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编辑|山有芷夕
前言
介绍对位于西班牙拉帕尔马岛上的El Roque de los Muchachos天文台的土壤电阻率进行的研究。研究主要是为了当前正在计划建造一系列切伦科夫望远镜（CTA）以及其他科学设施，这些设施对低地电阻性要求较高，以确保敏感仪器的正常运行，防止静电放电导致的损坏以及保护免受雷击。
尽管该地区的天空质量非常好，但地形大部分由坚硬的岩石和电阻率较高的材料填充。在现有文献中没有找到可靠的电阻率数据，因此像本文中所展示的现场电阻率调查是优化未来设施的地电阻的必要工作。在覆盖约250 m × 275 m范围的六个不同位置进行了测量，中心坐标为28˚45'42.9"N，17˚53'28.5"W。
在特定位置和深度发现了低电阻率（<2 kΩm）层。使用COMSOL Multiphysics软件对这些位置的电阻率进行了模拟， 采用了简单的单层模型和三层模型。 在所有情况下，模拟结果与实测值的差异在10%以内。主要贡献是提供了ORM地区可靠的土壤电阻率数值，并准确模拟了土壤剖面情况。
一、土壤电阻率研究与测量
El Roque de los Muchachos天文台（ORM）位于塔布里恩特国家公园的边缘，海拔高度从2340米到2396米不等，位于西班牙拉帕尔马（La Palma）的加拉菲亚市。它拥有世界上最大的望远镜群之一，包括红外线、可见光、微波和伽马射线仪器。ORM的天空质量持续吸引着旨在建造大型仪器的项目。
切伦科夫望远镜阵列（CTA）项目目前是最具雄心的项目，计划建造四个切伦科夫大型望远镜，直径为23米，并配备一个直径为12米的中型望远镜子阵列。这些仪器的建设要求包括对地电阻质量的严格规定，其中地形电阻率是一个关键因素。
这些规范主要是为了满足安全法规的要求，以及减轻因静电放电和雷击而对敏感仪器造成损害的风险。在ORM找不到关于土壤电阻率的任何信息。
四电极温纳法是电阻率测量中最常用的方法，因其简单性和所需设备的低成本而受到青睐。温纳的原始工作提供了一个简单的方程，用于从测得的电流I、电压V和四电极间距a来计算土壤电阻率ρ：ρ = πaV/I.ρ=πaV/I.(1)这个表达式成立的前提是需要满足几个条件，即：电阻率是均匀的。
电极为点状，并且放置在表面上，电极间距远大于电极的深度；导电体积为半无限大；这些测量只能给出通常所称的视电阻率，因为在大多数情况下，结果是通过电流流过的体积中不同局部电阻率的贡献而获得的。尽管存在这些限制，已经证明即使模型的有效性要求没有完全满足，温纳方法仍然能提供准确的结果。
二、电阻率测量方法及其在地质勘测中的应用
斯伦贝谢法提供了一种方便的选择，用于在需要进行详细剖面分析时加快测量速度，因为只需移动电压通道的两个电极即可在多个点上获得电阻率。当使用缺乏精确电压测量和需要较大电极间距的仪器时，斯伦贝谢法也非常方便。
这是因为斯伦贝谢法允许将电压电极放置在距离电流电极更近的位置，从而使待测电压更高。 还提出了特殊的方法来确定薄层土壤的电阻率。
其他地质勘测常常使用电阻率层析成像（ERT）技术进行水文地质、矿业和岩土工程调查 。这些技术使用的电极阵列与温纳法和斯伦贝谢法具有相同的基本操作原理。通过数值逆问题算法构建模式。当地形允许在特定位置插入大量电极时，三维层析成像技术特别适用于表征低电阻率（通常低于10 kΩ·m）的土壤。
针对温纳法在具有任意层数（单层、双层或多层）的土壤结构中的视电阻率，已经推导出数学表达式。有限元建模（FEM）软件在先前的研究中被用于研究材料电阻率测量的影响。这些研究大多集中在混凝土对土壤电阻率的影响上。相比依赖于不必要的近似的解析方法，有限元方法已被证明是一种能够真实模拟边界条件和电极几何形状的替代方法。
由于温纳法在实验上提供了详细程度与所需成本和时间投入之间的最佳平衡，因此原始的温纳法被发现是表征ORM土壤电阻率的最方便的程序。图1显示了测量区域的两张图像。
三、ORM区域土壤的电阻率测量和地形特征
ORM位于受保护的区域，土壤主要被一种名为粘毛囊苞豆（adenocarpus viscosus）的特有植物所覆盖，该植物可以长到1.5米高，并且具有深厚而坚硬的根系。 该地区的土壤主要由硬岩和电阻率超过10 kΩ·m的材料填充。 由于实施困难，其他测量方法，如三维层析成像，被排除在外。
在这项工作中，展示了在ORM范围内的六个不同位置进行的测量。该区域的范围约为250米×275米，中心坐标为28°45'42.9"N，17°53'28.5"W。这些位置对应于MAGIC I、MAGIC II和LST1望远镜的建设位置，以及LST2、LST3和LST4的未来位置。
使用COMSOL Multiphysics软件模拟了这些位置的电阻率，采用了简单的单层模型和三层模型。通过对以前的岩土工程研究和土壤组成材料的电性能的现有文献的支持，讨论了实际测量的局限性以及数学模型与真实地形结构的一致性。
