《地球物理学实验指导讲义》2005年[1].pdf

目目 录录 重力场与重力勘探实验指导 2 实验一 重力仪认识操作 3 实验二 重力资料整理 8 实验三 重力异常正演 12 实验四 重力资料处理 17 地磁场与磁力勘探实验指导 21 实验一 磁力仪认识操作 22 实验二 磁性体磁场正演 28 实验三 磁异常处理转换 30 实验四 磁异常反演 33 地电场与电法勘探实验指导 35 实验一 直流电法常用仪器认识及操作 均匀半无限介质点源场及水电阻率的测定 36 实验二 电阻率法和激发极化法水槽模型实验 40 实验三 高密度电法室外实验 42 实验四 电阻率测深曲线的定量解释实验 45 实验五 电磁测深法正演数值模拟实验 47 地震波场与地震勘探实验指导 50 实验一 理论知识上机验证实验 I 51 实验二 理论知识上机验证实验 II 55 实验三 绘制等 t0构造图实验 57 核辐射场与放射性勘探实验指导 59 实验一 放射性衰变统计涨落规律 60 实验二 射线的衰减吸收规律 63 实验三 放射性核素的 射线谱的认识与测定 HPGe 65 实验四 现场 能谱测量方法 digiDART 69 实验五 土壤测氡仪的刻度及使用 FD 3017 镭 A 测氡仪 71 实验六 热释光剂量仪 RGD 3 的认识与使用 74 地球物理测井实验指导 77 实验一 测井认识实习 78 实验二 电阻率测井 85 实验三 岩样声波速度测量 88 实验四 测井资料解释 95 2 重力场与重力勘探实验指导重力场与重力勘探实验指导 郭良辉 孟小红 中国地质大学 北京 地球物理与信息技术学院 实验一 重力仪认识操作实验一 重力仪认识操作 一 实验目的一 实验目的 1 了解掌握金属弹簧重力仪的测量原理 2 学习操作金属弹簧重力仪 了解金属弹簧重力仪的工作范围 操作步骤 性 能特点等 为实际野外重力测量实习奠定良好基础 二 实验内容 二 实验内容 1 金属弹簧重力仪的测量原理 2 金属弹簧重力仪野外测量相关情况介绍 3 金属弹簧重力仪的认识操作 三 实验原理 三 实验原理 1 金属弹簧重力仪的测量原理 金属弹簧重力仪的测量原理 由美国 LACOSTE ROMBERG 公司生产的 LCR 金属弹簧重力仪是当今世界 上公认的性能好 精度高的仪器 该仪器分为 D 型 勘探型 与 G 型 大地型 两种 前者精度高 后者测程大 适用于全球测量而不需调测程 这种仪器采用了零长 度 弹簧作为主弹簧 图 1 LCR 金属弹簧重力仪 4 1 1 技术指标技术指标 D型 G型 测量范围 2000 g u 70000 g u 测量精度 0 02 g u 约0 04g u 零点漂移 约5g u 月 约5g u 月 使用1年以上 使用1年以上 约10g u 月 约10g u 月 使用1年以下 使用1年以下 重复性 约0 05g u 约0 1g u 电源 DC12V DC12V 净重 3 2 kg 3 2 kg 1 2 仪器结构和工作原理仪器结构和工作原理 该仪器的弹性系统结构如图2所示 包括 重块 秤臂 零长弹簧 主弹簧 及消震弹簧 它们构成灵敏系统 上下摆杆 连杆 测微螺丝旋等 当重力改变 时 旋转测微螺旋 使摆杆上下倾斜 带动主弹簧 让秤臂回到零点位置 图2 LCR重力仪弹性系统结构图 图3为工作原理图 秤臂OB从转轴O到质心的长度为 l 主弹簧A端固定在Y 轴上 且让OA OB 常数b 主弹簧为零长弹簧 其变形后长度为L 弹力系数为 K 设秤臂与Y轴夹角为 则由图可知其平衡方程式为 5 sinmglKLd 1 其中 d为主弹簧中轴线至O点的距离 图3 弹性系统工作原理图 因为A点坐标为 0 y B点坐标为 x1 y1 则由 111 x yxyx y d LL 2 代入 1 式中得 1 sinmglKx y 3 又因为 1 cos sin 2 xbb 代入上式得 sinsinmglKby mglKby 所以 dgdy gy 5 这即是该仪器测量重力变化的原理表达式 将 3 式对变量g x1求微分则得到 6 1 