CN101334484A - 三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，主要内容是用单极－偶极装置在全测区形成相互交错的正交观测系统；应用该三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法可以克服现有二维高分辨电阻率勘探方法由于旁侧效应引起的洞道定位不准，和洞道形状不确定的问题。较一般的三维高密度电阻率勘探对地下洞道的敏感性高，真正实现了对地下分析分辨单元的多次覆盖测量，因而具有较强的抗干扰和剔除静态偏移的能力，易于实现测区的滚动测量和无缝衔接。三维直接成像方法快速、有效，无不易收敛的问题。该方法可以获得更精确的地下洞道的位置、大小和形状的信息，对于研究浅层精细地质结构有重要意义。

Description

三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法

技术领域

本发明属于地质勘探领域，具体是涉及一种三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法。

背景技术

为了满足对浅层精细地质结构的探测需求，发展了高密度电阻率法(Griffiths D H，Barker R D.Two-dimensional resistivity imaging and modeling in areas of complex geology.Journal of Applied Geophysics，1993，29：211～226)。该方法沿测线采用较小的电极极距、较高密度的电极排列，如温纳装置，施仑贝尔装置，偶极-偶极、单极-单极、联合剖面、中间梯度等装置进行阵列式观测，然后进行反演拟合成像。在小极距、高密度的探测方法中，采用了单极-偶极装置的高分辨电阻率法(Oven T E.Detection and mapping of tunnels andcaves.in Fitch A A(ed.)，Developments in Geophysical Exploration Methods-5，London and NewYork：Applied Science Publishers，1983：161-204，255-258)对地下洞道等目标体非常敏感；在数据采集过程中它的电极排列和组合方式，对地下的每一个分析分辨单元实现了类似地震勘探那样的多次覆盖测量，因此可对由地表电性不均匀引起的静态偏移进行识别和剔除，并具有较强的抗电磁干扰能力；这种观测方法可用交绘技术实现直接成像，快速、准确地重现地下目标的位置和形态。高分辨电阻率技术已经在地下天然和人工洞道的探测中得到了成功的应用。

但是现有的高分辨电阻率方法是在一条测线上的二维测量，对于未处于测线正下方的目标体，由于旁侧效应的影响会使目标体的位置和形态判断不准。当进行面积测量时，只是将各测线进行简单的组合，测线之间不存在内在的联系。一般的高密度电阻率方法当进行三维勘探(Loke M H，Barker R D.Practical techniques for 3-D resistivity surveys and datainversion.Geophysical Prospecting，1996，44：499～523)时，巨大的数据量又使得三维拟合反演耗时很长且不易收敛。

发明内容

为了解决现有的二维高分辨电阻率法在探测未知的地下洞道时会发生定位和形态不准的问题(它所描绘的洞道形态是二维剖面上的平面形状)，一般的三维高密度电阻率法除了对地下孤立的目标体不敏感外，反演成像所采用的拟合法计算复杂、耗时较长且不易收敛的不足；为了在探测地下洞道时获得更高的探测精度和地下目标的立体形态，同时提供快速、准确、直观的反演解释方法，本发明提供了一种“三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法”，该方法将单极-偶极装置以均匀正交网格方式布设在地面上进行面积测量，通过适当的电极排列和组合在纵横两个方向都形成对地下分析分辨单元的多次覆盖观测，直接图解成像由原来的半圆交绘成像变为半球交绘成像，由此得到整个测区探测深度范围内洞道更准确的空间位置，和更精确地在野外现场实时重现地下洞道的大小和形状。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，包括勘探方法和直接成像两部分：

所说的勘探方法是：

1)、在测区内设置均匀的正方形或矩形网格测点；

2)、在上述测点中以横向与纵向间隔小于最大探测深度的二分之一的距离确定供电电极A_i的位置；

3)、无穷远极B_i与对应的供电电极A_i的距离应大于5～10倍的最大探测深度，也可以几个供电电极共用一个无穷远极B_j，或者当测区面积较小时，所有的供电电极共用一个无穷远极B，只要保证无穷远极离最近的供电电极的距离大于5～10倍最大探测深度即可；

