楊振威，嚴加永，劉彥，王華峰

(中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

高密度電阻率法研究進展

楊振威，嚴加永，劉彥，王華峰

(中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037)

文中從高密度電法系統(tǒng)的發(fā)展﹑電極排列方式，反演方法及應(yīng)用等方面，介紹了高密度電阻率法的應(yīng)用研究進展。說明了高密度電法儀器從集中式到分布式，電極排列方式為適應(yīng)地形變化等因素的影響，由某一種排列方式發(fā)展到組合排列和自定義排列方式。反演方法由早期的最小二乘反演發(fā)展到佐迪反演、基于born近似反演等反演方法，且從一維發(fā)展到三維，甚至四維。反演軟件也從二維反演發(fā)展到三維反演，如德國DMT公司的反演軟件從Res2DINV發(fā)展到Res3DINV，美國AGI公司的Earthimage反演軟件可以進行水域、跨孔高密度電法發(fā)演。列舉了高密度電法近幾年來在多個領(lǐng)域的應(yīng)用概況，最后，文章總結(jié)出高密度電法儀器的發(fā)展方向為:提高發(fā)射機功率，增大供電電流，以及增加排列長度，提高儀器通道數(shù)量;帶地形的非線性共軛梯度三維反演具有需要內(nèi)存小、計算速度快，可以更好的定位異常體的空間位置等優(yōu)點，將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

儀器反演四維RES2DINV

Yang zhen－wei，Yan jia－yong，Liu Yan，Wang hua－feng．Research progresses of the highdensity resistivity method［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):0969－0978．

高密度電阻率法屬于電阻率法范疇，它是為了實現(xiàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查和解決水文工程問題而研制的一種陣列電探系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩部分:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集時只需將電極一次布設(shè)完成，之后即可對剖面進行數(shù)據(jù)觀測。一次觀測即可完成剖面的二維勘探，既能完成所探測異常體在某一深度上沿水平方向巖性變化，也能反映其在垂直方向不同深度上的巖性變化規(guī)律，獲取較為豐富的地電信息。與常規(guī)電法相比，高密度電阻率法工作效率高，勞動強度低，探測精度較高，高密度電法在電極布設(shè)和觀測形式上做了改進，使電法勘探的智能化程度大大提高(董浩斌等，2003;趙光輝等，

2006)。

1 高密度電阻率法系統(tǒng)的發(fā)展

高密度電阻率法的雛形是20世紀80年代初英國學者設(shè)計的電阻率測深偏置裝置系統(tǒng)，80年代中期日本地質(zhì)計測株式會社通過電極轉(zhuǎn)換板實現(xiàn)了高密度電阻率法數(shù)據(jù)自動快速采集，80年代后期高密度電阻率法傳入中國，地礦部、中國地質(zhì)大學、長春地質(zhì)學院等單位開展了高密度電阻率法的科研工作，高密度電阻率法的研究與應(yīng)用在我國得到迅速的發(fā)展。經(jīng)過科研工作者20余年的辛苦努力，該方法得到了長足的發(fā)展和進步，數(shù)據(jù)處理和反演由二維發(fā)展到三維，并逐步實現(xiàn)了高密度電法的三維數(shù)據(jù)場可視化。近年來，高密度電阻率法已廣泛應(yīng)用于環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)查、煤礦水害防治和地裂縫探查等眾多行業(yè)領(lǐng)域(董浩斌等，2003;2004)。高密度電阻率法系統(tǒng)和電極排列方式如圖1所示。

