專利名稱：三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于地質(zhì)勘探領(lǐng)域，具體是涉及一種三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法。

背景技術(shù)：
為了滿足對淺層精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測需求，發(fā)展了高密度電阻率法(Griffiths D H，Barker R D.Two-dimensional resistivity imaging and modeling in areas of complex geology.Journal of Applied Geophysics，1993，29211～226)。該方法沿測線采用較小的電極極距、較高密度的電極排列，如溫納裝置，施侖貝爾裝置，偶極-偶極、單極-單極、聯(lián)合剖面、中間梯度等裝置進(jìn)行陣列式觀測，然后進(jìn)行反演擬合成像。在小極距、高密度的探測方法中，采用了單極-偶極裝置的高分辨電阻率法(Oven T E.Detection and mapping of tunnels andcaves.in Fitch A A(ed.)，Developments in Geophysical Exploration Methods-5，London and NewYorkApplied Science Publishers，1983161-204，255-258)對地下洞道等目標(biāo)體非常敏感；在數(shù)據(jù)采集過程中它的電極排列和組合方式，對地下的每一個分析分辨單元實現(xiàn)了類似地震勘探那樣的多次覆蓋測量，因此可對由地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移進(jìn)行識別和剔除，并具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力；這種觀測方法可用交繪技術(shù)實現(xiàn)直接成像，快速、準(zhǔn)確地重現(xiàn)地下目標(biāo)的位置和形態(tài)。高分辨電阻率技術(shù)已經(jīng)在地下天然和人工洞道的探測中得到了成功的應(yīng)用。
但是現(xiàn)有的高分辨電阻率方法是在一條測線上的二維測量，對于未處于測線正下方的目標(biāo)體，由于旁側(cè)效應(yīng)的影響會使目標(biāo)體的位置和形態(tài)判斷不準(zhǔn)。當(dāng)進(jìn)行面積測量時，只是將各測線進(jìn)行簡單的組合，測線之間不存在內(nèi)在的聯(lián)系。一般的高密度電阻率方法當(dāng)進(jìn)行三維勘探(Loke M H，Barker R D.Practical techniques for 3-D resistivity surveys and datainversion.Geophysical Prospecting，1996，44499～523)時，巨大的數(shù)據(jù)量又使得三維擬合反演耗時很長且不易收斂。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的二維高分辨電阻率法在探測未知的地下洞道時會發(fā)生定位和形態(tài)不準(zhǔn)的問題(它所描繪的洞道形態(tài)是二維剖面上的平面形狀)，一般的三維高密度電阻率法除了對地下孤立的目標(biāo)體不敏感外，反演成像所采用的擬合法計算復(fù)雜、耗時較長且不易收斂的不足；為了在探測地下洞道時獲得更高的探測精度和地下目標(biāo)的立體形態(tài)，同時提供快速、準(zhǔn)確、直觀的反演解釋方法，本發(fā)明提供了一種“三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法”，該方法將單極-偶極裝置以均勻正交網(wǎng)格方式布設(shè)在地面上進(jìn)行面積測量，通過適當(dāng)?shù)碾姌O排列和組合在縱橫兩個方向都形成對地下分析分辨單元的多次覆蓋觀測，直接圖解成像由原來的半圓交繪成像變?yōu)榘肭蚪焕L成像，由此得到整個測區(qū)探測深度范圍內(nèi)洞道更準(zhǔn)確的空間位置，和更精確地在野外現(xiàn)場實時重現(xiàn)地下洞道的大小和形狀。
