CN106443795A - 一种双模网络并行电法am数据推演合成abm数据方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其包括：布置双模网络并行电法系统，共p个测点，每个测点布置两个隔离电极，系统还包括放置在无穷远处的公共供电电极B和放置在任意处的公共参比电极N；获取AM数据集，取任意两个测点i、j供电时其他各个测点所采集到的电位，根据i、j供电电流对采集电位数据进行归一化处理，并对j供电时其他各测点电位取反，做叠加合成，获取i、j测点供电所对应的一组ABM数据；i、j各自从1到p测点依次按上述组合处理形成完整的ABM数据体。利用本发明能将并行电法数据采集效率提高(p‑1)/2倍，将传统高密度电法效率提高p倍，且数据体极距组合完备，含所有装置数据。

Description

一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘探测量方法领域中的一种数据推演合成方法，特别是直流电法数据采集及处理领域中的一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法。
背景技术
工程建设过程中遇到的地质问题层出不穷，如地下固体废物与污染物探测、堤坝质量检测、路基岩溶地质勘查、边坡问题、煤矿巷道掘进及工作面回采过程中遇到的各种水害等，部分地质问题对勘探时间要求较高，如失稳的边坡，随时可能出现边坡垮塌，给国家和人民的生命财产带来巨大的损失，如何有效提高电法勘探的时间分辨率，进行快速高效的检测是地球物理工作者所要解决的新问题。
电法技术它是一种应用非常广泛的地球物理方法之一，可很好的探测并发现上述地质问题。其原理是：以两个供电电极A、B对大地供入一稳定的电场，利用测量电极M、N测量一定范围内电位，以此获取该空间体积的大地电阻率特征，从而对该区域进行地质评价。现场应用较多的为高密度电法，它是把很多电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的串行控制，实现电阻率法中各种不同装置、不同极距的自动组合，但其每次采集只能得到一种装置的电法数据，在高密度电法勘探中，根据供电电极与测量电极之间的位置不同，可将电法装置进行不同的分类。目前，其常用电极装置已发展成十几种，不同装置对不同地质体的探测灵敏度不同，如探测覆盖层下水平低阻异常时，二极、三极、复合对称四极装置效果较好，温纳装置和偶极装置对横向电性变化较为灵敏，正是因为不同的装置对不同地质体的分辨率不同，所以在现场工程中往往会采集几种不同装置的电法数据，以便室内作业的分析比较，这就极大的增大了现场采集时间，各种装置的采样时间如表1所示(p为测线测点数，高密度电法中即为测线电极数，m为探测层数，t为单点供电周期)：
表1
以64个电极为例，每个电极供电时间为1秒，现场常用的四极装置中对称四极装置数据采集时间为20多分钟，随着电极数的增加，探测时间不断增大；传统高密度电法采集效率低、现场探测成本高。
为解决常规高密度电法探测时间效率低的缺点，安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司提出了网络并行电法技术。网络并行电法是一种超越常规高密度电法采集方法的一种电法勘探技术，采用“分布式并行智能电极电位差信号采集方法”(发明专利号：ZL200410014020)国家发明专利技术与网络系统集成技术构建。该仪器系统数据采集方式采用的是一种拟地震式电法数据采集技术，即两个电极供电时，测线上其他电极同时并行采集电压信号，整个采集过程中没有闲置电极。所采集的数据格式分为AM数据和ABM数据(这两种数据包含了常规高密度电法所有二极、三极、四极装置的所有装置数据，可进行任意提取)。AM法是将其中的公共供电电极B放置在无穷远处，利用单点电源场供电方式，供电电极从测线起始测点电极循环至测线结束测点电极，其他测量电极并行采集与公共参比电极(N)的电位差，整条测线的数据采集时间为TAM＝pt(p为电极数，t为每个供电持续时间)；ABM法工作时，测线上的电极顺次承担A、B供电，其他测量电极并行采集与公共参比电极(N)的电位差，整条测线的数据采集时间为(p为电极数，t为每个供电持续时间)。
