找水新仪器及其应用.ppt

探查地下水的新仪器,物探系 董浩斌 电 话13507186808 E-mail：,主指物探仪器 原理、性能指标、应用效果、厂家、价格等有一定的了解,目的： 正确认识广告 选择理想产品,讲课提纲 一、找水方法分类 二、核磁共振找水法 三、电磁法 四、高密度电阻率法 五、激发极化法（激电）(简介) 六、影响地学仪器的几项高新技术 七、几点感想,一、找水方法分类,1、直接找水方法 核磁共振法（唯一）,一、找水方法分类,2、间接找水方法 （寻找与地下水有关的构造） 电阻率（电导率）、激化率等,二、核磁共振找水法,1、基本原理 2、仪器结构NUMIS 3、测量参数 4、图示方式 5、反演结果 6、关键技术、优点和缺点,二、核磁共振找水法,1、基本原理,核磁共振是一个基于原子核特性的物理现象，系指具有核子顺磁性的物质选择性地吸收电磁能量。氢核是地层中具有核子顺磁性物质中丰度最高、磁旋比最大的核子。,二、核磁共振找水法,1、基本原理,二、核磁共振找水法,1、基本原理,脉冲矩：q=I*t,二、核磁共振找水法,1、基本原理,二、核磁共振找水法 2、仪器结构,二、核磁共振找水法 2、仪器结构,二、核磁共振找水法 3、测量参数：信号幅度、信号相位,二、核磁共振找水法 4、图示方式,二、核磁共振找水法 5、反演结果,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,（1）抗干扰能力 （2）钻孔定位,三维体积效应 一般配电阻率法定位，如： 高密度电阻率法,二、核磁共振找水法 6、关键技术、优缺点,（1）预研究（微弱信号处理） （2）申请国家自然基金 （3）科技部投标,讲课提纲 一、找水方法分类 二、核磁共振找水法 三、电磁法 四、高密度电阻率法 五、激发极化法（激电）(简介) 六、影响地学仪器的几项高新技术 七、几点感想,三、电磁法,（一）频率测深法 （二）瞬变电磁法 （三）CSAMT,三、电磁法（一）电磁测深法,仪器： EH-4连续 电导率剖面仪,（一）电磁测深法 EH-4 连续电导率剖面仪,1、基本情况 2、仪器结构 3、主要技术指标 4、测量参数 5、图示及结果 6、关键技术和优缺点,EH-4 连续电导率剖面仪 1、基本情况,EH-4电导率成像系统是： 天然场、人工可控源相结合的频率域测深系统 （V5、V6及GDP-32等是多功能仪器） 频点多达60个左右 EH-4电导率成像法主要是通过观测地层电性参数在纵向及横向上的变化特征，来确定地层岩性结构、,EH-4 连续电导率剖面仪 2、仪器结构,EH-4 连续电导率剖面仪 3、主要技术指标,EH-4 连续电导率剖面仪 3、主要技术指标,EH-4 连续电导率剖面仪 4、测量参数,测量：Ex、Ey、Hx、Hy，通过阻抗张量运算， 获得视电阻率,EH-4 连续电导率剖面仪 5、图示及结果,EH-4 连续电导率剖面仪 6、关键技术和优缺点,（1）磁探头、电极的前置放大、磁偶源发射系统； （2）天然场和人工源场数据衔接； （3）静态、近区场影响。,三、电磁法（二）、瞬变电磁法,1、基本原理 2、仪器结构主要技术指标 3、测量参数 4、工作方式 5、关键技术,（二）、瞬变电磁法 1、基本原理,（二）、瞬变电磁法 1、基本原理,周期脉冲信号波形及其频谱图 （常规连续发送信号）,（二）、瞬变电磁法 1、基本原理,单脉冲信号波形及其频谱图 （所谓脉冲压缩方式）,（二）、瞬变电磁法 1、基本原理,During the transmitter off-time, the decay of the induced currents are measured via a series of gated channels Channel times are dependent on Tx frequency typically from 0-150msec.,Decay of Good Conductor,（二）、瞬变电磁法 2、典型仪器结构及技术指标,（二）、瞬变电磁法 