本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 一種三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，包括勘探方法和直接成像兩部分 所說的勘探方法是 1)、在測區(qū)內(nèi)設(shè)置均勻的正方形或矩形網(wǎng)格測點； 2)、在上述測點中以橫向與縱向間隔小于最大探測深度的二分之一的距離確定供電電極Ai的位置； 3)、無窮遠(yuǎn)極Bi與對應(yīng)的供電電極Ai的距離應(yīng)大于5～10倍的最大探測深度，也可以幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極Bj，或者當(dāng)測區(qū)面積較小時，所有的供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極B，只要保證無窮遠(yuǎn)極離最近的供電電極的距離大于5～10倍最大探測深度即可； 4)、在各測點放置測量電極MN。
5)、依次向各供電電極供電，與各供電電極有關(guān)的測量電極是以該供電電極為中心，以最大探測深度的2倍為邊長的正方形面積中的測點。如果這個面積超出了測區(qū)的范圍，則以測區(qū)的邊界為準(zhǔn)。記錄每個供電電極的電流I、及其有關(guān)的測量電極的電壓值ΔV，及ΔV/I和視電阻率值； 其中，步驟1)所述網(wǎng)格測點點距和測線線距的范圍在2m～10m之間，并且線距和點距之間成整倍數(shù)關(guān)系；步驟1)所述測點點距或測線線距構(gòu)成了分析分辨單元的邊長，即一個分析分辨單元為(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)；步驟1)所述測區(qū)，當(dāng)需要使邊緣處的地下分析分辨單元有和測區(qū)內(nèi)部相同的覆蓋次數(shù)時，測區(qū)可向外延伸一個最大探測深度的寬度；步驟2)所述最大探測深度范圍為5m～150m，供電電極之間的橫向與縱向間隔為2.5m～75m；步驟3)所述無窮遠(yuǎn)極Bi與對應(yīng)的供電電極Ai中的下標(biāo)指整個測區(qū)所用全部K個供電電極中的第i個；當(dāng)幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極Bj時，下標(biāo)j表示整個測區(qū)所用全部L＜K個無窮遠(yuǎn)極中的第j個；步驟4)中，當(dāng)測區(qū)很小時是可以一次將全部測量電極MN都布置上；但測區(qū)較大時可采用滾動測量，無需在各測點同時都設(shè)置測量電極MN，一般情況下，可計算出所需的最小測量電極數(shù)，通過滾動測量，實現(xiàn)觀測點(一個MN)、線(最大探測深度長度上的MN個數(shù))、面(最大探測長度上MN個數(shù)的平方)之間的無縫銜接，從而覆蓋整個測區(qū)；所述最大探測深度等于測量電極到所屬供電電極的最大距離；步驟5)所述視電阻率計算公式為ρa(bǔ)＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)； 所說的直接成像方法是 A)、電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除； B)、對每個測點，以其對應(yīng)的供電電極為中心，以測點到供電電極的距離為半徑畫弧，各弧線的凹凸在空間交匯所圍成的區(qū)域即反映了異常體的位置、大小和形狀。弧線凹處的交繪影像為低阻異常體，弧線凸處的交繪影像為高阻異常體； C)、將地下空間用測點點距和測線線距進(jìn)行剖分，形成分析分辨單元； D)、對每一分析分辨單元依次判斷到有關(guān)供電電極的距離，找出與該單元對應(yīng)的地面上的測點，將該測點的視電阻率值累加到該單元上； E)、然后用累加次數(shù)求各單元的視電阻率平均值，或加權(quán)平均值； F)、確定適當(dāng)?shù)囊曤娮杪书撝担纯蓪⒌叵露吹赖奈恢?、?guī)模、形狀和高、低阻電性顯現(xiàn)出來； G)、設(shè)某一地下分析分辨單元為不均勻體作為目標(biāo)單元，由單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式求得該目標(biāo)單元的參數(shù)曲面； H)、將上述參數(shù)曲線與實測曲面做相關(guān)，得到一相關(guān)度值；不同的目標(biāo)單元對應(yīng)不同的相關(guān)度值，不同的供電電極有不同的實測曲面，從而可得一組相關(guān)度值； I)、定義適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值就可再現(xiàn)地下洞道的位置、規(guī)模和形狀； 其中，步驟A)所述電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除，是根據(jù)供電電極周圍的歸一化測量電壓大致按照ΔV/I＝ρ/2πR(式中R為觀察點到源點的距離，ρ為大地綜合電阻率)的規(guī)律變化。