由AM法和ABM法原理可见，ABM法由于电极间的供电组合较多，故ABM法的采集时间相对较长(但与常规高密度电法相比，其时间缩短了几倍)，以64个电极为例，供电时间为0.2s的ABM数据采集时间需20min16s，而AM法数据只需要38.4s，若要获取测区内全面的数据，必须采集ABM数据。因此，在获取海量数据的同时进一步提高现场的采集效率是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其将并行电法采集到的AM数据体，通过电场转换推演合成的方法，将AM数据体推演合成为ABM数据体。即一次采集AM数据，即可获取所有电极组合的数据(二极、三极、四极)，并可任意提取各种装置的结果剖面，极大的提高现场的采集效率。
本发明的解决方案是：一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其包括以下步骤：
(1)布置双模网络并行电法系统，所述双模网络并行电法系统包括公共供电电极B、公共参比电极N、多组隔离电极组；每组隔离电极组包括供电电极和测量电极，所述双模网络并行电法系统共有p个测点，每个测点布置一组隔离电极组，将公共供电电极B放置在无穷远处，无穷远处定义为测线长度的3～5倍以外，公共参比电极N放置在任意处；
(2)对测点进行数据采集，获取AM数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
(3)取其中任意两个测点i、j供电时其他各个测点所采集到的2行电位[IiUi,1……Ui,p]、[Ij Uj,1……Ujp]，根据两次供电电流Ii、Ij，对采集电位数据进行归一化处理，归一化系数为k＝Ij/Ii；
(4)将测点j供电时各测点测量的电位取反，再与测点i供电时各测点的电位值相叠加，获取测点i、j供电所对应的一组ABM数据；
(5)在步骤4的基础上，依据步骤3，依次将1#2#测点、1#3#测点至1#p#测点进行合成，2#3#测点、2#4#测点至2#p#测点，直至(p-1)#p#测点进行合成，并将处理后的数据整合到一个完整ABM数据体中。
作为上述方案的进一步改进，所述方法还包括步骤6：(6)步骤5的ABM数据体内包含所有四极装置电极组合类型的数据，且能任意提取。
进一步地，ABM数据体包含四极装置中的温纳四极、温纳偶极、温纳微分、施伦贝谢尔、中间梯度装置中的所有数据。
再进一步地，提取温纳四极数据，只需要通过软件按顺序提取。
优选地，温纳四极供电顺序的数据：1#4#供电电流、2#3#测量电位差，1#7#供电电流、3#5#测量电位差……；温纳偶极供电顺序的数据：1#2#供电电流、3#4#测量电位差，1#3#供电电流、5#7#测量电位差……；温纳微分供电顺序的数据：1#3#供电电流、2#4#测量电位差，1#5#供电电流、3#7#测量电位差……。
再进一步地，提取施伦贝谢尔、中间梯度装置时，只需要通过软件按需要提取任意偶极偶极的供电电流、测量电位差。
作为上述方案的进一步改进，同组隔离电极组中的两个隔离电极间距在5-50cm。
作为上述方案的进一步改进，归一化处理，若供电电流分别为Ii、Ij，则归一化系数为k＝Ij/Ii，j点供电时其他测点所测得的修正电位U'j,n＝Uj,n-k×Ui,n，每次归一化时以排号较大的测点电流为基准，其中n为任意一个测点。
作为上述方案的进一步改进，所合成的ABM数据体中的电流Ii,j为任意两个测点i,j供电时回路中的归一化电流，Ui,j,n为任意两个测点i,j供电时，n#测点所合成的电位值，n为任意一个测点；记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点和2#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和4#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示(p-1)#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，即为ABM数据体。
作为上述方案的进一步改进，所述ABM数据体获取时，供电方法为单正、或单负、或正负交替供电。
本发明的有益效果如下：
1.双模网络并行电法采集技术是一种在网络并行电法的基础上，在测线布置两排电极，将发射端与接收端的电极分开，这有利于克服传统直流电法数据采集时，供电电极在供电后的一段时间内处于被极化状态，导致该电极在这段时间内作为接收端时采集数据不准确的缺点，同时这种工作方式可利用供电点左侧数据，为测线的全场观测提供了前提；