高密度電阻率法系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分，該系統(tǒng)可分為兩種:一種是傳統(tǒng)式高密度電法系統(tǒng)，另外一種是分布式高密度電法系統(tǒng)。傳統(tǒng)式高密度電法儀主要由電測儀﹑電極轉(zhuǎn)換盒等組成，60根電極，60根導線與電極轉(zhuǎn)換器連接，電極轉(zhuǎn)換盒輸出數(shù)碼控制電測儀，控制數(shù)碼經(jīng)由譯碼電路控制各個繼電器，從而實現(xiàn)不同電極和不同極距的切換。新型分布式智能化高密度電法儀主要由計算機主機﹑電纜和連接盒組成。主機負責發(fā)送控制指令和接收信號，主電纜由多芯電線組成，負責信號傳輸，電極連接盒根據(jù)主機指令轉(zhuǎn)換電極﹑數(shù)據(jù)采集與傳輸。一根電纜覆蓋剖面的所有測量電極，并且使用計算機進行控制，使得每一個電極都可能成為供電或者測量電極(呂玉增等，2004，2005;李曉斌，2008;肖宏躍等，2008)。

圖1 高密度電阻率法測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖((a)集中式、(b)分布式)Fig．1 Sketch showing a measurement system of the high density resistivity method (a－centralized mode，b－distributed mode)

1．1 高密度電法儀器發(fā)展

高密度電法儀是一個多電極測量系統(tǒng)，早期高密度電法儀電極轉(zhuǎn)換由人工進行，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展進步，電極轉(zhuǎn)換實現(xiàn)自動化，事實上，高密度電法儀器的發(fā)展也就是電極轉(zhuǎn)換開關(guān)的發(fā)展，在高密度電法發(fā)展的初期，電極轉(zhuǎn)換由人工控制，即機械式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，之后，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，由微機控制的步進電機的電子式電極轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)運而生，從此，高密度電法儀的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化。分布式智能電極的出現(xiàn)徹底改變了高密度電法儀器系統(tǒng)的面貌，伴隨著新的電子技術(shù)的發(fā)展，正逐步走向成熟。近年來，大型新型儀器不斷涌現(xiàn)，都與分布式智能化電極的出現(xiàn)密不可分。高密度電法儀正朝著多通道、多參數(shù)、多功能、大功率發(fā)展。通道數(shù)從最早的單道接收，逐漸發(fā)展到8道甚至更多，相信在不久的將來，高密度電法的道數(shù)會越來越多，道數(shù)的增加將促進三維高密度電法走向?qū)嵱没Ａ硗?，多參?shù)測量也會更加受人們青睞，電阻率、極化率、復電阻率和自然電位等參數(shù)的同時測量，會使地電模型的解釋更加可靠。高密度電法也從以前的僅做常規(guī)剖面測量發(fā)展為可進行井－井測量、井地測量、水下測量和水上測量。根據(jù)現(xiàn)已掌握的資料，對目前國內(nèi)外主流高密度電法儀的主要特點概述如下。

國外生產(chǎn)的高密度電法儀較有代表性的有美國AGI公司生產(chǎn)的SuperSting R8/IP高密度電法儀和Zonge公司生產(chǎn)的GDP－32Ⅱ、由日本Oyo Instruments公司制造的McOHM Profiler、德國的DMT公司生產(chǎn)的RESECSⅡ高密度電法儀等。SuperSting R8/ IP系統(tǒng)性能穩(wěn)定，輕便牢固?？勺詣酉匀浑娢挥绊?，同時采用了獨創(chuàng)的雙模式電極，可以在一個電極位置上安放鋼電極(供電)和不極化電極(接收)，用于同時測量電阻率和極化率，開闊了高密度電法儀的應(yīng)用范圍。德國的RESECSⅡ高密度電法儀可實時顯示接收道和發(fā)射道的時間過程，由預置的標準偏差值自動控制觀測質(zhì)量，實時顯示失效道位置并可隨時或統(tǒng)一進行補測，具有硬、軟件壓制噪聲功能。該儀器設(shè)有特殊的監(jiān)測模式，對地下電阻率變化進行實時或定地監(jiān)測，用以監(jiān)視地下電阻率隨時間和空間的變化，從而實現(xiàn)4D勘探，國內(nèi)引入高密度電法后，多家單位科研人員開展了相關(guān)的科研攻關(guān)，20世紀90年代，原地質(zhì)礦產(chǎn)部機電研究所研制了GHI高密度電法儀，電極轉(zhuǎn)換開關(guān)由單片機控制，此后，重慶地質(zhì)儀器廠等廠家相繼開展了相關(guān)技術(shù)的研究，中國地質(zhì)大學高科資源探測研究所研制的8通道CUGBGM高密度電法儀和西安澳立華公司研制的61通道flashRes64高密度直流電法儀的電極轉(zhuǎn)換器都是單片機控制的電子開關(guān)。國內(nèi)學術(shù)論文有報道中國地質(zhì)大學董浩斌等研制的GMD系列分布式智能化高密度電法儀，實際生產(chǎn)應(yīng)用有待進一步的推廣。重慶地質(zhì)儀器廠的DUK－2A高密度電法測量系統(tǒng)是單通道的集中式高密度電法系統(tǒng)采用全數(shù)字化自動測量，可對自然電位、漂移及電極極化進行自動補償。中國地質(zhì)大學生產(chǎn)的GMD系列多功能電法儀采用真24位A/D，分辨率高，抗干擾能力強，菜單為中文界面，標準通道為60，最大可達240道。