單獨供電電極、單獨測點上偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為電磁干擾而剔除；由不同供電電極在相同測點上引起的偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移而剔除。步驟B)所述方法為手工直接成像。步驟C)～F)是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的視電阻率直接成像；步驟C)所述分析分辨單元的長、寬、高分別為測點點距、測線線距、測線線距；步驟F)所述適當(dāng)視電阻率閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。步驟G)～I(xiàn))是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的匹配濾波直接成像；步驟G)所述單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式為(式中d是供電電極A到球體中心的距離，θ1、θ2分別是供電電極到球體中心再到測量電極M、N之間的夾角，r1、r2分別是M、N到球體中心的距離)；步驟I)所述定義適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。
依據(jù)上述勘探方法和直接成像，用本發(fā)明方法，和一般的三維高密度電阻率勘探相比，三維高分辨電阻率勘探真正實現(xiàn)了對地下分析分辨單元的多次覆蓋測量，因而具有較強(qiáng)的抗干擾和剔除靜態(tài)偏移的能力，易于實現(xiàn)測區(qū)的滾動測量和無縫銜接。其直接成像技術(shù)快速、有效，無不易收斂的問題；和現(xiàn)有的二維高分辨電阻率技術(shù)相比，三維技術(shù)可以避免旁側(cè)效應(yīng)引起的洞道定位不準(zhǔn)，和洞道形狀不確定的問題，對地下每一分析分辨單元實現(xiàn)了更多的覆蓋測量，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，進(jìn)一步提高了信噪比，具有更強(qiáng)的分辨和抑制靜態(tài)偏移的能力，有更高的探測精度。



圖1為本發(fā)明實施例1的三維高分辨電阻率勘探的電極排列示意圖。圖中A1～A25表示供電電極，MN表示測量電極，記錄點為MN中點，1/1～17/17表示測點，標(biāo)號方式為線號/點號。為有普遍性，圖中的長度取單位距離長度，一個測點點距為一個單位長度。
圖2為本發(fā)明實施例1的三維高分辨電阻率勘探延伸測量示意圖。其中，a為分析分辨單元，b為最大探測深度。

具體實施例方式 在應(yīng)用電法勘探進(jìn)行地下洞道的探測中，假設(shè)地面為無限大平面，地下充滿均勻、各向同性的導(dǎo)電媒質(zhì)。當(dāng)點電流源A在地表向地下供入電流I時，地下電位的分布便以A為中心形成一組同心半球面。當(dāng)?shù)叵麓嬖谙鄬鷰r為低阻或高阻的異常體時，以供電電極A為中心，A到異常體為半徑的等電位半球面將發(fā)生凹凸的變化。這個變化可在此半球與地面相交的測點上被測量電極MN觀測到。不同的供電電極將對相同的異常體產(chǎn)生不同半徑的帶有凹凸變化的等電位半球面。多個供電電極等電位面的凹凸部分在地下空間相交匯，就將異常體的位置、大小和形狀再現(xiàn)了出來。三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法所采用的單極-偶極裝置，就可以形成這樣的點電流源，進(jìn)行等電位面的觀測，進(jìn)而實現(xiàn)三維直接圖解成像。
本發(fā)明依照上面思路提出的方法包括下述內(nèi)容 1、三維高分辨電阻率勘探方法 1)、在測區(qū)內(nèi)設(shè)置均勻的正方形或矩形網(wǎng)格測點； 2)、在上述測點中以橫向與縱向間隔小于最大探測深度的二分之一的距離確定供電電極Ai的位置； 3)、無窮遠(yuǎn)極Bi與對應(yīng)的供電電極Ai的距離應(yīng)大于5～10倍的最大探測深度，也可以幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極Bj，或者當(dāng)測區(qū)面積較小時，所有的供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極B，只要保證無窮遠(yuǎn)極離最近的供電電極的距離大于5～10倍最大探測深度即可； 4)、在各測點放置測量電極MN。一般情況下，計算出所需的最小電極數(shù)，通過滾動測量，實現(xiàn)觀測點(一個MN)、線(最大探測深度長度上的MN個數(shù))、面(最大探測長度上MN個數(shù)的平方)之間的無縫銜接，從而覆蓋整個測區(qū)； 5)、依次向各供電電極供電，與各供電電極有關(guān)的測量電極是以該供電電極為中心，以最大探測深度的2倍為邊長的正方形面積中的測點。如果這個面積超出了測區(qū)的范圍，則以測區(qū)的邊界為準(zhǔn)。記錄每個供電電極的電流I、及其有關(guān)的測量電極的電壓值ΔV，及ΔV/I和視電阻率值。
