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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2015-05-28

RESECSII高密度电法仪介绍2016.pdf (1940 K) 下载次数:6

德国RESECS II高度电法仪

一、原理简介
高密度电法是通过观测与研究人工建立的地下电流场的分布规律以确定地下电性异常体的分布范围、埋深及其电导率值。由于高密度电法是通过向地下注入快速脉冲电流，并对地下电流场分布进行叠加观测，所以其观测精度和分辨率极高。
地表至100-200m深度范围内，除了正常的岩层和土壤外，还夹杂有各类人为堆积物和污染体，如人工填土，建筑废弃物，空洞，垃圾堆以及各种渗漏物所导致的地下污染等。不同的岩层、土壤和各种人为堆积物、垃圾堆以及污染体等，都有不同的电性（电阻率或电导率）。高密度电法通过供电电极A B，向地下发射脉冲电流I，此电流场通过地下不同电性物质时形成不同的电位差△V，并由M N测量电极测量这些电位差值的分布（此电位差分布与地下物质的电导率呈函数关系），从而划分出地下的各种物质分布，包括埋深、形状、体积以及电导率值等。如图1所示：

图1 高密度电法原理示意图
图2是目前最常用的工作装置Wenner alpha。在实际测量中要不断的改变供电电极A B的长度，测量电极M N的长度和位置，并进行叠加观测，以便测量不同深度的电位差值和提高分辨率和观测精度（图2）。目前世界上广泛应用高密度电法对地下电性体分布进行精密测量。

图2 高密度电法观测装置之Wenner alpha
在地表同时布设数十至数百个电极（取决于最大勘探深度）。在测量过程中供电电极A B和测量电极M N的长度和位置以及注射脉冲电流的强度和频率，由主机自动控制，自动改变。
高密电阻率法的探测深度取决于供电电极的最大距离，其探测深度根据不同的排列装置一般在1/3AB到1/6AB左右，为保持高密度电法的轻便、灵活性，其探测深度一般不超过200米。
二、仪器介绍

RESECS II为德国DMT公司在第一代RESECS的基础上研发的最新一代高密度电法仪。它采用最先进的设计理念，具有完善的功能、强大的抗干扰能力和精确的探测结果。
主要特点有：
1、可进行多参数测量，包括实时计算和显示视电阻伪断面，计算复视电阻率和IP，监视地下电阻率随时间的变化等。
2、可进行地面测量、井中测量、水域测量和联合测量。
3、8通道主机，最多可以做到8×128道的8个通道同时测量的三维观测模式。
4、分布式电缆，一条8芯的电缆可以最多能够连接960道电极。
5、通过windows操作系统来控制整个观测系统，界面友好，操作灵活。
6、多达近20种观测装置和三维观测装置，用户还可以自定义观测装置。
7、发射电流与测量电位的波形实时显示，方便操作员根据实时的波形找到最佳的供电电压已及最优的供电时间、采集延时、积分时间等参数的调节。
8、可实时显示电位观测精度和实效电极位置，对观测质量进行实时监控。
9、具有电测深功能模块，小极距的电测深工作直接可以使用RESECS II完成。
10、具有网络化监测模式，远程观测地下电阻率随时间的变化，进行带时间维度的反演计算。

图3 RESECS II时间调节窗口以及电流及测量电位示波器窗口

RESES II主要技术指标：

RESECS II三维高密度电法仪主要技术指标
测量模式	视电阻率、极化率（最大6窗口）、自然电位、复视电阻率、相位差、方差等
测量范围	+/- 10Vp-p
分辨率	≤30nV
显示屏	12.1“TFT”，1024×768分辨率
操作系统	MS Windows 7 Pro
输出电流	最大2.5A
输出电压	内置最大800Vp-p（100W），外置最大880Vp-p（250W）
增益范围	自动或用户自定义
输入通道数	1或8道
输入阻抗	100M
发射周期	128ms~8192ms可自由选择
自然电位补偿	自动补偿
噪声压制	f>120Hz时, ＞100dB；工业频率＞120dB
测量精度	优于1%
存储能力	60GB（可扩展）固态硬盘
数据传输	通过USB接口或以太网接口传输数据
用户操作	采用防水键盘或鼠标进行操控
工作温度	-20—50℃
野外电源	12V或2个12V外接电源，12V,65Ah的汽车电瓶最多可以用于10小时测量
电缆	8芯，直径10mm
主机重量	12Kg
尺寸	400mm×300mm×320mm

	最新版RESECSII主机
	电极编码器单元（5.5m）规格：直径38cm，厚26cm，重量10kg
	外置升压单元规格：25cm×25cm×16cm，重量10kg
	井中电极编码器单元规格：25cm×25cm×16cm，重量5kg