sincosKydxdgmldmgl 5 因为 dbdxcos 1 故上式经整理后为 cos sin Kbymgl ml dg d 6 可见 若采用零点读数法 观测时使 2 灵敏度就会趋于无穷大 2 野外测量风采 野外测量风采 图4 左上 RTK GPS基站 右上 重力测量队 左下 RTK普通点定位观测 右下 重力普通点观测 3 金属弹簧重力仪的操作步骤 金属弹簧重力仪的操作步骤 将仪器小心从箱中取出 轻轻放在铝盘上 将电池与仪器接上 打开温度显示 对仪器内部进行电恒温处理 直到达 到仪器指定的恒温温度 大约需要2 5小时 将仪器纵 横水泡调节居中 打开读数灯泡 从目镜中观察摆丝位置 这时摆丝停靠在左侧终止线上 7 打开摆丝开关 调节刻度盘 使摆丝可以自由摆动 进一步调节刻度盘 使摆丝与仪器指定的读数线重合 记录记数器上的读数 锁上摆丝 把仪器放回箱中 四 实验报告四 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 实验结果 小结 8 实验二 重力资料整理实验二 重力资料整理 一 实验目的一 实验目的 1 掌握重力基点网平差及平差系数的计算方法 2 掌握重力异常值的计算方法及各种改正的地质 地球物理含义 3 学会使用MATLAB或C语言编写相关程序 二 实验内容二 实验内容 1 基点网平差实验基点网平差实验 下图为三环路基点网 各边段差值如图所示 顺时针方向为正 假设各边段时间差均为1 试采用线性方程组法求解平差系数 要求用 MATLAB或C语言编程求解并输出各环路的平差系数 2 布格重力异常值计算布格重力异常值计算 下表为某10个重力测点的地理坐标和相对基点的重力值 试用MATLAB 或C语言编程求各测点的布格重力异常值 已知基点纬度为33 11 33 坐 标x 0 y 0 海拔高程为14 8米 地表岩石平均密度为2 2g cm3 不用作地形 校正 9 测点 号 测点 号 东向横坐标东向横坐标 Y 米米 北向纵坐标北向纵坐标 X 米米 相对重力值相对重力值 g u 海拔高程海拔高程 米米 1 1 371 19 36 6 78 2 21 372 19 55 6 86 3 40 368 21 46 6 9 4 62 364 23 29 6 93 5 81 360 27 95 6 37 6 97 356 30 31 5 5 7 104 347 29 72 5 32 8 123 349 29 09 5 32 9 145 349 29 01 4 79 10 165 350 28 81 5 01 3 扇形法地形校正值计算扇形法地形校正值计算 已知测点高程为10米 在其周围进行了三环八方位地形测量 见下图 近 环0 5m 中环5 10m 远环10 20m 各点高程见下表 地表岩石平均密度为 2 3g cm3 试用MATLAB或C语言编程求测点的地形校正值 注 以正北为0度方位 顺时针为正方向 序号序号 1 2 3 4 5 6 7 8 5m 处高程处高程 m 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 7 5 10m 处高程处高程 m 5 5 5 5 5 5 5 5 20m 处高程处高程 m 0 0 0 0 0 0 0 0 10 三 实验原理三 实验原理 1 重力基点网平差重力基点网平差 经过基点网观测资料的初步整理 可求得每个边段上的重力差 如果没有误 差存在 则由这些边段构成的每一个闭合环路内 将各边的段差相加后应为零 但是 由于联测中的误差 上式一般是得不到满足的 往往存在一个不等于零的 偏差值 称为基点网的闭合差 如果只有一个环路 该环闭合差为V 每边上观测的平均时间为ti 在按各边 观测时间长短来分配闭合差时 其平差系数为 i V k t 1 则第i边上的平差值为 ii gkt 2 这样 该闭合环满足了 0 i gV 的条件 当基点网是由多个环路组成 每个环上都有一个或多个公共边时 就要求用 每个环的闭合差所求得的ki 来进行平差 