环境与工程地球物理讲义
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高密度电阻率法 PowerPoint PPT Presentation


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环境与工程地球物理讲义. 高密度电阻率法. High Density Resistivity Method. 是一种重要的工程物探方法 以地下岩土介质的电性差异为基础 主要是观测研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律 主要用于水文、工程和环境地质调查. 1. 高密度电阻率法的特点(相对常规的电阻率法):. 电极布设一次性完成,减少因电极布置而产生的故障和干扰; 可进行有效的多种电极排列方式采集,或获得丰富的地电断面; 野外数据采集自动化,避免手工操作出现的错误;. 2. 高密度电阻率勘探系统:. 采集及处理(电极系、程控式电极转换开关、电测仪)

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高密度电阻率法

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环境与工程地球物理讲义

高密度电阻率法

High Density Resistivity Method

  • 是一种重要的工程物探方法

  • 以地下岩土介质的电性差异为基础

  • 主要是观测研究人工建立的地下稳定电流场的分布规律

  • 主要用于水文、工程和环境地质调查

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高密度电阻率法的特点(相对常规的电阻率法):

  • 电极布设一次性完成,减少因电极布置而产生的故障和干扰;

  • 可进行有效的多种电极排列方式采集,或获得丰富的地电断面;

  • 野外数据采集自动化,避免手工操作出现的错误;

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高密度电阻率勘探系统:

  • 采集及处理(电极系、程控式电极转换开关、电测仪)

  • 将全部电极按一定的间距布置在测点上(1-10m),利用电极转换开关,将每四个相邻电极进行一次组合,实现多种电极排列的测量参数。

  • 快速采集,提高工作效率、智能化,

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  • 一、需要了解的一些基本知识:

  • 电阻率或导电率

  • 影响因素:

  • 成份

  • 含水量(潜水面)

  • 矿化度(咸、淡水层位)

  • 温度(地热)

4


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二、如何测定大地的电阻率?

  • 在地下半空间中建立人工的电流场,研究由于地质对象

  • 的存在而产生的电场的变化(探测对象与周围介质之间

  • 的电阻率差异是前提条件)。

  • 将直流电通过电极向地下供电以形成人工直流电场,由于

  • 直流电场中电荷的分布不随时间改变,这是一种稳定的

  • 电流场(用拉普拉斯方程描述,求解)

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B(-I)

A(I)

M

2.1 两个点源的电场特征:

电位差表达式

地下均匀介质的电阻率

6


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M

N

A

B

2.2 可按如下方法测定地下介质的电阻率:

(原则上可按任意电极排列进行)

在A\B两点供电、任意M/N点测量其间的电位差,来反算地下介质的电阻率

7

K为电极排列系数(联合剖面、对称四极排列、温纳四极排列)


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均匀大地电阻率的概念,

实际上相当于将本来不均匀的的地电断面用某一等效的均匀断面来代替,按上式计算的电阻率不应当是地下介质的真实值,而是在电场分布范围内、各种地下介质电阻率综合影响的结果,视电阻率。

8


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M

N

A

B

2.3 另一个需要关心的问题: 勘探深度?

根据地表电流密度的变化来判断地下电性不均匀体的存在

与分布,对于一定埋深的地质体究竟需要多大的电极距才

能探测到它的存在呢?

O

h

O’

9


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1.0

H/r

1

电流密度主要分布在靠近地表附近

急剧减小

增大供电极距

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I

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

I

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

I

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

2.4 三电位电极系

温纳四极(等间距的对称四极)

偶极

微分

一次组合,获得三种电极排列的测量参数

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三种排列测得的视电阻率关系如下:

  • 可形成各种视参数的的等值线断面图

  • 单独的()

  • 比值参数 相邻两点的视电阻率值的比值

(能够更为直观地反映地电断面的特征)

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地表面剖面法

井中电阻率成像

单孔

跨孔

I

n=1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

三、野外工作方法技术

1. 数据采集方式:

2. 电极距的确定:

n为隔离系数,x点距

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I

N=4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

U

I

N=3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

I

N=2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

I

N=1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U

3. 测点分布

地面

nx

17

15


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呈倒梯形

每一层的测点数计算式:

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59

48

11

23

35

36

47

0

12

24

程控开关

观测系统

4. 野外工作示意图

19


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E

电流

I

A

B

M

N

ρ—视电阻率,单位(Ω·m)

K—装置系数

U—电位差,单位(mV)

I—电流强度,单位(mI)

等位面

ρ=KU/I

电力线

s

5. 测量系统

理论图示

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DUK-1探测系统测试记录仪

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DUK-1探测系统电极控制仪

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DUK-1探测系统工作站

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电缆抽头

拔插卡

电极

DUK-1探测系统电极布置现场

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DUK-1调试测试现场

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四、基本的资料处理方法

1. 统计处理:视电阻率参数断面图或灰度图

   取滑动平均;计算均值、方差;视参数分级

2. 比值换算法:等值线断面图或灰度图

λ 参数对局部低阻体

T 参数对局部高阻体有较强的分辨能力。

3. 滤波处理

视电阻率曲线随极距的增大由单峰变为双峰,绘布断面后除了主异常外,一般还会出现强的伴随异常,应消除这种成分的影响。

4. 结合正演资料进行分析地下断面的分布特征。

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五. 高密度电阻率资料的反演

基于电磁测深曲线的佐迪反演的方法

最小二乘优化法,通过不断调整初始模型直至使实际测深曲线和模型测深曲线之差达到最小,最终的模型参数即作为反演的结果。

高密度电阻率资料的层析成像,方法类同于此

初始模型

正演计算

反演分析

理论与实测断面的比较

网格化

2.5维有限元法

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六、应用范围

  •  广泛应用于堤防隐患探测(如对江河大堤的蚁穴,鼠洞和软弱夹层及裂缝的高分辨率探测)

  •  用于水文、工程、环境的地质勘探及高分辨率电阻率法工程地质勘探;

  •  用于煤矿采空区、人防工程及卡斯特地区的溶洞等勘探;

  •  厂房地基、高速公路、桥梁、铁路、山体滑坡等地质灾害勘探;

  •  用于金属与非金属矿产资源勘探地热勘探。

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某河堤土工膜完整性探测

破裂处 底部深度变化 完整处

土工膜 河床 河堤

认识一下高密度电阻率成果图像

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混合花岗岩 岩性界线 凝灰岩

某地区岩性界线探测

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溶洞 溶洞 大理岩

某厂房基础溶洞探测

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含金石英脉

某地区含金石英脉探测

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设计钻孔

石英砂岩 含水断裂 安山岩

沈阳怪坡含水断裂探测

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某金属矿探测

点距:3M

地形线 古采坑 硅化带矿体

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点距:5M

采矿坑道 金矿脉 侵入岩体

某金矿脉探测

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案例一:云南某水库高密度电法

1. 基本情况

对水库坝体状况进行高密度电阻率法勘探。

水库坝型为粘土心墙风化料坝,坝高48米(坝底高程1985米,坝顶高程2033米),坝顶长154米,坝顶宽7米,总库容433万立方米。


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2. 坝址区水文地质条件

1) 地下水类型

坝址区地下水类型较为单一。根据各含水层岩性、地下水赋存条件及水力特征等,可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类。

2) 各含水层透水性能

右岸山体

残坡积、红粘土和砂壤土:微弱透水;

全强风化岩体、砂及砂土夹碎块:微弱、弱透水;

弱至新鲜岩体:中等透水。

左岸山体

残坡积、红粘土和砂壤土:微弱透水;

全强风化岩体、砂及砂土夹碎块:弱透水;

弱至新鲜岩体:极微透水。

河中河床

冲积砂碎石:弱透水;

断层破碎带及强弱风化岩体:微弱透水;