4)、在各测点放置测量电极MN。

5)、依次向各供电电极供电，与各供电电极有关的测量电极是以该供电电极为中心，以最大探测深度的2倍为边长的正方形面积中的测点。如果这个面积超出了测区的范围，则以测区的边界为准。记录每个供电电极的电流I、及其有关的测量电极的电压值ΔV，及ΔV/I和视电阻率值；

其中，步骤1)所述网格测点点距和测线线距的范围在2m～10m之间，并且线距和点距之间成整倍数关系；步骤1)所述测点点距或测线线距构成了分析分辨单元的边长，即一个分析分辨单元为(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)；步骤1)所述测区，当需要使边缘处的地下分析分辨单元有和测区内部相同的覆盖次数时，测区可向外延伸一个最大探测深度的宽度；步骤2)所述最大探测深度范围为5m～150m，供电电极之间的横向与纵向间隔为2.5m～75m；步骤3)所述无穷远极B_i与对应的供电电极A_i中的下标指整个测区所用全部K个供电电极中的第i个；当几个供电电极共用一个无穷远极B_j时，下标j表示整个测区所用全部L＜K个无穷远极中的第j个；步骤4)中，当测区很小时是可以一次将全部测量电极MN都布置上；但测区较大时可采用滚动测量，无需在各测点同时都设置测量电极MN，一般情况下，可计算出所需的最小测量电极数，通过滚动测量，实现观测点(一个MN)、线(最大探测深度长度上的MN个数)、面(最大探测长度上MN个数的平方)之间的无缝衔接，从而覆盖整个测区；所述最大探测深度等于测量电极到所属供电电极的最大距离；步骤5)所述视电阻率计算公式为：ρ_a＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)；

所说的直接成像方法是：

A)、电磁干扰和静态偏移的去除；

B)、对每个测点，以其对应的供电电极为中心，以测点到供电电极的距离为半径画弧，各弧线的凹凸在空间交汇所围成的区域即反映了异常体的位置、大小和形状。弧线凹处的交绘影像为低阻异常体，弧线凸处的交绘影像为高阻异常体；

C)、将地下空间用测点点距和测线线距进行剖分，形成分析分辨单元；

D)、对每一分析分辨单元依次判断到有关供电电极的距离，找出与该单元对应的地面上的测点，将该测点的视电阻率值累加到该单元上；

E)、然后用累加次数求各单元的视电阻率平均值，或加权平均值；

F)、确定适当的视电阻率阈值，即可将地下洞道的位置、规模、形状和高、低阻电性显现出来；

G)、设某一地下分析分辨单元为不均匀体作为目标单元，由单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式求得该目标单元的参数曲面；

H)、将上述参数曲线与实测曲面做相关，得到一相关度值；不同的目标单元对应不同的相关度值，不同的供电电极有不同的实测曲面，从而可得一组相关度值；

I)、定义适当的相关度阈值就可再现地下洞道的位置、规模和形状；

其中，步骤A)所述电磁干扰和静态偏移的去除，是根据供电电极周围的归一化测量电压大致按照：ΔV/I＝ρ/2πR(式中R为观察点到源点的距离，ρ为大地综合电阻率)的规律变化。单独供电电极、单独测点上偏离此规律一定程度的数据，将被视为电磁干扰而剔除；由不同供电电极在相同测点上引起的偏离此规律一定程度的数据，将被视为地表电性不均匀引起的静态偏移而剔除。步骤B)所述方法为手工直接成像。步骤C)～F)是用计算机程序实现的视电阻率直接成像；步骤C)所述分析分辨单元的长、宽、高分别为：测点点距、测线线距、测线线距；步骤F)所述适当视电阻率阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。步骤G)～I)是用计算机程序实现的匹配滤波直接成像；步骤G)所述单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式为： ${\mathrm{\ρ}}_a=\left|\right[\cos \mathrm{\θ}/r_1^2-\cos {\mathrm{\θ}}_2/r_2^2]\·(\mathrm{AM}\·\mathrm{AN})/(\mathrm{AN}-\mathrm{AM})/d^2|,$ (式中d是供电电极A到球体中心的距离，θ₁、θ₂分别是供电电极到球体中心再到测量电极M、N之间的夹角，r₁、r₂分别是M、N到球体中心的距离)；步骤I)所述定义适当的相关度阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。