2、典型仪器结构及技术指标,（1）国产某仪器： 输入端灵敏度：0.05uV； A / D 转换器：16Bit 频 带：07.5KHz 动 态 范 围 ：136dB 大屏幕显示（24064点阵，可现场显示衰减曲线及多道电压剖面） 最大发射电流：10A 最大发射电压：48V 重 量 ：小于3Kg,（二）、瞬变电磁法 2、典型仪器结构及技术指标,（2）The GDP-32II Multi-Function Receiver NanoTEM Analog 输入阻抗: 40 Kohm at DC 动态范围: 120 db 最小信号: 4 V 自动增益范围： 10 to 160（二进制） A/D转换位数： 14 bits +/- 1/2 LSB 转换时间： 1.2 S 每通道1个A/D,（二）、瞬变电磁法 2、典型仪器结构及技术指标,（3）TEMS-3S系统 场源系统： 电流幅值（A）：100200 脉宽（ms）： 10、20、40、80、160、320、 640、1280 数据采集：电流、瞬变电势两道全域采集： 分辨率：0.1 V 最大可测量电压：10V 采样率（ S）：30、50、100、200、250、500 瞬变响应时间：102560ms 动态范围：120dB,（二）、瞬变电磁法 3、测量参数：,接收线圈的感应电压 （时间序列）、 发射电流,（二）、瞬变电磁法 4、工作方式 地面,（二）、瞬变电磁法 4、工作方式 地面,被测导体,（二）、瞬变电磁法 4、工作方式 航空,MEGATEM系统,（二）、瞬变电磁法 4、工作方式 航空,GEOTEM系统,（二）、瞬变电磁法 4、工作方式 结果,（二）、瞬变电磁法 5、关键技术,（1）如何实现发射机快速关断； （2）缩短线圈的过渡过程，实 现早期测量； （3）二维反演软件。,（二）、瞬变电磁法 5、关键技术,发送回线的时间常数是固有的，可由下式估算： toffL/Rln(2V/(V+1.5) 式中：L发送电感 R回线电阻 V加于回线的电压 toff单位：mS 另外，ZONE公司有经验公式： toff2L1.25/(5+R)(S) 式中：L回线边长（m） R回线电阻(),三、电磁法（三）、CSAMT,讲课提纲 一、找水方法分类 二、核磁共振找水法 三、电磁法 四、高密度电阻率法 五、激发极化法（激电）(简介) 六、影响地学仪器的几项高新技术 七、几点感想,四、高密度电阻率法,1、高密度电法电极排列 2、高密度电法仪器的发展 3、高密度电法测量结果图示方法 4、深度问题 5、发展趋势基本原理 6、关键技术、优点和缺点,高密度电法是阵列勘探,通过电极扫描， 可同时获得纵向和横向的地电信息,野外电极排列（长江大堤）,（1）电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为野外数据的快速和自动测量奠定了基础。 （2）有效的进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的关于地电断面结构特征的地质信息。 （3）野外数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快（大约每一测点需25s），而且避免了由于手工操作所出现的错误。,高密度电法特点：,（4）可以对资料进行预处理并显示剖面曲线形态，脱机处理后还可以自动绘制和打印各种成果图件。 （5）与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息丰富，解释方便。勘探能力显著提高。,高密度电法特点：,四、高密度电法 1、电极排列方式,四、高密度电法 1、电极排列方式,对称四极：A_M_N_B 偶极偶极：A_B_M_N 单极偶极：A_M_N (M_N_B) 单极单极：A_M 微分排列（A_M_B_N）、赤道,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,高传统式高密度电法仪结构示意图,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,分布式智能化高密度电法仪结构示意图,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,2.1、国外仪器 国外生产高密度电法仪的主要有日本的OYO公司、瑞典的ABEM公司、法国的IRIS公司、美国的AGI公司。