其中，測線線距和測點點距的范圍在2m～10m之間。如果對探測目標(biāo)體有一些先驗知識，如已知地下洞道的大致走向，則使測線與走向垂直，線距大于點距，構(gòu)成矩形網(wǎng)格。當(dāng)缺乏這樣先驗知識時，線距等于點距，構(gòu)成正方形網(wǎng)格；并且線距和點距之間成整倍數(shù)關(guān)系； 其中，測線或測點距構(gòu)成了分析分辨單元的邊長，即一個分析分辨單元為(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)； 其中，當(dāng)需要使邊緣處的地下分析分辨單元有和測區(qū)內(nèi)部相同的覆蓋次數(shù)時，測區(qū)可向外延伸一個最大探測深度的寬度； 其中，最大探測深度范圍5m～150m，供電電極之間的橫向與縱向間隔2.5m～75m； 其中，無窮遠(yuǎn)極Bi與對應(yīng)的供電電極Ai中的下標(biāo)指整個測區(qū)所用全部K個供電電極中的第i個；當(dāng)幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極Bj時，下標(biāo)j表示整個測區(qū)所用全部L＜K個無窮遠(yuǎn)極中的第j個； 其中，最大探測深度等于測量電極到所屬供電電極的最大距離； 其中，視電阻率計算公式為ρa(bǔ)＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)。
2、三維直接成像方法 A)、電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除； B)、對每個測點，以其對應(yīng)的供電電極為中心，以測點到供電電極的距離為半徑畫弧，各弧線的凹凸在空間交匯所圍成的區(qū)域即反映了異常體的位置、大小和形狀?；【€凹處的交繪影像為低阻異常體，弧線凸處的交繪影像為高阻異常體； C)、將地下空間用測點點距和測線線距進(jìn)行剖分，形成分析分辨單元； D)、對每一分析分辨單元依次判斷到有關(guān)供電電極的距離，找出與該單元對應(yīng)的地面上的測點，將該測點的視電阻率值累加到該單元上； E)、然后用累加次數(shù)求各單元的視電阻率平均值，或加權(quán)平均值； F)、確定適當(dāng)?shù)囊曤娮杪书撝?，即可將地下洞道的位置、?guī)模、形狀和高、低阻電性顯現(xiàn)出來； G)、設(shè)某一地下分析分辨單元為不均勻體作為目標(biāo)單元，由單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式求得該目標(biāo)單元的參數(shù)曲面； H)、將上述參數(shù)曲線與實測曲面做相關(guān)，得到一相關(guān)度值。不同的目標(biāo)單元對應(yīng)不同的相關(guān)度值，不同的供電電極有不同的實測曲面，從而可得一組相關(guān)度值； I)、定義適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值就可再現(xiàn)地下洞道的位置、規(guī)模和形狀。
其中，電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除，是根據(jù)供電電極周圍的歸一化測量電壓大致按照ΔV/I＝ρ/2πR(式中R為觀察點到源點的距離，ρ為大地綜合電阻率)的規(guī)律變化。單獨供電電極、單獨測點上偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為電磁干擾而剔除；由不同供電電極在相同測點上引起的偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移而剔除。
其中，B)為手工直接成像； 其中，C)～F)是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的視電阻率直接成像。