三、应用实例
1、北京市地质调查研究院断层探测实例
2015年7月，北京地质调查研究院使用RESECS II高密度电法仪在北京市大兴某地探测穿过剖面的黄庄—高丽营断层的位置和埋深等信息为北京二机场的建设提供依据。

图4 北京地质调查研究院于北京大兴某地探测结果

从以上的探测结果明显可见在点距480m左右高阻电性层明显错动，显示为正断层。埋深25m，断距10米。根据地质资料该断层属黄庄—高丽营断裂带，高密度电法探测结果的位置和产状与实际情况基本一致。此外在点距360m处电阻率的不连续为黄庄—高丽营断裂的伴生的断裂破碎带。
2、福州市活断层调查实例
为了评估大危险性，中国地震局系统最近几年来在很多大、中城市开展了活断层探测。福州市八一水库是活断层探测试验区，图5是RESECSⅡ高密度电法仪的探测结果。

图5 福建市八一水库地区探测剖面

此次试验电极采用2.5m，共80道。采用wenner alpha观测装置，探测深度为40米左右。在上面的电阻率断面中浅层由高阻薄层覆盖，高阻薄层的下面低阻区是松散沉积物。剖面右侧的浅层低阻体宽40m，是垃圾堆放场。红色虚线为断层位置。
3、市垃圾填埋场污染情况调查实例
市拒马河岸有一垃圾堆放场。为探测该垃圾场是否对地下造成了污染，沿暂时干涸的河床用RESECS高密度电法仪做了探测。观测系统采用wenner alpha装置，电极距5m。

图6 市拒马河岸高密探测试验结果

图6是分别是视电阻率拟断面图（上图）和反演电阻率断面图（下图）。可见位于断面左侧的垃圾堆放场（低阻区），由于地表降水的渗透作用，其污染范围已向深部和河流下游渗透（蓝色低阻带）。
4、武汉铁四院岩溶调查实例
2015年12月，武汉铁四院物探所使用RESECS II在广西柳州某地探测山丘下岩溶发育情况为铁路选址提供依据。

图 7 铁四院广西柳州某地高密度探测二维结果

图 7为探测区边缘附近某单条剖面的观测的反演结果，观测时使用5m的电极距，共96道，wenner alpha与wenner beta双观测装置测量。其中上图为wenner alpha装置的结果，下图为wennerbeta的结果。
结果中可见，在同等深度下，wenner alpha和beta装置的反演电阻率分布几乎一致，说明仪器观测数据是非常可靠啊。在点距100m~200m之间电阻率明显的横向不连续，判断为岩溶发育地段。
根据现场地貌的观察，我们认为此低阻区域可能不只是单纯的岩溶发育，很有可能还有地下暗河。于是在工区中间的山岭上从新布置了300米的3维高密度观测系统。点距5米，线距20米，同时布置3条测线使用3个通道同时观测。观测装置使用双边三极加偶极的方式。这样下来40米×300米的三维测网中具有13000多个数据点可以用与后续的计算。

图8 铁四院广西柳州某地三维高密度探测维结果

图8为三维观测的反演电阻率图，可以看到在170米左右很明显的低阻体横穿3条测线，推断此异常为地下暗河的反应。
5、城市空洞探测实例
城市地下空洞，是城市安全的重大隐患。图9是用RESECS高密度电法仪对德国乌普塔市地下空洞的探测结果。左图是电极沿城市街道的布设情况，右图是探测结果，其中的高阻体（元宝状）是地下空洞所在。

图9探测城市地下穴洞应用实例

6、北京水科院大坝结构探测实例
15年7月份北京水科院在北京平谷某大坝上使用RESECS II高密度电法仪对大坝结构进行探测。观测剖面在外坝坡的马道上，电极距布置为4米，共80道，由于表面全是大卵石，电极无法良好的接地因此采用wenner alpha装置，采集完成后只取了浅部信号质量相对较好的数据。

图10 北京水科院平谷某大坝上高密度二维探测结果及钻孔柱状图剖面

由于钻孔的位置在坝顶，因此钻孔剖面与探测结果深度上以图中虚线为基准。虚线下面的实线则为坝体与基岩的界线。从以上结果可以看到高密度的探测结果与钻孔剖面坝体的界面形态、深度基本一致。
7、井中装置运用于金属矿实例
德国DMT公司利用RESECSⅡ高密度电法仪成功地应用于钻井中探测矿体的延展情况。
单井观测，观测装置如图11中左图所示，右图为观测结果

图11单井观测装置示意图及VRP视电阻率伪断面图

根据钻井结果，在井深82-97m之间为矿化带，其电阻率值＜15欧姆米。VRP结果显示，该矿化带向外延伸至40m以外，并且向上扩展。但VRP无法确定矿化带的延伸方向，因此必须与地面高密度电法联合测量。VRP的另一个优点是可以正确地计算出矿体和围岩的真实电阻率值
对井观测，采用A B供电电极对井供电的供电方式（如图12）