1．2 電極排列方式及其特點

高密度電法的電極排列方式已有十幾種，目前，應(yīng)用較廣的是四極排列方式中的α、β及γ排列等(秦福剛等，2007)，如圖2所示，各種電極排列方式對異常體所表現(xiàn)的特征不同。因此，根據(jù)不同的目標體選擇恰當?shù)碾姌O排列方式尤為重要。以前受儀器性能的限制，高密度電法數(shù)據(jù)采集僅按某一種排列方式進行(王愛國等，2007)。近年來，隨著軟硬件的發(fā)展，逐漸發(fā)展了組合排列和自定義排列方式。

組合排列是將多種排列融合在一起，同時進行測量，在電極距和接地電阻不變的情況下，利用組合排列代替單一排列的測量方式，可使分辨率大大提高，同時需要更多的觀測時間。另外，組合排列具有被組合的各種排列的優(yōu)點，探測深度和分辨率同時得以提高。

自定義排列是根據(jù)測區(qū)的特點，自行編排供電電極和接收電極間的相對位置關(guān)系，從而形成有針對性的排列方式。自定義排列方式在地表條件差的復雜地區(qū)可以發(fā)揮靈活布極的優(yōu)勢，在三維勘探中，在測區(qū)有障礙物存在時，自行定義排列方式，避開障礙物后仍能形成不規(guī)則的三維測網(wǎng)，最大限度的滿足數(shù)據(jù)采集的要求。

2 反演方法研究進展

隨著計算機及其數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，高密度電法反演從傳統(tǒng)的一維、二維向三維、四維發(fā)展。高密度電法的三維反演方法的研究是該領(lǐng)域的前沿課題，日益成熟且已被應(yīng)用于生產(chǎn)實踐之中。主要有原始的最小二乘反演方法、基于Born近似的三維反演，層析成像反演，共軛梯度反演(吳小平等，2002;黃俊革等，2006)。

2．1 最小二乘反演

反演問題的一般形式為:Δd=GΔm(1)

Δd為觀測數(shù)據(jù)dobs與正演理論值d0的殘差向量;Δm為初始模型m0的修正向量，對于三維情況下，將模型剖分成Nx×Ny×Nz的網(wǎng)格，為了改善反演的穩(wěn)定性，對上式各參數(shù)向量取對數(shù)，即:dobs= lnΨobs和m=lnσ。傳統(tǒng)的最小二乘反演由于參數(shù)過多，會產(chǎn)生所謂的多余構(gòu)造，是數(shù)據(jù)本身不要求的或者不可分辨的構(gòu)造信息，為了求得光滑模型，Sasaki在最小二乘準則中加入了光滑約束，即基于圓滑約束的最小二乘反演法:其中C是模型光滑矩陣，在進行三維反演時，需要計算雅克比矩陣及求矩陣逆，因此，最小二乘法僅適合做簡單模型的三維反演。