这些仪器价位在6-7万美元（60个电极配置）。国外仪器大多数是将电测仪与电极转换开关分开的。2002年12月份，美国的AGI公司出品一款新仪器将电测量主机与开关单元结合在一起。但未见国外仪器中使用PC机或类似PC机作为仪器主控制器，实现现场测量曲线的报道。,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,ABEM公司产品,2.1、国外仪器,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,2.1、国外仪器,AGI公司产品,四、高密度电法 2、高密度电法仪器的发展,2.2、国内仪器 国内高密度电法仪电极转换开关方面分三类： 机械式电极转换开关 电子式电极转换开关 分布式智能化电极 在主机方面，多数仪器使用的是单片机（微处理器），而使用PC机（或工控机）作为主控制器，并在屏幕进行现场曲线显示的只有中国地质大学（武汉）和原长春地院骄鹏公司等少数仪器。,GMD-3型主机,GMD2型主机及计算机 仪器主机和计算机分离,野外电极排列,GMD6型主机,整个仪器由12V电瓶供电,四、高密度电法 3、结果图示方法,四、高密度电法 3、结果图示方法,四、高密度电法 3、结果图示方法,四、高密度电法 3、结果图示方法,湖北孝感某地找水效果,四、高密度电法 4、深度问题,四、高密度电法 4、深度问题（反演问题）,无噪声,有噪声,两种实测对比,两种反演结果对比,四、高密度电法 5、发展趋势,（1）同时进行激发极化法， 即：高密度激电法 （2）三维 （3）人体电阻率法成像,四、高密度电法 5、发展趋势,高密度激发极化法,四、高密度电法 5、发展趋势,高密度激发极化法,四、高密度电法 5、发展趋势,三维高密度电法,单极单极扫描,四、高密度电法 5、发展趋势,三维高密度电法,三维反演模型,四、高密度电法 5、发展趋势,三维高密度电法,三维反演结果,四、高密度电法 6、应用展示,仪器主要技术指标 (1) 最大电极通道数240道 (2) 电位测量范围10V，分辨率10V (3) 电流测量范围3A，分辨率0.01mA (4) 输入阻抗大于20M（内部100 M） (5) 整机工作电源：输入12V（电瓶） AB输出：内部供电：最大电压300V、电流1A 外接供电：最大电压400V、电流3A (6) 50Hz工频抑制60dB, 笔记本计算机为控制、测量、处理核心， 虚拟仪器设计思想，全中文菜单操作,功能选择 接地电阻检查 视电阻率测量、显示,仪器主要功能 温纳 SCHLUMBERGER 偶极-偶极 单极-偶极 根据用户特殊需要设置排列 （硬件不改变），可进行二维 三维电法工作,仪器性能指标测试结果,模型实验结果,高阻斜板 高阻背斜（模型）直立铜板 充水铜球, 工程地质勘查(地基、岩溶、滑坡等） 堤坝隐患、渗漏探测 非开挖水平钻进前硬体岩层探测 地质改造及矿产资源勘察 水文工程（寻找地下水钻井定位） 环境保护（污染范围评价等） 洞体探测、考古工作等 也可根据特殊需要做水下电法勘探。,应用范围不限于找水,部分应用实例 例一、 1999年3月20日，湖南省益阳市，国家防汛抗旱 总指挥部组织“堤坝隐患探测设备测评”工作，本仪器是国内唯一的分布结构式仪器。下图是本仪器和美国某公司仪器在 同一侧线测量的结果。,例二、京珠高速公路湖北某段，岩溶勘察实验结果。电极间距2米，电极排列方式温纳装置。图中可看出96米110米处被两边高阻相夹，而且在96米100米处低阻向下延伸。此处钻探时出现掉钻现象。,例三、湖北孝感某地进行的找水工作。