用于测量的电阻率仪是Chauvin Arnaux的C.A 6470N Terca 3，配备了相应的150米接地和电阻率套件的钉子和导线。这种设备在其他应用中使用温纳法 来计算视电阻率 。
温纳法提供了位于钉子线中间附近、深度约为钉子间距数量级的一个点的平均视电阻率值。标准的温纳协议，偶尔辅以特殊程序改善接触，如在钉子周围倒入少量盐水，对所有位置（除了LST3区域）都有效。
在LST3区域，测量变得特别困难，需要多次尝试才能找到能够给出可靠结果的钉子位置。当增加钉子之间的距离时，测量变得明显更容易。 为了理解这种行为，需要重新审查仪器的性能。 表1显示了设备的相关规格。可以看到该仪器能够测量的最大电阻率约为1 MΩ·m，远高于现场所有距离上测量到的最大可靠值。测试信号为32 V，交流频率为128 Hz。
四、地形不规则性对电阻率测量的影响及土壤组成分析
将这些错误归因于地形本身的不规则性。知道地形由不同的层组成，但认为在这些层内部可能也存在导致地形行为不连续的不规则性，从而加剧了电流IH-E的流动问题。
这将导致无法正确进行测量，因为地下的电流路径不像应该的那样进行。这种行为在图2中有所说明，其中电流被表示为虚线，可能存在妨碍电流流动的障碍物，因此导致电路无法闭合。只有增加钉子之间的间距才能在障碍物下产生电流路径，从而测量到可检测的电流。所有不可靠的测量结果提出的建模中被忽略。
为了进行这项研究，分别在2018年9月和2019年5月进行了两次测量活动，从中提取的数据显示在图3中。MAGIC I、II和LST1的测量是在为望远镜基础安装而改变的地形周围进行的。建筑工程需要清除土地以为每个望远镜打基础。
可以从岩土工程研究（GTS）中获得有关地形的附加信息，该研究对土壤进行物理评估，以确定其组成。这些挖掘活动提供了关于不同深度的地下材料的数据。望远镜将放置的土壤必须根据“Canarias自治区规划和进行岩土工程研究指南”（GETCAN-011 [17]）进行分析。
众所周知，拉帕尔马岛是加那利群岛的一部分，几乎100％的地质都是火山起源。特别是对于LST1-LST4区域，有改造过的玄武岩堆。 根据公共地质和地图数据库 ，地质单位是n˚ III，解释了这些类型的土壤对应于较小厚度和适度高度改造的基础浇筑，这些浇筑以玄武岩致密层的垂直交替形式表现出来。
如电阻率测量所预示的那样，LST1所在地的土壤组成几乎是一个由熔渣和黏土（约15％）改造而成的均质层。LST3的土壤具有多种材料的层次结构。根据在LST3周围不同点进行的挖掘，图4展示了基于这些挖掘的地形重建情况。
五、火山地形下的电阻率测量和有限元模拟研究
T2点的挖掘是距离LST3位置的电阻率测量点最近的。根据这一点，LST1和LST3地区土壤的组成显示在表3中。最深的熔渣层与淤泥混合物不予考虑，因为它仅在T2测量点发现。出于同样的原因，我们也忽略了最深的断裂玄武岩层。
可以得出结论LST地区的岩石是火成和火山类型的混合物。根据岩石的组成，它们是镁铁质岩石，含有其他材料（黏土、砾石和淤泥）。 了解土壤的组成，人们可以根据每种岩石类型的电性质来近似确定代表性的电阻率值。 从LST1和LST3地区的GTS中检查了岩石类型的电阻率值，并收集在表4中。
使用有限元法（FEM）计算了应该在两个代表性位置上使用温纳法测量的视电阻率设备。这两个位置是根据ORM测量结果选定的。根据图3所示的结果，五个位置（MAGIC I、MAGIC II、LST1、LST2和LST4）显示出均匀的电阻率。LST3表现出不同的行为，测得的电阻率与探针间距之间存在较强的相关性。
实施了两个不同的模拟模型。将“土壤1”类型定义为均匀土壤，“土壤2”类型对应于多层土壤，类似于LST3中发现的土壤。目标是 通过模拟电场和电流密度 ，找到真实的地形电阻率，以在感兴趣的范围内，从2米到30米，重现设备显示的测量结果。
该模型使用COMSOL Multiphysics v5.3a软件。在该案例中，使用了电流模块和频域参数扫描进行了研究。计算域是一个包含完整建模几何体的三维长方体。
电极被视为COMSOL中定义的“铜材料”。每个土壤层所需的材料参数显示在表5中。这些数据基于在LST1（土壤1）和LST3（土壤2）进行的岩土工程研究（GTS）。进行了多个COMSOL研究，以估计每个层的电阻率值，从而使其与测量结果最佳匹配。
结论
研究对洛斯穆查乔斯天文台的地形电气行为进行了研究，该天文台位于一个以28°45'42.9"N，17°53'28.5"W为中心坐标、面积约为250米×275米的区域内，涵盖了六个不同的位置。这项研究揭示了该地区地形的显著变化，不仅在平均视电阻率方面，而且在层状结构方面也存在差异。
虽然研究的五个位置显示出与单层结构相符的行为，深度达到约10米，但第六个位置LST3表现出截然不同的行为。LST3地区的浅层土壤含有电阻率显著较高的材料，并且很难找到可以提供稳定读数的探针插入位置。
参考文献
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