一种适用于水域电法勘探的电缆系统及勘探方法

摘要

本发明公开了一种适用于水域电法勘探的电缆系统及勘探方法，利用超声波测距单元及气囊装置，对原有的陆地电法勘探所用电缆测试系统及装置进行改进，获取一套完整的水域电法勘探的电缆测试系统及方法，所得技术能够在水域工程勘察中提供更好的安全保障。

说明书

技术领域

本发明涉及水域电法勘探系统领域，具体是一种适用于水域电法勘探的电缆系统及勘探方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，全国范围内的道路桥梁以及地铁设施建设也加快了步伐，其中部分工程的实施将经由江河、湖泊或者海洋的水底下方穿过，为了保证工程的顺利进行以及减少后期的维护成本，前期需对水底下方地层的分布及基岩面的起伏情况进行充分的了解。目前，对于水域工程勘察的地球物理方法较为局限，基本分为水上浅层地震、瞬变电磁和直流电法，其中浅层地震不利于在浅水面、水底地层较厚及卵石区进行勘探；瞬变电磁受低阻覆盖层影响较为严重；直流电法较前两者具有较大的优势，在水域勘探中利用较多。但是在直流电法勘探过程中，其观测系统及测线的选取多是依据陆地电法勘探，尚未形成自己的系统。尤其是水域电法的电缆测线，其往往直接采用陆地电法勘探电缆测试系统，系统布置过程中利用自身重力沉于水底或者是在测线上附着漂浮物将其置于水面进行勘探，而且其无法置于水面以下水底以上一定深度进行勘探，其中人工操作情况下往往无法满足各个电极的一致性，容易形成较大的人为误差，无法满足水域勘探的精度要求。因此设计一种满足于不同类型水域勘探的电缆是十分必要和亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于水域电法勘探的电缆系统及勘探方法，以解决现有技术水域电法勘探存在的认为误差大的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于水域电法勘探的电缆系统，包括电缆缆体，其特征在于：电缆缆体内在径向方向上被分为两个相互隔离的封闭空间，其中上部的空间设为气囊，气囊的轴向一端通过气路管与外部空气压缩机连通，下部的空间内设有多个平行于电缆缆体同一径向的电极，下部空间轴向一端延伸为延长线，延长线轴向外端设有多针的电缆插头，各个电极分别通过导线与电缆插头中的连接针脚一一对应连接，电缆缆体顶部对应每个电极正上方分别设有超声波测距单元，还包括并行电法仪、数字显示仪，各个超声波测距单元分别与数字显示仪通过无线信号通讯连接，各个电极通过电缆插头与并行电法仪相连接。

所述的一种适用于水域电法勘探的电缆系统，其特征在于：所述超声波测距单元包括超声波发射器、超声波接收器、具有无线功能的控制电路，超声波发射器的输入端、超声波接收器的输出端分别接入控制电路，控制电路通过无线信号与数字显示器通讯连接。

一种电缆系统的水域电法勘探方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）、将电缆缆体整体置于水面下方，通过空气压缩机对气囊内充放气，使电缆缆体整体沉于水面下方一定深度，利用各个超声波测距单元测量各个电极与水面之间间距，并基于数字显示仪的数据进行反馈控制，使各个电极与水面之间间距保持一致，最后利用并行电法仪现场采集各个电极的视电阻率数据，视电阻率数据是通过采集到的电位差与电流比值得到，具体是指各个电极对应探测区域目标体的视电阻率数据，此处即是水体以及水体下方岩层的视电阻率；

（2）、水域勘探视电阻率数据处理及成图：

（2.1）、将并行电法仪采集到的原始数据导入WBD解编软件，并输入各个电极的坐标，二维剖面下，通常定义某一电极坐标为（0,0），其余电极坐标依据电极间距及相对定义电极点的远近建立坐标，进行相关视电阻率的计算，并剔除采集全区段内的视电阻率异常值，最后导出视电阻率数据；

（2.2）、接着使用Surfer成图软件打开dat格式的视电阻率数据，进行网格化数据、选择网格化方法、网格划分大小及过滤异常数据基本处理流程，根据实际需要可以选择滤波器对数据进行滤波以及进行白化，通过上述操作处理最终即得到视电阻率数据直接成图；

（3）、水域勘探视电阻率反演处理及成图：

（3.1）、采用电法数据采集系统对dat格式的视电阻率数据进行数据预处理，依次包括电阻率数据计算、导入坐标、常规数据解编、剔除跳点、导出RES2DINV格式文件几个步骤；

（3.2）、然后通过LOKE软件进行反演，反演处理时依据现场地质情况同时结合实际数据采集的质量选择合适的反演方法；

（3.3）、最后根据反演结果，利用Surfer成图软件进行成图处理，获得视电阻率数据反演成图；

（4）、水底地质概况的评价：通过视电阻率数据直接成图和视电阻率数据反演成图，并结合勘探区域钻孔资料，利用电阻率等值线图对区域进行物性地质分析，此处的电阻率等值线图即是指上述的视电阻率图和视电阻率反演图，一般是利用surfer软件对视电阻率数据体进行网格化成图，假如等值线划分较为均一和平整说明为水平地层，当某一深度以下电阻率较上部地层高时，可基本判断其为基岩面，同时等值线出现凹陷和凸起可视为构造影响使得地层出现向斜、背斜或断层。

