组合三维与真三维高密度电法探测对比分析

2022-11-23赵杨杉

中国煤炭地质 2022年10期

赵杨杉，姜杰，晏雁，王洁

(湖北煤炭地质物探测量队，武汉 430200)

0 引言

三维高密度电阻率法是在二维电法勘探基础上发展起来的一种较新的勘探方法。该方法是在勘探区内一次布极多极距测量，可以观测到丰富的地下电阻率信息，通过采用三维可视化软件对处理得到的三维数据体进行多角度切片、形体渲染等综合分析，进而实现对目标体的准确定位、全面透视[1-2]。其克服了二维高密度电法不能直观地展示目标异常体走向、空间位置与形态展布的不足[3]，能够真正实现地电体的三维空间探测，具有二维高密度电法不能比拟的优点。

国内高密度电法工程应用中，大多数是采用二维数据进行反演，然后通过三维成图软件把多个二维视电阻率剖面连续成三维视电阻率分布的立体成果图进行展示，少部分则是将二维数据拼接成三维数据体(通常称为组合三维方法)，再进行三维反演获得三维成果。近年来，随着仪器设备的不断进步，一次性布设大量电极在一个矩形网格上，并采用三维阵列方式多极距测量的真三维测量方法逐渐崭露头角[4-5]。

本文通过野外实验，采用二极装置观测方式，获取了组合三维及真三维高密度电法实测数据，对同网格排列下组合三维与真三维实测数据体结构特征及其三维反演可视化成果进行了系统对比研究，综合分析认为三维高密度电法探测分辨率优于组合三维高密度电法。

1 场地布置及数据处理

1.1 基本原理

三维高密度电法的基本原理与二维高密度电阻率法相似，均是以地下介质体的电阻率差异为地球物理前提，用直流电阻率法的阵列形式，进行地电断面测量的电阻率层析成像勘查技术[6-8]。与传统高密度电法勘探的区别在于三维高密度电法采集到的数据量更大，是一个庞大的三维数据体，对仪器设备有着非常高的要求，反映的地层信息也更加丰富。

1.2 野外工作布置

试验场地位于江夏区某水库堤坝南侧，为已完成秋收的水稻田，地势平坦开阔，接地条件良好。野外试验先完成一次8×64网格排列5m电极距野外数据采集工作(图1)，然后在8×64网格排列电极距5m的原测线(Y方向)上分别完成8条二维测线野外数据采集工作，均采用二极装置(AM排列)，为二维测线组合反演三维可视化及真三维可视化对比分析提供基础数据。

图1 测线布设Figure 1 Test line layout

1.3 数据处理与三维可视化

本次三维数据处理及反演主要为成果对比分析服务，均采用Res3dinv三维反演软件进行反演。三维数据反演前，先将8条二维二极装置的剖面数据按照三维反演软件能够识别的数据格式处理整合为三维数据。然后分别对二维组合成的三维数据及直接采集得到的三维数据进行坏点编辑处理。为了保证成果对比的可靠性及准确性，两组三维数据反演时均采用相同的反演参数，3次迭代后输出到Voxler三维显示软件进行反演成果三维可视化展示。

2 采集装置及观测方式

2.1 采集装置

高密度电法的工作装置多达十余种，目前三维高密度电法常用的观测方法为单极-单极、单极-偶极和偶极-偶极三种阵列方式。其它阵列方式暂时还无法为完整的三维反演提供足够的数据覆盖范围。本次试验工作装置均采用二极装置(图2)，二极装置的特点为，供电电极B和测量电极N均放置于远离测量区域的“无穷远”处(一般置于垂直AM，大于5倍AM处)。由于单极供电和单极测量，因此该装置有较宽的测量宽度和较大的探测深度，不利之处则是要布设远极，且要求两根远电极距离测网足够远[9]。

图2 二维高密度电法二极装置观测示意图Figure 2 Schematic diagram of observation of 2D HDEM with pole-pole array

