Question

-D高密度电法勘探装置类型

Answer 1

3-D电法勘探通常使用单极-单极（pole-pole）、单极-偶极（pole-dipole）和偶极-偶极（dipole-dipole）装置，这是因为其他装置测线网格边缘附近的数据覆盖范围相对较差，有关单极-单极（pole-pole）、单极-偶极（pole-dipole）和偶极-偶极（dipole-dipole）装置的优劣性已在3.4节的2-D勘探中讨论过，这些结论对3-D勘探也是有效的。

5.1.1 单极-单极（pole-pole）装置

单极-单极（pole-pole）装置通常用于3-D勘探，如E -SCAN法（Li et al.，1992），图5.1为3-D勘探可能的电极布设方式，采用25节点的多电极系统，为方便起见，在正方形网格的x和y方向上，电极布设一般具有相同的单位电极距，在矩形网格x和y方向上不同序号的电极和极距均可能用到。对于单极-单极（pole-pole）装置来说，视电阻率值由下式给出:

高密度电法勘探方法与技术

式中:R为观测电阻率值；a为C₁和P₁之间的电极距。

对于电极数确定的阵列来说，单极-单极（pole-pole）最大的独立观测数nma为

高密度电法勘探方法与技术

式中:n_e为电极数。测量顺序如图5.2所示，每根电极依次作为一次供电电极，所有其他电极作为电位电极进行观测。注意，由于互换性，作为电位电极的次数要比作为供电电极的次数多（图5.2a）。对于5×5的电极网格，可能有300次观测，对于7×7和10×10的电极网格，一次完整的观测数据将达到1176和4500个数据点。对于采用常规2-D勘探的典型单通道电法仪来说，如此大数量的观测是非常费时的，例如，采用标准低频电法仪对7×7的电极网格观测1176个数据可能需要花费几个小时的时间。为了减少观测次数，但又不严重降低观测质量，可采用另一种观测系列（图5.2b），“交叉对角线勘探” 技术，电位观测仅沿水平、垂直、与穿过供电电极成45°角方向进行观测，对于7×7的电极网格观测数据点减少到476个，约是完整数据勘探的1/3（Loke et al.，1996），对于大型勘探测网来说，该技术比较常用。对于商业勘探，网格小于10×10的勘探是不适用的，因为覆盖面积太小。

图5.1一种3-D电法勘探电极布设示意图

图5.2 两种可能的3-D勘探观测序列

在某些情况下，3-D数据由一组平行的二维测线构成，理想情况下，应该有一些测线在x方向观测，另一些测线在y方向观测，采用两个垂直方向观测的方式有利于减少数据中的方向偏差。

但是，在某些情况下，只有从一个方向观测到的一系列测线数据，如仅供2-D勘探成像剖面，有时，线内电极距比线间距小，此时，所使用的数据仍然视为3-D勘探。研究这类问题，有用的方法是3-D灵敏度图，图5.3为通过地质体的灵敏度值切片，电极沿x坐标在0～1 m内布设，在上两个切片中，地表附近，在0.07～0.25 m的深度范围内有一负灵敏度值大致呈椭圆形；在y方向，最大灵敏度区域延伸超过半个电极距（1个网格采用4个单位的灵敏度等值线），这意味着，要想得到一个完整的3-D覆盖面，如果观测数据仅在x方向获得，此时，行间距不应该小于最小电极距。

图5.3单极-单极（pole-pole）装置3-D灵敏度图

单极-单极（pole-pole）装置有两个主要缺点:首先，它的分辨率比其他装置差；其二，尤其是大电极距，第二根供电电极和电位电极必须布设在离测网足够远的地方。Park和Van（1991）使用该装置进行场地实验发现，由于远程电极贡献存在，15％的观测不符合互反性。在一般情况下，这可能会影响具有较大极距的读数。

图5.4 单极-偶极（pole-dipole）装置勘探电极布设

5.1.2 单极-偶极（pole-dipole）装置

对于中大型测网（12×12及以上），该装置代替单极-单极（pole-pole）装置探测是非常有吸引力的，它的分辨率比单极-单极（pole-pole）装置更高（Sasaki，1992），而且不容易受噪声干扰，因为两个电位电极在测网内。相对于偶极-偶极（dipole-dipole）装置，它有更强的信号强度。虽然它有一个“无穷” 远极（C₂电极），与单极-单极（pole-pole）装置相比较，该电极的影响较小。由于单极-偶极（pole-dipole）装置是一种非对称阵列，电极布设应该采用 “正向” 和 “反向”观测。为了克服 “n” 因子大值（超过8）时的低信号强度问题，当 “n” 因子较小时，P₁-P₂偶极对之间的极距“a” 应该随探测深度增加，采用多次覆盖观测来提高数据密度，在某些情况下，有利于提高反演模型的分辨率。该装置的电极布设如图5.4所示。