并使同一公共边上两侧的平差值大小相 等而符号相反 利用建立线性方程组联立求解 i k如下 IIiIII CG IIIIiIIIIII DF CG IIIIIIiIIIII DF Vktk t Vktk tk t Vktk t 3 2 布格重力异常计算布格重力异常计算 布格校正公式 3 3 0860 419 b g ug cmm gh 纬度校正公式 8 14sin2 km g u gD 扇形法地形校正公式 2222 11 4 Tiiii TT G gRRRhRh gg 11 图1 扇形法地形校正示意图 布格重力异常是对观测值进行地形校正 布格校正 高度校正与中间层校正 和正常场 纬度 校正后获得的 布格重力异常值公式 BkTb ggggg 4 其中 h 测点海拔高程或测点与基准点的高差 m 中间层平均密度 g cm3 总基点纬度或测区平均纬度 D 测点到总基点间纬向 南北向 距离 km k g 重力观测值 g u 布格重力异常包含了壳内各种偏离正常密度分布的矿体与构造的影响 也包 括了地壳下界面起伏而在横向上相对上地幔质量的巨大亏损 山区 或盈余 海洋 的影响 图2 布格重力异常地质 地球物理含义示意图 四 实验报告四 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结果 分析或小结 12 实验三 重力异常正演实验三 重力异常正演 一 实验目的一 实验目的 1 通过球体 水平圆柱体和铅垂台阶重力异常的正演计算 掌握简单规则形体 重力异常正演的计算方法 2 通过计算认识球体 水平圆柱体和铅垂台阶重力异常的一般分布规律 了解 影响简单规则形体重力异常的主要因素 如形体的几何参数和密度参数等 培养学生实际动手能力与分析问题的能力 3 学会使用MATLAB语言编写程序绘制异常图件 二 实验内容二 实验内容 1 用MATLAB或C语言编程实现二度球体 三度球体重力异常及其导数正演 使用MATLAB语言编程绘制异常曲线或等值线图 2 用MATLAB或C语言编程实现二度水平圆柱体重力异常及其导数正演 使 用MATLAB语言编程绘制异常曲线图 3 用MATLAB或C语言编程实现二度铅垂台阶重力异常及其导数正演 使用 MATLAB语言编程绘制异常曲线图 三 实验原理三 实验原理 1 二度球体 三度球体重力异常及其导数正演二度球体 三度球体重力异常及其导数正演 二度球体 22 3 2 xz 22 5 2 22 zz 22 5 2 22 zzz 227 2 V3 2 V 23 V3 GMD g xD Dx GM xD Dx GM xD Dx GM xD 13 图1 二度球体重力异常 图2 二度球体重力异常导数 三度球体 222 3 2 00 0 222 5 2 00 0 222 5 2 00 222 00 222 5 2 00 222 00 22 00 3 3 2 23 3 3 xz yz zz zzz GMD g xxyyD D xx VGM xxyyD D yy VGM xxyyD Dxxyy VGM xxyyD Dxxyy VGM xxyyD 2 7 2 14 图3 三度球体重力异常导数 2 二度水平圆柱体重力异常及其导数正演二度水平圆柱体重力异常及其导数正演 二度水平圆柱体 22 0 222 22 222 22 22 3 2 4 2 3 4 xz zz zzz G D g xxD G Dx V xD GDx V xD Dx VG D xD 图4 水平圆柱体重力异常 左 二度 右 三度 15 图5 二度水平圆柱体重力异常导数 3 二度铅垂台阶重力异常及其导数正演二度铅垂台阶重力异常及其导数正演 22 11 000 0 22 0 22 22 111 2 22 22222222 ln22 ln 22 11 22 xz zz zzz xxHxxxx gGHhxxHtghtg xxhHh Hx VG hx Hhx Hh VGtgtgG tg xxxHh x Hh VG xG hxHxhxHx 图6 铅垂台阶重力异常 左 二度 右 三度 16 图7 