使用电极60根，电极距5米，在水平150米附近钻井，已打到低阻断裂带并出水。从钻孔柱状图来看，和剖面图象对应较好。,例四、某火车站选址勘察结果,例五、武汉甚家矶长江大堤不同水位测量结果 （国家科技部重点项目）,例六、武汉市青菱乡毛旦小学塌陷探测结果,例七、广东某金矿高密度电法试验结果,例八、树根探测结果,例九、500KV超高压输电铁塔下采空区 探测结果（湖北荆门）,例十、武汉市中南民族学院综合楼15-15线 高密度电法测量s断面图,例十一、 2001年7月河南信阳某地实测解释剖面与钻孔柱状图对照,例十二、 2001年12月，探测放射性水泥池结果， 经开挖，与实际符合,例十三、秦陵探测解释结果,讲课提纲 一、找水方法分类 二、核磁共振找水法 三、电磁法 四、高密度电阻率法 五、激发极化法（激电）(简介) 六、影响地学仪器的几项高新技术 七、几点感想,五、激发极化法,激电法作为电法勘探的重要分支，由于不受地形起伏及围岩电阻率不均匀的影响，且可充分利用其时间特性。目前，已广泛应用于找水。破碎含水岩石属离子导电的体极化介质，其极化率、半衰时、综合参数与岩石含水情况密切相关，含水层对应的极化率、半衰时、综合参数均有高值反应。,五、激发极化法（简介）,1、时间域 2、频率域（多频率）,讲课提纲 一、找水方法分类 二、核磁共振找水法 三、电磁法 四、高密度电阻率法 五、激发极化法（激电）(简介) 六、影响地学仪器的几项高新技术 七、几点感想,六、影响地学仪器的几项高新技术,地学仪器主要特点： 1、专业性强、种类多，但应用面窄、需求量少。 地学仪器包括物探仪器、化探仪器岩矿测试分析仪器、工程勘察与测试以探矿工程的仪器与设备等，涉及面广，专业性很强。,六、影响地学仪器的几项高新技术,地学仪器主要特点： 2、研制难度大，需要高技术、高成本。 地学仪器不仅涉及电子学、计算机技术、传感材料、信号处理等学科领域的综合知识，还涉及到地球物理、地球化学、大地测量学、工程地质学等专业知识，多学科的交叉、渗透与综合无疑增加了难度和成本，而且量少。,六、影响地学仪器的几项高新技术,地学仪器主要特点： 3、使用环境恶劣、设计要求苛刻。 地学仪器大多数工作于野外、井下、海洋、空间等恶劣环境，对体积、重量、抗潮湿、防水、功耗、抗震动、抗干扰、温度范围等要求苛刻。,六、影响地学仪器的几项高新技术,1、笔记本式、嵌入式PC机，高速DSP PC机广泛应用于各行各业乃至家庭生活中。在此基础上发展了工控、嵌入式PC机，特别是PC/104以体积小、功耗低、结构简单（9096mm、15W、自堆总线结构）而越来越受到仪器仪表行业的青睐，这一点正好迎合地学仪器的特殊性。随着信号处理量、处理速度、实时性和精度等要求的提高，单片机、PC机已不能满足要求，DSP则以独特的性能渗透于各个领域，如TI公司的TMS320C6x，时钟200MHz，256点的FFT为14.0S。目前，国内仪器中，应用笔记本PC机较多，PC/104也正在起步；而DSP在国外仪器应用较普遍，如美国EMI公司的MT-24、德国的SUBMITT浅层地震仪等。,六、影响地学仪器的几项高新技术,V-6 V-6A,1、笔记本式、嵌入式PC机,GDP-32II EH-4,六、影响地学仪器的几项高新技术,1、笔记本式、嵌入式PC机,NUMIS,六、影响地学仪器的几项高新技术,1、笔记本式、嵌入式PC机,六、影响地学仪器的几项高新技术,1、笔记本式、嵌入式PC机,GMD6型主机,中国地质大学（武汉）GMD系列高密度电法仪,六、影响地学仪器的几项高新技术,2、24位 A/D转换技术。 地学仪器所测量的信号中，多数是大动态范围的，最典型的是地震勘探中地震波信号。以往的做法是浮点（程控）放大+A/D,结构复杂，动态范围、噪声、漂移、精度等指标不高。单片24位A/D的出现，使传感器可直接与A/D芯片相接，简化了电路，而且动态范围、灵敏度等性能大大提高，由此带来的仪器体积小、耗电省等指标正是地学仪器所追求的目标。,六、影响地学仪器的几项高新技术,2、24位 A/D转换技术。,六、影响地学仪器的几项高新技术,2、24位 A/