2.若每个测点单次供电时间为1秒，传统高密度电法一种装置类型的数据采集时间需要p·p秒，如果按照温纳三种装置采集则需要3·p·p秒。而ABM法采集需要秒，利用本发明方法，采集时间为AM数据采集时间，即p秒，本发明将双模网络并行电法采集效率提高了(p-1)/2倍，将传统高密度电法采集效率提高了p倍，且获得的数据体中包含了直流电法所有电极组合装置的信息。且数据体包含了温纳四极、温纳偶极、温纳微分、施伦贝谢尔、中间梯度等所有装置的数据。以64个电极为例，每个测点供电时间为1s，传统高密度电法采集一种装置类型的数据需时4096s，ABM装置需要2016s，而利用本发明的数据采集时间为64s，同时也完成了所有的装置类型数据的采集。通过便捷的AM法测量数据，就可以用软件提取ABM数据体，使得双模并行电法的勘探效率成测点数的倍数提升。
附图说明
图1是双模网络并行电法现场布置示意图。
图2是2#测点、47#测点分别供正电时测线上其他测点所测量得到的电位。
图3是将47#测点供正电时各测点所测量到的电位取反结果图。
图4是将2#测点供电与47#测点供电电位取反后，其他测点测得的电位相叠加的结果。
图5是实测对称四极电阻率与合成对称四极电阻率的曲线比较图。
图6是合成对称四极剖面图。
图7是实测对称四极剖面图。
图8是实测温纳偶极电阻率与合成温纳偶极电阻率的曲线比较图。
图9是合成温纳偶极电阻率剖面图。
图10是实测温纳偶极电阻率剖面图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，包括以下步骤。
(1)布置双模网络并行电法系统，所述双模网络并行电法系统包括公共供电电极B、公共参比电极N、双模式电极；双模式电极包括供电电极和测量电极，所述双模网络并行电法系统共有p个测点，每测点布置双模式电极(两个电极)，双模式电极的两个电极的隔离间距在5-50cm，将公共供电电极B放置在无穷远处(测线长度的3～5倍，下同)，公共参比电极N放置在任意处，如图1所示。所述双模式电极是将传统高密度电法的一个电极分为两个，分别作为供电电极和接收电极。
(2)对测线进行数据采集，获取测线的AM数据集，测量各测点供电时的电流和测线上其他测点采集到电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值。
(3)取其中任意两个测点i、j供电时其他各个测点所采集到的2行电位[IiUi,1……Ui,p]、[Ij Uj,1……Uj,p]，根据两次供电电流Ii、Ij，对采集电位数据进行归一化处理，归一化系数为k＝Ij/Ii。
在本实施例中，取其中两个测点i、j(i<j)供电时其他各个测点所采集到的电位，根据两次供电电流差异情况对采集电位数据进行归一化处理，具体为：若供电电流分别为Ii、Ij，归一化系数为k＝Ij/Ii，j点供电时的修正电位U'j,n＝Uj,n-k×Ui,n(n为任意一个测点)，每次归一化时以排号较大的测点电流为基准，如图2所示。
(4)将测点j供电时各测点测量的电位取反，再与测点i供电时各测点的电位值相叠加，获取测点i、j供电所对应的一组ABM数据。
根据测量互换原理，由于被探测的对象在探测期间可以认为是时不变系统，对于同一测点无论采用正向供电还是负向供电，其供电电压绝对值不变，得到的电位分布也仅只有正负差异，其绝对值不变。故若将测点j改为反向供电，只需将j点供电时各测点测量的电位取反，如图3所示。将取负值后的各测点电位值与i供电时各测点电位值相加，获取i供正电和j供负电时各测点所测量的电位值，如图4所示。
(5)在步骤4的基础上，依据步骤3，依次将1#2#测点、1#3#测点至1#p#测点进行合成，2#3#测点、2#4#测点至2#p#测点，…，直至(p-1)#p#测点进行合成，并将处理后的数据整合到一个完整ABM数据体中。
依据步骤3中的方法，依次将1#2#测点、1#3#测点至1#p#测点进行合成，2#3#测点、2#4#测点至2#p#测点，…，直至(p-1)#p#测点进行合成，并将处理后的数据整合到一个ABM数据体中，所合成的ABM数据体中的电流Ii,j为任意两个测点i,j供电时回路中的归一化电流，Ui,j,n为任意两个测点i,j供电时，n#测点所合成的电位值，n为任意一个测点；记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点和2#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和4#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示(p-1)#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，即为ABM数据体。