依据上述勘探方法和直接成像，用本发明方法，和一般的三维高密度电阻率勘探相比，三维高分辨电阻率勘探真正实现了对地下分析分辨单元的多次覆盖测量，因而具有较强的抗干扰和剔除静态偏移的能力，易于实现测区的滚动测量和无缝衔接。其直接成像技术快速、有效，无不易收敛的问题；和现有的二维高分辨电阻率技术相比，三维技术可以避免旁侧效应引起的洞道定位不准，和洞道形状不确定的问题，对地下每一分析分辨单元实现了更多的覆盖测量，具有更强的抗干扰能力，进一步提高了信噪比，具有更强的分辨和抑制静态偏移的能力，有更高的探测精度。

附图说明

图1为本发明实施例1的三维高分辨电阻率勘探的电极排列示意图。图中A₁～A₂₅表示供电电极，MN表示测量电极，记录点为MN中点，1/1～17/17表示测点，标号方式为：线号/点号。为有普遍性，图中的长度取单位距离长度，一个测点点距为一个单位长度。

图2为本发明实施例1的三维高分辨电阻率勘探延伸测量示意图。其中，a为分析分辨单元，b为最大探测深度。

具体实施方式

在应用电法勘探进行地下洞道的探测中，假设地面为无限大平面，地下充满均匀、各向同性的导电媒质。当点电流源A在地表向地下供入电流I时，地下电位的分布便以A为中心形成一组同心半球面。当地下存在相对围岩为低阻或高阻的异常体时，以供电电极A为中心，A到异常体为半径的等电位半球面将发生凹凸的变化。这个变化可在此半球与地面相交的测点上被测量电极MN观测到。不同的供电电极将对相同的异常体产生不同半径的带有凹凸变化的等电位半球面。多个供电电极等电位面的凹凸部分在地下空间相交汇，就将异常体的位置、大小和形状再现了出来。三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法所采用的单极-偶极装置，就可以形成这样的点电流源，进行等电位面的观测，进而实现三维直接图解成像。

本发明依照上面思路提出的方法包括下述内容：

1、三维高分辨电阻率勘探方法：

1)、在测区内设置均匀的正方形或矩形网格测点；

2)、在上述测点中以横向与纵向间隔小于最大探测深度的二分之一的距离确定供电电极A_i的位置；

3)、无穷远极B_i与对应的供电电极A_i的距离应大于5～10倍的最大探测深度，也可以几个供电电极共用一个无穷远极B_j，或者当测区面积较小时，所有的供电电极共用一个无穷远极B，只要保证无穷远极离最近的供电电极的距离大于5～10倍最大探测深度即可；

4)、在各测点放置测量电极MN。一般情况下，计算出所需的最小电极数，通过滚动测量，实现观测点(一个MN)、线(最大探测深度长度上的MN个数)、面(最大探测长度上MN个数的平方)之间的无缝衔接，从而覆盖整个测区；

5)、依次向各供电电极供电，与各供电电极有关的测量电极是以该供电电极为中心，以最大探测深度的2倍为边长的正方形面积中的测点。如果这个面积超出了测区的范围，则以测区的边界为准。记录每个供电电极的电流I、及其有关的测量电极的电压值ΔV，及ΔV/I和视电阻率值。

其中，测线线距和测点点距的范围在2m～10m之间。如果对探测目标体有一些先验知识，如已知地下洞道的大致走向，则使测线与走向垂直，线距大于点距，构成矩形网格。当缺乏这样先验知识时，线距等于点距，构成正方形网格；并且线距和点距之间成整倍数关系；

其中，测线或测点距构成了分析分辨单元的边长，即一个分析分辨单元为(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)；

