高密度电法应用中的问题与思考

11前言近十年来，高密度电阻率法在工程勘察中的应用越来越广泛，尤其在岩溶、水文、构造、检测等领域，高密度电法的应用效果，已远远超过了理论上的预期。在国内，从事高密度电阻率法的单位和人员正呈逐年上升的趋势，可以说是形势喜人。2问题及分析2.1有效数据的分辨这是个最基本的问题。不仅是本方法，其它的物探方法也是如此。在数据采集的现场，我们必需能有效地分辨：采集到的数据是不是有效的数据，用句简单的话就是：原始数据是否真实？我曾不少次碰到这样的情况：一些技术人员需要得到高密度电阻率法解释方面的帮助，可实际上，其原始数据的质量太差，根本无法进行资料解释，原始数据不行，就是再高级的大师也无法帮忙。如果在得到此类数据却不自知的话，其后果可想而知。这种情况在初学者中很普遍，而在一些多年的“老手”也会存在，如果其未对此进行过深入思考的话。图1是最近见到的两个剖面的数据：从A剖面数据可以看出：在145m处，数据明显出现异常，有两条非常有规律的高阻异常斜向右下角，其间距越来越大——这实际上是由于145m附近，电极接地条件太差，形成的“假异常”；有时，如电缆的某一点或多路转换开关的某点断开也会形成类似的“八字异常”，如该点位位于观测剖面中间，则会出现“双八字”异常；点位在两端，则会出现“半八字”异常。在现场采样时，应及时发现此类异常并及时处理。图1中B剖面的问题则更为严重，图左侧出现了太多的漩涡状封闭异常，这在地电断面中是不真实的。一般而言，我们直流电法采集到的地电断面，其等值线的起伏会比较缓，较难形成小型的封闭异常，更不用说形成如图中的密集型“漩涡异常”。图中剖面形成的原因是：剖面左侧是水泥路面，接地条件很差，现场操作人员未对接地条件进行有效改善就进行了数据采集，其数据当然是不可信的。050100150200250300350400450500550X(m)-150-100-500AB/3(m)A剖面50100150200250300350400450500550X(m)-150-100-50AB/3(m)B剖面图1典型的无效剖面一般而言，有效的高密度电阻率法成果数据有如下特征：等值线较为平缓，没有突变2起伏点，高阻、低阻区的变化是渐变的；视电阻率数值上没有孤值畸变异常，反应到等值线上是没有“漩涡异常”（独立的漩涡状异常是可以通过编辑原始数据来解决，密集的，如出现较多的漩涡状异常则需要重测）；等值线上没有出现规律的“八字异常”及其演变而成的“半八字”或“双八字”异常。2．2观测方式对数据成果的影响目前，高密度电阻率法仪器发展得相当快，几乎所有的电阻率法观测装置都可以在高密度仪器中实现。总体而言，我倾向于将高密度电阻率法的观测方式分为两大类：剖面类观测方式和测深类观测方式。如图2所示：剖面类观测是以电剖面法为主体的，如图2（A）——观测方式由电剖面开始，由左至右，依次增大AMNB之间的间距，一层一层采集数据，从而建立电法剖面，其剖面资料是倒梯形的；测深类观测是以电测深为主体的，如图2（B），其由左至右（有些仪器是从两端往中间），逐点进行电测深法观测（有时，甚至不用专门的高密度仪器，直接将电测深资料编绘成等值线图，用以代替高密度工作），由图可知，其成果是矩形的。电极编号电极编号剖面类观测装置的测量顺序示意图测深类观测装置的测量顺序示意图图2两类观测装置的测量方式对比图3050100150200250X(m)-100-80-60-40-200AB/3(m)020406080100125150175200250300350400A、剖面类观测方式的典型成果图050100150200X(m)-60-40-200AB/2(m)050100150200250300350400450500550600650B、测深类观测方式的典型成果图图3两类观测方式的典型成果图在不少技术人员的眼里，这两种方法是等效的，其实不然。