CN103728667B - 一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，属于地质勘探开发中对于浅表层地质结构研究领域。所述方法包括：(1)进行主测线、联络测线的高密度电法测点观测，得到多条二维野外观测结果；(2)对步骤(1)得到的野外观测结果进行二维反演处理，得到二维地下电性数据：(3)对步骤(2)得到的二维地下电性数据进行静态校正，然后进行三维拟合得到视三维观测结果数据；(4)数据网格化，三维成像：对步骤(3)得到的所述视三维观测结果数据进行视三维反演处理、解释与成像，得到高密度电法的浅表层地质结构模型。利用本发明方法得到的视三维模型客观、真实、形象地反映了电性异常的三维地质结构。

Description

一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法

技术领域

本发明属于地质勘探开发中对于浅表层地质结构研究领域，具体涉及一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法。

背景技术

高密度电法是以探测地下目标体导电性差异为基础的一种物理勘探方法。当人工向地下加载直流电流时，在地表利用相应仪器观测其电场分布，通过研究这种人工施加场源在地下的电性分布变化规律，来达到要解决地质问题的目的。其特点主要表现在观测点距小、电极布设密度较大、分辨率高、施工便捷、获取成果快，可以是二维观测，也可以是三维观测。目前，野外主要采用二维剖面勘探方式来研究中、浅表层地质结构，得到的是一条纵向地电剖面。

由于勘探目标多为复杂交错的各种类型的地下构造，在地下半空间具有三维展布特征，所以，仅仅依靠简单的二维剖面图像不能直观精确 地反映其空间分布特征，除了研究其纵向变化外，还需要了解其横向变化特征，也就是X、Y、Z三维变化特征。理论上来讲，三维高密度电法勘探需要采用10m×10m测网观测，测点密集、数据量大，野外施工要求高、工作量大，如：在1平方千米范围内进行三维勘测，测点数超过10000多个，这无疑就提高了勘探成本。

国内三维高密度电法在工程上的应用，大都采用二维数据反演，李颜贵等(2006年)通过三维软件反演，结合管线探测，对真三维高密度电法进行了探测试验，并取得了良好的勘探效果，为三维高密度电法的进一步推广提供了宝贵的实践经验。此后三维高密度电法也在小范围得到了一些应用，如高卫富等(2011年)将三维高密度电法用于煤矿斑裂区探测。但是三维高密度电法的缺点也是显而易见的，即工作量太大，从野外勘探实际出发，要进行大面的三维 高密度电法勘测是很不现实的，因此也造成该方法推广困难。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，在不增加太多工作量的情况下，部署若干联络测线，实行视三维浅表层地质结构建模，既具有三维高密度的特点，又不增加太多的工作量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，所述方法包括以下步骤：

(1)进行主测线、联络测线(联络测线是垂直于主测线且布设一定线距的测线，是进行三维反演成像的多条测线，起横向联络作用)的高密度电法测点观测，得到多条二维野外观测结果；

(2)对步骤(1)得到的野外观测结果进行二维反演处理，得到二维地下电性数据：

(3)对步骤(2)得到的二维地下电性数据进行静态校正，然后进行三维拟合得到视三维观测结果数据；

(4)数据网格化，三维成像：对步骤(3)得到的所述视三维观测结果数据进行视三维反演处理、解释与成像，得到高密度电法的浅表层地质结构模型。

所述步骤(1)是这样实现的：

沿一条测线方向进行剖面观测，得到一个以该测线的电阻率断面形式显示的二维高密度电法勘探剖面，该剖面的X轴为纵向剖面的观测方向，Z轴为探测深度方向，即垂直于地表面向下。

所述步骤(2)是这样实现的：

采用下式得出反映地下电性特征分布的地下电性数据(点)，由多组这样的数据构成二维地下电性数据(线)。

${\▿}^{2}U=\frac{-I}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\δ}(x_0-x_1)\mathrm{\δ}(y_0-y_1)\mathrm{\δ}(z_0-z_1)$

其中，U为电位，I为供电电流，σ为电导率，δ为冲激函数， 为拉普拉斯算子，x₀、y₀、z₀为电场点坐标，x₁、y₁、z₁为源点坐标。

所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)通过计算各节点的误差，形成一个误差等值线图，得到各主测线的平面位置的补偿值，然后利用该补偿值对步骤(2)得到的二维地下电性数据进行静态校正，以消除个别畸变点；