其中，分析分辨單元的長、寬、高分別對應(yīng)測點點距、測線線距、測線線距； 其中，視電阻率閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。
其中，G)～I(xiàn))是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的匹配濾波直接成像； 其中，單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式為 (式中d是供電電極A到球體中心的距離，θ1、θ2分別是供電電極到球體中心再到測量電極M、N之間的夾角，r1、r2分別是M、N到球體中心的距離)； 其中，相關(guān)度閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。
下面結(jié)合具體實施例，并參照數(shù)據(jù)進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例只是為了舉例說明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。
實施例1 如圖1，17線17點的正交三維高分辨電阻率勘探系統(tǒng)，圖中A1～A25表示供電電極，MN表示測量電極，記錄點為MN中點，1/1～17/17表示測點，標(biāo)號方式為線號/點號。為有普遍性，圖中的長度取單位距離長度，一個測點點距為一個單位長度。此時一個單位長度等于5m。一般情況下測點點距2m～10m，分辨率由測點點距和測線線距決定，即一個分析分辨單元為(2m～10m)×(2m～10m)×(2m～10m)。如果設(shè)計的最大探測深度Depthmax＝A1A3，則與電極A1有關(guān)的觀測區(qū)域是A1A3×A1A11面積內(nèi)的測點，與A2有關(guān)的觀測域區(qū)是A1A4×A1A11面積內(nèi)的測點，……，與A13有關(guān)的觀測區(qū)域是A1A5×A1A21面積內(nèi)的測點，……，與A25有關(guān)的觀測區(qū)域是A13A15×A13A23面積內(nèi)的測點。在實際觀測中，當(dāng)測量電極MN跨越供電電極，或其中一極緊靠供電電極時，為避免觀測的不穩(wěn)定性及源的奇異性，有些測點要舍棄掉。對于每一供電電極需要觀測和需要舍棄的測點參見表1，表1列出了所示的17×17測網(wǎng)當(dāng)設(shè)計最大探測深度為A1A3時，各供電電極的測點(為避免不穩(wěn)定性和奇異性所放棄的測點也列在表中)。表中1/1··1/9表示從1/1號點一直觀測到1/9號點，其他以此類推。每一個供電電極的測點構(gòu)成一個矩形區(qū)域，當(dāng)有足夠的空間時，該區(qū)域的邊長應(yīng)為最大探測深度的2倍。因此與各個供電電極對應(yīng)的測點，當(dāng)觀測空間允許時，應(yīng)逐步延伸測點使觀測區(qū)域達(dá)到最大探測深度的2倍。此步驟用各個供電電極的測點列在表1.中。由于位于測區(qū)邊緣處供電電極的測點較少，對應(yīng)的位于地下有效觀測體積內(nèi)邊緣處的分析分辨單元被覆蓋測量的次數(shù)目也較少，引起整個有效探測體積內(nèi)探測精度不同。為此，可在測區(qū)外圍延伸出一個寬度為最大探測深度的環(huán)形區(qū)域，以保證地下每一分析分辨單元有相同的覆蓋次數(shù)，進(jìn)而有相同的探測精度(見圖2)。無窮遠(yuǎn)極B1，B2，……，B25與對應(yīng)的供電電極A1，A2，……，A25的距離應(yīng)大于5～10倍的最大探測深度；也可以幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極；或者當(dāng)測區(qū)面積較小時，所有的供電電極A1，A2，……，A25共用一個無窮遠(yuǎn)極B；只要保證無窮遠(yuǎn)極B離最近的供電電極A的距離大于5～10倍最大探測深度即可。
表1.三維高分辨電阻率勘探中與各供電電極對應(yīng)的測點 (電極排列參見圖1，設(shè)計的最大探測深度等于A1A3的長度) 注為避免源附近觀測的不穩(wěn)定性和源的奇異性，跨越供電電極的測點和緊靠供電電極的測點舍棄 在本實例中，線距5m、點距5m，供電電極間距20m，MN極距10m，設(shè)計最大探測深度40m(圖1)。圖中的長度取單位距離長度，一個測點點距為一個單位長度，此時一個單位長度等于5m，無窮遠(yuǎn)極B放置在距離A13供電電極500m處。
