高密度电法三维反演分析--以陕西凤翔实测数据为例.pdf
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1、陕西地质 GEOLOGY OF SHAANXI第 41 卷 第 1 期2023 年 6 月Vol.41 No.1June,202383高密度电法三维反演分析以陕西凤翔实测数据为例强洋洋,段瑞锋,田靖,王斌,刘玉,杜小刚(陕西地矿物化探队有限公司,西安 710043)摘要:三维高密度电法勘探工作成本低、效率高、信息丰富、解释方便,其结果能够直观地显示目标异常体的走向、空间位置和形态等,被广泛应用于隐伏断裂、岩溶、滑坡、考古、尾矿库隐患探查监测及其他工程项目。本文应用 Res3Dinv4.0 软件对已采集的宝鸡市凤翔区高密度电法勘探数据进行三维反演研究,获得了区内电阻率的空间分布特征,并根据周围地
2、表情况和地质资料推断出了区内的渗流通道位置,为区内研究地层地球物探特征提供了可靠的基础资料。关键词:三维高密度电法 Res3Dinv4.0 软件 电阻率空间展布 渗流通道中图分类号:P631.3 文献标志码:A 文章编号:1001-6996(2023)01-0083-06高密度电法起源于 20 世纪 70 年代末。在研究初期,电极排列方式主要为温纳、偶极和微分等类型,为适应工程的需要,随后在设计和技术实施上采用了自动控制和大规模集成电路。经过 30 多年的不断研究,高密度电法勘探能力得到明显的提高,勘探效率和精确度也都得到了提升;同时反演也从传统的二维向三维发展。近年来,三维高密度数据采集与处
3、理反演研究正处于快速发展期,利用专业的设备和处理软件实现穿越断面三维视电阻率建模和数据反演,生成可任意拖动旋转和剖切的真三维地下视电阻率成果图,直观反映异常体空间形态,是研究地质结构行之有效的方法。随着探测深度、观测精度的提高,观测形式的多样化及三维数据采集成本的降低,三维高密度电法必将拥有更广阔的应用领域和发展前景。1.反演方法原理高密度电法是以岩土体的电性差异为基础,通过对地下视电阻率的处理及反演,获取地下不同深度处的电阻率分布情况。三维反演是以地下介质各项同性为前提的,电极按网状或任意布设,可一次完成布设,在测线方向和垂直测线方向均进行供电和测量,通过滚动电缆获得研究区的地电数据,其优势
4、为减弱旁侧效应、异常扩展效应、提高地层分辨率等。本文采用瑞典Res3dinv4.0软件进行三维高密度电法反演,其所使用的反演程序是基于圆滑约束最小二乘法,使用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘法的新算法。使得大数据量下的计算速度较常规最小二乘法快 10倍以上且占用内存较少。圆滑约束最小二乘法基于以下方程:(JJ+uF)d=Jg其中 F=fxfx+fzfzfx=水平平滑滤波系数矩阵;fz=垂直平滑滤波系数矩阵;J=偏导数矩阵;J=J 的转置矩阵;u=阻尼系数;d=模型参数修改矢量;g=残差矢量这种算法可以调节阻尼系数和平滑滤波器以适应不同类型的资料。同时,程序将地下电性体分成许多小的矩形棱柱体,即
5、模型单元块,并尽量计算确定各棱柱体的视电阻率值,使其与观测的视电阻率值保持最小的差值。图 1(a)为顶部层每一棱柱上面的每一个角都有一根电极;图 1(b)对上部几个层沿水平和垂直方向按电极的半宽度划分棱柱体;图 1(c)对上部几个层沿水平方向按电极的半宽度划分棱柱体。在细分模型块后,模型的参数和计算所需时间都将显著增加。作者简介:强洋洋,女,34 岁,工程师,从事综合地球物理解释工作。84强洋洋等:高密度电法三维反演分析以陕西凤翔实测数据为例图 1 反演模型Figure 1.Inversion model(a)标准模型,单位矩形块的大小与 X 和 Y 方向的单位极距大小相同;(b)再分模型,顶
