超高密度电阻率法测得数据的地形改正

张文泰

(甘肃省有色地质调查院)

超高密度电阻率法测得数据的地形改正

张文泰

(甘肃省有色地质调查院)

超高密度电阻率法测得的视电阻率曲线因受地形影响容易发生畸变，当地形复杂时甚至会掩盖有意义的地电信息。提出了向转换得到的RES2DINV格式数据中添加地形信息的方法，并结合实例将RES2DINV软件的反演效果与超高密度电法系统自带软件的反演效果进行了对比分析，并进行了地质推断解释，取得了较好的效果。

超高密度电阻率法 地形改正 地形信息 RES2DINV软件

高密度电阻率法起源于20世纪70年代末期，英国学者所设计的电测深偏置系统实际上便为高密度电法的雏形，80年代中期，日本地质计测株式会社为适应山地地形的需要借助电极转换板实现了野外高密度电阻率法的数据采集[1]。超高密度电阻率法是对高密度电阻率法的改进，其原理与常规电法完全相同。两者存在的共同问题在于，无法有效反应出复杂地形下的真实异常信息，容易导致错误的推断解释，为此，通过对超高密度电阻率法的测量数据中加入了地形改正信息来提高数据的解译精度。

1 高密度电阻率法与超高密度电阻率法

1.1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是在常规电法的基础上借助阵列思想发展起来的一种应用广泛的物探方法，集合了多种常规电法的跑极方式，在勘探实践中可根据现场情况选择合适的电极排列方式即装置形式，进行高密度的数据采集，使每次采集的数据足以形成1个视电阻率剖面。通过对单个或多个剖面数据进行分析处理，可以得到较密集的地电信息，从而反映出地下地质体。在设计和技术实施上，高密度电测系统采用先进的自动控制理论和大规模集成电路，使用的电极数量多，便于提取更多的地电信息，使电法勘探类似于地震勘探使用覆盖式的测量方式。

与常规电法相比，高密度电法优点有：①电极布设一次性完成，减少了因电极设置引起的干扰和由此带来的测量误差；②能有效地进行多种电极排列方式的测量，可以获得较丰富的关于地电结构状态的地质信息；③数据的采集和收录全部实现了自动化(或半自动化)，不仅采集速度快，而且避免了由于人工操作所出现的误差和错误；④可以实现资料的现场实时处理和脱机处理，根据需要自动绘制和打印各种成果图件，大大提高了电阻率法的智能化程度。该方法不足之处在于受装置程式化模式限制，未能充分利用电极阵，采集数据信息非常有限，反演的精度也较低，很难满足复杂地质问题的实际勘探要求[2]。为此，通过对高密度电法的测量数据中加入了地形信息进行修正。

1.2 超高密度电阻率法

以岩矿石的电性差异为前提，通过观测和研究人工建立稳定电场的分布规律，采用专门的仪器设备，来观测岩土体的电性变化，从而解决各种地质问题。优点有：

(1)实现了数据采集的自动化和智能化，无需针对工区特点设置各种装置形式(双极、WENNER模式等等)，打破常规的数据采集模式，采用全组合形式对数据进行采集，实现了同时采集61组数据。使得在同样电极数的情况下，采集的数据量超过常规方式的10倍以上，且无须估计各种不同的数据采集方式和它们的优缺点[3-4]。相对于高密度电法，超高密度电法数据采集密度更大，工作效率更高，同时弥补了高密度电法单装置数据采集的不全面性。

(2)通过全波形动态显示能直观地实时监控数据质量。

(3)利用2.5维反演软件，对全组合数据进行联合反演，反演结果直接是真电阻率分布图，使得解释变得准确、容易和直观[5-8]。

超高密度电阻法数据处理过程包括预处理和反演。预处理过程：①编辑视电阻率值，对突变点和噪声引起的畸变数据进行剔除；②对由多个测量断面组成的剖面进行拼接；③将各电极所对应的平面坐标添加到数据文件中；③对于地形起伏较大的剖面，将高程坐标添加到数据文件中，以备反演处理时进行地形校正处理。反演处理是指将野外采集的数据经过反演计算，转换为深度-电阻率关系，以获得地下地点断面的特征。反演处理包括根据地质调查资料家里初始的二维地电模型、选择反演参数(阻尼系数、迭代次数、收敛极限)等，采用最小二乘法进行计算，查看反演结果，得到地下地电断面，用于地质解释。