二度铅垂台阶重力异常导数 四 实验报告四 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结果分 析或小结 17 实验四 重力资料处理实验四 重力资料处理 一 实验目的一 实验目的 1 通过重力异常频率域滤波处理实验 掌握频率域滤波处理方法原理 2 通过简单规则形体重力异常特征点反演实验 掌握特征点反演方法原理 二 实验内容二 实验内容 1 利用频率域滤波的MATLAB程序 对简单规则形体重力异常进行频率域向 上延拓 水平导数和垂直导数处理并绘图 2 从第三次实验得到的重力异常中提取出任意一个有意义的异常剖面数据 试 用特征点法反演密度不均匀体的几何和物性参数 三 实验原理三 实验原理 1 频率域滤波处理方法基本原理 频率域滤波处理方法基本原理 频率域滤波处理方法步骤 1 应用傅立叶变换 计算空间域原始或观测异常 gB x y 的频谱GB u v 2 将GB u v 与所求转换异常的滤波算子H u v 相乘 得到转换异常的富氏变换 GFT u v 3 将GFT u v 进行傅立叶反变换 便得到所求的转换异常 gFT x y 滤波因子 向上延拓 0 2exp 22 zSvuzHdown 其中 S 为压制高频干扰的滤波因子 下同 一次导数 x方向 SiuHx 2 y方向 SivHy 2 z方向 SvuHz 22 2 垂向 z方向 二次导数 SvuHzzz 4 222 18 图1 重力异常频率域向上延拓示例 图2 重力异常频率域导数换算示例 19 2 简单规则形体特征点反演基本原理 简单规则形体特征点反演基本原理 特征点法 或任意点法 系根据异常曲线上的一些点或特征点 如极大值点 零值点 拐点 的异常值及相应的坐标求取场源体的几何或物性参数 仅适用于 剩余密度为常数的几何形体 这个方法是将计算重力异常及其导数的解析式中自 变量与因变量的函数关系反过来 即将异常值和相应的测点点位作为已知量 而 将该异常体的产状要素和剩余密度作为未知量 并把异常体参数与异常值 点位 的关系表示为显函数形式 特征点法的应用条件 1 因反演公式是从正演公式导出的 而正演所得到 的是理论异常曲线 所以用实测曲线进行反演时 事前应对异常曲线作平滑处理 并要尽量准确地确定坐标原点的位置 2 本方法是针对单个孤立的几何形体所 引起的异常 而实测异常往往是多种地质因素引起的异常的叠加 故反演之前应 进行相应的异常分离处理 以获得单纯由研究对象引起的异常 3 不同几何形 体其反演公式不同 所以应对所获得的剩余 局部 异常进行分类 判明该异常 的场源体接近于何种可能的几何形体 然后选用相应的反演公式 根据简单规则几何形体异常正演计算所得剖面理论曲线形态 可以把异常曲 线分为四种类型 1 单峰异常 异常曲线的零值点在无穷远处 如球体的 g 曲线 台阶的Vxz曲线等 2 异常曲线具有极大值 极小值和一个零值点 如 球体的Vxz曲线 台阶的Vzz Vzzz曲线 3 异常具有一个极大值 两个极小值和 两个零值点 如球体 水平圆柱体的Vzz和Vzzz曲线 4 台阶的 g异常曲线 具 有一边高一边低的形态 针对不同形态的曲线采用不同的办法可以获得解反问题 的相应公式 见 重力场与重力勘探 P151 158 下面以球体的 g曲线为例 20 3 1 2 2 max 6 1 3 61 3 1 305 1 305 153199 67 14 99 14 99 199 67 199 67 6 984 1714 10 0 62 0 62 4 1714 10 1 99 81 mm tmg u t m g cm Dx m MDg t M R m 四 实验报告四 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结果分 析或小结 21 地磁场与磁力勘探实验指导地磁场与磁力勘探实验指导 李淑玲 姚长利 中国地质大学 北京 地球物理与信息技术学院 实验一 磁力仪认识操作实验一 磁力仪认识操作 一 实验目的一 实验目的 1 