(6)步骤5的ABM数据体内包含所有四极装置电极组合类型的数据，且能任意提取。
步骤5数据体内包含所有四极装置电极组合类型的数据(温纳四极、温纳偶极、温纳微分、施伦贝谢尔、中间梯度装置等)，可任意提取。如提取温纳四极数据时，只需要通过软件按顺序提取传统高密度电法温纳四极供电顺序的数据，1#4#供电电流、2#3#测量电位差，1#7#供电电流、3#5#测量电位差……；如提取温纳偶极数据时，只需要通过软件按顺序提取传统高密度电法温纳偶极供电顺序的数据1#2#供电电流、3#4#测量电位差，1#3#供电电流、5#7#测量电位差……；如温纳微分供电顺序的数据：1#3#供电电流、2#4#测量电位差，1#5#供电电流、3#7#测量电位差……；数据提取出之后可进行相关处理成图，得到测线覆盖范围内的电阻率剖面，从而进行地质解释。
本发明的双模网络并行电法采集技术是一种在网络并行电法的基础上，在每个测点布置双模式电极，将同一测点的发射与接收用2个独立电极分开；这有利于克服常规高密度直流电法数据采集时，每个测点只有一个电极，该电极在供电后的一段时间内处于被极化状态，导致该电极在这段时间内作为接收电极时，采集电位数据含有极化异常电位的缺点；同时这种测点双电极工作方式(暨双模)有效避免供电测点电极极化作用，为测点的全场电位(含自然电位、一次场电位和二次场电位)观测提供了前提,也是测点数据合成的前提。
接下去，如图1所示以32个测点为例(其他数目测点数的测线合成过程相同，不受测点数影响)，分别提取整条测线的对称四极电阻率剖面和温纳偶极电阻率剖面与实际采集结果进行比较，说明本发明的普遍适用性。
双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，包括以下步骤。
(1)在某试验场地布置双模网络并行电法系统，每测点布置一组隔离电极组的两个电极，将供电电极B放置在无穷远处，公共参比电极N放置在任意处。
(2)先测取整条测线的AM数据，以对称四极装置为例，提取1#、4#测点供电，2#和3#测点测量时的电位，记为表1所示(因某测点供电时，供电点测量电位超出测量电压范围，嵌位保护后该点电位值强制为0)。
表1
(3)取其中1#测点和4#测点供正电时其他两个测点所采集到的电位进行归一化处理，具体为：以4#测点所采集到的电流电位为基准，计算归一化系数k＝30.921/25.202＝1.227，则归一化之后1#测点供电时其余测点测量到的电位值都乘以系数k得到下表2。
表2
(4)将4#改为负供电，将所测量的电位数据取负值后，将取负值后的2#、3#测点电位值与1#测点供正电的2#、3#测点所测量到的电位值相加，获取1#供正电和4#供负电时测线上其他测点所测量的电位值，计算后的记录为表3。
表3
(5)分别将1#2#测点、1#3#测点……1#32#测点进行步骤3步骤4的方法进行计算，并将计算后的结果进行汇总。得到ABM数据格式矩阵。
(6)整条测线对称四极电阻率比较
请一并参阅图5、图6及图7，并请结合表4及表5，对称四极为两供电电极与测量电极关于测量中点对称的装置，即AM＝NB。按照对称四极数据提取格式，分别提取该条测线实测ABM数据对称四极数据和合成ABM数据对称四极数据。通过数据成图比较及相关度比较可知，整个剖面电阻率值分布形态基本一致，两种对称四极数据的相关度为0.9747，相关度极高。
表4
表5
(7)整条测线温纳偶极电阻率比较
请一并参阅图8、图9及图10，并请结合表6及表7，温纳偶极为两供电电极AB与测量电极MN分别在两端，且两两电极间距相等，即AB＝BM＝MN。按照温纳偶极数据提取格式，分别提取该条测线实测ABM数据温纳偶极数据和合成ABM数据温纳偶极数据。通过数据成图比较相关度比较可知，整个剖面电阻率值分布形态基本一致，两种温纳偶极数据相关度为0.9978，相关度极高。所述ABM数据体获取时，供电方法为单正、或单负、或正负交替供电。
表6
表7
其他装置提取方法与上述两种方法一致，提取不受装置限制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)布置双模网络并行电法系统，所述双模网络并行电法系统包括公共供电电极B、公共参比电极N、多组隔离电极组；每组隔离电极组包括供电电极和测量电极，所述双模网络并行电法系统共有p个测点，每个测点布置一组隔离电极组，将公共供电电极B放置在无穷远处，无穷远处定义为测线长度的3～5倍以外，公共参比电极N放置在任意处；