施工方法三維高分辨電阻率勘探的觀測儀器可以用一般的直流電法儀，或帶有數(shù)據(jù)自動采集功能的電法儀。如果是一般的直流電法儀，可以只用一對MN測量電極，多個供電電極的測量方式。開始觀測時，先將測量電極置于第一個測點上，依次向與該測點有關(guān)的電極供電，記錄測量電壓ΔV、供電電流I，ΔV/I，視電阻率值；然后移動MN觀測下一個測點，重復(fù)上述過程，直到測量完畢。如果是帶有數(shù)據(jù)自動采集功能的電法儀，則是一個電極供電，所有與該供電電極有關(guān)的測量電極同時觀測。無論哪種儀器，都可以使用表2的記錄格式(表2是表1的細(xì)化，表2給出了A1～A8的記錄表格，其他供電電極的記錄表依此類推。)。對于一般的直流電法儀，帶有數(shù)據(jù)自動采集功能的三維高密度電法儀，或者專門設(shè)計的三維高分辨電阻率儀，可算出所需的最小電極數(shù)，通過滾動測量，實現(xiàn)觀測點(一個MN極)、線(9個MN極)、面(81個MN極)之間的無縫銜接，從而覆蓋整個測區(qū)。如為使地下每個分析分辨單元有相同的覆蓋測量次數(shù)，可按圖2進(jìn)行延伸測量，延伸測量時，地面上的測點按延伸后的網(wǎng)格設(shè)計，有效探測體積取圖中粗線圍起來的部分。
表2三維高分辨電阻率勘探記錄格式示例 (電極排列參見圖1，設(shè)計的最大探測深度等于A1A3的長度) A1
A2
A3
A3 A4
A5
A6
A7
A7 A8
A8 資料處理與解釋三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法資料處理和解釋的基礎(chǔ)是應(yīng)用單極-偶極裝置實現(xiàn)的對地下每一分析分辨單元的多次覆蓋測量。
資料處理主要針對電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除根據(jù)穩(wěn)恒電流場的理論，供電電極周圍的歸一化測量電壓按照到測量電極MN距離成反比的規(guī)律變化。單獨供電電極、單獨測點上偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為電磁干擾而剔除；由不同供電電極在相同測點上引起的偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移而剔除。
資料解釋包括交繪法成像、視電阻率成像、和匹配濾波成像。交繪成像對每個測點，以其對應(yīng)的供電電極為中心，以測點到供電電極的距離為半徑畫弧。如果是水平均勻半空間，則各弧線是對應(yīng)半球面的一部分，如果有異常體存在，半球面將出現(xiàn)凹凸，各弧線的凹凸在空間的交點即反映了異常體的位置、大小和形狀?；【€凹處的交繪影像為低阻異常體，弧線凸處的交繪影像為高阻異常體。視電阻率成像應(yīng)用單極-偶極裝置的視電阻率公式計算各測點的視電阻率值，可以得到異常體更定量化的電性特征。如果用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)這個過程，可將地下空間用測點點距和測線線距進(jìn)行剖分，形成分析分辨單元；對每一分析分辨單元依次判斷到有關(guān)供電電極的距離，找出與該單元對應(yīng)的地面上的測點，將該測點的視電阻率值累加到該單元上；然后用多次覆蓋的次數(shù)求視電阻率平均值，或加權(quán)平均值；最后按照電阻率勘探的一般規(guī)則確定適當(dāng)?shù)囊曤娮杪书撝?，將洞道異常的影像突顯出來。目標(biāo)異常匹配濾波成像設(shè)某一地下分析分辨單元為不均勻體作為目標(biāo)單元，利用單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式求得該目標(biāo)單元的參數(shù)曲面，將其與實測曲面做相關(guān)，得到一相關(guān)度值。不同的目標(biāo)單元對應(yīng)不同的相關(guān)度值，不同的供電電極有不同的實測曲面，從而得到一組相關(guān)度值。當(dāng)目標(biāo)單元與地下實際的不均勻體重合時可以獲得較高的相關(guān)度。按電法勘探的一般規(guī)則確定適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值就可將地下洞道的位置、規(guī)模和形狀再現(xiàn)出來。
資料處理與解釋可在野外作業(yè)現(xiàn)場用帶有數(shù)據(jù)自動采集功能的電法儀器實時進(jìn)行，進(jìn)一步的細(xì)化處理與解釋可轉(zhuǎn)到室內(nèi)進(jìn)行。為得到更精確的匹配濾波影像，可用三維有限元等方法計算目標(biāo)單元參數(shù)曲面，由于這需要較大內(nèi)存的計算機(jī)和較長的計算時間，也須放在室內(nèi)進(jìn)行。目前一般的雙核、4G內(nèi)存的微型計算機(jī)即可勝任這項工作。