其中，当需要使边缘处的地下分析分辨单元有和测区内部相同的覆盖次数时，测区可向外延伸一个最大探测深度的宽度；

其中，最大探测深度范围5m～150m，供电电极之间的横向与纵向间隔2.5m～75m；

其中，无穷远极B_i与对应的供电电极A_i中的下标指整个测区所用全部K个供电电极中的第i个；当几个供电电极共用一个无穷远极B_j时，下标j表示整个测区所用全部L＜K个无穷远极中的第j个；

其中，最大探测深度等于测量电极到所属供电电极的最大距离；

其中，视电阻率计算公式为：ρ_a＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)。

2、三维直接成像方法：

A)、电磁干扰和静态偏移的去除；

B)、对每个测点，以其对应的供电电极为中心，以测点到供电电极的距离为半径画弧，各弧线的凹凸在空间交汇所围成的区域即反映了异常体的位置、大小和形状。弧线凹处的交绘影像为低阻异常体，弧线凸处的交绘影像为高阻异常体；

C)、将地下空间用测点点距和测线线距进行剖分，形成分析分辨单元；

D)、对每一分析分辨单元依次判断到有关供电电极的距离，找出与该单元对应的地面上的测点，将该测点的视电阻率值累加到该单元上；

E)、然后用累加次数求各单元的视电阻率平均值，或加权平均值；

F)、确定适当的视电阻率阈值，即可将地下洞道的位置、规模、形状和高、低阻电性显现出来；

G)、设某一地下分析分辨单元为不均匀体作为目标单元，由单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式求得该目标单元的参数曲面；

H)、将上述参数曲线与实测曲面做相关，得到一相关度值。不同的目标单元对应不同的相关度值，不同的供电电极有不同的实测曲面，从而可得一组相关度值；

I)、定义适当的相关度阈值就可再现地下洞道的位置、规模和形状。

其中，电磁干扰和静态偏移的去除，是根据供电电极周围的归一化测量电压大致按照：ΔV/I＝ρ/2πR(式中R为观察点到源点的距离，ρ为大地综合电阻率)的规律变化。单独供电电极、单独测点上偏离此规律一定程度的数据，将被视为电磁干扰而剔除；由不同供电电极在相同测点上引起的偏离此规律一定程度的数据，将被视为地表电性不均匀引起的静态偏移而剔除。

其中，B)为手工直接成像；

其中，C)～F)是用计算机程序实现的视电阻率直接成像。

其中，分析分辨单元的长、宽、高分别对应：测点点距、测线线距、测线线距；

其中，视电阻率阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。

其中，G)～I)是用计算机程序实现的匹配滤波直接成像；

其中，单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式为：

${\mathrm{\ρ}}_a=\left|\right[\cos \mathrm{\θ}/r_1^2-\cos {\mathrm{\θ}}_2/r_2^2]\·(\mathrm{AM}\·\mathrm{AN})/(\mathrm{AN}-\mathrm{AM})/d^2|$