2.2 观测方式

2.2.1 组合三维高密度电法观测方式

组合三维高密度电法原始数据由8条二维高密度电法剖面数据整理组合而来，观测方式如图2所示。测量时，供电电极A不动，测量电极M逐点向右移动，得到一条滚动线；接着A、M同时向右移动一个电极，A不动，M逐点向右移动，得到另一条滚动线；这样不断滚动测量下去，最终得到一个倒三角形断面[10-11]。

2.2.2 真三维高密度电法观测方式

三维二极装置观测，其布极和测量方式与上述二维高密度电法相似，但并不是二维观测剖面的简单叠加。三维观测是在整个勘探区或勘探区的一部分一次性完成布极，电极在观测区域内呈网格节点状分布，由计算机软件按照设定的跑极方式自动选取相应位置的电极完成各种电极距排列在各个方位的电阻率数据采集[12-13]。以二极装置为例，主要包括三种测量方式：Γ测量方式、十字交叉测量方式和全测量方式。Γ测量方式是每个电极依次作为供电电极，分别沿该电极X、Y方向的电极作为测量电极，进行采集数据；十字交叉测量方式是每个电极依次作为供电电极，分别沿X、Y方向和与过供电电极与X、Y成45°夹角方向的电极作为测量电极，进行采集数据；全测量方式(图3)是每个电极依次为供电电极，其它电极按照顺序依次作为测量电极，这种测量方式采集数据量多，准确度更高[2]。本次真三维成果数据采用全测量方式采集获得。

图3 三维高密度电法二极装置全测量方式数据采集示意图Figure 3 Schematic diagram of data acquisition in full measurement mode of 3D HDEM with pole-pole array

3 数据体结构对比分析

对于二极装置而言，采集的数据记录点的平面位置为供电电极A和测量电极M的中点，深度一般为供电电极A和测量电极M之间的距离。组合三维高密度电法与真三维高密度电法网格排列相同(8×64)，但其获得的数据不管是在数据体量还是在数据体结构方面差别均较大。其原始数据体量及数据体的结构体特征如下：

组合三维高密度电法原始数据由8条二维剖面原始数据整合而来，单条剖面测量数据点个数：N=n(n-1)/2，其中n为单剖面电极数，n=64，经计算可知8×64网格排列组合三维高密度电法采集的数据为16128个。

真三维高密度电法采用全测量方式进行数据采集，每个电极依次为供电电极，其它电极按照顺序依次作为测量电极，其测量数据点总个数：Nmax=ne(ne-1)/2，其中ne为总电极数，ne=512，经计算可知8×64网格排列真三维高密度电法采集的数据为130816个。

由此可见，8×64网格排列真三维数据体的数据量是组合数据体数据量的8倍多，数据量优势明显。

图4、图5分别为组合三维、真三维8×64网格排列数据点结构图。图中红色实心球表示电极点，下部蓝绿相间的方块点均为采集的数据点。如图4所示，组合三维数据体由8条倒三角形剖面数据构成，数据主要集中在Y方向上采集的8条二维剖面上，分别位于X轴0m、5m、10m、15m、20m、25m、30m、35m处。X方向能够参与三维反演的数据较少，且主要来源于8条二维剖面。

图4 组合三维8×64网格数据点结构图Figure 4 Structure diagram of combined 3D 8×64 grid data points

图5 真三维8×64网格数据点结构图Figure 5 Real 3D 8×64 grid data point structure diagram

从二极装置三维全测量方式来看，当每一个电极作为供电电极时，比该电极序号大的电极依次作为测量电极[14]。这种测量方式下任意两个电极间均能产生一个测量数据，数据点的深度等同于该供电电极和测量电极之间的距离。从图5可以明显看出，真三维数据点比组合三维的数据点密集很多，呈“锥体”分布，数据点不再局限于Y方向上8条测线，任意方向均能提取到二维剖面数据。

