十字形三维电法勘探方法与流程

本发明涉及一种勘查地球物理领域的三维电法勘探方法。

背景技术：

在勘查地球物理领域，电法勘探分为一维、二维和三维电法勘探。一维电法勘探由于勘探精度低，效果差，目前基本不使用；二维电法勘探精度和效果均优于一维，但勘探效率低于后者；常规三维电法勘探分为完整形、十字交叉和Γ形布置测量电极的三维电法勘探，其精度和效果均优于一维和二维，但由于供电点和测量点数量上远远多于一维和二维，从而导致常规三维电法勘探效率远远低于一维和二维，因此，该方法虽然有很好的勘探效果，但仅在部分非常关键勘探区且经费非常充足的情况下少量采用。

二维电法勘探需要在每条勘探线上布置电法勘探供电系统和测量系统，且后期数据处理过程中均把每条勘探线的数据作为二维数据进行单独处理，由于实际勘探区很少存在真实的二维地质异常体，更多的是三维地质异常体，故二维电法勘探成果均为近似成果，从而导致其勘探效果较差。但由于二维电法勘探在一条勘探线的供电点上供电，且只在同一条勘探线上开展电法数据采集，其勘探效率较高，勘探效果优于一维，故是目前常用的电法勘探方法。但由于该方法每条勘探线均需要布置供电系统，导致布置供电系统的工作量较大；每布置一条供电线仅测量一条测量线，若勘探区地形复杂、植被发育，则会导致难以甚至无法布置供电线，从而导致二维电法勘探无法开展的结果，限制了该方法在复杂地形的应用。

假设某个二维电法勘探区每条测线有m(m为大于1的正整数，以下相同)个供电点和m个测量点，有n(n为大于1的正整数，以下相同)条测线，采用单极-单极工作装置进行勘探，则二维电法勘探中需要布置m×n个供电点，以便采集n×m×(m-1)个二维电法勘探数据(供电点本身不予测量)。若基于电法勘探互换原理，可以对上述勘探工作进行简化，供电点数为n×(m-1)个，采集二维电法勘探数据为n×(m-1)×(m-1)/2个。若为获取更深部的电性特征，则供电点需要外延到测线端点以外，供电点数量会相应增加，进一步降低了该方法的勘探效率。

完整形三维电法勘探方法是对整个勘探区的供电点均分别供电一次，且每个供电点供电时，需要对整个勘探区所有测量点采集数据。该方法把实际勘探区内的地质异常体均作为三维地质异常体考虑，更符合实际地质情况。但由于完整形三维电法勘探的供电点需要覆盖整个三维电法勘探区内的所有测量点，且供电点的数量等于测量点数量，需要对整个勘探区内的所有供电点进行分别供电，每个供电点供电时需要对整个勘探区内的所有测量点采集数据，由于供电点数量过多，从而导致工作量成倍增加。

假设某个三维电法勘探矩形区网格数为m×n(其中m为X方向一条测量线的网格数，n为Y方向一条测量线的网格数)，采用单极-单极工作装置进行勘探，则完整形三维电法勘探中需要布置m×n个供电点，采集m×n×(m×n-1)个测量数据(供电点本身不予测量)。基于电法勘探互换原理，可以对上述野外采集数据量减少一半，即为m×n×(m×n-1)/2个数据。

完整形三维电法勘探数据量和工作量远大于二维电法勘探，从而导致在实际勘探过程中需要投入大量的人力、物力和时间，效率低，成本高。另外，在野外实际勘探过程中，由于三维电法勘探工作量大，很难在一天之内完成整个勘探区的工作量，一旦需要跨天完成，则每天均需要布置和回收整个勘探区的供电系统和测量系统，存在很大的人力、物力和时间的浪费，也会导致其勘探效率更低，适用性不强。而且，由于完整形三维电法勘探对于野外勘探区的地形要求高，若地形复杂、植被发育，则给布置电法勘探供电系统和测量系统带来非常大的困难，有可能导致无法开展完整的三维电法勘探工作。因此，完整形三维电法勘探虽然在效果和精度上具有明显的优势，但由于其效率过低，成本过高，对地形要求过高，从而导致该方法在野外实际勘探工作中很少采用。