(式中d是供电电极A到球体中心的距离，θ₁、θ₂分别是供电电极到球体中心再到测量电极M、N之间的夹角，r₁、r₂分别是M、N到球体中心的距离)；

其中，相关度阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。

下面结合具体实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：

如图1，17线17点的正交三维高分辨电阻率勘探系统，图中A₁～A₂₅表示供电电极，MN表示测量电极，记录点为MN中点，1/1～17/17表示测点，标号方式为：线号/点号。为有普遍性，图中的长度取单位距离长度，一个测点点距为一个单位长度。此时一个单位长度等于5m。一般情况下测点点距2m～10m，分辨率由测点点距和测线线距决定，即一个分析分辨单元为(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)。如果设计的最大探测深度Depth_max＝A₁A₃，则与电极A₁有关的观测区域是A₁A₃×A₁A₁₁面积内的测点，与A₂有关的观测域区是A₁A₄×A₁A₁₁面积内的测点，……，与A₁₃有关的观测区域是A₁A₅×A₁A₂₁面积内的测点，……，与A₂₅有关的观测区域是A₁₃A₁₅×A₁₃A₂₃面积内的测点。在实际观测中，当测量电极MN跨越供电电极，或其中一极紧靠供电电极时，为避免观测的不稳定性及源的奇异性，有些测点要舍弃掉。对于每一供电电极需要观测和需要舍弃的测点参见表1，表1列出了所示的17×17测网当设计最大探测深度为A₁A₃时，各供电电极的测点(为避免不稳定性和奇异性所放弃的测点也列在表中)。表中1/1··1/9表示从1/1号点一直观测到1/9号点，其他以此类推。每一个供电电极的测点构成一个矩形区域，当有足够的空间时，该区域的边长应为最大探测深度的2倍。因此与各个供电电极对应的测点，当观测空间允许时，应逐步延伸测点使观测区域达到最大探测深度的2倍。此步骤用各个供电电极的测点列在表1.中。由于位于测区边缘处供电电极的测点较少，对应的位于地下有效观测体积内边缘处的分析分辨单元被覆盖测量的次数目也较少，引起整个有效探测体积内探测精度不同。为此，可在测区外围延伸出一个宽度为最大探测深度的环形区域，以保证地下每一分析分辨单元有相同的覆盖次数，进而有相同的探测精度(见图2)。无穷远极B₁，B₂，……，B₂₅与对应的供电电极A₁，A₂，……，A₂₅的距离应大于5～10倍的最大探测深度；也可以几个供电电极共用一个无穷远极；或者当测区面积较小时，所有的供电电极A₁，A₂，……，A₂₅共用一个无穷远极B；只要保证无穷远极B离最近的供电电极A的距离大于5～10倍最大探测深度即可。

表1.三维高分辨电阻率勘探中与各供电电极对应的测点

(电极排列参见图1，设计的最大探测深度等于A₁A₃的长度)

供电电极	测点	弃点	供电电极	测点	弃点
						A1	1/1··1/9：     ：9/1··9/9	1/11/2，2/1	A14	1/5··1/17：     ：17/5··17/17	9/138/13，9/129/14，10/13
A2	1/1··1/13：   ：9/1··9/13	1/51/4，1/62/5	A15	1/9··1/17：  ：17/9··17/17	9/178/17，9/1610/17
						A3	1/1··1/17：     ：9/1··9/17	1/91/8，1/102/9	A16	5/1··5/9：     ：17/1··17/9	13/112/1，13/1214/1
A4	1/5··1/17：     ：9/5··9/17	1/131/12，1/142/13	A17	5/1··5/13：     ：17/1··17/13	13/512/5，13/413/6，14/5

A5	1/9··1/17：     ：9/9··9/17	1/171/16，2/17	A18	5/1··5/17：     ：17/1··17/17	13/912/9，13/813/10，14/9
						A6	1/1··1/9：    ：.13/1··13/9	5/14/1，5/26/1	A19	51··517：     ：17/5··17/17	13/1312/13，13/1213/14，14/13
A7	1/1··1/13：    ：.13/1··13/13	5/54/5，5/45/6，6/5	A20	5/9··5/17：    ：.17/9··17/17	13/1712/17，13/1614/17
						A8	1/1··1/17：     ：13/1··13/17	5/94/9，5/85/10，6/9	A21	9/1··9/9：     ：17/1··17/9	17/116/1，17/2
A9	1/5··1/17：     ：13/5··13/17	5/134/13，5/125/14，6/13	A22	9/1··9/13：     ：17/1··17/13	17/516/5，17/417/6
						A10	1/9··1/17：     ：13/9··13/17	5/174/17，5/166/17	A23	9/1··9/17：    ：17/1··17/17	17/916/9，17/817/10
A11	1/1··1/9：     ：17/1··17/9	9/18/1，9/210/1	A24	9/5··9/17：     ：17/5··17/17	17/1316/13，17/1217/14
						A12	1/1··1/13：     ：17/1··17/13	9/58/5，9/49/6，10/6	A25	9/9··9/17：     ：17/9··17/17	17/1716/17，17/16
A13	1/1··1/17：     ：17/1··17/17	9/98/9，9/89/10，10/9