6、部几层的单位矩形块按水平和垂直方向平分;(c)再分模型,顶部几层的单位矩形块按水平平分三维高密度电法数据反演是根据所测电阻率数据自动形成三维电阻率模型,通过缩小实测电阻率与计算电阻率的差值差异,从而实现模拟地下实际电阻率的过程,利用最优化的方法来调整模型块电阻率以尽量减少计算与观测视电阻率之间的差异。这种差异以均方根误差(RMS)来表示。实际上,具有最小 RMS 值的模型有时会显示较大的、不实际的电阻率值,因而具有最小 RMS 误差的模型并不一定是与实际情况最接近的模型。通常地,最保守的模型应该是选择每次迭后 RMS 的改变不明显时的模型,这一般在第 3 至 5 次后迭代后即可达到效果。2.反
7、演技术流程此次是对凤翔区已采集的高密度电法勘探数据应用瑞典 Res3dinv4.0 软件进行三维反演,该数据是采用温纳装置、阵列式布极方式(图 2)、十字交叉测量方式(图 3)进行采集的。2.1 数据预处理高密度电法中引起视电阻率畸变的原因有多种。由于三维高密度电法是一次性布极完成,之后自动跑极测量,测量过程中出现异常的数据点不容易复测,因此在实际工作时,首先要对可能产生视电阻率畸变成因进行预测,然后针对性的选择可能消除畸变现象的野外工作方法,设置适宜的工作参数对视电阻率畸变进行压抑;在室内处理中,对原始数据适当的进行异常点的剔除,剔除异常点要遵循体积效应规律,保留规律性的异常,将单个突变点剔
8、除掉;此后在对视电阻率畸变数据进行修正,以提供可定性、定量分析的图件和数据。2.2 三维反演过程此次使用 Res3Dinv 软件处理三维高密度电阻法数据,该软件是根据所测电阻率数据自动形成三维电阻率模型,应用了基于准牛顿最优化非线性最小二乘法的新算法,通过缩小实测电阻率与计算电阻率的差值差异,从而实现模拟地下实际电阻率,能够更好地反映现实中地下地质体的真实赋存状态,其具体流程如下,见图 4:地电模型的建立;反演参数设置(滤波、阻尼因子迭代次数、收85强洋洋等:高密度电法三维反演分析以陕西凤翔实测数据为例敛限差等);执行反演计算:在反演时屏幕最下面会显示反演进程,反演完毕后,会提示是否增加迭代次
9、数,程序默认迭代 5 次,通过情况下 35 次就可以,如无需继续迭代,请输入 0;反演成果输出。通常使用 Voxler 软件窗口显示三维反演结果,因为它可根据反演结果生成各类三维图像。2.3 三维反演成果展示将高密度电法三维反演结果用 Voxler 呈现(可视化软件),其构建了研究区内不同深度的地层电阻率分布特征,见图 5 图 6。由图 5 和图 6 可以看出:区内地层电阻率的空间展布特征(反演深度约 12m),多角度旋转和任意位置的电阻率切片呈现了区内地层电阻率的延伸趋势,区内地层电性界面清晰。3.反演成果地质解译及工程验证3.1 反演成果地质解译研究区位于凤翔区的石头坡村,在其北东侧是冯图
10、 2 电极布置方式示意图Figure 2.Schematic diagram of electrode layout图 3 十字交叉测量方式 Figure 3.Cross measurement method图 4 三维高密度电阻率数据反演流程图Figure 4.An inversion flow chart by 3D high-density resistivity data 图 5 三维电阻率数据体分布图Figure 5.Distribution of 3D resistivity 86强洋洋等:高密度电法三维反演分析以陕西凤翔实测数据为例家山东干渠,渠内四季有水;西侧靠近居民房屋(见图
11、 7)。区内地形较为平坦,从基岩向上依次为冲洪积卵砾石层、上部为第四系黄土,厚度 20-30m,具湿陷性。在黄土层深度7m8m处存在一古土壤层,厚度约 1m,含钙质结核。自 2018 年开始,村子地面发生沉陷和居民房屋出现不同程度的裂缝,经过大量的物探勘查和地质工作,认为冯家山东干渠存在局部渗漏情况。因此本次利用三维高密度电法进行验证,并查清其水流渗漏分布范围深度和渗漏路径。一般情况下,当黄土层富含水,电阻率值相对较小,基岩(砂砾岩)电阻率值则相对较大。由于地表黄土层覆土结构相对松散,易于渗透,渗透力强,电阻率表现为较大的高阻或较小的低阻,变化较大。结合区内以往地质、物探资料,其黄土、基岩的物
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