不同于其他常规装置，单极-偶极（pole-dipole）装置是一种不对称的列阵，存在构造对称的拟断面视电阻率异常时，不对称。在某些情况下，测量视电阻率的不对称可能会影响到反演获得的模型，克服这种不对称效果的一种方法是再次观测电极反方向布设阵列（图5.4c），通过“正”、“反”单极-偶极（pole-dipole）的组合，任何由于该装置的自然不对称造成的模型偏差均会被消除，但是，这种方式将会使勘探时间和采集到的数据点加倍。

单极-偶极（pole-dipole）装置的视电阻率值由下式给出:

高密度电法勘探方法与技术

式中:R为观测电阻率值；a为P₁和P₂之间的电极距；n为C₁和P₁之间距离与P₁-P₂极距的比值。

电位电极间的电位差测量值随n因子的平方降低，对于较大的n因子，可靠的观测值太小而得不到较高的信噪比，为了提高信号强度，可增加P₁和P₂之间的电极距（图5.4b）。一种可能的实地野外探测技术是先观测所有P₁-P₂间距等于1a（即单位电极距）的点，接下来是观测P₁-P₂极距等于2a的点，这将有效提高数据存储密度，在某些情况下，尤其是噪声严重的地区，有利于提高反演模型的分辨率。

图5.5和图5.6为该装置偶极分离因子 “n” 分别等于1和4的灵敏度图，在C₁和P₁之间存在负灵敏度值突出的区域（沿x轴0至0.5 m），绘图布设该装置长度（在这种情况下，C₁和P₂之间的电极距）两个 “n” 因子设为1.0 m。对于一个较大的“n” 因子，C₁和P₁电极之间的负灵敏度区域变大，延伸深度更深，当 “n” 等于1时，对于装置轴的结构（如在y轴方向），该装置更加灵敏，具有高灵敏度值区域扩大约0.8倍装置长度（图5.5），或1.6倍单位电极距。当 “n” 因子较大（图5.6），该装置的P₁-P₂偶极附近离轴结构更为敏感，还要注意P₂电极右侧的负灵敏度值。

如果3-D勘探为一系列的平行测线，而不是交叉测线，行间距最好是线内单位电极距的2～3倍，目的是确保对测线之间地下物质能够充分成像。

图5.5 对于n＝1的单极-偶极（pole-dipole）装置3-D灵敏度图

5.1.3 偶极-偶极（dipole-dipole）装置

对于偶极-偶极（dipole-dipole）装置，测线边缘横向数据覆盖较差，建议该装置仅用于测网大于12×12的勘探，该装置的电极布设情况如图5.7所示。

偶极-偶极（dipole-dipole）装置的视电阻率值由下式给出:

高密度电法勘探方法与技术

式中:R为观测电阻率值；a为P₁和P₂之间的电极距；n为C₁和P₁之间距离与P₁-P₂极距的比值。

该装置水平方向的分辨率较好，但其主要缺点是信号强度相对较低。P₁-P₂电极对的电压观测值与n因子的立方成反比，通常情况下，n因子的最大值是6，要想获得更大的渗透深度，可增加C₁-C₂（和P₁-P₂）电极对的极距，减少噪声影响的一种方法是采用不同的n因子与a极距组合，并重复观测。

一个例子，电极距为1m的情况下，先观测a等于1 m的所有点，并且n依次等于1，2，3，4，5，6；接下来观测a等于2m的所有点，并且n依次等于1，2，3，4，5，6；如果测网足够大，可以继续观测a等于3 m的一系列点。

图5.6 对于n＝4的单极-偶极（pole-dipole）装置3-D灵敏度图

图5.7 偶极-偶极（dipole-dipole）装置

由于边缘横向数据覆盖较差，建议该装置仅用于测网大于12×12的勘探，该装置面临的主要问题是信号强度较低，类似于2-D勘探，当C₁-C₂偶极和P₁-P₂偶极之间的距离增加时，这个问题可以通过增加P₁-P₂偶极之间的极距 “a”来达到探测深度增加的方式来克服，此外，建议采用多次覆盖采集。