基于完整形三维电法勘探效率非常低、适用性不强的缺点，目前有人研究了十字交叉和Γ形布置测量电极的三维电法勘探方法。其着眼点主要是通过减少某个供电点供电时所测量的测量点数量，从而实现减少野外工作量，达到提高勘探效率的目的。但十字交叉形测量电极和Γ形测量电极的三维电法勘探方法没有减少供电点，其三维电法勘探的供电点仍需要覆盖整个三维电法勘探区内的所有测量点，供电点的物理点数量等于测量点的物理点数量，由于供电点数量过多，且目前供电技术采用的是分时分点供电，每次仅能对一个供电点供电，从而导致供电系统的工作量无法减少。该方法仅采用某个供电点供电时选择部分测量点采集电法数据，但为完成所有供电点供电时的数据采集工作，整个勘探区每个测量点的物理点均需要布置，只是某些供电点供电时，有部分测量点未采集电法数据，并没有减少测量点的物理点布置。故上述十字交叉形测量电极和Γ形测量电极三维电法勘探方法相对于完整形三维电法勘探方法的勘探效率有所提高，但由于是通过减少某个供电点供电时所测量的测量点数量，因此仍需要对整个勘探区的所有供电点进行分时供电，且需要布置整个勘探区测量点的物理点，故其勘探效率提高不明显。

假设某个三维电法勘探矩形区网格数为m×n(其中m为X方向一条测量线的网格数，n为Y方向一条测量线的网格数)，采用单极-单极工作装置进行电法勘探，则十字交叉形测量电极三维电法勘探中需要布置(m×n-1)个供电点，采集个测量数据；Γ形测量电极三维电法勘探中同样需要布置(m×n-1)个供电点，采集个电法数据。以上两种方法的数据采集量依然很大，效率提高不明显。

技术实现要素：

本发明的目的是基于电法勘探区的勘探目标体特征、地形地貌起伏特征，通过布置十字形的电法勘探供电点，减少常规三维电法勘探供电点数量，实现十字形三维电法勘探方法，提高三维电法勘探效率和效果。

由于电法勘探供电系统每次仅能对一个供电点供电，目前无法通过增加多套供电系统同时供电，实现减少布置电法勘探供电系统的时间和成本。对于常规三维电法勘探而言，布置供电系统的劳动强度大，效率低，故若能实现减少供电点的数量，则能明显提高三维电法勘探效率。另由于供电系统为满足电法勘探采集信号的质量要求，其供电线和供电极均比电法勘探测量系统复杂和笨重，故减少供电点的数量，相对于减少测量点的数据采集量而言，其勘探效率改善更加明显。

由于电法勘探测量系统可以实现同时采集，通过多通道电法勘探测量系统或多个电法勘探测量系统，可以实现减少整个三维电法勘探数据采集时间和成本，从而提高野外勘探效率，降低勘探成本；而且由于不减少三维电法勘探所有测量点的数据采集量，又能保证三维电法勘探效果。

本发明利用二维电法勘探效率高、常规三维电法勘探精度和效果优的优点，基于电法勘探区的勘探目标体特征、地形地貌起伏特征，通过十字形三维电法勘探供电点布置规则，减少三维电法勘探供电点数量，实施对勘探区内所有测量点的三维电法勘探，实现提高三维电法勘探效率和改善勘探效果的目的。本发明可克服二维电法勘探效果较差、常规三维电法勘探效率低的缺点，又继承二维电法勘探效率高、常规三维电法勘探效果优的优点，在勘探效率和勘探效果两者之间找到一个更优的平衡点。

本发明提出的十字形三维电法勘探方法具体步骤为：

(1)先行分析勘探区的前期地质成果，推断区内主要地质异常体的走向或主轴方向，近似垂直于走向或主轴方向设定十字形三维电法勘探的X方向，近似平行于走向或主轴方向设定十字形三维电法勘探的Y方向，其中X方向与Y方向相互垂直，且均为水平方向；

(2)根据勘探要求，确定勘探区的X方向与Y方向的勘探长度，并确定勘探区内X方向测量点间距c和Y方向测量点间距d的数值，从而确定勘探区网格参数a、b的数值；

(3)基于勘探区的勘探目标体特征、地形地貌起伏特征，采用十字形的电法勘探供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(X_C,Y_C)计算规则，确定十字形三维电法勘探所有供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(X_C,Y_C)，并布置供电点；

(4)基于勘探区的勘探目标体特征、地形地貌起伏特征，整个勘探区内按照勘探要求及X方向测量点间距c、Y方向测量点间距d、网格参数a和b的数值，布置完整的三维电法勘探测量点；

(5)在上述选定的十字形三维电法勘探供电线上的每个供电点分别供电，采用多通道电法勘探测量系统或多个电法勘探测量系统对整个勘探区内的十字形三维电法勘探测量点进行电法数据采集，获取到每个供电点供电时勘探区所有测量点的十字形三维电法勘探数据；

