温纳装置

高密度电法不同跑极方式的对比及效果分析马志飞刘鸿福叶章杨建军（太原理工大学矿业工程学院山西太原030024）【摘要】高密度电法由于自身的优势而在工程地质勘察等领域得到越来越广泛的应用。

它的具体装置有很多，在实践中应根据各种跑极方式的特点来选取最合适的工作模式。

通过野外实验研究发现，温纳装置的垂向分辨率相对较高，施伦贝尔1装置对地质体在水平方向上的变化反应非常灵敏，水平分辨率很高，温施1装置在测深方面具有明显优势。

为了保证物探数据的准确性，野外数据的采集最好采用两种或两种以上的装置，便于资料对比和室内解释。

【关键词】高密度电法；地球物理勘探；温纳装置；施伦贝尔1装置；温施1装置1引言在众多的直流电阻率测深方法中，高密度电阻率法凭借其工作效率高、反映的地电信息量大、工作成本低、测量简便等突出优势，在煤矿采空区调查、水库大坝的坝体稳定性评价、坝基渗漏勘查、堤坝裂缝检测、建筑选址的地基勘探、涵洞和溶洞位置勘查、岩溶塌陷和地裂缝探测、寻找地下水、管线探测以及岩土工程勘察等方面，发挥着越来越重要的作用[1]。

其原理与普通电阻率法相同，所不同的是在观测中设置了高密度的观测点，工作装置组合实现了密点距陈列布设电极，是一种阵列勘探方法，野外测量时只需将全部电极（几十至上百根）置于测点上，然后利用程控电极转换开关和微机工程电测仪便可实现数据的快速和自动采集，增加了空间供电和采样的密度，提高了纵横向分辨能力和工作效率。

2高密度电法的不同跑级方式高密度电法集合了多种常规直流电法的跑极方式，因此在实际工作中可以根据情况选择合适的装置。

具体的跑极方式有：温纳装置方式（WN）、施伦贝尔1装置方式（SB1）、施伦贝尔2装置方式（SB2）、温施1装置方式（WS1）、温施2装置方式（WS2）、偶极装置方式（DP）、微分装置（DF)等[2-5]。

比较常用的是温纳、施伦贝尔1和温施1。

2.1温纳装置方式（WN）温纳装置方式（WN）又称为对称四极装置方式。

A、M、N、B等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是测量电极，AM＝MN＝NB为一个电极距，电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开。

该测量方式为剖面测量方式，所得断面为倒梯形（跑极方式见图1）。

图1温纳装置跑极方式设测线上共有m 个电极，隔离系数为n,则对应于每一层位(n)的测量数据个数为：；n 层数据呈以负3为公差的等差数列分布，数据总数为：3m n −×31)(3)2n n S n m ××(−=×−−2.2施伦贝尔1装置方式（SB1）该装置的测量方式是测深测量，测量时，M、N 保持不动，A、B 同时逐点分别向左、向右移动，得到一条滚动扫描测量线，然后A、M、N、B 同时向右移动一个电极，再按照同样的方式跑极，得到另一条滚动扫描测量线。

所得断面为矩形（跑极方式见图2）。

图2施伦贝尔1装置跑极方式设测线上共有m 个电极，隔离系数为n,则对应于每一层位(n)的测量数据个数为：；每层的数据量一样，数据总数为：1m n −×2−(1)S n m n =×−×2−2.3温施1装置方式（WS1）此装置的测量方式是测深测量，它是温纳和施伦贝尔的结合，在整条剖面测量中MN 要由小到大变化几次，但在MN 为某一固定值时，A、B 按施伦贝尔1的方式移动。

当温施间隔选择一固定值a 时，则M、N 间的间距每隔a 层增加两个电极距，即M、N 间的间距按1、3、5、7……等间隔增加，A 和M、N 和B 之间的电极距也按照隔离系数由小到大的顺序等间隔增加。

所得断面为矩形（跑极方式见图3）。

图3温施1装置跑极方式设测线上共有m 个电极，隔离系数为n,则对应于每一层位(n)的测量数据个数为：；每层的数据量一样，数据总数也满足公式：1m n −×2−(1)S n m n =×−×2−3勘探效果对比试验3.1实验区地质条件为了确保探测结果具有可对比性，选择同一地点分别用温纳、施伦贝尔1和温施1三种不同的跑极方式进行实验，电极一次性铺设之后位置不再变动，这样就保证了获取的是同一断面的数据。

实验区位于山西省晋城市泽州县某煤矿，该区域井田位于太行山西麓，沁水块坳的东翼南段，晋获褶断带以东，为低山区，区域地层总体走向北北东，倾向北西，由东向西依次出露奥陶系、石炭系、二叠系等地层，第四系松散沉积物广泛覆盖于各时代地层之上。

3号煤为可采煤层，煤层平均深度为60m。

所选实验剖面线处在煤矿3号煤层采空区之上，地形平缓，部分地段出现因采空而造成的沉陷。

采空区内因停产数月而积水严重。

3.2所用仪器及参数使用仪器为重庆地质仪器厂生产的DUK－2A高密度电法测量系统。

主要参数为：供电电压：180V；电极总数：81；点距：10m；剖面层数：20；选用的跑极方式：温纳、施伦贝尔1和温施1。

3.3勘探结果实验线S1对同一断面按照不同的跑极方式分别采集数据，经过室内处理和反演，得到三条断面图（见图4、图5和图6）。

其中横坐标表示距离，单位为米，纵坐标表示深度，单位为米，右侧的刻度为视电阻率，单位为欧姆.米。

图4实验线S1温纳反演图5实验线S1施伦贝尔1反演图6实验线S1温施1反演从三幅图上可以看出，在各个装置自身能探测到的区域，视电阻率曲线变化比较一致，水平方向上，在220m-280m、320m-360m、580m-600m的区域都出现视电阻率的相对低值，其他区域为相对高值，特别是在深度60m附近，这种低值异常恰恰表明了该深度范围内存在的煤矿采空区。