圖2 高密度電阻率法常用排列示意圖Fig．2 Sketch showing common arrays used for the high－density resistivity method

2．2 佐迪反演

佐迪反演法初始模型由測深曲線直接給出，模型修改是通過比較正演計算的視電阻率與實測視電阻率的差異，從而不需要計算雅可比矩陣，使計算量大大減小，且穩(wěn)定性好。

佐迪反演法以觀測值作為初始模型，把研究區(qū)劃分為一系列網(wǎng)格單元，用有限元法對初始模型進行正演計算，得到理論視電阻率值，利用(3)式調(diào)整模型，再用調(diào)整后的模型做有限元正演計算，將理論視電阻率值與實際觀測值相比較，計算其均方根差，直至誤差達到預設(shè)誤差范圍內(nèi)為止。

其中(m，n)代表第m行，第n個網(wǎng)格單元; ρi+1(m，n)和ρi(m，n)分別代表第i個和第i+1次迭代得到的電阻率值;ρ0(m，n)表示觀測視電阻率值;ρci(m，n)表示有限元法正演得到的視電阻率值。該方法具有初始模型簡單、計算速度快、收斂快的優(yōu)點，主要缺點是反演結(jié)果依賴初始模型。目前，尚未見三維佐迪反演的報道(王興泰等，1995)，

2．3 基于Born近似的三維反演

Born近似反演的原理是點電流源I在地面觀測點產(chǎn)生的電位表達式為:

σ(r)是地下介質(zhì)電導率;rs，robs分別表示源點與觀測點;式中積分項是介質(zhì)中的電性異常體激發(fā)的二次電位φs(robs)，即φs(robs)

假設(shè)σ(r)=σ0μ(r)，σ0表示均勻背景電阻率值;μ(r)是無量綱函數(shù)，代入，得到

假設(shè)介質(zhì)中的μ(r)變化不大，應(yīng)用Born近似，得到φ(r)

上面即是Born近似反演公式，反演是快速的，但首先需要背景電阻率值的估計，這種方法在地下電性結(jié)構(gòu)不復雜時，反演是較為準確的，相反，其準確度會大大降低，可見，Born近似反演分辨率較低，一般不用于地下電性結(jié)構(gòu)復雜時的反演計算。

2．4 電阻率層析成像技術(shù)

層析成像是從目標體的各個方向收集其內(nèi)部多量的投影數(shù)據(jù)，用來反映其內(nèi)部的物性分布情況，作為斷面重新構(gòu)成圖像的技術(shù)。電阻率層析成像技術(shù)亦即電阻率反投影技術(shù)(RBPT)，其原理是利用勘探區(qū)域周圍各個方向觀測的直流電場研究地下介質(zhì)電阻率分布。當在地下介質(zhì)中發(fā)送一次電流時，介質(zhì)的不均一性使一次場電流分布發(fā)生變化，從而使電位發(fā)生改變，這些變化在地面可以觀測到。把多個方位觀測到的電位值換算成視電阻率值，可以用來電阻率成像研究。由測點的各個方位的電位差重構(gòu)測區(qū)的電阻率分布(底青云等，2003;周小仙，2009)。

三維層析成像面臨著需要探測區(qū)周圍觀測數(shù)據(jù)、計算量大、對計算速度和內(nèi)存要求高的諸多困難，即便如此，三維層析成像反演也取得了不小的進步，較有代表性的有莊浩提出電阻率成像方法，即把成像目標單元電阻率變?yōu)閱卧憬萆系臍w一化電流密度，從而求得地下電流密度分布情況。該方法具有分辨率較低的缺點，但它對數(shù)據(jù)要求低，成像方法簡單高效。底青云等類比地震走時射線追蹤技術(shù)提出了電流線追蹤電位的電阻率成像方法，通過二維數(shù)值計算表明，此法具有計算速度快、需要內(nèi)存小和精度高的特點，但拓展到三維反演，尚有三維電流射線追蹤問題需要解決(郭秀娟等，2005;祁民，2006)。