图5.8和图5.9是“n” 因子分别等于1和4的偶极-偶极（dipole-dipole）装置的灵敏度图，装置外侧附近，灵敏度值立即变小，而且是负值；另一个特点是在y方向，特别是较大的“n”值，灵敏度等值线往往拉长，在y方向，4个单位灵敏度等值线扩展了0.6倍装置长度，或1.8倍单位电极距，这意味着该装置的结构比单极-单极（pole-pole）和单极-偶极（pole-dipole）装置更为灵敏，对于2-D勘探来说，此特性麻烦，但对3-D勘探来说可能是有利的。

图5.8 对于n＝1的偶极-偶极（dipole-dipole）装置3-D灵敏度图

Dahlin和Loke认为，偶极-偶极（dipole-dipole）装置的灵敏度等值线沿坐标轴拉长的3-D效果比其他普通装置更为灵敏，当假设地下的地质情况为2 -D，用偶极-偶极（pole-pole）装置进行2-D成像勘探时，这一因素是非常重要的。

在许多情况下，3-D数据是由偶极-偶极（dipole-dipole）装置获得一系列平行的2-D测线组成，特别是数据来自于以往的勘探，由于拉长灵敏度形态，偶极-偶极（dipole-dipole）装置或许可以容忍测线之间较大的线距（约3倍线内单位电极距），而且仍然包含了重要的3-D信息。

5.1.4 温纳（Wenner）和斯伦贝格（Schlumberger）装置

对于四电极装置，图5.10，图5.11和图5.12为温纳（Wenner）α、斯伦贝格（Schlumberger）、和温纳（Wenner）γ装置（温纳β装置为“n” 等于1的偶极-偶极装置，如图5.8所示）的灵敏度图。温纳（Wenner）α装置的灵敏度等值线，电极外侧附近，沿电极线的方向拉长，这意味着温纳（Wenner）α装置的离线结构没有偶极-偶极（dipole-dipole）装置敏感，即3-D勘探时，该装置灵敏度不高。温纳-斯伦贝格（Wenner -Schlumberger）装置的灵敏度图（图5.11）与温纳（Wenner）α相似，除了靠近装置中心有一轻微隆起。

高密度电法勘探方法与技术

图5.9 对于n＝1的偶极-偶极（dipole-dipole）装置3-D灵敏度图|a—深度＝0.07 m；b—深度＝0.25 m；c—深度＝0.50 m；d—深度＝0.75m通过不同深度地质体的水平切片，C₁电极为最左边的白点

通过观察2-D灵敏度剖面（图3.11），温纳（Wenner）γ装置的灵敏度图（图5.12）显示，其特性在C₁和C₂附近凸起，因此，对于3-D构造，预计该装置在C₁和C₂电极附近更为敏感。

5.1.5 赤道偶极-偶极（Equatorial dipole-dipole）（矩形）装置

这种装置与其他装置不同，电极没有布设在一条直线上，而是以矩形的方式布设（图5.13），这种矩形布设似乎适合于3-D勘探的矩形网格电极布设，对于3-D电极网格来说，似乎比线内偶极-偶极（dipole-dipole）装置在测网边缘的覆盖效果更好，在小测网勘探，尤其是需要进行浅层高分辨率勘探，这种装置效果较好。

图5.10 温纳（Wenner）α装置3-D灵敏度图

5.1.6 3-D装置类型总结

对于小于12×12的测网，单极-单极（pole-pole）装置的独立观测数可能比其他装置多，网格附近的数据点损失减至最低，而且在水平方向上，能比其他装置提供更好的数据覆盖次数，对于极距相对较小（小于5m）的小勘探测网来说，该装置是非常有吸引力的。但是，它有一个缺点，就是要求距测网足够大距离的地方布设两个 “无穷远” 极，当两个电位电极距较大时，该装置对大地噪声敏感。对于中等规模的测网来说，单极-偶极（pole-dipole）是一种较理想的选择，该装置的分辨率比单极-单极（pole-pole）装置高，而且仅需要一个 “无穷远” 极，具有很强的抗大地噪声能力。对于大测网，尤其是没有布设 “无穷远” 极的情况下，可以选择偶极-偶极（dipole-dipole）装置。对于单极-偶极（pole-dipole）、偶极-偶极（dipole-dipole）装置来说，采用不同的“a” 和 “n” 组合获取多次覆盖数据可改善探测结果的质量。3-D勘探电极通常布设成一个矩形网格，而且电极极距恒定（图5.1），但电极行、列之间也可以是非均匀的测网，此时，数据处理时可能会比较麻烦一些。

图5.11 温纳-斯伦贝格（Wenner-Schlumberger）装置3-D灵敏度图