(32)对步骤(31)得到的经过静态校正后的二维地下电性数据进行三维拟合：根据设定的测线距离，观测出一组平行分布的二维高密度电法勘探剖面(即纵向主测线剖面)和一组垂向联络测线剖面(即横向观测剖面)，进而构成视三维观测结果数据。

所述步骤(4)是这样实现的：将步骤(3)得到的视三维观测结果数据输入到三维视图软件中进行视三维反演处理、解释与成像，得到高密度电法的浅表层地质结构模型，完成视三维浅表层地质结构建模。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的方法充分利用多个相邻X-Z方向电阻率断面沿Y方向的横向变化特征，经反演处理解释生成视三维浅表地层电性结构成像，研究地下半空间地质构造；利用本发明方法得到的视三维模型客观、真实、形象地反映了电性异常的三维地质结构，为高分辨率预测复杂采空区的空间分布特征提供了直观、可靠的资料。

附图说明

图1是利用现有技术得到的某地区二维高密度电法剖面及其解释图。

图2是实施例中利用本发明方法在某地区野外观测结果经资料处理得到的某地区视三维高密度电法立体柱状地电结构显示图。

图3是实施例中利用本发明方法得到的视三维高密度电法纵横向剖面显示图。

图4是本发明视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明方法的步骤如图4所示，包括以下步骤：

(1)主、联络测线的高密度电法测点观测，即进行视三维高密度电法的野外数据采集，得到野外二维观测结果；

(2)主、联络测线的高密度电法数据二维反演；

(3)根据二维反演所得地下电性数据进行三维拟合；

(4)数据网格化，三维成像。

具体来说步骤(2)至步骤(4)具体如下：

a.二维带地形反演

反演采用基于最小二乘原理的最佳拟和算法，将本质上非线性的反演问题线性化，通过多次迭代达到视电阻率实测数据与理论数据的最佳拟合。理论数据用有限单元法获得；同时，用步长与实测电极距相等、随地形展布的平行四边形网格，将观测剖面下的二维地电断面离散化，以各个网格单元的电导率值来描述地下电性分布或地电构造。采用如下算法得出反映地下电性分布的数据。

${\▿}^{2}U=\frac{-I}{\mathrm{\σ}}\mathrm{\δ}(x_0-x_1)\mathrm{\δ}(y_0-y_1)\mathrm{\δ}(z_0-z_1)$

式中U为电位，I供电电流，σ为电导率，δ为冲激函数， 为拉普拉斯算子，x₀、y₀、z₀为电场点坐标，x₁、y₁、z₁为源点坐标。

当x₀≠x₁、y₀≠y₁、z₀≠z₁时，即只考虑无源空间时，上式变为拉普拉斯方程：

${\▿}^{2}U=0$

b.三维反演剖面闭合处理

通常由于仪器采集时段不同，环境构造的变化，仪器的系统误差等原因，在主测线电性剖面与联络测线交接处其反演结果可能存在一定差异，需要通过联络测线进行二维校正达到剖面间的闭合，进而实现视三维的效果。具体是：通过计算各节点的(一定深度内的平均)误差，形成一个误差等值线图，得到各主测线的平面位置的补偿值，即可对二维反演结果进行校正(由于单条剖面受体积效应影响，在复杂区域内单条剖面的反演结果可能会出现较大的偏差，所以需要通过平面位置的补偿值进行校正，消除单一的畸变现象。方法是将超出本区域平均范围值的个别畸变值校正为正常值)，达到空间(地下)上的基本近似(各主测线反演数据通过联络测线对比实现闭合)。

c.三维显示

三维显示采用Golden Software公司的Voxler三维视图软件。将二维数据(即上面所说的野外观测结果)转为三维数据(即上面所说的视三维观测网)输入该软件，可任意旋转、放大，通过颜色变化从而可以直观的显示各剖面的在三维上的电阻率变化。并通过三维网格，可以实现各方向切片即切片组合，为测网内测线未经过的地方提供了一个预测的立体结构。

a、b、c是依次进行的，首先在各测线的野外观测数据加入高程参数进行二维反演，所得反演数据进行闭合处理，取出闭合处理后的所有数据进行网格化，进而实现三维成像。

本实施例中，所述二维高密度电法的剖面观测过程中，沿一条测线方向观测，采用10m的观测点距，得到探测深度在200m以内，一定长度的一条二维高密度电法勘探剖面；然后根据200m测线距，观测出一组二维高密度电法勘探剖面；得到200m×10m的视三维观测网。