2．5 共軛梯度法

共軛梯度法是一種不需要確定任何參數(shù)的求解對稱線性方程組的方法，直接從反演目標函數(shù)出發(fā)，避免了計算和存儲偏導數(shù)矩陣G，計算效率大大提高，目前該方法被廣泛的應(yīng)用到三維非線性反演，吳小平采用CG方法求電阻率三維最小構(gòu)造反演，目標函數(shù)為:

上式中等號右端第一項是以差分代替一階微分后的模型粗糙度的離散形式。Rx、Ry、Rz分別是模型在x、y、z三個方向的粗糙度矩陣，λ是拉格朗日乘子，求目標函數(shù)ψ極小。共軛梯度反演算法不接求矩陣G和GTG的逆，數(shù)據(jù)計算量和存儲量大大減小，從而提高了計算速度，因而，該方法在電阻率三維反演中得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。限于篇幅，在此不予詳述。

3 反演軟件的發(fā)展

所有儀器基本上都配備有自己的數(shù)據(jù)處理及反演軟件，目前應(yīng)用較為廣泛的軟件有德國DMT公司的Res2DINV和Res3DINV系列軟件和美國AGI公司的Earthimage 2D、Earthimage 3D系列軟件等。國內(nèi)也有相關(guān)的反演軟件推出，如呂玉增等(2004)采用了VC++/C和Fortran混合編程技術(shù)，開發(fā)了二維反演軟件;但國內(nèi)真正推出商用軟件的并不多(羅延鐘，2006)。下面簡要介紹一下目前市場上比較流行的兩款軟件:Res2DINV系列軟件和Earthimage系列軟件。

Res2DINV系列軟件是瑞典M．H．Loke博士開發(fā)的密度電法處理軟件，RES2DINV為二維處理、反演程序，程序采用強制平滑(smoothness－constrained)的最小二乘法反演技術(shù)，利用地面上的電阻率數(shù)據(jù)生成地下的二維模型，可進行全自動不需要初始模型的反演，反演程序是建立在抑制平滑度最小平方法的基礎(chǔ)之上的。對于大型數(shù)據(jù)組，這種技術(shù)的計算速度要比常規(guī)的最小平方法快10倍多，而且所需內(nèi)存較小。1999年，M．H．Loke又開發(fā)了可用以電阻率和極化率三維反演的程序－RES3DMOD，該程序采用強制平滑的最小二乘法反演技術(shù)，利用地面上的電阻率數(shù)據(jù)生成地下的三維模型。像RES2DINV一樣完全自動化，無需提供初始模型。隨著測量網(wǎng)格、測量區(qū)域以及計算機系統(tǒng)速度的不同，一個三維數(shù)據(jù)系列的反演時間在幾分鐘到十多個小時。采用扭曲的有限元網(wǎng)格模擬表面網(wǎng)格從而實現(xiàn)地形進行校正。對反演結(jié)果進行各方向的切片，可形象的刻畫地下電阻率或者極化率的三維分布情況。

Earthimage高密度電法軟件是美國AGI公司的楊賢進博士開發(fā)的軟件，可進行1D、2D和3D電阻率、極化率處理及正反演計算。在2D和3D軟件中，又增加了諸如CRP(連續(xù)電阻率反演)、ERT(跨孔成像)、水下電阻率反演和時間推移反演等，拓展了高密度電法的應(yīng)用范圍。Earthimage系列軟件可視化效果好，易于使用，3D反演程序可以進行等位面、任意方向切片、電阻率透明度控制、旋轉(zhuǎn)和縮放等，這些操作都是采用人機交互界面，便于資料的分析與解釋。