图3是这两种观测方式的典型剖面，由图中可以看出两种观测方式的等值线图的主要差异：在测深类观测方式的等值线图中，其深部的曲线，其等值线基本上都呈垂直向下，水平点之间的电阻率异常多呈垂直分带；而剖面类观测方式的等值线尽管有起伏、甚至有封闭，但总体而言是与地平线平行或斜交，水平点之间的接触关系基本上是连续的。为什么会这样呢？倒底哪一种数据更接近地电实际呢？从图2就可以看出：剖面类观测方式是水平观测为主，相互点之间的影响较大，数据变化是渐缓的，上下相邻的深度处的采样点是交叉的，如果按纵向单点取测深资料的话，其测深点间距是a/2（a为电极间距），尽管其数据要稀一点。因此同样多的采样点，其分布得更“密”更均匀合理。而且，在不少采用这种观测方式时，其观测电极间距MN会随着AB间距的增大而增大，因此浅层地电条件、接地电阻等对数据的影响更小；而测深类观测方式呢，其单个测点的观测是相对“独立”的，测深点的间距是a（a为电极间距），而更为重要的是，采用该方式观测时，MN的间距一般是不变的，这样，实际观测到的数值受MN点的接地电阻及其之间表层电阻数值的影响较大，可以这么说：各点的数值由于接地电阻、表层电阻等的缘故，而在实际数据上加了个“系数”，从而导致水平两点间数值原本接近的视电阻率值却相差较大。在接地电阻、表层电阻差异很大的区域，这种观测方式所受的影响就更加明显，可以得到自上而下垂直交替的高低阻，呈现出峡谷状的电阻率等值线断面（即自上而下，其等值线基本与地平线垂直）。实际的地电条件是如何的呢，从地质基本知识可知，从宏观上讲，地层的分布是以水4平状、倾斜状的为主（大多数情况下，电阻率等值线基本与构造线、地层线相平行），似图3（B）式的垂直交替的情形并不多见。如果完全按照测深类观测方式的等值线图进行地质解释的话，其结果肯定更容易出现错误。当然，在不少场地，由于场地条件的影响，采用剖面类观测方式的观测深度难以保证，只能采用测深类装置（三极测深、二极测深装置要比四极剖面装置节约大约一半的场地）。因此，根据笔者的经验与思考，设计现场作业及处理时，应按如下原则选择观测装置：只要场地条件许可，尽量采用剖面类观测方式，尤其是首选四极剖面装置，因为这种观测方式是真正集中了电剖面和电测深法的优点，其采集点分布更均匀合理，在不少场合、不同要求的勘探项目中都可以取得好的效果。在剖面烃观测时，其资料的反演解释时应以二维剖面为主，单点测深、水平曲线分析为辅。而在场地限制只能采用测深类装置时，要尽可能改善各点的接地条件，资料反演解释时应以单点测深反演为主，二维剖面为辅，尤其是解释出直立状接触带时，一定要谨慎，以免贻笑大方。2.3如何对待反演成果？几乎所有的仪器厂商都会为用户配置至少一种反演软件（其中比较好的有：国外M.H.Loke工作组开发的“RES2DINV软件”，中国地质大学“2.5维反演软件”和河北廊坊中石油物探所的“电法工作站”等）。在和不少生产单位接触的过程中，笔者发现有一种倾向危害很大：有一些单位和技术人员非常迷信反演软件的力量，每一条剖面都经过反演，甚至于在资料解释时只看反演剖面不看原始剖面，最终的报告也只附反演成果，这是非常幼稚的，常常会遭至较大的失败。更可悲的是：不少单位、个人在勘探失败后，不在工作方式上进行反思，反而怀疑高密度电阻率法方法的有效性！笔者从事高密度电阻率法工作十多年，工作的电极间距由0.5m至10m，解决过不少的实际问题，从浅部的2、3米至深部的数十米都有相当成功的经验，总结多年的经验，笔者认为：高密度电阻率法的解释应以视电阻率等值线图为主，附以一定的反演工作，即可达到解释需要。一定要慎用反演成果！为什么？第一，高密度电阻率法，特别是采用剖面类观测方式时，集合了电剖面法和电测深法的优点，加上高密度的布极与观测，其效力已远非传统的电测深、电剖面法所能比拟的。其视电阻率等值线图已与实际的地电剖面接近（在浅部更是如此）。只要肯钻研，广泛收集钻探资料，我们就可以发现，在视电阻率等值线图中，不仅是电阻率数值、交接带，就连等值线的疏密、拐弯、起伏，都蕴含着丰富的信息可供解释。