注：为避免源附近观测的不稳定性和源的奇异性，跨越供电电极的测点和紧靠供电电极的测点舍弃

在本实例中，线距5m、点距5m，供电电极间距20m，MN极距10m，设计最大探测深度40m(图1)。图中的长度取单位距离长度，一个测点点距为一个单位长度，此时一个单位长度等于5m，无穷远极B放置在距离A₁₃供电电极500m处。

施工方法：三维高分辨电阻率勘探的观测仪器可以用一般的直流电法仪，或带有数据自动采集功能的电法仪。如果是一般的直流电法仪，可以只用一对MN测量电极，多个供电电极的测量方式。开始观测时，先将测量电极置于第一个测点上，依次向与该测点有关的电极供电，记录测量电压ΔV、供电电流I，ΔV/I，视电阻率值；然后移动MN观测下一个测点，重复上述过程，直到测量完毕。如果是带有数据自动采集功能的电法仪，则是一个电极供电，所有与该供电电极有关的测量电极同时观测。无论哪种仪器，都可以使用表2的记录格式(表2是表1的细化，表2给出了A₁～A₈的记录表格，其他供电电极的记录表依此类推。)。对于一般的直流电法仪，带有数据自动采集功能的三维高密度电法仪，或者专门设计的三维高分辨电阻率仪，可算出所需的最小电极数，通过滚动测量，实现观测点(一个MN极)、线(9个MN极)、面(81个MN极)之间的无缝衔接，从而覆盖整个测区。如为使地下每个分析分辨单元有相同的覆盖测量次数，可按图2进行延伸测量，延伸测量时，地面上的测点按延伸后的网格设计，有效探测体积取图中粗线围起来的部分。

表2三维高分辨电阻率勘探记录格式示例

(电极排列参见图1，设计的最大探测深度等于A₁A₃的长度)

A₁

A₂

A₃

A₃

测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率
															8/2
8/3
															8/4
8/5
															8/6
8/7
															8/8
8/9
															8/10
8/11
															8/12
8/13
															8/14
8/15
															8/16
8/17
															9/1
9/2
															9/3
9/4
															9/5
9/6
															9/7
9/8
															9/9
9/10
															9/11
9/12
															9/13
9/14
															9/15
9/16
															9/17

A₄

A₅

A₆

A₇

A₇

测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率
															10/4					13/5
10/5					13/6
															10/6					13/7
10/7					13/8
															10/8					13/9
10/9					13/10
															10/10					13/11
10/11					13/12
															10/12					13/13
10/13
															11/1
11/2
															11/3
11/4
															11/5
11/6
															11/7
11/8
															11/9
11/10
															11/11
11/12
															11/13
12/1
															12/2
12/3
															12/4
12/5
															12/6
12/7
															12/8
12/9
															12/10
12/11
															12/12
12/13
															13/1
13/1
															13/3
13/4

A₈

A₈

测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率	测点	ΔV	I	ΔV/I	视电阻率
															8/2					10/8					12/14
8/3					10/9					12/15
															8/4					10/10					12/16
8/5					10/11					12/17
															8/6					10/12					13/1
8/7					10/13					13/2
															8/8					10/14					13/3
8/9					10/15					13/4
															8/10					10/16					13/5
8/11					10/17					13/6
															8/12					11/1					13/7
8/13					11/2					13/8
															8/14					11/3					13/9
8/15					11/4					13/10
															8/16					11/5					13/11
8/17					11/6					13/12
															9/1					11/7					13/13
9/2					11/8					13/14
															9/3					11/9					13/15
9/4					11/10					13/16
															9/5					11/11					13/17
9/6					11/12
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9/8					11/14
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10/7					12/13

资料处理与解释：三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法资料处理和解释的基础是应用单极-偶极装置实现的对地下每一分析分辨单元的多次覆盖测量。

资料处理主要针对电磁干扰和静态偏移的去除：根据稳恒电流场的理论，供电电极周围的归一化测量电压按照到测量电极MN距离成反比的规律变化。单独供电电极、单独测点上偏离此规律一定程度的数据，将被视为电磁干扰而剔除；由不同供电电极在相同测点上引起的偏离此规律一定程度的数据，将被视为地表电性不均匀引起的静态偏移而剔除。

