跨孔直流电阻率CT法在岩溶区的数值模拟研究

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在用地面电阻率法勘探时,由于探测精度和深度受到限制,往往不能准确确定岩溶的具体埋深、大小等信息,这时就需要更精确的勘探手段进行详查。跨孔直流电阻率CT法,是在传统的电阻率法基础上发展起来的一种新型地球物理探测技术,它是基于目标体与围岩间电性差异,将电极置于孔中探测,采集得到电位或视电阻率信息,来达到对目标体识别和准确定位的方法。由于跨孔观测模式的特殊性,探测成像效果不仅与装置的选择、孔的设置有关,还与岩溶自身属性有关,综合影响下,给勘探和资料处理解释带来了很大困难。本次研究的目的就是结合正反演数值模拟,对岩溶探测分辨率的影响因素进行规律总结,对典型岩溶不良地质体进行反演成像,来为理论研究和工程应用提供参考依据。本文基于地面直流电阻率法的研究,研究了跨孔直流电阻率CT法的工作原理、正演理论、反演理论,推导了AM、AM-N、AM-BN三种装置的装置系数,通过自编程序和专业软件开展了数值模拟。通过数值模拟分析,研究了各装置的异常响应特征,研究了探测分辨率的影响因素,研究了岩溶区不良地质体的成像特点,总结出了相应规律。本文建立了单个低阻、高阻模型,低阻带模型,水平层状模型,基于有限元正演数值模拟,绘制了视电阻率响应曲线,总结出二极装置探测时,低阻体表现为高视电阻率响应,高阻体表现为低视电阻率响应,而三极、四极装置能够直接表达所测量区域的电性信息,不同装置视电阻率异常的响应规律,对三种装置的视电阻率响应情况建立了一个初步认识。从反演成像的角度,研究了跨孔直流电阻率CT法分辨率的影响因素。通过控制变量法,首先对各个装置的灵敏度进行分析,得出各个装置的特点,再结合多种岩溶地质体模型,分析二极、三极和四极装置的探测分辨率,得出四极装置综合探测效果最好。接着详细分析了孔间距、孔深、电极距三个观测参数因素对单个异常体的探测效果,得出了孔间距和电极距是主要影响因素。并给出建议:电极距应小于等于目标体直径,才能有效定位目标体。最后分析了岩溶自身属性因素,分别对单个或多个异常体的探测效果。得出随着电阻率差异变大,分辨率会增大,其中横向分辨率对低阻差异变化反应灵敏;随着异常体尺寸增大,分辨率会增大;该方法更能分辨垂向形态变化;异常体与孔距离会影响分辨率,越靠近孔异常响应越强,而越靠近两孔中心,分辨率越好;埋深会影响分辨率,在靠近地表和孔底位置,分辨率较差。建议:钻孔设置时,应尽量使异常体位于孔间中心。在运用跨孔电阻率CT法对岩溶进行精细化探测时,常常会遇到反演成像结果不理想的情况。本文根据前面关于装置选择、参数设置、岩溶自身属性对探测效果影响的分析,采用贴近实际情况的常见模型,详细分析了不同岩溶目标体赋存环境下的成像特点。最后本文将理论研究应用于实际中,在参数设置中参考了孔间距的选择、电极距的选择等建议,再将成像特点规律总结运用于反演图像解释中。通过岩溶探测的实例验证,证明跨孔直流电阻率CT法适用于岩溶区详查,并验证了本文正反演算法的正确性,数值模拟成像研究的必要性。表明了本文研究不仅能为跨孔直流电阻率CT法的理论研究作参考,也能为实际岩溶探测提供依据,具有理论和实际应用价值。
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