从理论上讲，当煤层未被采动时,地层一般呈现成层性和完整性,在小区域内同一地层的电性差异不会太大。

通常情况下，视电阻率值以采空区(空洞)为最高，其次是石灰岩、煤层，泥岩及充水岩溶裂隙岩层为最低。

煤层被采空后，在煤层上下岩层间形成一定的空袭，破坏了岩石的完整性、连续性，故该处电阻率值明显高于周边完整岩石处的电阻率，表现出明显的局部高阻特性。

当采空区的空隙被水充填，其电阻率呈低阻反映，没有被水充填的采空区和巷道为特高阻，灰岩层为高阻，煤层呈中到相对高阻。

灰岩层和未开采煤层横向较均匀且分布范围一般很大，充水的巷道呈低阻但范围很小[6]。

这些特性成为电法探测地下采空区良好的地球物理前提。

所不同的是，温纳剖面在120m-180m之间还存在一个低值异常区域，而在施伦贝尔1反演剖面和温施剖面上都没有反映，这是由于它们的测量方式不同所造成的。

对于一条完整的剖面，温纳装置的数据在测线的首尾部分都有分布，但是越靠近测线的端点，数据量越少，勘探深度越来越浅，虽然取得了很大的数据量，但是缺乏可以对比的周边数据，因此温纳装置对于水平变化较大的地质体反映相对较差，而其垂向分辨率相对要好一些。

施伦贝尔1反演剖面上视电阻率曲线横向变化很强烈，在220m、280m、320m附近都出现了横向突变，在水平方向上的高低阻异常很明显，而且在420m-440m和580m-600m的区域，出现的低阻异常比温纳剖面清晰很多，在260m附近出现的高阻异常在深度60m米处还有反映，而在温纳剖面和温施1剖面上基本没有显现。

这表明，施伦贝尔1装置对地质体在水平方向上的变化反应灵敏，水平分辨率相对较高。

温施1反演剖面在60m深度范围的视电阻率低值异常也能够清晰反映出来，和温纳装置相比，在580m-600m附近的反映更加突出一些，而且深部的信息反映更多，温纳装置在深部的视电阻率曲线较为平缓，而温施1反演剖面测深分辨率较高，抗干扰的能力相对较强，它对地质体的垂向和横向都有着适度的灵敏度。

3.4数据检验为检验数据的稳定性和可重复性，做第二条实验线S2，仅采用温纳装置，测线为EW方向，分两次采集数据，分别是自东向西方向跑极和自西向东方向跑极（见图7和图8）。

图中显示，两次跑极所获得的反演剖面图除了在细微部分稍有区别外，整条断面呈镜像对称，反映了采集到的该断面的数据具有可重复观测性。

在保证各种参数不变的情况下，只有采集到重复、一致的数据，才说明该测量数据的可靠行，才能真实地反映断面的地电状况。

图7实验线S2温纳反演（自东向西方向）图8实验线S2温纳反演（自西向东方向）4结论及建议通过本文的实验对比研究，可以得出结论：（1）温纳、施伦贝尔1和温施1装置视电阻率反演剖面图基本情况比较一致，说明这三种装置都能很清晰地反映勘探区的地电条件，具有很高的可信度。

（2）温纳装置的垂向分辨率相对较高，对地质体垂向分布的反映有比较高的灵敏度，因此，在工程地质勘探中对垂向分辨率要求较高的勘探任务可以选用该装置。

（3）施伦贝尔1装置对地质体在水平方向上的变化反应非常灵敏，水平分辨率很高，实际工作中对水平分辨率要求较高的勘探任务应予以选用此装置。

（4）温施1反演剖面测深分辨率较高，抗干扰的能力相对较强，垂直方向和水平方向都有一定的灵敏度，比较适合于做测深测量。

（5）三种跑极方式均有各自的优势，但由于高密度电法的勘探深度有限，一般为测线长度的二分之一到三分之一，因此不太适合于深度较大的勘探，一般是用来进行剖面勘探。

（6）这三种跑极方式都是四极装置，比起三极装置，受到地形的影响较小，而且不需要放置无穷远电极，可以减少供电电压，并有利于压制干扰，增强有效信号。

（7）工作中应根据工作区的地形地质条件、勘探目的、勘探深度和勘探精度等因素来选择合适的装置。

最好是选取两种或两种以上的跑极装置来做，便于室内解释。

参考文献[1]董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘,2003,10(1):171～176.[2]刘国兴.电法勘探原理与方法[M].北京：地质出版社,2005.[3]王爱国,马巍,王大雁.高密度电法不同电极排列方式的探测效果对比[J].工程勘察,2007(1):72～75.[4]王怀坤,肖宏跃.高密度电法对垂向目标体勘探效果比较[J].物探装备,2008,18(2):113～117.。