4 三维可视化及解释成果对比分析切片对比

4.1 YZ方向切片对比分析

图6、图7分别为组合三维、真三维YZ方向0m、17.5m、35m切片图。从两幅切片图可以看出，切片颜色均由上而下从蓝、绿色→黄、红色→蓝色渐变(两幅成果图色标已统一)，表明探测区内视电阻率由浅到深呈低阻→中高阻→低阻变化。按照电性变化测区地层可分为三大层，即浅部的低阻层、中部的中高阻层、深部大面积的低阻层。通过对同位置切片对比分析可以看出，组合三维与真三维切面成果由浅到深电阻率变化趋势大体相同，均能较好的反应出电阻率变化规律及电阻率异常，但在细节上略有差别。分别针对三个电性层位结合切片成果进行对比说明。

图6 组合三维YZ切片Figure 6 Combined 3D YZ slice

图7 真三维YZ切片Figure 7 Real 3D YZ slice

浅部低阻层：横向上看，低阻层内各低阻区分布范围基本相同，局部略有不同。其中，真三维0m切片图Y轴距离20～70m范围内浅部呈高阻反应；组合三维35m切片图Y轴距离150～180 m处范围内中部高阻体一直延伸到地表。纵向上看，各切片低阻层厚度变化基本一致。其中，同位置17.5m切片真三维的纵向分辨率明显要高一些，真三维该处切片电阻率呈相对高→低→高变化。

中部中高阻体：纵向上看，真三维切片中高阻体的范围要比组合三维的范围大，轮廓更为清晰，成层性更好。二者中部中高阻体与下部低阻区的界面均比较清晰，但组合三维反演结果的界面呈阶梯式平缓过渡，而真三维反演结果由于有大量观测数据支撑界面起伏趋势更为真实。横向上看，真三维高阻层中电阻率的高低细节变化更突出，有利于目标体的精准定位。

下部低阻区：二者切片成果深部低阻区范围均较大，形态相似。整体上看，组合三维下部低阻区的电阻率值略低于真三维反演的电阻率，切面成果深部低阻区呈近似直立向下延伸，而真三维切片成果底部两侧则呈收敛趋势。

4.2 XZ方向切片对比分析

图8、图9分别为组合三维、真三维XZ方向0m、50m、100m、150m、200m、250m、300m切片图。从两幅切片图可以看到，同位置切片成果电阻率变化形态基本相似，对应性均较好。整体上看，真三维切片成果的探测分辨率优于组合三维。详细对比分析如下：

图8 组合三维XZ切片Figure 8 Combined 3D XZ slice

图9 真三维XZ切片Figure 9 Real 3D XZ slice

纵向上看，两幅切片成果图中各切片视电阻率由浅到深均呈低阻→中高阻→低阻变化，变化趋势基本相同。其中，浅部低阻层的厚度变化基本一致，但中部中高阻体与下部低阻区的分界面深度不一。同位置0m、100m、300m切片真三维分界面的深度相对深一些，200m、250m切片真三维分界面的深度则相对浅一些。根据两者观测数据的分布情况，认为真三维分界面更准确。深部低阻区深度200～270m范围内真三维切片均呈现相对高阻反应，对应的组合三维只有0m、200m、250m切片呈现相对高阻反应，且从色差来看反应相对不明显。

横向上看，真三维100～300m切片浅部低阻层X轴10～25m、深度10～25m范围内呈现低阻条带，组合三维则不明显。真三维中部中高阻区内局部的高阻或低阻细小异常也更为突显。例如：真三维100m切片X轴10～25m、深度30～50m范围内呈封闭的高阻反应；50m切片X轴10～30m、深度10～30m范围内的低阻变化则比同位置组合三维的更明显。

综上所述，结合不同方向的切片成果对比分析情况来看，组合三维高密度电法的探测成果与真三维的探测成果具有一定的对应性，但无论是从纵向分辨率，还是横向分辨率来看，真三维更高，高低阻界限亦更加清晰，细小异常也更为突显。