第二，就目前而言，我们很难保证我们采集的视电阻率剖面中的数百个点都是准确的，也许永远也无法办到。采集到的视电阻率值与仪器、电极、接地条件、浅部异常等都有密切关系，由于这些方面出现问题而采集到的异常数据经过反演后往往会得到无限放大，造成严重误判。更为重要的是，即便是资料没有问题，目前反演软件的水平，也无法保证能反演出完全正确的地电剖面，那些迷信反演、迷信所谓“真电阻率”的想法是多么的可笑而且危险！当然，并不是说，当前的反演软件一无是处，所有的反演都一无是处，按照笔者的思路，高密度电阻率的反演处理应按如下思路进行：首先要判断原始数据的可靠性，接地条件很差，原始数据质量较差的数据千万不要进行反演；对于地形平缓、接地条件好、数据质量高的剖面，可进行反演工作。5而在资料解释时一定要采用视电阻率剖面与反演剖面相结合的办法：其主次关系要视原始数据的质量而定，在数据质量较好时，以反演剖面为主、视电阻率剖面为辅；反之，以视电阻率剖面为主、为反演剖面辅。在资料解释的目标性上还要贯彻如下思路：宏观上，以视电阻率剖面为主进行全面解释，如分层、定性等。对于局部异常，用反演剖面进行范围圈定、大小，如溶洞、土洞等。2.4视电阻率的负值异常问题在电法勘探中经常会遇到视电阻率的负值异常问题，高密度电阻率法也不例外。一般而言，视电阻率是不应该出现负值的，有负值就说明有问题。引起负值的原因很多，大致有：首先是仪器，如果仪器的阻抗低，抗干扰能力弱，极化补偿能力差，其测试中负值出现的机会就比较大（有一些仪器已经在设计上将ρs值取为绝对值，以此来“消灭”负值异常，如果用到这类仪器，可以通过观察电压值△Ｖ是否为负以确定是否有负值异常的存在）。目前国内的各种仪器的性能都还可以，一般初期使用都还可以，但到后来，随着仪器的磨损、老化，其负值异常会越来越多。如果您发现，在您的测试剖面中，负值异常越来越多的话，就应该考虑仪器的维修与更新了；其次是接地条件：这包括电极的接地情况及连接电缆的性能，可以通过仪器自动的接地电阻检查或采用万用电表直接检查的方式来检测，这一影响是可以消除的，也是必须消除的，高密度电阻率法现场技术人员最基本的任务就是确保接地条件和电缆通畅。另外，较大的自然干扰电场也会产生负值异常。050100150200250X(m)-100-80-60-40-200AB/2(m)-50015306090120150180210240270温泉出露处图4温泉出露点附近的高密度电阻率法等值线图（图中90-160m区间为断层破碎带）还有一种情况，地下较为独立的高阻体、低阻体也可能产生负值异常，这是最需要引起注意的：一般而言，这种负值异常是有规律的，无法有效消除的，更换仪器、改善接地条件等都无法将其彻底消除。从某种意义上讲，这种负值异常，就是我们需要的目标异常。据笔者经验，在以下条件下，会出现此类负值异常：1、断层接触带，尤其是出露地表的、有温泉出露的断层接触带，其超低阻性质会导致视电阻率的负值异常，此时的负值异常会成带出现，同时在其相邻处一般都会有高阻异常伴生出现，如图4所示的温泉出露点附近的负值异常，该图中90-160m处为断层带，有温泉点直接出露，在该剖面进行高密度电阻率法时，在断层带中有一定的负值异常出现（如图中深蓝色表示的色块）；2、较大型的溶洞、土洞，有时也会出现有规律的负值异常，其规模一般不大，而且在负值异常出现之前，会出现有规律的超低阻异常；3、浅部的较大型的高阻体，这一点应该可以理解，因为高阻体对电流的排斥作用，导致其正上方测点处的观测电流很小，会出现超低阻甚至负值异6常——这是非常值得注意的：初学者很容易根据视电阻率剖面直观地将其解释成低阻体，那可是会犯大错误的。此时可以通过正演模拟、反演等工作来增加解释的准确率，必要时应增加钻探工作量。需要指出的是：对于水泥砼地面，由于其高阻层较薄，不会产生负值异常，尤其是电极间距大于1m的情况下，即便有时出现负值数据，都是可以通过改善接地条件来保证数据质量的。要知道，高阻层可不是我们直流电法的屏蔽