4 高密度電法應(yīng)用研究進展

近年來，高密度電法可以同時采集電阻率和極化率兩個參數(shù)，其應(yīng)用用領(lǐng)域也愈來愈廣，國內(nèi)高密度電法主要應(yīng)用于礦產(chǎn)資源，尤其是含硫化物的礦產(chǎn)資源勘查、礦井水害防治、工程質(zhì)量檢測、工程勘察、考古、地質(zhì)災害調(diào)查及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。李水平等(2009)依據(jù)鋁土礦與圍巖電性特征差異較大，應(yīng)用高密度電法探明了巖溶盆地中的鋁土礦。宋希利等(2010)應(yīng)用高密度電法探測地下空洞，推測了樓房開挖地基上的空洞位置，用人工探槽、機器開挖等方式進行驗證，準確率達88．37%。王書民等(2004)利用頻率域高密度電法探測秦始皇地宮，首次將該方法應(yīng)用于考古領(lǐng)域，該方法基于高密度電法和復電阻率法，具有測深大(＜300 m)、參數(shù)多(可同時采集復電阻率和激電相位參數(shù))等優(yōu)點。孟貴祥等(2011)首次將高密度電法技術(shù)引入到石材礦探測中，有效的圈定了礦體邊界和優(yōu)質(zhì)礦體的范圍。王喜遷等(2011)應(yīng)用高密度電法探查高速公路第四系內(nèi)部土洞發(fā)育情況、灰?guī)r埋深及分布等情況，取得較好的地質(zhì)效果。張卜文(2008)應(yīng)用高密度電法探查工作面構(gòu)造，田玉昆等在(2008)即墨地區(qū)應(yīng)用高密度電法尋找地下水，顯示出高密度電法在探查煤礦工作面小構(gòu)造方面也是很有成效的。玄月等(2011)應(yīng)用高密度電法較好地判明了北京地區(qū)的黃莊－高麗營隱伏斷裂的走向、傾向。付長民等(2008)采用高密度電法尋找埋藏在地下2 m之內(nèi)裝有文物的木箱，證明了該方法進行淺層探測是可行的。施龍青等(2008)三維高密度電法探測煤礦巷道底板富水性。祁民等(2006)應(yīng)用高密度電法清晰的預測了復雜采空區(qū)的空間分布特征。馬德錫等(2008)采用高密度電法根據(jù)充電率異常對隱伏角礫巖筒、隱伏礦體進行了探測，結(jié)果表明，該方法用于查明構(gòu)造、圈定容礦巖石非常有效。呂惠進等(2005)將高密度電法應(yīng)用于地面塌陷區(qū)調(diào)查。劉小軍等(2006)將概率成像技術(shù)應(yīng)用到高密度電法中，并將其用于堤防防患探測。劉鐵等(2003)應(yīng)用高密度電法進行隧道勘探。孔繁良等(2008)將高密度電法用于庫區(qū)滑坡調(diào)查。

在國外，歐美等發(fā)達國家將其拓展應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，取得了較好的應(yīng)用效果。應(yīng)用高密度電法探測美國hanford儲藏和放射性污染場，探明了地下30 m深度范圍內(nèi)污染物的分布情況。Zhouctal應(yīng)用高密度電法對降雨入滲過程和空洞周圍的非飽和帶動態(tài)監(jiān)測，取得了一些有意義的成果。美國AGI公司使用拖拽式電極將高密度電法應(yīng)用到水上及水下，使湖底和淺海海底電性結(jié)構(gòu)的探測成為現(xiàn)實，如應(yīng)用水上高密度電法探測加勒比海島灰?guī)r埋深及電性特征，其探測深度亦達到幾百米。美國地質(zhì)調(diào)查局應(yīng)用高密度電法探查可燃冰的分布，而日本將其應(yīng)用于火山口形狀及其周圍地質(zhì)構(gòu)造特征的探測。另外，高密度電法在地質(zhì)災害預測預報中也逐步得到應(yīng)用，AGI公司將其用于動態(tài)監(jiān)測采石場邊坡穩(wěn)定性，為其安全生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保障。