2 应用实例

2.1 RES2DINV软件

RES2DINV是一款2D电阻率和IP反演软件，除了通常的地表勘探外，该软件还支持地下水和跨钻孔勘探。该软件支持带有多达16 000个电极以及27 000个数据点的勘探测线，通过对原始数据进行多次改正，最大程度地削弱了地形影响。而以往的地形改正方法主要或大量应用的是比值法或畸变张量法，或者在此方法的基础上进行改进。近年来，随着电法勘探数据2D、3D模拟和解释技术的发展，该类方法不能完全消除地形带来的影响。

2.2 工程概况

为了对内蒙古自治区某工区中、新生代不同时期不同类型沉积层进行划分并研究第四纪含水层规律，设计布置了超高密度电阻率剖面测量，其勘探深度为0～100 m，100 m以浅垂向分辨率较高，预期可以揭示不同时期沉积层的分层情况。

2.3 实施步骤

2.3.1 加入地形数据

非标准排列电极布局有无限种可能性，采用了一种列出所有4个电极的位置的“普通排列数据格式”——必须给出测量中的x位置以及所有使用电极的高程。文件“MIXED.DAT”是这种格式数据文件的1个例子，该文件实际上是1个将Wenner-Schlumberger和dipole-dipole排列综合起来的数据组。

在RES2DINV软件中若无地形文件，则按水平地形计算，需要注意的是地形文件要求包含所有电极的记录，这与电极标准排列不同。采用gawk语言及批处理命令添加地形信息，采用gawk中的字符串函数gsub，可以在整个文档中匹配记录，并采用替换字符串替换该类字符串，如果没有指定目标字符串便默认使用整个记录。函数gsub在字串 target 内，寻找符合 regexp 的所有区域，以字串 replacement 代替所有的 regexp。将gawk.exe程序和超高密度“-1_IV_inv _res2dinv.dat”放在同1个文件夹，并将下面的代码复制到文本文档，1 069、1 070，…，1 083分别是1～64号电极的高程。将其另存为扩展名为“.bat”文件。

set filename=超高密度-1_IV_inv _res2dinv.dat

gawk "{gsub(/ 0.00 0.00/,""" 0.00 1069""");print}" %filename% > 1.dat

gawk "{gsub(/ 10.00 0.00/,""" 10.00 1069""");print}" 1.dat > 2.dat

…

gawk "{gsub(/ 630.00 0.00/,""" 610.00 1083""");print}" 63.dat > 64.txt

del *.dat

rename 64.txt %filename%

2.3.2 利用自带ZZRESINV软件反演

双击“.bat”批处理文件，成功将各电极的高程添加到超高密度“-1_IV_inv_res2dinv.dat”数据组中。若需加入地形，则需先编辑“.inp”控制文件：

Topo data ---number of topo data---topo data in format: x,z

n

x1,z1

x2,z2

…

xn,zn

其中，“number of topo data”是地形校正点个数，无地形校正则为0。每个校正点的x,z占1行。第1个校正点的x必须为“.inp”控制文件中的xmin，最后1个校正点的x必须等于xmax。且各校正点的z值等于各点高程减去所有高程中的最小值。

插入软件狗后，运行ZZRESINV软件，导入扩展名为“.inp”的控制文件进行反演计算。反演结束后会生成4个文件：“*_IV_inv.OUT”、“*_IV_inv.dat”、“*_IV_inv.grd”和“rmsd_check.txt”，其中“*_IV_inv.OUT”用来存放每次反演迭代的结果和校正量，“*_IV_inv.dat”存放电极位置数据，“*_IV_inv.grd”用以存放最新1次的反演迭代结果，“rmsd_check.txt”保存所有完成的反演计算的反演误差收敛情况。未加地形的反演结果与添加地形后的反演结果见图1。

