻率约100 Ω · m。温纳装置勘探深度约100 m, 由于勘探深度不足, 两处异常的形态都不够完整。

温纳装置+任意极距测深数据由GradSInv软件反演, 断面电阻率影像图见图4b, 反演断面影像图中1 000号地下200~300 m深度依然存在相对低阻异常, 相对低阻带电阻率上升至约2 800 Ω · m, 外围较完整花岗岩电阻率亦上升至约5 000 Ω · m。在1 100号地段的低阻异常依然存在, 且在深部有向大号点方向倾斜的趋势。

对比图4a、b, 温纳装置勘探深度约 100 m, 增加遥控电极阵列进行任意极距测深观测后勘探深度约350 m, 在垂直方向扩展了约3倍。其影像深部呈柱形分布, 在水平方向深部范围也扩大了1倍左右。但大号点方向深部影像尚欠完整, 若能向大号点方向移动约200 m, 再增加一个排列观测, 效果将会更好。

依据上述异常情况, 物探推测在5线1 000~1 100号地段一带, 地下存在断层或裂隙带, 其产状向大号点倾斜。在1 040号测点附近的温泉勘探孔ZK1孔深约180 m, 钻孔日出水量约680 t, 水温约45℃, 证实了物探推测断层、裂隙带的存在。

7 结论

在高密度电阻率法排列两端延长地段, 布置遥控供电电极阵列、利用高密度电阻率法自定义装置和GradSInv反演软件的优点, 进行常规装置+任意极距测深观测, 所得数据合并反演, 获得深度达到温纳装置三倍的电阻率断面影像。

该项成果已成功地运用在海南岛西南部裂隙型地热资源勘查评价工作中, 取得良好的地质效果, 具有进一步完善、推广应用的价值。

8 问题与讨论
8.1 野外作业效率

在中等地形条件、测线已敷设完成情况下, 完成一个集中式60道、道距10 m的高密度电阻率法温纳装置作业需要2~3 h时间和1~2名物探技术人员以及4名左右物探技工。

增加任意极距测深测量时, 需增加4名物探技工, 其A、B供电导线、遥控电极阵列可以和高密度电阻率法电缆同步布设。高密度电阻率法常规装置观测完成时, 遥控电极阵列也差不多布置完毕, 再花费1 h左右的观测时间即可完成全部野外数据采集作业。从获得的成果和多投入的时间、人力分析, 性价比很高。

60道集中式温纳装置采集的数据量约570点。10组任意极距测深只取A、B对称供电, 即A1B1、A2B2、…、A10B10供电时数据量约450点, 合并后数据总数约1 000点。如果再增加非对称A、B供电, 即A1B10、A10B1、A1B5、A5B1、…等等供电, 则数据点还可以再增加数百点。

8.2 适用场合

一般言之, 欲加大电法勘探深度, 只需加大AB供电极距即可。对高密度电阻率法来说, 可以通过增加道数或者加大道距来达到目的。

工程物探类项目, 高密度电阻率法道距一般≤ 5 m, 增加道数比较容易实现。道距5 m时集中式60道排列长度约300 m, 即使增加到120道, 排列长度也就约600 m长。无论是集中式还是分布式, 野外排列布置作业难度都不大。

水文物探、矿产物探类项目, 高密度电阻率法常用道距≥ 10 m, 增加道数或者增加道距难度都很大。以笔者为例, 常用道距15、20 m, 最大达到 30 m, 集中式60道、道距15 m的排列长度约900 m, 若增加到120道, 排列长度将达到约1 800 m。不但布线工作十分繁重, 而且前级电极箱和后级电极箱之间长达900 m的通讯也是一个难以跨越的障碍。

高密度电阻率法仪器采用分布式工作, 虽然不受道数的限制, 但重庆奔腾的分布式电缆比集中式电缆更粗更重, 而且测站只能安放在排列起点, 布线作业只能由起点向终点单方向进行, 增加道数或道距, 其野外布线工作都十分繁重, 而且大道距的分布式电缆价格是主机的数倍。所以, 当道距≥ 10 m的项目, 尤其是在山区开展高密度电阻率法测量时, 采用常规装置+任意极距测深加深勘探深度是个不错的选择, 值得推广应用。

8.3 中梯测量范围探讨

传统电法中间梯度MN测量范围取AB供电范围中间的1/3地段进行测量, 该地段地下电场可视作均匀场。这是因为以前计算技术尚不发达, 成果多以曲线图形式表达, 难以进行视深度的校正。

随着现代计算技术、反演理论的发展, 实测数据可以进行各种校正, 成果多以二维、三维彩色图像展示, 1/3均匀场测量范围的传统做法理应取得突破。

任意极距测深在这方面就已打破1/3均匀场的限制, 无论AB供电电极距离MN多近, 排列60道电极全部用于MN测量。当A、B供电电极其中一个越靠近MN测量电极时, 中、浅部的地质体对测得电位差的贡献也越来越大。GradSInv反演软件数据处理时, 水平方向位置取MN电极中点, 垂直方向(即视深度)依据AB供电地下电场线分布位置方程求得; 距离供电电极越近, 视深度越浅, 这与实际情况应该是一致的, 因而其反演的结果亦是可信的。

The authors have declared that no competing interests exist.

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