4．1 高密度電法測量方式的發(fā)展

高密度電法常規(guī)采集環(huán)境均在陸地地表進行，近幾年來，高密度電法的施工環(huán)境發(fā)生了很大變化，測量方式從地表采集發(fā)展到水上、水下和鉆孔間采集。

水上高密度電法:將高密度電極浮于水面上，主機放置于船上，定位電極位置采用GPS裝置，測量過程中，船以2～5 km/h的速度拖動電纜前進，從而實現(xiàn)水上高密度電法的連續(xù)測量。圖3a是水上高密度電法測量示意圖。

水下高密度電法:該方法的測量方式是將電纜(防水)沉入水底，將主機布設(shè)于地表或船上，按各種電極排列方式進行測量，利用水聽器等設(shè)備獲取水底地形起伏的基礎(chǔ)上，還可做帶地形的反演。圖3b是水下高密度電法探測示意圖。

跨孔高密度電法:即跨孔高密度層析成像，如圖3c所示，電極布設(shè)在不同深度上，在垂向上，此法有更高的分辨率，近地表的分辨率的提高還可以通過在地表布設(shè)電極實現(xiàn)，跨孔高密度電法的研究目前還是處于二維階段。

4．2 高密度電法在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的新應(yīng)用

目前，高密度電阻率法四維反演已經(jīng)進入試驗階段，四維反演是在三維高密度電法中加入一個時間維，視電阻率是x、y、z和t的函數(shù)，即:ρ=ρ(x，y，z，t)，一次測量數(shù)據(jù)反演結(jié)果用作所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的先驗模型，并計算了差分圖像。該方法可以用來監(jiān)測地下水污染、監(jiān)測海水入侵，數(shù)據(jù)采集同于傳統(tǒng)高密度電法，不同的是在不同時間重復數(shù)據(jù)。反演算法采用差分反演，計算出不同時刻同一地點的視電阻率與初始時刻的差異，研究地下三維介質(zhì)電阻率隨時間的變化情況。采集在意大利某地的注水試驗(Rita Deiana，2007)研究了農(nóng)業(yè)污染源的擴散過程和規(guī)律，試驗過程:在兩個鉆孔實施鉆孔測量，之后，在兩鉆孔之間注水，水量3．5 m3，在保持布設(shè)電極位置不變的情況下，進行不同時間段的數(shù)據(jù)采集，然后做四維的差分反演計算，如圖3所示:由左至右分別為注水之前視、2 h、5 h和47．5 h的視電阻率反演圖4。從圖中可以明顯看出:2 h、5 h反演所得視電阻率變化快區(qū)域顯示了水在地下的擴散規(guī)律，47．5 h后視電阻率在4～8 m兩側(cè)深度降低，其他地方與注水前基本保持不變，由此說明，此時水已經(jīng)向四周擴散，僅在4～8 m深度兩側(cè)有局部殘留。該注水試驗較好的說明了地下流體的擴散路徑及殘留情況，為工農(nóng)業(yè)污染治理做了有益的探索。

5 展望

(1)高密度電法的探測深度一直是制約其發(fā)展的瓶頸，加大排列長度和增加供電電流的大小是解決這個問題的關(guān)鍵，因此，提高發(fā)射機功率的功率，增大供電電流，以及增加排列長度，提高儀器通道(電極)數(shù)量會使高密度電法在探測深部電性異常方面發(fā)揮更大的作用，這也是高密度電法儀器的發(fā)展方向