视三维是指采用一定密度的二维勘探剖面，经组合来达到近似的三维勘探效果，但比理论上的三维勘探精度要低，而野外工作方法简单易行，成本费用 要低得多。视三维高密度电法的野外数据采集方法采用二维高密度电法的剖面观测法，对具有一定密度的多条地电剖面数据进行三维成像处理。故在利用高密度电法进行浅表层地质结构调查中，采用视三维高密度电法浅表层地质结构建模方法进行处理解释并成像。

视三维高密度电法观测方式与单一的二维观测模式相比，所不同之处在于：

(1)二维观测是一条沿测线进行的剖面观测，X轴为纵向剖面的多个测点(10m点距)观测方向，Z轴为探测深度方向，以一条测线的电阻率断面形式显示。

(2)以一定测线距(一般200m)部署多条平行分布的二维观测剖面及有一定线距的联络测线，进行联合处理、反演成像，就得到以平面方式沿X-Y两个方向观测的地表层以下沿Z方向的电阻率变化规律(即三维柱体模式的地下半空间)。

(3)对多条二维高密度电法观测剖面及联络剖面进行三维成像处理，可以获得近地表下三维半空间地质电性结构，研究地下浅表层结构纵横向的三维变化特征，称之为视三维高密度电法建模解释。

有别于三维高密度电法(10m×10m测网)，利用本发明方法(10m×200m测网)进行浅表层地质结构调查，即为视三维高密度电法浅表层地质结构建模方法。

图1是利用现有技术得到的某地区二维高密度电法剖面及其解释图，该图结合地表地质露头调查结果勾勒出了个各岩性分布及断裂的展布情况。

图2是实施例中利用本发明方法得到的视三维高密度电法纵、横向剖面显示，即由二维测线组成的视三维高密度电法观测网，该图中将各测线的二维数据转化成的三维数据显示出来，从而可以直观的显示各剖面的在三维上的电阻率变化。并通过三维网格，可以实现各方向切片及切片组合，为测网内测线未经过的地方提供了一个预测的立体结构。

图3是实施例中利用本发明方法得到的某地区视三维高密度电法立体柱状地电结构显示图，即经资料处理(数据闭合处理)后得到的三维成像图，其中， X轴为主测线方向，Y轴为联络测线方向，Z为深度。该图能直观、形象地反映电性异常的三维地质结构。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (4)

1.一种视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

(1)进行主测线、联络测线的高密度电法测点观测，得到多条二维野外观测结果；

(2)对步骤(1)得到的野外观测结果进行二维反演处理，得到二维地下电性数据；

(3)对步骤(2)得到的二维地下电性数据进行静态校正，然后进行三维拟合得到视三维观测结果数据；

(4)数据网格化，三维成像：对步骤(3)得到的所述视三维观测结果数据进行视三维反演处理、解释与成像，得到高密度电法的浅表层地质结构模型，

其中，步骤(3)具体如下：

(31)通过计算各节点的误差，形成一个误差等值线图，得到各主测线的平面位置的补偿值，然后利用该补偿值对步骤(2)得到的二维地下电性数据进行静态校正，以消除个别畸变点；

(32)对步骤(31)得到的经过静态校正后的二维地下电性数据进行三维拟合：根据设定的测线距离，观测出一组平行分布的二维高密度电法勘探剖面和一组垂向联络测线剖面，进而构成视三维观测结果数据；以及

其中，所述联络测线是垂直于所述主测线且布设一定线距的测线，所述联络测线是进行三维反演成像的多条测线，起横向联络作用。

2.根据权利要求1所述的视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，其特征在于：所述步骤(1)是这样实现的：

沿一条测线方向进行剖面观测，得到一个以该测线的电阻率断面形式显示的二维高密度电法勘探剖面，该剖面的X轴为纵向剖面的观测方向，Z轴为探 测深度方向，即垂直于地表面向下。

3.根据权利要求2所述的视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，其特征在于：所述步骤(2)是这样实现的：

采用下式得出反映地下电性特征分布的地下电性数据，由多组这样的数据构成二维地下电性数据，

其中，U为电位，I为供电电流，σ为电导率，δ为冲激函数，为拉普拉斯算子，x₀、y₀、z₀为电场点坐标，x₁、y₁、z₁为源点坐标。

4.根据权利要求1所述的视三维高密度电法的浅表层地质结构建模方法，其特征在于：所述步骤(4)是这样实现的：将步骤(3)得到的视三维观测结果数据输入到三维视图软件中进行视三维反演处理、解释与成像，得到高密度电法的浅表层地质结构模型。