本发明主要是在电缆内部和表面增加气囊装置和超声波测距单元，气囊是为了水域中使用时在充气状态下使得电缆自身的重力等于浮力，可在水面上进行勘探；超声波测距单元主要是利用超声波对每个电极距离水面的高度进行精准测量，目的是为了可以在水面下不同深度进行多次覆盖勘探，增加数据量提高反演精度。发明所得改进的电缆基本满足现有的水域电法勘探的需求，可有效减少因人为操作不当带来的误差。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、水域电法勘探电缆可自主在水面上漂浮使用，改变以往人工施加泡沫等材料于电缆表面使其漂浮的现状，大大减少因人为操作引起不必要的误差。

2、其中的气囊装置可根据勘探需求的不同，改变充气量的大小从而改变浮力，使得电缆可位于水面下方不同深度进行使用，而不至于只能沉于水底进行勘探。

3、电极正上方的超声波测距单元，可实时确定每个电极距离水面的高度，从而可较高精度的保证整条测线处于同一水平高度，避免测线本身产生高程差从而导致勘探深度不一，在最终的成果解释上带来不必要的误差。

附图说明

图1为本发明整个装置系统整体布置示意图。

图2为本发明整个装置系统整体剖视图。

图3为本发明超声波测距单元工作原理图。

图4为本发明水面下方1m视电阻率反演剖面图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种适用于水域电法勘探的电缆系统，包括电缆缆体1，电缆缆体1内在径向方向上被分为两个相互隔离的封闭空间，其中上部的空间设为气囊2，气囊2的轴向一端通过气路管与外部空气压缩机3连通，下部的空间内设有多个平行于电缆缆体同一径向的电极4，下部空间轴向一端延伸为延长线7，延长线7轴向外端设有多针的电缆插头5，各个电极分别通过导线与电缆插头5中的连接针脚一一对应连接，电缆缆体1顶部对应每个电极正上方分别设有超声波测距单元6，还包括并行电法仪、数字显示仪，各个超声波测距单元6分别与数字显示仪通过无线信号通讯连接，各个电极4通过电缆插头与并行电法仪电连接。

如图3所示，超声波测距单元包括超声波发射器、超声波接收器、具有无线功能的控制电路，超声波发射器的输入端、超声波接收器的输出端分别接入控制电路，控制电路通过无线信号与数字显示器通讯连接。

水域电法勘探电极距可根据实际需要选取1m~5m不等间距，本发明选取4m间距电缆，电缆总长180m，电极数为32，其中无电极长度约56m，电极部分长度124m。实测时选用两根电缆进行滚动测试，每次滚动完成一个排列的采集工作。电缆初次布置测试系统过程中，借助其他装置将电缆展布于水中，后期根据勘探需要调整气囊充其量使其漂浮于水体中一定层位，期间通过手持式数字显示仪可实施无线接收每个电极距离水面的高度。

水域勘探视电阻率数据的采集：利用并行电法仪进行视电阻率数据的采集，采集参数依据现场测试条件而定。并行电法根据供电点的不同，数据采集方式分为AM法和ABM法两种。其中AM法采集时设置供电时间为0.5s，采集时间为50ms； ABM法采集时设置供电时间为0.2s，采集时间为100ms。因此，并行电法仪可以在短时间内采集到海量的数据体，从而大大缩短了测试系统在水面及水中采集工作的时间，并且，我们可以根据需要任意提取出相应装置的视电阻率数据。同时，通过调控气囊的大小间接的控制测线的埋深，从而可根据需求得到水面下方一定深度范围内的视电阻率数据。

水域勘探视电阻率数据处理及成图：其过程包括(1)将仪器采集到的原始数据导入WBD解编软件，输入电极坐标，进行相关视电阻率的计算，并剔除采集全区段内的视电阻率异常值，最后导出相应装置的视电阻率数据；(2)使用Surfer成图软件打开dat格式的视电阻率数据，进行网格化数据、选择自然邻点法进行网格化划分、网格划分大小及过滤异常数据等基本处理流程，根据实际需要选择滤波器对数据进行滤波以及进行白化，通过上述操作处理最终即得到相应装置的视电阻率数据图。

水域勘探视电阻率反演处理及成图：现场采集了剖面内各点的视电阻率值，为了要得到能够反映测试水域内真实电阻率分布情况的图像，进行基于测量数据的反演过程，该反演通过LOKE软件进行处理操作。数据基本处理过程主要包括三大功能模块：预处理模块、数据反演处理模块、数据结果成图处理模块。

数据预处理主要使用电法数据采集系统，其基本流程包括电阻率数据计算、导入坐标、常规数据解编、剔除跳点、导出RES2DINV格式文件。数据反演处理基于LOKE等反演软件平台，反演软件内提供了多种反演方法，其中包括了阻尼最小二乘法反演、圆滑模型反演、抗噪声反演，反演处理时依据现场地质情况同时结合实际数据采集的质量选择合适的反演方法，以使反演得出最佳的结果。主要流程为：选择阻尼最小二乘法进行反演、设置数据噪声标准(阻尼系数0.1)、反演迭代次数(6次)、有限差分网格尺寸(网格节点2)及最大均方根误差等参数。数据结果成图处理模块主要使用Surfer成图软件进行成图处理，主要流程同步骤3(2)。

水底地质概况的评价：通过视电阻率直接成图和视电阻率反演成图结果并结合勘探区域钻孔资料，对水底下方一定深度范围内地质概况进行精细解释。附图3为实测中一部分勘探线视电阻率反演剖面图，勘探线位于水面下方1m，电极距为4m，共64个电极。由图4可得，水底下方38m深度左右范围内无特殊构造，岩层较为水平。其中根据钻探资料对比显示：电阻率位于0~3Ω·m的岩性主要是淤泥、淤泥质土，总体上水体下方电阻率值较低，随着深度的增加，分化层中的电阻率值逐渐增加。