(2)高密度電阻率法三維觀測方式今后也會成為研究的重點，其對降低野外數(shù)據(jù)采集成本和提高生產(chǎn)效率有重要意義，同時，對采集數(shù)據(jù)的分辨力和反演結(jié)果也有有相當影響，因此，正確認識復雜地形條件下的地電異常及如何較好的消除地形起伏帶來的干擾是今后研究的方向，此外，跨孔高密度電法的三維觀測及反演解釋將會得到廣泛的應(yīng)用。

(3)電阻率三維反演的主要問題有:反演穩(wěn)定性問題，如果初始模型選擇不恰當，則其三維正演理論值與觀測值的差會很大，同時誤差會增大，嚴重時方程組不收斂，反演不穩(wěn)定。可以分別對預測模型的正演數(shù)據(jù)和實際觀測數(shù)據(jù)取對數(shù)，這樣，觀測數(shù)據(jù)差矢量元素的差別就不會太大，有效的提高了反演的穩(wěn)定性，將模型修正量與初始模型的加法運算變?yōu)槌朔ㄟ\算，大大減少了迭代次數(shù)。速度問題，縮小反演計算的范圍，將三維斷面的全域反演改為局域反演，可提高三維反演的速度。三維反演數(shù)據(jù)量大，反演時間主要與偏導數(shù)矩陣的正則化和線性方程組的求解所用的時間有關(guān)。非線性共軛梯度法在三維電阻率反演中運算速度快，需要內(nèi)存少，對于復雜電性結(jié)構(gòu)的反演很有效，相信該方法在起伏地形的三維電阻率反演中會有更大的潛力。

(4)由于起伏地形條件下的三維電阻率反演可以更好的定位異常體的空間位置，仍是今后科學研究的目標和方向，對于起伏較大的地形而言，地形對電極影響較大，反演過程中，多次迭代使地形拐角處異常放大并復雜化，從而導致反演收斂慢甚至發(fā)散。目前，還沒應(yīng)用到實際生產(chǎn)當中。業(yè)已實現(xiàn)起伏地形的三維近似反演，反演精度較低，且反演速度較低。

(5)在三維高密度電法基礎(chǔ)上再加入一個時間維，并將其廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，將會是高密度電法的一次飛躍。

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Research Progresses of the High－Density Resistivity Method

YANG zhen－wei，YAN jia－yong，LIU Yan，WANG hua－feng
(Institute of Mineral Resources Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100037)

This paper reviews the research progresses of the high－density resistivity method，including the development of the high－density resistivity system，electrode arrangement ways and inversion methods，as well as the development from centralized to distributed instrument deployment．The electrode arrangement developed from one arrangement mode to combined permutation and self－defining mode in order to adapt to changing terrains and other factors．The inversion method was mainly the least square inversion in the early time，and later replaced by the Zohdy inversion and Born approximateinversion method，and developed from 1D to 3D，and even 4D．The inversion software developed from 2D to 3D，for example，the inversion software of DMT Company of Germany developed Res 2DINV to Res 3DINV．The inversion software Earthimage of AGI company of the USA can be applied to data processing and inversion in water areas and cross－h(huán)ole high density resistivity inversion．We present examples of the application of the high－density resistivity in many fields in recent years．In the end，this paper points out that the development trend of the high density resistivity method is increasing the transmitter power，increasing the supply current，increasing spread length and increasing the number of instrument channels．The three－dimensional nonlinear conjugate gradient inversion with topography has the advantages of demanding less memory，fast calculation，being capable of positioning the location of anomalous body．It would be more widely applied．

instrument，inversion，four－dimensional，inversion，RES2DINV

book=9,ebook=538

P631．3

A

0495－5531(2012)05－0969－10

2012－01－16;

2012－04－09;［責任編輯］郝情情。

國家“十一五”科技支撐計劃重大項目課題(2009BAB43B02)資助。

楊振威(1984年－)，男，中國地質(zhì)科學院在讀博士研究生，地球探測與信息技術(shù)專業(yè)。E－mail:yangzhenwei2006@126．com。