效果分析地下洞道在電流源激勵下的異常響應(yīng)往往超出本身的規(guī)模，由此產(chǎn)生旁側(cè)效應(yīng)。二維高分辨電阻率勘探會受旁側(cè)效應(yīng)的影響，發(fā)生對異常體的定位誤差。即使是面積測量，定位誤差仍然不可完全避免；在對洞道形態(tài)的判斷方面，二維勘探需要有關(guān)洞道的先驗知識，否則無法確定各測線之間異常的連通關(guān)系。三維技術(shù)可以避免旁側(cè)效應(yīng)引起的洞道定位不準(zhǔn)，和洞道形狀不確定的問題。理論上，三維技術(shù)的分辨率完全由測點點距和測線線距決定，而二維技術(shù)僅在測線方向上由測點點距決定，測線間距與分辨率的相關(guān)性不強(qiáng)。三維高分辨電阻率技術(shù)對地下每一分析分辨單元實現(xiàn)了更多的覆蓋測量，比二維技術(shù)具有更強(qiáng)的抗干擾能力，進(jìn)一步提高了信噪比，具有更強(qiáng)的分辨和抑制靜態(tài)偏移的能力，因而有更高的探測精度。和一般的三維高密度電阻率勘探相比，三維高分辨電阻率勘探真正實現(xiàn)了對地下分析分辨單元的多次覆蓋測量，因而具有較強(qiáng)的抗干擾和剔除靜態(tài)偏移的能力，易于實現(xiàn)測區(qū)的滾動測量和無縫銜接。其三維直接成像技術(shù)快速、有效，無不易收斂的問題。
因此，應(yīng)用三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法可以獲得更精確的地下洞道的位置、大小和形狀的信息，對于研究淺層精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有重要意義。
權(quán)利要求
1、一種三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，包括勘探方法和直接成像兩部分，其特征在于
所說的勘探方法是
1)、在測區(qū)內(nèi)設(shè)置均勻的正方形或矩形網(wǎng)格測點；
2)、在上述測點中以橫向與縱向間隔小于最大探測深度的二分之一的距離確定供電電極Ai的位置；
3)、無窮遠(yuǎn)極Bi與對應(yīng)的供電電極Ai的距離大于5～10倍的最大探測深度，或者幾個供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極Bj，或者當(dāng)測區(qū)面積較小時，所有的供電電極共用一個無窮遠(yuǎn)極B，只要保證無窮遠(yuǎn)極離最近的供電電極的距離大于5～10倍最大探測深度即可；
4)、在各測點放置測量電極MN；
5)、依次向各供電電極供電，與各供電電極有關(guān)的測量電極是以該供電電極為中心，以最大探測深度的2倍為邊長的正方形面積中的測點；如果這個面積超出了測區(qū)的范圍，則以測區(qū)的邊界為準(zhǔn)；記錄每個供電電極的電流I、及其有關(guān)的測量電極的電壓值ΔV，及ΔV/I和視電阻率值；
所說的直接成像方法是
A)、電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除；
B)、對每個測點，以其對應(yīng)的供電電極為中心，以測點到供電電極的距離為半徑畫弧，各弧線的凹凸在空間交匯所圍成的區(qū)域即反映了異常體的位置、大小和形狀?；【€凹處的交繪影像為低阻異常體，弧線凸處的交繪影像為高阻異常體；
C)、將地下空間用測點點距和測線線距進(jìn)行剖分，形成分析分辨單元；
D)、對每一分析分辨單元依次判斷到有關(guān)供電電極的距離，找出與該單元對應(yīng)的地面上的測點，將該測點的視電阻率值累加到該單元上；
E)、然后用累加次數(shù)求各單元的視電阻率平均值，或加權(quán)平均值；
F)、確定適當(dāng)?shù)囊曤娮杪书撝?，即可將地下洞道的位置、?guī)模、形狀和高、低阻電性顯現(xiàn)出來；
G)、設(shè)某一地下分析分辨單元為不均勻體作為目標(biāo)單元，由單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式求得該目標(biāo)單元的參數(shù)曲面；
H)、將上述參數(shù)曲線與實測曲面做相關(guān)，得到一相關(guān)度值；不同的目標(biāo)單元對應(yīng)不同的相關(guān)度值，不同的供電電極有不同的實測曲面，從而可得一組相關(guān)度值；
I)、定義適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值就可再現(xiàn)地下洞道的位置、規(guī)模和形狀。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，
