浅析高密度电阻率成像法的基本原理

【摘 要】高密度电阻率成像法是一种以地电差异为基础的一种较新的地球物理方法。本文通过文献追踪，总结了高密度电阻率成像法在国内外的研究现状，并介绍了高密度电阻率成像法的原理。

【关键词】高密度电阻率成像法；电极排列方式；电极距

1 高密度电阻率成像法简介

高密度电阻率成像法是一种勘探式阵列方法，它可以通过地下岩石的导电性差异来反映地下介质的电阻率分布状况[1]，进而通过研究介质与电阻率之间的关系获得研究介质的分布。高密度电阻率成像法具有非常多独特的优点，如：（1）可一次性布设多个电极，即可实现多次连续测量；（2）电极排列方式较多，且不同的电极排列方式有各自的优点，可以获得丰富的地电断面信息；（3）测量实现了半自动化，测量简单方便，而且大大减少了人为失误；（4）集电剖面法与电测深法于一体，既可以探测横向变化，也可以探测垂向变化等[2-4]。

2 高密度电阻率成像法国内外研究现状

高密度电法的应用范围很广，周启友等[5-6]利用高密度电法确定了三维空间中轻非水相液体的饱和度分布，并对基岩中的三维裂隙网络进行了原位识别；肖川等[7]利用高密度电法探测了煤矿采空区的范围并确定了隐伏水源的位置；刘庭发[8]等将ERT的电极插入土柱中，探究常规物理模型和超重力环境中土壤三维电阻率分布；S.Garre等[9]使用ERT监测水分的运动状态来制定植物的单作和间作系统；John Koestel等[10]将ERT与染色技术结合应用于充满砂土的蒸渗仪中，说明了两者结合的可行性；B. F. J. Kelly等[11]将ERT用于监测棉田中的水分运动，提出将ERT用于农田水分的管理；Sebastián Dietrich等[12]利用ERT监测入渗和在分布过程中水分在田间非均质土壤中的变化情况。

3 高密度电阻率成像法测量原理

高密度电阻率成像法主要是通过布设多个电极，利用多芯电缆将其连接到电极转换器，然后电极转换器通过形成不同的电极排列装置和不同的电极距，实现对地下介质的快速监测[4]。电极距与电极数量与高密度电阻率成像法的探测距离和精度息息相关，电极数量越多，电极距越大，则探测的深度越大，精度越低。

高密度电阻率成像法有多种电极排列方式，其中使用较多结果也较为准确的分别为温纳装置（又称为α装置）、偶极装置（又称为β装置）、微分装置（又称为γ装置）[13]。这些都是典型的四级装置，所有的电极既是供电电极又是测量电极，其主要差异是供电电极和测量电极的排列不同。

以温纳装置为例，假设A和B分别是供电电极， M和N分别是测量电极，电极距为a，即AM=MN=NB=a，开始测量时，四个电极依次向右测量，得到第一层电阻率分布图像。当测量第二层时，电极距增大一倍，即AM=MN=NB=2a，且电极依次向右移动，得到第二层电阻率分布图像。以此类推，当测量第n层时，AM=MN=NB=na，得到第n层电阻率分布图像，且其整个电阻率分布图像为倒梯形。所以，测量的深度越深，获得的地电信息越少，测量的精度也越小。温纳装置的电极排列方式为AMNB，偶极装置的电极排列方式为ABMN，微分装置的电极排列装置为AMBN[13]。不同的电极排列方式在横向和纵向上的探测精度不同，从而确保了可以获得较多的地电断面信息。

4 展望

随着科技的进步和研究的深入，高密度电阻率成像法的应用范围会越来越广泛，且其可以与很多先进技术联合使用，为研究地下介质的更多信息提供了新方法。

【参考文献】

[1]底青云，倪大来，王若，等.高密度电阻率成像[J].地球物理学进展，2003，18（2）：323-326.

[2]汤浩，谢蒙，许进和.高密度电法在水文地质和工程地质中的应用[J].人江，2011增刊.

[3]王铁岗，于秀璇，刘明，等.高密度电阻率法的原理与野外工作方法[J].科学技术.

[4]肖宏跃，雷宛，雷行健.高密度电阻率法中几种装置实测效果比较[J].工程勘察，2007，9：65-69.

[5]刘汉乐，周启友，吴华桥.基于高密度电阻率成像法的轻非水相液体饱和度的确定[J].水利学报，2008，39（2）：189-195.

[6]王刚，周启友，吴世艳，等.基于高密度电阻率成像法的基岩裂隙网络原位识别试验研究[J].地质评论，2012，58（1）：165-173.

[7]肖川，张义平，刘超，等.高密度电法在探测煤矿采空区赋水情况的应用研究[J].科学技术与工程，2007，12（30）：7009-8003.

[8]刘庭发，聂艳侠，胡黎明，等.基于高密度电阻率法的水分迁移模型试验研究[J].岩土工程学报，2016，38（4）：761-768.

[9]S.Garre，T.Gunther，G Diels，等.Evaluating Experimental Design of ERT for Soil Moisture Monitoring in Contour Hedgerow Intercropping Systems[J].Vadose Zone Journal.

[10]John Koestel，Roy Kasteel，Andreas Kemna，等.Imaging Brilliant Blue Stained Soil by Means of Electrical Resistivity Tomography[J]. Vadose Zone Journal，2009，8（4）：963-975.

[11]B. F. J. Kelly，R. I. Acworth，and A. K. Greve. Better placement of soil moisture point measurements guided by 2D resistivity tomography for improved irrigation scheduling[J]. Soil Research，，2011，49，504-512.

[12]Sebastián Dietrich，Pablo A. Weinzettel，Marcelo Varni. Infltration and Drainage Analysis in a Heterogeneous Soil by Electrical Resistivity Tomography[J].Soil Science Society of America Journal，2014，78：1153-1167.

[13]王酃，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.