高密度电法物探技术在地质勘察中的应用

王 帝

（北京东方新星勘察设计有限公司，北京 100000）

当今社会，地质勘察工作所面临的形势日新月异，对高密度电法物探技术的应用提出了更高要求，使该技术方法的运用实施过程面临着挑战与考验。当前形势下，有必要立足地质勘察工作实际需求，灵活运用高密度电法物探技术的核心方法，提高勘察工作效率，优化勘察工作成效。本文就此展开了探讨。

1 研究背景

在现代地质勘察工作中，高密度电法物探技术所展现出的应用优势与价值愈发突出，在地质数据获取与处理等方面的准确性不断提高，使传统技术条件下难以完成的地质勘察任务更具可执行性。通过运用高密度电法物探技术，可充分利用地下介质的电学特性，对地质勘察数据进行连续性获取与搜集，并运用特定的数据处理与分析方法，构造形成直观的地质勘察数据模型，以准确全面地反映地质勘察状态的空间分布情况。长期以来，广大勘察设计单位不断创新与总结高密度电法物探技术的应用经验，细化分解地质勘察工作的具体流程等方面进行了积极探索与研究，对含磁性、介电性、导电性等介质电学特性进行了充分整合，构建形成了基于基础电法理论的地质勘察技术体系，为新时期高密度电法物探技术的高效运用注入了源源不断的动力与活力，使其适用场景与环境更为宽泛，所彰显出的现实价值愈发重要。实践表明，在地质勘察中深入运用高密度电法物探技术方法，可深度整合多样化的数据采集技术方式，大大提高地质勘察效率，确保地质勘察数据信息的准确性，有效优化提升地质勘察整体工作成效[1]。

2 高密度电法的基本理论

2.1 高密度电法的基本原理

高密度电法物探技术的应用需要以岩土电性差异为主要载体，通过采用地下电极转换仪等仪器，对岩土层数据信息进行测量、收集、存储与处理，并根据有效数据的客观实际状态，构造形成地下视电阻率剖面图，进而对地下环境的构造特点进行分析研判，完成地质勘察的整个过程。通常情况下，高密度法物探技术需要将电极预先埋设在特定区域和位置内，然后通过电极转换开关对其进行控制，根据不同的电极装置形式获取不同的电极信号转换效果。在获得数据的同时，电极信号同通过电极转换装置进入测量主机。测量主机根据电极信号强度、类型与大小等，进行处理并存储，然后通过相应的计算机软件进行绘图，形成直观形象的剖面图。高密度电法工作流程如图1所示。

图1 高密度电法工作流程示意图

2.2 高密度电法的常用装置

现代基础理论与硬件装置技术的发展，使高密度电法物探技术的常用装置类型更加丰富，可针对不同的地质勘察任务灵活采用各具优势的装置仪器设备等，以完成差异化的地质勘察任务。一般而言，高密度电法物探技术的常用装置主要包括温纳装置、偶极-偶极装置、三极装置及温纳-斯伦贝谢装置等。上述不同类型的勘察装置在技术标准、方法过程与性能条件等方面存在显著差异，以根据地质勘察工作的客观实际需求，予以灵活配置。注重温纳装置和微分装置等在跑极方式方面的不同，这对高密度电法物探技术的整个实施流程与规则具有直接影响，应对其适用环境进行有效区分[2]。

2.3 高密度点法野外数据采集

2.3.1 野外工作准备阶段

一方面，应根据地质勘察目标区域的实际特点，确定符合实际的布线条件，将电极间距控制在合理范围内，避免间距过大或过小而导致的勘察效率降低，防止出现数据采集状态的异常波动起伏。另一方面，对探测对象进行深入分析，结合地质环境的分布形态等对勘察方案的可行性做出论断分析，为野外探测工作有序推进提供可靠保障。此外，在准备阶段还应对相关仪器设备进行校验，收集相关资料，对颗粒电阻率、孔隙度和含水量等技术参数作出初步研判。最后，确定观测装置及电极极距，并确定勘察深度和测线长度等，使其能够与探测深度、仪器分辨率等有序衔接。

2.3.2 野外工作测试阶段

在高密度电法野外数据采集中，测试阶段的重要性同样不容忽视，这直接关系到后续数据采集阶段的效率性。在此阶段，应制定详细可行的测试方案，对电极电阻值等数据参数的客观状态进行有效监测，防止因电路短路等要素而对测试结果造成的干扰。对测量仪器测得的电极电阻数据信息进行密切监测，对于监测发现的数据偏差进行及时处理，以充分保证野外数据信息的客观性。

