本文關鍵詞：三維電阻率空間結構約束反演成像方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

? 2266 ? 巖石力學與工程學報 2012年

x/m

y/m

出水點① 測線二

泥質粉砂巖

4 m

出水點②

測線一

2 m

圖13 掌子面地質情況與測線布置

Fig.13 Geological condition and survey lines on tunnel face

圖15 由地質雷達探測結果推斷得到的異常體三維形態(tài) Fig.15 3D morphology of anomalous body deduced by GPR

results

條測線分別實施地質雷達和電阻率法探測。 4.2 地質雷達探測

信息轉化為空間結構約束施加到反演方程中，分析觀測數據，設定初始模型為均一模型，初始電阻率設定為700 ?·m，反演迭代次數為8次，耗時約

地質雷達探測采用100 MHz天線，通過對地質雷達處理分析，得到探測成果圖(見圖14)及地質構造推斷圖(見圖15)，可見，存在3個明顯的異常區(qū)域，結合地質分析結果，發(fā)現左側的異常區(qū)域與泥質粉砂巖位置一致，推斷該異常區(qū)域為泥質粉砂巖，而中部和右側的2個異常區(qū)域地質雷達反射較為強烈，界面較為清晰，但是否含水無法做出準確判斷，需要借助三維電阻率探測。

60 min。

三維電阻率空間結構約束反演結果如圖16所示，可見，反演得到的三維電阻率結構圖中存在3

y/m

y/m

x/m 8

66442200

8

0224

466810

12x/m

3

3

6 z

9

12

9

12

(a) 三維反演成像結果

圖14 地質雷達探測結果 Fig.14 GPR detection results

y/m

864200

切片y 切片

4.3 攜帶空間結構約束的三維電阻率探測反演

電阻率探測采用施倫貝謝爾形式，電極間距為

切片y 切片2

3 3

0.3 m，測線一共41根電極，測線二共27根電極，觀測數據總量為536個。

建立反演三維模型，反演核心區(qū)域網格數量為

2446810

12x/m

6

6

99

1212

(b) 反演結果切片(y = 6m和y = 2 m處) 50

200

350500 650 800 950電阻率 (?·m)

40(x方向)×8(y方向)×12(z方向) = 3 840個，綜合地質分析和地質雷達探測得到異常體空間結構(見圖13和15)，映射到電阻率三維反演模型中，提取出對應區(qū)域的網格，構制F矩陣，從而將已知先驗

圖16 三維電阻率空間結構約束反演成像結果 Fig.16 3D resistivity inversion results with spatial structural

constraint

第31卷 第11期 劉 斌等：三維電阻率空間結構約束反演成像方法 ? 2267 ?

個低阻區(qū)，低阻異常區(qū)域中網格電阻率分布均一，使得低阻異常很容易識別，除上述3個低阻區(qū)之外沒有明顯的其他構造和異常，對地質解釋基本無干擾。結合地質分析和地質雷達探測成果，可到如下地質推斷和解釋：

態(tài)，但其對應的低阻區(qū)域中網格電阻率分布不均一，離散性較強，不易被識別出來，導致在確定導水裂隙和粉質泥砂巖的邊界時存在困難。同時，反演結果中多余構造較多，電阻率結構較為混亂，存在著多處假異常(包括高阻異常和低阻異常)，尤其是低阻假異常(見圖17[17])的存在給導水構造的識別和解釋帶來了很大干擾和困難，其探測反演效果與空間結構約束反演相比存在較大的差距。 4.5 探測效果評價

(1) x = 4～7 m范圍的低阻體與地質分析中的泥質粉砂巖夾層位置一致，電阻率為41.3～92.6 ?·m，推斷為泥質粉砂巖夾層，該夾層在隧道開

挖方向上延伸范圍為z = 0～12 m，傾角約為73°，。 與隧道走向夾角約為7°

對開挖揭露的地質情況進行了記錄，其中，泥，與質粉砂巖夾層延伸至z = 12 m處，傾角為70°隧道走向夾角約為9°，中上部的導水裂隙延伸至z = 12 m處，，右上部的導水裂隙在z = 9 m處延伸至邊

(2) x = 7～8 m范圍的低阻體位于掌子面中上部，與出水點①的位置一致，電阻率為75.2～158.4 ?·m，推斷為導水裂隙，在隧道開挖方向上延伸

范圍為z = 0～11 m。 墻內，可見，探測結果與實際地質情況較為一致，驗證了三維電阻率空間結構約束反演方法的實用性。

通過對合成數據和實際工程探測數據的反演，結合其他三維電阻率空間結構反演算例和應用，可發(fā)現與未攜帶空間結構約束的反演方法相比，三維電阻率空間結構反演方法具有以下優(yōu)勢：