资料解释包括交绘法成像、视电阻率成像、和匹配滤波成像。交绘成像：对每个测点，以其对应的供电电极为中心，以测点到供电电极的距离为半径画弧。如果是水平均匀半空间，则各弧线是对应半球面的一部分，如果有异常体存在，半球面将出现凹凸，各弧线的凹凸在空间的交点即反映了异常体的位置、大小和形状。弧线凹处的交绘影像为低阻异常体，弧线凸处的交绘影像为高阻异常体。视电阻率成像：应用单极-偶极装置的视电阻率公式计算各测点的视电阻率值，可以得到异常体更定量化的电性特征。如果用计算机程序实现这个过程，可将地下空间用测点点距和测线线距进行剖分，形成分析分辨单元；对每一分析分辨单元依次判断到有关供电电极的距离，找出与该单元对应的地面上的测点，将该测点的视电阻率值累加到该单元上；然后用多次覆盖的次数求视电阻率平均值，或加权平均值；最后按照电阻率勘探的一般规则确定适当的视电阻率阈值，将洞道异常的影像突显出来。目标异常匹配滤波成像：设某一地下分析分辨单元为不均匀体作为目标单元，利用单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式求得该目标单元的参数曲面，将其与实测曲面做相关，得到一相关度值。不同的目标单元对应不同的相关度值，不同的供电电极有不同的实测曲面，从而得到一组相关度值。当目标单元与地下实际的不均匀体重合时可以获得较高的相关度。按电法勘探的一般规则确定适当的相关度阈值就可将地下洞道的位置、规模和形状再现出来。

资料处理与解释可在野外作业现场用带有数据自动采集功能的电法仪器实时进行，进一步的细化处理与解释可转到室内进行。为得到更精确的匹配滤波影像，可用三维有限元等方法计算目标单元参数曲面，由于这需要较大内存的计算机和较长的计算时间，也须放在室内进行。目前一般的双核、4G内存的微型计算机即可胜任这项工作。

效果分析：地下洞道在电流源激励下的异常响应往往超出本身的规模，由此产生旁侧效应。二维高分辨电阻率勘探会受旁侧效应的影响，发生对异常体的定位误差。即使是面积测量，定位误差仍然不可完全避免；在对洞道形态的判断方面，二维勘探需要有关洞道的先验知识，否则无法确定各测线之间异常的连通关系。三维技术可以避免旁侧效应引起的洞道定位不准，和洞道形状不确定的问题。理论上，三维技术的分辨率完全由测点点距和测线线距决定，而二维技术仅在测线方向上由测点点距决定，测线间距与分辨率的相关性不强。三维高分辨电阻率技术对地下每一分析分辨单元实现了更多的覆盖测量，比二维技术具有更强的抗干扰能力，进一步提高了信噪比，具有更强的分辨和抑制静态偏移的能力，因而有更高的探测精度。和一般的三维高密度电阻率勘探相比，三维高分辨电阻率勘探真正实现了对地下分析分辨单元的多次覆盖测量，因而具有较强的抗干扰和剔除静态偏移的能力，易于实现测区的滚动测量和无缝衔接。其三维直接成像技术快速、有效，无不易收敛的问题。

因此，应用三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法可以获得更精确的地下洞道的位置、大小和形状的信息，对于研究浅层精细地质结构有重要意义。

Claims (10)

1、一种三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，包括勘探方法和直接成像两部分，其特征在于：

所说的勘探方法是：

1)、在测区内设置均匀的正方形或矩形网格测点；

2)、在上述测点中以横向与纵向间隔小于最大探测深度的二分之一的距离确定供电电极A_i的位置；

3)、无穷远极B_i与对应的供电电极A_i的距离大于5～10倍的最大探测深度，或者几个供电电极共用一个无穷远极B_j，或者当测区面积较小时，所有的供电电极共用一个无穷远极B，只要保证无穷远极离最近的供电电极的距离大于5～10倍最大探测深度即可；