新鲜岩体:极微透水。


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3. 电法勘探电极装置类型选择

本次采用温纳四极排列,60路电极,勘探工作使用的电极间距测线1、测线2、测线3为3.5米,测线4和测线5为3.0米。

4. 测线布设

共计布设了5条测线8条剖面


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测线1位于坝体顶部,与防浪墙相距1m。测线从溢洪道内边缘开始,过输水隧洞上部,至水库管理所门口路边结束,总长206.5米。

测线2位于坝体后坡上,与测线1平行,距坝顶斜距为17米。起点位于测线1的54.5米处下方,总长206.5米

测线3位于坝体后坡上,与测线2平行,距测线2 斜距为20.4米。起点与测线2的起点对齐,总长206.5米


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测线4(剖面7)位于坝体后坡上,与测线3平行,距测线3斜距为15.5米。起点位于测线3的6米处下方,总长177米。

测线5(剖面8)位于坝体后坡上,与测线4平行,距测线4斜距为29.4米。起点位于测线4起点前21.5米处下方,总长177米


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②地表浸水区域

①输水隧洞

测线1剖面图

①点位151~155米,深度32~34.1米处有一2~40ohm-m的明显低阻异常体(蓝色),电阻率值圈闭且变化大,推断为水库的输水隧洞,因其充水较多而成为良导体。②坝顶的低阻分布(蓝色),是下雨形成的潜水区。


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④地表浸水区

③浸润区

①浸润区

②浸润区

测线2剖面图

①点位132~136米,深度45.5米处有一150ohm-m左右的低阻异常体(蓝色),是浸润区。②点位78~85米,深度52.5米处有一150ohm-m左右低阻异常(蓝色),是浸润区。③点位160~164.5米,深度21.1~28.1米处有一低阻异常(蓝色),是浸润区。④点位110米处有一低阻异常(蓝色),是下雨形成的潜水区。


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①严重渗水区

③渗水区

②严重渗水区

测线3剖面图

①点位141~147米,深度38.5~44米处有一24~40ohm-m的明显低阻体(蓝色),是严重渗水区。②点位129~134米,深度45~49米处有一24~40ohm-m的明显低阻异常体(蓝色),是严重渗水区。③点位126~154米,深度32~58米范围内有一40~140ohm-m的大面积低阻体(浅蓝色),是渗水区域。


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③地表浸水区

①渗水区

②严重渗水区

测线4剖面图

①点位111~129米,深度29~48米处有一3~140ohm-m的大面积低阻异常体(蓝色、浅蓝色),是渗水区域。②点位66~69米,深度37.1~41.1米处有一3~80ohm-m的圈闭低阻异常(蓝色),是严重渗水区。③点位148~154米,深度1~3米处有一低阻异常(浅蓝色),是下雨形成的潜水区。


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①严重渗水区

②地下水渗透带

测线5剖面图

①点位120~132米,深度23.5~33米处有一5~140ohm-m的明显低阻体(蓝色),是严重渗水区。

②点位60~75米,深度38.3~48.3米处有一5~140ohm-m低阻异常区(蓝色),是地下水渗透带。


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勘探结论:

1. 根据电阻率值沿坝体在垂向上的变化趋势,在宏观上由地表至深部,呈层状分布特点:坝顶上部浅层中电阻率分布在40~1000ohm-m之间,深部的电阻率值多在1000ohm-m以上,呈现相对高阻的特点。电阻率值在横向上连续性好,其变化较小,具有层状地层的电性特征。电性分层较为明显 。


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⒉ 渗水情况

右坝肩

资料结果显示,在深度30-58米的范围内,右坝肩存在严重渗水,而且逐渐靠近坝体。这可能是右坝肩含水层的全强风化岩体、砂及砂土夹碎块是微弱、弱透水,弱至新鲜岩体是中等透水,而施工时未对其进行防渗处理所致。


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坝底

在坝体底部,点位99~114米(与测线1起始点对齐),距坝轴线81米,深度35-42米范围内,存在一地下水渗透带。


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