图12对井供电方式示意图

A：不含矿蚀变带，电阻率＞40欧姆米B：角砾化带，含黄铁矿5-10%，含锌1%，电阻率15-40欧姆米
C：深度角砾化带，锌含量＞3%，电阻率值＜15欧姆米

图13对井电法在某金属矿上的探测结果

图13是用井间高密度电法（BRT）确定两个井中的锌矿带是否连通，结果表明，虽然锌含量＞3%的角砾岩带的电阻率值仅比锌含量1%的角砾岩带电阻率值略低，但BRT探测结果仍可将锌含量>3%的锌矿带明显分辨出来。
8、北京地质调查研究院对井试验
15年10月底，北京地质调查院利用RESECS II高密度电法仪配合两条24道的井中电缆在其单位的后院的钻孔中做了试验观测。观测方式如图12中所示，井间距24m。两井的第一个电极离地面6m，极距2m，每一井24道。
测量完成后，经过处理分别得到电流密度分布图（图14）以及反演电阻率断面（图15）。从图14整体来看电流密度以对角线为中轴线从高到低的近于对称的分布。这样的分布形态应该为比较典型的层状地层的电流分布。当A、B水平供电时，电流分布对应为对角线附近区域，其电流密度相对较高。当A、B供电为两孔间对角供电时对应着左上角和右下角低电流密度区域。根据这样的分布形态初步判断钻井之间可能有相对较高阻的地层分布。
局部来看，在蓝色虚线圈定的区域局部电流密度较高，其对应的电极号为钻孔1的4到7号电极（即14到20米的电极）左右。和钻孔2的3到7号电极左右（即12到20米的电极）左右。由此异常初步判断钻孔之间浅部区域可能有低阻层或低阻局部异常的存在。

图14电流密度分布图图15对井反演电阻率断面图

在图15的反演电阻率断面图中深度25米到35左右有一个相对较高的高阻地层，浅部红色虚线圈定区域为局部的低阻异常。结果和从电流分布结果中初步判断的基本吻合。
9、井地联合装置探测油库渗漏实例
法国的Strasvourg-Entzheim地区浅部0-1.5米为松散层，1.5—8.5米为沙砾岩层，8.5—10米砂质粘土层（隔水层），10米以下为含水的粘土质砂岩。1957年在Strasvourg-Entzheim机场附近建了一个军用地下储油库。由于长期运行，该储油库底部出现泄漏。泄漏的煤油穿过沙砾层一直渗透到隔水的沙质粘土层之上。
由于沙砾岩层是高阻层，煤油也是高阻，因此很难用通常的方法发现被煤油污染的地区。为了解决这一难题，，1999年10月DMT公司利用Summit高密度电法仪，采用井中和地面三维联合观测，计算每个测点下的电阻率和相位值，即复数电阻率值，获得了极好的观测结果。野外观测布置如图16所示：

图16 高密度电法三维联合观测装置

图16：井中（B1、B2、B3、B4）和地面三维联合观测布置。黑圆点为地面电极，白圆圈为井中电极。左边是地质柱状图。
图17是观测区内未被煤油污染的钻孔（B2）和已被污染的钻孔（B7）之间的观测结果对比。

图17 地下煤油所引起的相位差

可见，两者之间的电阻率值（ρ）没有显著差别，但两者之间的相位值（_Φ）却明显不同。例如，在未被煤油污染的钻孔（B2）中相位值随着深度的变化比较缓慢，从地表的0度、向深处（10米左右）逐渐增加到-10弧度左右。但在被污染的钻孔（B7）中，在9米深的砂质粘土层之上相位值直接增加到-9弧度。可见，虽然电阻率无法区分污染区和未被污染区，但相位值便可以将两者清楚的区分开来。
图18是钻孔B4、B5、B6和B7的观测结果。从电阻率图中（左图）看不出有什么区别，但从相位图中（右图）可以判断，钻孔（B4—B5）之间要比钻孔B5—B6之间和钻孔B6—B7之间的污染程度轻微。

图18 被煤油污染和未被煤油污染相位对比
10、大同某煤矿采空区探测实例
图19为RESECSII高密度电法仪探测大同某矿采空区三维装置跑极示意图。4条测线同时观测，线距20m，每条测线布置80道道电极，极距5m。采用wenner alpha观测装置红点为发射电极（AB），绿点为测量电极（MN）。
图20为三维反演结果，其中第1条测线的结果表明在点距50m~225m即宽175m，埋深30m~50m的高阻区域（紫色）已被证实是非充水采空区。点距335m~370m即宽35m，埋深20m~30m的低阻区域（蓝色）已被证实是充水采空区。