(6)把所有电法勘探测量数据整合为十字形三维电法勘探数据，进行十字形三维电法数据处理，获取整个勘探区的十字形三维电法勘探成果，从而实现整个勘探区的十字形三维电法勘探。

其中步骤(1)中的近似垂直走向或主轴方向设定十字形三维电法勘探的X方向，近似平行走向或主轴方向设定十字形三维电法勘探的Y方向的具体含义为X方向与主要地质异常体的走向或主轴方向夹角在45～135度之间，并尽量接近或等于90度；Y方向与主要地质异常体的走向或主轴方向夹角在-45～45度之间，并尽量接近或等于0度；其中X方向与Y方向相互垂直，且均为水平方向。

其中步骤(2)中勘探区网格参数a、b的数值的确定规则如下：设十字形三维电法勘探矩形区X方向长L米，Y方向长M米，勘探区内X方向测量点间距为c米，Y方向测量点间距为d米，以整个勘探区的中心点为原点，则整个勘探区X方向和Y方向的网格参数a、b计算过程如下：设

其中步骤(3)中十字形三维电法勘探供电点布置规则分为两种情况：第一种情况为，十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度达到勘探目标体的预测宽度2倍及以上；第二种情况为，十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度为勘探目标体的预测宽度2倍以下。

1、第一种情况，当十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度达到勘探目标体的预测宽度2倍及以上时，本发明的十字形三维电法勘探供电点布置规则如下：

设该勘探矩形区的网格左下角坐标为(-a,-b)，右上角坐标为(a,b)，则十字形三维电法勘探供电点位置的网格坐标(x,y)公式设置为：

其中公式(2)和(3)中的x、y、a、b、i、j均为整数。

根据以上规则，得出当十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度为勘探目标体的预测宽度2倍及以上时，以整个勘探区的中心点为原点，十字形三维电法勘探供电点位置的实际相对坐标(X_C,Y_C)公式如下：

(X_C,Y_C)＝(x×c,y×d) (4)

其中公式(4)中的x、y为以上公式(2)和(3)的计算结果。

2、第二种情况，当十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度为勘探目标体的预测宽度2倍以下时，本发明的十字形三维电法勘探供电点布置规则如下：

若勘探区地形限制较多，十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度为勘探目标体的预测宽度2倍以下，则为进一步减少勘探区边界测量点的边界效应，提高整个勘探区的勘探精度，所有供电点采取与勘探区内测量点相同的间隔距离布置。

设该勘探区的网格左下角坐标为(-a,-b)，右上角坐标为(a,b)，则十字形三维电法勘探供电点位置的网格坐标(x,y)公式设置为：

(x,y)＝(x,0)；当|x|≤2a (5)

(x,y)＝(0,y)；当|y|≤2b (6)

其中公式(5)和(6)中的x、y、a、b均为整数；

根据以上规则，得出当十字形三维电法勘探矩形区X方向测量线长度为勘探目标体预测宽度的2倍以下时，以整个勘探区的中心点为原点，十字形三维电法勘探供电点位置的实际相对坐标(X_C,Y_C)公式如下：

(X_C,Y_C)＝(x×c,y×d) (7)其中公式(7)中的x、y为公式(5)和(6)的计算结果。

本发明的十字形三维电法勘探供电装置采用单极装置，即采用电法勘探意义上的一个无穷远供电电极作为三维电法勘探的一个固定供电电极，另一个供电电极则为按照本发明提出的十字形三维电法勘探供电点布置规则布置的移动供电电极。

本发明的十字形三维电法勘探测量装置可以采用单极和偶极测量装置两种。单极测量装置采用电法勘探意义上的一个无穷远测量电极作为一个固定的三维电法勘探测量电极，另一个测量电极为勘探区内移动的三维电法勘探测量电极。偶极测量装置则是两个电法勘探测量电极均为勘探区中移动的三维电法勘探测量电极。

本发明提出的十字形三维电法勘探方法为减少勘探区边界测量点数据量少所导致的边界效应问题，提出将十字形三维电法勘探的供电点布置到勘探区以外，以便增加勘探区边界测量点的数据量，从而减弱边界效应引起的勘探区边界测量点的勘探精度降低的问题。

本发明提出的十字形三维电法勘探方法由于把所有供电点位置布置在直线上，有利于在实际勘探工作中进行供电点位置的改变，也能节省供电导线，提高改变供电点位置的工作效率和节省勘探成本。

本发明提出的十字形三维电法勘探方法，通过选取十字形三维电法勘探供电点，达到减少供电点的数量，规避电法勘探供电系统无法同时供电且笨重的劣势；提出不减少三维电法勘探测量点数量的方式，充分挖掘电法勘探测量系统能同时采集的优势，并保留三维电法勘探效果优的优点，从而实现十字形三维电法勘探的高效率和更优勘探效果。该方法同时具有二维的高勘探效率和三维的高精度勘探效果的优点。