图1 ZZRESINV软件反演结果对比

2.3.3 RES2DINV软件反演

打开超高密度数据文件“-1_IV_inv_res2dinv.dat”，将第1行修改为实际排列名“超高密度-1”，第2行修改为电极距10，然后保存。通过程序主界面中的“Read data file”将带有地形的数据文件超高密度“-1_IV_inv_res2dinv.dat”导入程序，在各参数设置完成后进行反演处理，点击“Inversion”菜单，此时的反演结果未考虑地形因素。若无地形数据，此反演完成的图件就是下一步进行分析解释的成果图；若有地形文件，则需要进一步加载地形数据，使用“Topography options”菜单选择合适的地形走向方式，形成地形趋势图。地形数据加载完成后，点击“Display”菜单显示反演剖面窗口。点击“Edit data”选择“RMS error statistics”，选择视电阻率误差限，设置完毕后后退出“RMS Error Analysis Window”回到“Display Sections Window”，在此操作界面上可以显示加载地形数据前后的反演图像(见图2)和电阻率反演模块。

图2 RES2DINV软件反演结果对比

将ZZRESINV软件反演结果(见图1)和RES2DINV软件反演结果(见图2)进行对比分析，发现二者反演得到的电阻率值相差不大，高阻和低阻体形态相似。但RES2DINV软件的反演深度更大，对地质体的反映更精细一些，总体来说其成图效果优于ZZRESINV软件。

2.3.4 定性解释

区内10～100 m深度的地表为冲湖积，其成分为砂、砾、泥质粉砂和黏土等，110～620 m深度的地表为碳酸盐岩夹碎屑岩。在280 m以下，存在一高角度的低阻线性结构，而且呈现出高角度的线性梯度带，在该梯度带两侧的电阻率结构出现整体性差异，这表明该处可能存在一逆冲断层：0～280 m为下盘，280～640 m为上盘。需要注意的是，图2(b)中存在一明显的低阻体，西侧300 m左右有一选矿厂，且有一面积约3 000 m2的矿化水池，高矿化度的水的电阻率非常低，其电阻率往往显示出面团状特征、局部水平延伸等特征，这一切充分表明该低阻体极有可能为砂岩水。由于地下水层深度往往朝某个固定方向逐渐增加，这与图2(b)中低阻体形态吻合得很好。结合已知岩石电阻率，区内地质解译结果见图3。

图3 地质解释结果

3 结 论

(1)地形起伏较大时，地形信息将导致视电阻率曲线严重畸变，歪曲、淹没地质体大小及位置信息，使得不能进行正确的推断解释，降低了超高密度电法的勘探精度，甚至导致得出错误结论。应用RES2DINV软件进行地形改正，在一定程度上提高了电法勘探数据的解释水平。但是在野外数据采集工作中务必记录地形变化各点的(相对)高程。

(2)注意搜集工区地质信息，如果有必要可以进行实地野外踏勘以观察地层岩性，测量各岩性的电阻率值范围，便于进行地质分层和地质解释。

(3)为了确保采集到的数据质量，在野外施工时要确保电极接地良好，对低阻覆盖造成的异常畸变，需要结合已知地质信息(露头、钻探等)对推断解释成果进行必要的校正。

(4)应用结果表明RES2DINV软件无论是反演深度、对地质体的分辨率还是成图效果均优于ZZRESINV软件，实用性较强。

[1] 王广仓，董延朋.高密度电阻率法数据的地形改正[J].地质装备，2008，9(3)：35-38.

[2] 熊 晋，王建松，廖小平，等.超高密度电法在山区公路滑坡勘探中的应用[J].铁道建筑，2013(8)：97-100.

[3] 戴前伟，邰晓勇，王鹏飞.超高密度电法的模型响应对比分析研究[J].工程地球物理学报，2013，10(3)：383-388.

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[6] 熊 勇.高密度电法勘探中地形影响校正方法探讨[J].人民长江，2014，45(14)：47-48,55.

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2014-10-11)

张文泰(1989—)，男，助理工程师，730000 甘肃省兰州市城关区旧大路213号。