2.3.3 野外数据采集阶段

在排除各类潜在影响因素的干扰基础上，野外数据采集阶段可具有更高的平顺性与稳定性，使数据采集效果更趋稳定。在此阶段，还应格外注重现场安全问题，防止地层数十到几百毫安电流通过而对技术人员造成的安全威胁。通过野外数据采集，获取地层原始数据信息，并根据数据信息类型的不同与客观差异，予以分类存储，为后续数据处理及模型构造提供依据[3]。

3 高密度电法数据处理与分析

3.1 数据预处理

3.1.1 剔除坏点

剔除坏点的主要作用在于排除存伪数据对地质勘察结果的影响，提高勘察结果的准确性与可靠性。在高密度电法物探技术应用中，对坏点的有效剔除可从源头上防止电阻率模拟断面的虚假或异常状况。导致坏点存在的原因主要是相邻点电阻率差异较大，测量电极或供电电极不稳定，地下不良接地条件，等等。在坏点剔除中，应结合目标测区的客观实际特点，对存在明显突变的数据点进行去除，使最终形成的成像图更加清晰，符合数据预处理的基本逻辑要求。

3.1.2 数据拼接

数据拼接的过程即是对高密度电法物探技术数据信息进行整合与梳理的过程，可完成对不同类型数据的拼接，为形成特定地质构造对象提供良好条件。在数据拼接中，应根据地质勘察的目标任务，将不同数据坐标值进行转换加工，与同类型数据组进行有效合并，然后对两个合并的数据取平均值。通过上述环节，考虑到目标测区单独剖面的独立性特征，可测得各个不同剖面，并合并成一条大的长剖面，得到数据拼接后的反演图，有助于降低数据误差，更加有效地反映不同断面之间的逻辑关系，统一反演图色调。

3.1.3 地形校正

受测区地形起伏等要素影响，高密度电法在数据获取过程中会发生一定畸变，若畸变幅值过大，超出技术条件约束范围，则极易导致最终勘察效果偏差，因此应通过地形校正方法，对上述问题予以技术处理。通过对介质电阻率和电流强度等技术参数，根据微分方程分析自然边界条件和本质边界条件，再经过余弦傅立叶变换进行偏微分方程关系式转换，进而得到地形矫正后的视电阻率。

3.2 数据实质性处理

数据实质性处理的过程具有系统性特征，可根据相关技术方法，将该过程细化分为多个不同的子阶段，通过强化各个子阶段的匹配性，获得最终数据处理的整体效果。在电脑接受采集数据的基础上，对数据依次进行存盘、圆滑整理，然后对数据格式进行转换及合并文件，最后编辑断面数据，形成视电阻率断面图（如图2所示）。在此过程中，可充分有效运用软件技术，将相关高密度电法技术探测到的数据进行层次化导入，通过其自动处理与分析功能，结合电极排列异常关系，得到与实际地质勘察状态相符的数据，使最终构建形成的模型更具可信性[4]。

图2 数据处理相关的流程图

3.3 数据的分析解释

在数据分析解释中，用重点对偏导数矩阵、转置矩阵、阻尼系数、扰动系数和差异矢量等进行方程构造，以确保反演准确有效。对异常体的定性解释和定量解释应与高密度电法的实施全过程密切衔接，遵循数据分析解释的基本原则，大致确定异常体所在的具体位置及分布状态等。通常条件下，探测对象和所选取的地质岩层的电阻率情况符合基本技术要求，通过埋深和位置等参数资料，可通过二维反演形成地质勘察剖面图，进而确定地下空间分布情况。

4 高密度电法正演分析

4.1 高密度电法正演的基本原理

4.1.1 点电流源的基本方程

在电流场稳定变化的前提下，可通过点电流源基本方程进行高密度电法正演操作，得到以电流强度、电场强度、电流密度、电荷密度与介质电阻率等为基础变量的关系式，通过求散度得出方程求解结果。在该环节，应根据地质勘察实际环境的差异性，对点电流源的基本方程进行离散分析，对部分不符合高密度电法物探技术规则的信息予以消除，充分确保点电流源基本方程的可解性。同时，严格按照高密度电法的具体方法要求，对前期处理与分析完毕的数据进行函数构造，防止高密度电法正演分析出现技术性偏差。

4.1.2 边界条件

在当前高密度电法物探技术条件下，其边界条件通常可细化分为三类，既第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件，上述不同的边界条件在标准要求与约束范围等方面存在一定不同，在有效求解过程中的现实作用同样存在显著差异，应根据点源之间的距离和分别密度等进行综合择定。在边界条件确定后，需要按照常数要求和矢量要求等，设定研究区域，以更加清晰准确地排除干扰因素，提高地质勘察成果的可靠性。通过边界条件的优化，可更好地辅助地质勘察结果准确有效，避免正演效果出现偏离[5]。

