聚束电阻率法探测能力提升试验研究

2021-10-07 155 上传者：管理员

摘要：聚束电阻率法在堤坝隐患探测方面具有很大的应用前景,但现有的探测能力已不能满足工程实际的需求,为进一步提升聚束电阻率法探测效率和探测深度,对现有的探测系统进行改进,通过改变电极数量和点源数量,结合理论分析和数值模拟等方法,综合开展相关研究,为提升隐患探测能力提供科技支撑。

关键词：
探测能力
点源
物理勘探方法
电流密度
聚束电阻率法
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1、概述

聚束电阻率法是一种传统的物理勘探方法之一，在矿产普查、能源勘探、地质填图以及水文、工程地质调查等方面，都取得大量成果，发挥了重要作用[1]。传统的聚束直流电阻率法采用7个电极组成的聚束电极系或单点源进行探测，此方法探测效率低，探测深度和精度无法保证，通过减少电极数量、增加点源数量，简化测试过程，从而改善聚束效果、提高探测效果和工作效率。

改进的聚束电阻率法采用5个电极和3个点源组成的电极系，通过理论分析、数值模拟开展了相关试验研究。

2、理论分析与数值模拟

2.1改进的聚束电极系

改进的聚束电极系共5个电极。A0为供电电极，A1,A2为屏蔽电极，M,N为测量电极，所有电极呈一条直线。探测时3个供电电极同时供电，并记录供电电流I1,I0,I2,通过测量电极M,N记录M,N的电位差UMN。电极M,N的中心为O点，见图1。

探测时保持电极A1,A0,A2的相对位置不变，M,N的相对位置也保持不变，A0O的中心位置根据勘探深度随极距增大而增加的原理，通过大量的试验，最终确定了两个屏蔽电极的移动步距的范围为0.2m～0.3m,固定屏蔽极距后，调节电流使电场聚束，然后测量视电阻率。改进后的聚束电阻率法工作效率有所提高，同时保留了探测精度和探测深度方面的优点。

2.2理论分析

电阻率法采用人工场源，其异常幅度，除决定于目标体与周围介质的物性差异、规模及埋深等条件外，还决定于流经目标体的电流密度的大小。

ρs=(jMN/j0)·ρ0(1)

令：

jMN=j0+j′h(2)

电阻率的相对异常为：

Δρs/Δρ0=j′h/j0(3)

其中，ρs为视电阻率；ρ0为介质电阻率；jMN为测量电极间的电流密度；j0为均匀介质中的电流密度；j′h为地下H深处地质体受电流密度jh激发在地表产生的电流密度异常部分。

根据式(1)～式(3),在电法勘探中，增大目标体探测的异常幅度或提高勘探深度，可归结为增大j′h/j0的比值问题。为达到增大相对异常幅度，可采用减小j0的方法，即建立一个与基本电流方向相反的电流补偿装置，使地表及其浅部电流密度减小，而使目标体所在范围的电流密度相对增加，以提高j′h/j0的比值。

2.2.1半无限空间中点电源电场分析

单点电源地下电流场分量情况见图2,1个点电极供电的(水平)空间的电流密度jh=Iπr2cosα,垂向电流jv=Iπr2sinα。3个供电电极同时供电时，则为3个电极在地下产生的电流密度的横向分量或者纵向分量的叠加，见图3。

从图3中可见，单点源供电时以点源为圆心的圆环区域电流密度均匀分布，当3个点源供电时，在3个点源下方产生电流密度分布较大的区域，因为大的电流密度区域的形状呈花瓣型的束状，向下方延伸，称为“聚束”效应，如图4,图5所示。

单点源和3个点源供电时在水平方向的电流密度大小见图6。在深度1m时，当水平距离小于1m时，单点源的电流密度大于3个点源供电的电流密度；当水平距离大于1m时，3个点源供电的电流密度大于单点源的电流密度；当水平距离接近1m时，电流密度均达到最大，然后随着水平距离的增加，电流密度逐渐减小，但3个点源供电的电流密度大于单点源供电的电流密度。在深度为2m,3m,4m深度时，3个点源的电流密度在不同的水平距离均大于单点源供电的电流密度。

由以上分析可知，3个点源供电时，增加了地下不同深度的电流密度，提高了电流的穿透距离，有利于探测到深部介质的电性参数。

由图7可见，当测量电极MN与供电电极A的距离增加时，在不同深度的电流密度与地表的电流密度比值逐渐增大。说明随着电极距的增大，深部的电流密度与地表的电流密度的比值相应增加，从而说明本次电极设计方案具有测深功能。

2.2.2两层介质计算分析与数值模型分析

在两层介质的情况下，计算3个点源与单点源的探测结果，用来对比检测方案的有效性。两层介质的地表电流密度的计算公式为：

u1=ρ1I2π[1r+2∑n=1∞Kn12r2+(2nh1)2−−−−−−−−−−√](4)

K12=ρ2−ρ1ρ2+ρ1(5)

其中，ρ1,ρ2分别为第1层和第2层介质的电阻率；r为距离；h1为第1层介质的厚度；I为电流密度。

根据计算式(4),式(5)建立数值模型，模型参数：ρ1为100Ω·m,ρ2为200Ω·m,I为1A,h1=10m,模型示意图见图8。

根据模型计算结果，3个点源供电时增大了地表测量电极的压差，3个点源供电的电压差异大于单点源的电压差异，证明优化的探测方案有利于探测地下是否存在异常体，综合图9,图10,优化后的聚束电阻率探测方法具备探测深部异常体的有效性和可行性。

3、结语

在原有的聚束电阻率探测方法基础上，通过改变点源的数量和电极数量，结合理论分析和数值模拟结果，当存在基底介质时，3个点源在地表产生的电压差异大于单点源的电压差异，说明在3个点源供电情况下，更容易测量到由于基底介质的变化产生的电压差异，提高了基底介质的识别能力。优化后的聚束电阻率探测方法在探测效率和探测能力方面都有不同程度的提升。

参考文献：

[1]冷元宝，王锐，李长征，等.聚束直流电阻率法及其在黄河根石探测上的应用研究[C]I中国地球物理学会.第二届环境与工程地球物理国际会议论文集.合肥:中国科学技术大学出版社，2006.

文章来源：李延卓,李姝昱.聚束电阻率法探测能力提升试验研究[J].山西建筑,2021,47(20):170-171+179