步驟1)所述網(wǎng)格測點點距和測線線距的范圍在2m～10m之間，并且線距和點距之間成整倍數(shù)關(guān)系；步驟1)所述測點點距或測線線距構(gòu)成了分析分辨單元的邊長，即一個分析分辨單元為2m～10m×2m～10m×2m～10m；
步驟2)所述最大探測深度范圍為5m～150m，供電電極之間的橫向與縱向間隔為2.5m～75m；
步驟5)所述視電阻率計算公式為ρa(bǔ)＝2π(AM·AN/MN)·(ΔV/I)。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟1)所述測區(qū)，當(dāng)需要使邊緣處的地下分析分辨單元有和測區(qū)內(nèi)部相同的覆蓋次數(shù)時，測區(qū)可向外延伸一個最大探測深度的寬度。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟4)放置測量電極MN，是計算出所需的最小測量電極數(shù)，通過滾動測量，實現(xiàn)觀測點、線、面之間的無縫銜接，從而覆蓋整個測區(qū)；所述最大探測深度等于測量電極到所屬供電電極的最大距離；其中所說的點是一個MN；所說的線是最大探測深度長度上的MN個數(shù)；所說的面是最大探測長度上MN個數(shù)的平方。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟A)所述電磁干擾和靜態(tài)偏移的去除，是根據(jù)供電電極周圍的歸一化測量電壓按照ΔV/I＝ρ/2πR的規(guī)律變化，式中R為觀察點到源點的距離，ρ為大地綜合電阻率。單獨供電電極、單獨測點上偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為電磁干擾而剔除；由不同供電電極在相同測點上引起的偏離此規(guī)律一定程度的數(shù)據(jù)，將被視為地表電性不均勻引起的靜態(tài)偏移而剔除。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟B)所述方法為手工直接成像；步驟C)～F)是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的視電阻率直接成像；步驟G)～I(xiàn))是用計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的匹配濾波直接成像。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟C)所述分析分辨單元的長、寬、高分別為測點點距、測線線距、測線線距。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟F)所述適當(dāng)視電阻率閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟G)所述單極-偶極裝置下均勻半空間中球體在地面上的響應(yīng)公式為，式中d是供電電極A到球體中心的距離，θ1、θ2分別是供電電極到球體中心再到測量電極M、N之間的夾角，r1、r2分別是M、N到球體中心的距離。
10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，其特征在于，步驟I)所述定義適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)度閾值是按照電法勘探的一般規(guī)則確定的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法，主要內(nèi)容是用單極-偶極裝置在全測區(qū)形成相互交錯的正交觀測系統(tǒng)；應(yīng)用該三維高分辨電阻率勘探及直接成像方法可以克服現(xiàn)有二維高分辨電阻率勘探方法由于旁側(cè)效應(yīng)引起的洞道定位不準(zhǔn)，和洞道形狀不確定的問題。較一般的三維高密度電阻率勘探對地下洞道的敏感性高，真正實現(xiàn)了對地下分析分辨單元的多次覆蓋測量，因而具有較強(qiáng)的抗干擾和剔除靜態(tài)偏移的能力，易于實現(xiàn)測區(qū)的滾動測量和無縫銜接。三維直接成像方法快速、有效，無不易收斂的問題。該方法可以獲得更精確的地下洞道的位置、大小和形狀的信息，對于研究淺層精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有重要意義。
文檔編號G01V3/00GK101334484SQ20081002218
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月22日
發(fā)明者述 閆 申請人:江蘇大學(xué)