4)、在各测点放置测量电极MN；

5)、依次向各供电电极供电，与各供电电极有关的测量电极是以该供电电极为中心，以最大探测深度的2倍为边长的正方形面积中的测点；如果这个面积超出了测区的范围，则以测区的边界为准；记录每个供电电极的电流I、及其有关的测量电极的电压值ΔV，及ΔV/I和视电阻率值；

所说的直接成像方法是：

A)、电磁干扰和静态偏移的去除；

B)、对每个测点，以其对应的供电电极为中心，以测点到供电电极的距离为半径画弧，各弧线的凹凸在空间交汇所围成的区域即反映了异常体的位置、大小和形状。弧线凹处的交绘影像为低阻异常体，弧线凸处的交绘影像为高阻异常体；

C)、将地下空间用测点点距和测线线距进行剖分，形成分析分辨单元；

D)、对每一分析分辨单元依次判断到有关供电电极的距离，找出与该单元对应的地面上的测点，将该测点的视电阻率值累加到该单元上；

E)、然后用累加次数求各单元的视电阻率平均值，或加权平均值；

F)、确定适当的视电阻率阈值，即可将地下洞道的位置、规模、形状和高、低阻电性显现出来；

G)、设某一地下分析分辨单元为不均匀体作为目标单元，由单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式求得该目标单元的参数曲面；

H)、将上述参数曲线与实测曲面做相关，得到一相关度值；不同的目标单元对应不同的相关度值，不同的供电电极有不同的实测曲面，从而可得一组相关度值；

I)、定义适当的相关度阈值就可再现地下洞道的位置、规模和形状。

2、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，

步骤1)所述网格测点点距和测线线距的范围在2m～10m之间，并且线距和点距之间成整倍数关系；步骤1)所述测点点距或测线线距构成了分析分辨单元的边长，即一个分析分辨单元为2m～10m×2m～10m×2m～10m；

步骤2)所述最大探测深度范围为5m～150m，供电电极之间的横向与纵向间隔为2.5m～75m；

步骤5)所述视电阻率计算公式为：ρ_a＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)。

3、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤1)所述测区，当需要使边缘处的地下分析分辨单元有和测区内部相同的覆盖次数时，测区可向外延伸一个最大探测深度的宽度。

4、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤4)放置测量电极MN，是计算出所需的最小测量电极数，通过滚动测量，实现观测点、线、面之间的无缝衔接，从而覆盖整个测区；所述最大探测深度等于测量电极到所属供电电极的最大距离；其中所说的点是一个MN；所说的线是最大探测深度长度上的MN个数；所说的面是最大探测长度上MN个数的平方。

5、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤A)所述电磁干扰和静态偏移的去除，是根据供电电极周围的归一化测量电压按照：ΔV/I＝ρ/2πR的规律变化，式中R为观察点到源点的距离，ρ为大地综合电阻率。单独供电电极、单独测点上偏离此规律一定程度的数据，将被视为电磁干扰而剔除；由不同供电电极在相同测点上引起的偏离此规律一定程度的数据，将被视为地表电性不均匀引起的静态偏移而剔除。

6、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤B)所述方法为手工直接成像；步骤C)～F)是用计算机程序实现的视电阻率直接成像；步骤G)～I)是用计算机程序实现的匹配滤波直接成像。

7、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤C)所述分析分辨单元的长、宽、高分别为：测点点距、测线线距、测线线距。

8、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤F)所述适当视电阻率阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。

9、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤G)所述单极-偶极装置下均匀半空间中球体在地面上的响应公式为： ${\mathrm{\ρ}}_a=\left|\right[\cos \mathrm{\θ}/r_1^2-\cos {\mathrm{\θ}}_2/r_2^2]\·(\mathrm{AM}\·\mathrm{AN})/(\mathrm{AN}-\mathrm{AM})/d^2|$ ，式中d是供电电极A到球体中心的距离，θ₁、θ₂分别是供电电极到球体中心再到测量电极M、N之间的夹角，r₁、r₂分别是M、N到球体中心的距离。

10、根据权利要求1所述的三维高分辨电阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步骤I)所述定义适当的相关度阈值是按照电法勘探的一般规则确定的。

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