(2)对测点进行数据采集，获取AM数据集，各测点供电时的电流和其他测点采集的电位数据记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点供电时的电流和1#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，2#测点供电时的电流和2#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示p#测点供电时的电流和p#测点供电时1#测点～p#测点所测量到的电位值；
(3)取其中任意两个测点i、j供电时其他各个测点所采集到的2行电位[Ii Ui，1……Ui,p]、[Ij Uj，1……Uj,p]，根据两次供电电流Ii、Ij，对采集电位数据进行归一化处理，归一化系数为k＝Ij/Ii；
(4)将测点j供电时各测点测量的电位取反，再与测点i供电时各测点的电位值相叠加，获取测点i、j供电所对应的一组ABM数据；
(5)在步骤4的基础上，依据步骤3，依次将1#2#测点、1#3#测点至1#p#测点进行合成，2#3#测点、2#4#测点至2#p#测点，直至(p-1)#p#测点进行合成，并将处理后的数据整合到一个完整ABM数据体中。
2.如权利要求1所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：所述方法还包括步骤6：
(6)步骤5的ABM数据体内包含所有四极装置电极组合类型的数据，且能任意提取。
3.如权利要求2所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：ABM数据体包含四极装置中的温纳四极、温纳偶极、温纳微分、施伦贝谢尔、中间梯度装置中的所有数据。
4.如权利要求3所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：提取温纳四极数据时，只需要通过软件按顺序提取。
5.如权利要求4所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：温纳四极供电顺序的数据：1#4#供电电流、2#3#测量电位差，1#7#供电电流、3#5#测量电位差……；温纳偶极供电顺序的数据：1#2#供电电流、3#4#测量电位差，1#3#供电电流、5#7#测量电位差……；温纳微分供电顺序的数据：1#3#供电电流、2#4#测量电位差，1#5#供电电流、3#7#测量电位差……。
6.如权利要求3所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：提取施伦贝谢尔、中间梯度装置时，只需要通过软件按需要提取任意偶极偶极的供电电流、测量电位差。
7.如权利要求1所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：同一组的两个隔离电极间距在5-50cm。
8.如权利要求1所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：归一化处理，若供电电流分别为Ii、Ij，则归一化系数为k＝Ij/Ii，j点供电时其他测点所测得的修正电位U'j，n＝Uj,n-k×Ui,n，每次归一化时以排号较大的测点电流为基准，其中n为任意一个测点。
9.如权利要求1所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：所合成的ABM数据体中的电流Ii,j为任意两个测点i,j供电时回路中的归一化电流，Ui,j,n为任意两个测点i,j供电时，n#测点所合成的电位值，n为任意一个测点；记为矩阵从第一行至最后行分别表示1#测点和2#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；1#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和3#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值；2#测点和4#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，以此至最后一行表示(p-1)#测点和p#测点供电时的电流和1#测点～p#测点所测量到的电位值，即为ABM数据体。
10.如权利要求1所述的双模网络并行电法AM数据推演合成ABM数据方法，其特征在于：所述ABM数据体获取时，供电方法为单正、或单负、或正负交替供电。
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