4.2 点源二维场域的有限差分正演计算

4.2.1 有限差分法网格剖分

根据点源二维场域的分布状况，按照二维有限差分法对地下半空间区域进行网格剖分，将其细化剖分为一个二维剖面，并通过三维立体平面坐标系对本部分区域进行网格细化，设定每个网格的边长，对不同网格区域的电位置进行求解。通过分析网格中心区域状况，可得到离散电位的电位状况。在当前技术条件下，有限差分法网格剖分应注重其变化规律，将求解整个区域的电位置作为关键路径。通常情况下，平面区域内的网格步长会保持在相对恒定状态，且网格剖分的过程同样可根据步长变化状态做出动态调整。

4.2.2 有限差分法在二维场域条件下的表现方式

在表现方式方面，有限差分法的应用关键在于对二维场域条件的分类与整合，通过任意选取一个网格模型，取中心节点和与其相邻的四个节点之间的关系，对有限差分法计算方法进行解释，得到基于网格中心点及其相邻节点的网格图，以标识中心点的具体坐标位置，形成一行虚构的网格单元。在此过程中，应注重地质勘察实际环境的约束条件，按照地质勘察数据获取的整个方案与流程，对有限差分法的表现方式进行微调，清晰表示电场空间分布状态。

4.2.3 异常场电位和总电场电位的计算方法

在高密度电法物探技术应用中，如何对异常场电位进行精准有效处理，向来都是地质勘察剖面图模型构造中的难点问题，这关系到最终剖面图的直观性。在总电场电位计算中，应参照相关技术标准，强化计算过程的标准性，防止计算方法偏离，使计算获得的均匀半空间电导率更加符合地质状况实际。对异常场电位计算分析与处理的过程，同时也是对有限差分法计算总电位值改进的过程，且不在地表处的电流源的异常场电位边值，只有在异常体存在的节点处电位才不为零。

4.3 二维正演计算算例

结合上文高密度电法正演分析方法，可采用二维正演计算模型对高密度电法物探技术应用中存储与整理的数据进行建模求解，得出模型中电阻率和电位等数值信息，进而对整个勘察勘测区域的节点电位进行计算，得到分布式电场电位值。由于水平方向和垂直方向下的网格划分之间分别存在横向关联和纵向关联，因此可按照两个不同方向进行二维正演计算，充分体现其二者之间的正相关关系或负相关关系。

5 高密度电法反演分析

5.1 球体模型

基于高密度电法物探技术的地质勘察过程同时也是对地下介质状态进行分析研判的过程，也是对高密度电法物探数据信息进行整合并获得电位值的过程。为完成上述过程，可通过运用球体模型对高密度电法反演进行处理。在球体模型中，应首先设定球心在水平方向上的具体位置，并根据球体顶部的埋设深度，分别获取低阻条件和高阻条件下的球体模型。对于低阻条件下的球体模型将会在球体反演图中呈现出低阻圆状态，且会随着球体半径的增大而低阻区域相应扩大；对于高阻条件下的球体模型则需要处理球体与地下介质之间的明显电性差异，以形成完全封闭式的高阻体圆[6]。

5.2 水平板状体模型

在水平板状体模型中，应首先对水平板状体结构的长度和宽度进行设定，并同步设定水平板距离地面深度。为有效提高水平板状体模型结构的可视化水平，应对正常状态下的电阻率进行模拟构造，并观察水平板状体与地下介质之间的电性差异。在此状况下，若均方误差相对较小，则说明高密度电法物探所获取到的数据信息相对可靠，反之则不然。根据原始数据资料，在电阻率差异状况下，可对均方误差进行反演，得到水平板状体反演图，使所形成的地质勘察模型更具直观性。

5.3 直立板状体模型

与球体模型与水平板状模型不同，直立板状体模型的核心在于在更加纵向的范围内进行数据获取，这对于高密度电法物探技术数据获取过程的一致性具有类似特征。通过对相对低阻异常反应状况的分析，可对直立板状体模型的细节部位进行优化充实，对高密度电法物探技术应用过程中的数据缺失环节进行重点补充，最大限度上丰富地质勘察反演图的内涵。在该模型异常体形态中，可有效反映测线的地电特征，异常位置结果与实际更为相符，表明高密度电法物探技术测量装置的整体运行效果较好。可以预见，在未来地质勘察中，高密度电法物探技术对直立板状体模型的构造要求将更为细致准确。

6 结语

综上所述，高密度电法物探技术的核心优势作用决定了其在地质勘察工作中的关键地位。因此，技术人员应从地质勘察工作的核心目标要求出发，创新高密度电法物探技术的运用流程与规则，强化对相关设施设备与仪器的配置，提高具体技术人员的实操技能，通过多样化的模型构造与数据处理方法，排除各类偏差数据，为全面深入挖掘高密度电法物探技术的现实价值奠定基础，为促进现代地质勘察工作迈向更高层次保驾护航。