假设某个三维电法勘探矩形区网格数为m×n(其中m为X方向一条测量线的网格数，n为Y方向一条测量线的网格数)，采用单极-单极工作装置进行勘探，当三维电法勘探矩形区X方向测量线长度达到勘探目标体的预测宽度2倍及以上时，则十字形三维电法勘探只需布置个供电点，共采集个三维电法勘探数据。

本发明提出的十字形三维电法勘探方法由于大量减少了供电点数，其勘探效率远远高于常规的三维电法勘探，但又采用三维电法勘探模式，其勘探效果优于二维电法勘探。

若勘探区过大，则对勘探区进行分区处理，每个小分区按照上述原则进行勘探区网格设计，并开展每个小分区的十字形三维电法勘探，获取所有小分区的十字形三维电法勘探数据，最后进行整个勘探区的十字形三维电法勘探数据处理，得到整个勘探区的十字形三维电法勘探成果。

若勘探区已知地质情况少，难以判断主要地质异常体的走向或主轴方向，则可以先对勘探区进行初步分析，适当加大X方向测量点间距c和Y方向测量点间距d，选择合适位置开展十字形三维电法勘探试探性工作，获取初步成果后，再对主要异常区进行减小X方向测量点间距c和Y方向测量点间距d的加密型十字形三维电法勘探，以便实现勘探效率和勘探效果的最优化。

附图说明

图1为本发明的十字形三维电法勘探野外布置示意图；

图2为1号地电模型单极-单极数值模拟结果的二维电法勘探电阻率反演成果；

图3为1号地电模型单极-偶极数值模拟结果的二维电法勘探电阻率反演成果；

图4为1号地电模型单极-单极数值模拟结果的十字形三维电法勘探电阻率反演成果；

图5为1号地电模型单极-偶极数值模拟结果的十字形三维电法勘探电阻率反演成果；

图6为1号地电模型单极-单极数值模拟结果的完整形三维电法勘探电阻率反演成果；

图7为1号地电模型单极-偶极数值模拟结果的完整形三维电法勘探电阻率反演成果。

具体实施方式

以下结合图1和实施例对本发明做进一步说明，以下说明采用十字形三维电法勘探单极供电-单极测量装置。

本方法的供电系统和测量系统能完全兼容目前已有的电法勘探设备，且测量系统能采用多通道电法勘探测量系统或多套电法勘探测量系统。

实施例1

图1中的1为无穷远供电电极，2为无穷远供电线，3为电法勘探发射机，4为连接勘探区供电点的供电线，5所指的十字形符号为电法勘探移动供电极的供电点，6所指的圆形符号为电法勘探测量电极的测量点，部分供电点与测量点位置重叠。

假设三维电法勘探矩形区X方向长L＝400米，Y方向长M＝400米，勘探区内X方向测量点间距c＝40米，Y方向测量点间距d＝40米，勘探区内勘探目标体的预测宽度为100米，由于三维电法勘探矩形区X方向测量线长度达到勘探目标体的预测宽度4倍，则根据公式(1)

求得a＝5，b＝5，则该勘探区的网格左下角坐标为(-5,-5)，右上角坐标为(5,5)。

根据公式(2)和(3)

其中公式(2)和(3)中的x、y、a、b、i、j均为整数。代入a、b数值，求得十字形三维电法勘探供电点位置的网格坐标(x,y)为

其中公式(8)和(9)中的x、y、i、j均为整数。

根据以上所得，得出以整个勘探区的中心点为原点的十字形三维电法勘探供电点位置的实际相对坐标(X_C,Y_C)为：

(X_C,Y_C)＝(x×40,y×40) (10)

其中公式(10)式中的x、y为公式(8)和(9)的计算结果。

根据以上的计算结果，十字形三维电法勘探单极供电-单极测量方式的具体操作步骤如下：

(1)分析勘探区的前期地质成果，推断区内主要地质异常体的走向或主轴方向，垂直于走向或主轴方向设定为十字形三维电法勘探的X方向，平行于走向或主轴方向设定为十字形三维电法勘探的Y方向，其中X与Y方向相互垂直，且均为水平方向；

(2)根据以上求取的十字形三维电法勘探供电点网格坐标(x,y)和实际相对坐标(X_C,Y_C)，并结合勘探区实际情况，在勘探区及周边合理布置供电线上的移动供电电极的供电点5；