(3) x = 10～12 m范圍的低阻體位于掌子面右上部，與出水點②位置吻合，電阻率為67.5～173.1 ?·m，推斷為導水裂隙，在隧道開挖方向上延伸

范圍為z = 0～10 m。

(4) 除了上述3個低阻異常外，探測范圍內沒有其他明顯的低阻異常，推斷無其他含導水構造。 4.4 未攜帶空間結構約束的三維電阻率探測反演

(1) 利用空間結構約束反演得到的電阻率結構中，多余構造和假異常大大減少，背景較為干凈，有效改善了反演多解性，顯著減少了對地質解釋的干擾。

在本次探測中，也采用了基于自適應加權光滑約束的反演方法，其反演結果如圖17[17]所示，自適應加權光滑約束的反演方法是提高深部反演分辨率的一種反演方法，其具體理論和工程應用情況已另文發(fā)表[17]。這種反演方法僅是對光滑約束的改進，沒有攜帶空間結構約束，也沒有施加由其他探測方法獲取的已知先驗信息。由圖17[17]可見，反演結果可反映粉質泥砂巖夾層和導水裂隙的賦存位置和形

(2) 由于空間結構約束假設異常區(qū)域內的各個網格之間的電阻率差異極小，使得已知空間結構映射區(qū)域中的網格電阻率分布較為均一，離散性大大降低，增強了異常區(qū)域與背景的電阻率差異，使得異常區(qū)域更加容易識別。

(3) 空間結構約束很好地利用了地質雷達法、地震反射法等探測方法的定位精度高和對界面識別效果好的優(yōu)點，使得對于異常體的定位精度有效提高，對界面的分辨效果也得到改善。

8 6 y/m

4 2 0

5 結 論

針對三維電阻率探測反演多解性的難題，提出

12

0 244 66 8 x/m 8 10x/m

120

3

3

6 z/m

了利用其他勘探地球物理方法獲得的異常體的空間形態(tài)信息作為電阻率反演空間結構約束的解決思路，形成了三維電阻率探測空間結構約束反演成像方法，在數值算例和實際工程算例中應用效果良好，具體結論如下：

50 200 350 500 650 800 電阻率(?·m)

圖17 利用自適應加權光滑約束得到的反演結果[17] Fig.17 Inversion results using adaptive-weighted smooth

constraint

[17]

(1) 基于已知異常區(qū)域中介質電阻率分布均一、各網格電阻率幅值之間基本無差異這一簡單的假設，本文提出了一種表達簡單、易于實現的空間

? 2268 ? 巖石力學與工程學報 2012年

結構約束。算例反演結果表明，空間結構約束可較好地表征三維條件下已知地質結構，具有良好的普適性，映射區(qū)域的網格電阻率分布較為均一、離散性小，增強了異常區(qū)域與背景之間的對比度，使得異常區(qū)域更加容易識別�？梢姡疚牡目臻g結構約束合理，且簡單實用，符合一般的地質常識和規(guī)律。

Central South University，2003.(in Chinese))

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(2) 多種地球物理手段綜合探測是目前的常用方法，空間結構約束很好地利用了地質雷達法、地震反射法等方法的定位精度高和界面識別效果好的優(yōu)點，將其他方法得到已知構造信息作為空間結構約束施加到三維電阻率反演方程中，實現了多種探測方法的實質性的融合。空間結構約束本質上是增加了異常區(qū)域的先驗信息，有效改善了三維電阻率反演方程的病態(tài)程度，使得多余構造和假異常大大減少，背景較為干凈，大大提高了異常體的定位精度和界面分辨效果，克服了傳統電阻率反演方法定位效果差、界面分辨率低的問題，使得反演結果與地質原型或實際情況較為一致，有效改善了反演多解性，顯著減少了對地質解釋的干擾。

(3) 本文數值算例和工程應用算例中，僅使用了地質雷達法和地質分析得到已知構造信息，在下一步研究工作中，將增加用于已知先驗信息獲取的其他探測方法(如地震反射法、瞬變電磁法、地質鉆探法等)，重點研究更具普適性的三維電阻率空間結構約束反演方法。 參考文獻(References)：

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  本文關鍵詞：三維電阻率空間結構約束反演成像方法，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：82698