(3)在勘探区外按照电法勘探原理和要求选择无穷远供电点，并布设无穷远供电电极1和供电线2；

(4)选择某一个十字形三维电法勘探移动供电电极的供电点5(如图1所示的XA_-13)布设供电导线4和移动供电电极；

(5)在勘探区外按照电法勘探原理和要求选择电法勘探无穷远测量点，并布设无穷远测量电极和导线；

(6)在勘探区内按网格方式布置所有十字形三维电法勘探测量电极的测量点6，并布置测量电极和导线；

(7)通过电法勘探发射机3向无穷远供电电极1和移动供电电极的供电点5(如图1所示的XA_-13)上的电极供电，记录供电电流值，采用多通道或多套电法勘探测量系统记录下该供电点供电时勘探区内每一个测量电极的测量点6和无穷远测量电极之间的电法数据，待采集完毕，则通知供电系统改变供电电极的供电点5位置(如图1所示的XA_-9、XA_-7、XA_-5、XA_-4、……XA₁₃、YA_-13、YA_-9、YA_-7、YA_-5、YA_-4、……YA₁₃)，再重复上述电法数据采集过程，直至采集完每个供电点供电时所有测量点的电法数据；

(8)获取到上述十字形三维电法勘探的所有点的电法勘探数据后，求取十字形三维电法勘探的视电阻率或视激电等电法参数，通过后期数据处理，获取到勘探区的十字形三维电法勘探成果。

本发明经勘探效率对比实验、数值模拟勘探效果对比实验，可以发现该发明提出的方法在勘探效率和勘探效果上都有明显的改进。

勘探效率对比实验

假设对11×11的网格划分勘探区开展二维、完整形三维、十字交叉形测量电极三维、Γ形测量电极三维和十字形三维电法勘探，则每种方法所开展的工作量对比如表1所示。

表1多种电法勘探工作量对比表

从上表可以明显看出，十字形三维电法勘探的电法数据采集量虽然接近二维电法勘探的三倍，但由于该方法仅需要在勘探区布置十字形供电线，就可实现勘探区所有测量点的数据采集，且仅布设33个供电点，而二维电法勘探需要在11条测线上布置11次供电系统，共需布设121个供电点，故十字形三维电法勘探勘探效率反而比二维电法勘探效率要高。更重要的是，十字形三维电法勘探采用三维电法勘探模式，其勘探效果比二维勘探更真实可靠。

数值模拟勘探效果对比实验

为对比十字形三维电法勘探与二维电法勘探，以及十字形三维电法勘探与完整形三维电法勘探的勘探效果，特设定1号地电模型：300×300米的勘探区，X方向测量点间距c和Y方向测量点间距d均为20米，采用单极供电-单极测量的电法勘探装置进行数值模拟和反演。围岩电阻率为1000欧姆·米，低阻异常体电阻率为10欧姆·米。低阻异常体为一边长为100米的立方体，低阻异常体水平放置，其平面坐标范围为(-50,-50)～(50,50)，顶部埋深20米，厚度100米。

本次仅对X方向进行室内数值模拟和反演对比。

对1号地电模型通过数值模拟获取单极供电-单极测量和单极供电-偶极测量电法勘探数据，再对获取的数据整理为相应的二维电法勘探数据、十字形三维电法勘探数据以及完整形三维电法勘探数据，并分别采用二维电法勘探反演程序和三维电法勘探反演程序进行反演，获取到三种方法两种装置的反演成果。

从三种方法两种装置的反演成果图(图2、3、4、5、6、7，图中的等值线为电阻率等值线)可以得出，二维电法勘探反演成果对于低阻异常体形态反应基本准确，但对于围岩的电阻率的反应出现明显的畸变现象。而十字形三维电法勘探反演成果对于低阻异常体形态的反应优于二维电法勘探成果，与完整形三维电法勘探成果类似，获得的低阻异常形态基本上为一矩形低阻异常体，与1号地电模型实际情况类似；对于围岩电阻率的反应比二维电法勘探成果更真实，未出现明显畸变现象，与1号地电模型吻合度明显高于二维电法勘探成果。

通过本次对1号地电模型的二维电法勘探、十字形三维电法勘探和完整形三维电法勘探进行的数值模拟及反演，可以发现，十字形三维电法勘探成果与1号地电模型实际情况的吻合度比二维电法勘探成果要好，说明前者的勘探效果更优。十字形三维电法勘探成果与完整形三维电法勘探成果类似，与1号地电模型吻合度高，但前者勘探效率高于后者。

通过以上对多种方法的勘探效率对比，数值模拟勘探效果对比，结果都证明了本发明提出的十字形三维电法勘探方法在勘探效率和勘探效果上都有明显改进。