了解垂直悬丝式磁力仪的测量原理 2 了解质子磁力仪的测量原理 3 学习操作质子磁力仪 了解质子磁力仪进行地磁测量的应用范围 工作模式 性能特点 为野外磁测教学实习奠定基础 二 实验内容 二 实验内容 1 垂直悬丝式磁力仪的测量原理 2 质子磁力仪的测量原理 3 质子磁力仪野外磁测相关情况介绍 进行仪器实际操作 三 实验原理 三 实验原理 1 垂直悬丝式磁力仪的测量原理 1 垂直悬丝式磁力仪的测量原理 1 1 仪器的核心部分由磁系组成 如图仪器的核心部分由磁系组成 如图 1 磁系主要是一根圆柱形磁棒 磁棒上方固定一个平面镜 它们悬吊在铬 镍 钛 合金恒弹性扁平丝的中央 丝的一端固定于扭鼓 另一端固定于弹簧 压于压丝 台上 工作时磁系旋转轴 悬丝 应是水平的 磁棒摆动面严格垂直于磁子午面 图 1 悬丝式垂直磁力仪磁系工作原理图 o S N P S S0 f 23 打开仪器开关后 磁棒绕轴摆动 它受到地磁场垂直强度力 重力 及悬丝扭力 三个力矩的作用 当力矩相互平衡时 磁棒会停止摆动 此时Z的变化 Z 可引 起 角的变化 当 角偏转范围不超过 o 2时 由 角的变化引起的仪器读数 变化与 Z 成正比 据此可利用 引起的读数变化测量 Z 的值 1 2 光系放大系统 光系放大系统 除磁系外 仪器在结构上利用光系 与磁棒固定在一起的平面镜 将偏转角 放大并反映为活动标线在标尺上的偏离格数 在两个测量点 利用入射光线在 平面镜不同偏转角度的情况下出射光线角度不同 反映在标尺上有偏离格数差 1 3 读数原理读数原理 设在基点上 地磁场垂直分量为 1 Z 读数为 1 s 在测点上垂直分量为 2 Z 读 数为 2 s 则它们之间的垂直分量差值为 1212 ssZZZ 式中 为格值 它代表每一个读格的磁场值 格值的倒数为灵敏度 通过调 节h以改变灵敏度 h为重心p点到支点垂直磁轴方向距离 因此 悬丝式垂直磁力仪用于相对测量 是利用重力矩与磁力矩的平衡原理 以光系标尺上的读格 反映Z的相对变化值 1 4 思考问题思考问题 1 悬丝式垂直磁力仪磁棒的支点在中心吗 由于在北半球磁系的N极受到向下的磁力作用 若要保持磁系的相对水平 则磁棒的支点要靠近N极 才能达到重力矩与磁力矩的平衡 在南半球时 磁 棒的支点要靠近S极 2 扭鼓起什么作用 角偏转范围不超过 o 2时 由 角的变化引起的仪器读数可反映在标尺上 如果测点与基点之间相对磁场值很大 偏转角过大会超过标尺的测量范围 需要 利用扭鼓调节弹簧的弹力矩 扩大测程范围 2 质子磁力仪的测量原理 2 质子磁力仪的测量原理 以GSM 19T型质子磁力仪为例 介绍质子磁力仪的测量原理 2 1 工作物质工作物质 质子磁力仪使用的工作物质 探头中 有蒸馏水 酒精 煤油 苯等富含氢 24 的液体 物质中的氢原子核 质子 由自旋产生的磁矩 将在外加磁场的影响 下 逐渐地转到外磁场方向 具有逆磁性介质中的 核子顺磁性 2 2 极化与拉莫尔旋进极化与拉莫尔旋进 当没有外界磁场作用于含氢液体时 其中质子磁矩无规则地任意指向 不显 现宏观磁矩 若垂直地磁场T的方向 加一强人工磁场 0 H 则样品中的质子磁 矩 将按 0 H 方向排列起来 此过程称为极化 然后 切断磁场 0 H 则地磁场对 质子有 T p 的力矩作用 试图将质子拉回到地磁场方向 由于质子自旋 因而 在力矩作用下 质子磁矩 p 将绕着地磁场T的方向作旋进运动 叫做拉莫尔旋 进 2 3 旋进频率旋进频率 f 与地磁场与地磁场 T 的关系的关系 氢质子旋进频率f与地磁场T的大小成正比 其关系为 ffT p 4874 23 2 式中 T以纳特 nT 为单位 由式可见 只要能够准确测量出质子旋进频 率f 乘以常数 就是地磁场T的值 2 4 旋进频率的测定与地磁场读数旋进频率的测定与地磁场读数 在圆柱形有机玻璃容器内装满富含氢的工作物质 如水等 容器外缠绕线 圈 线圈通以电流 使其内产生 mAn 104 的极化 磁化 磁场 0 H 其方向沿线 圈轴线 大致垂直于地磁场T 而后切断电流 极化线圈亦作为接收线圈 并调 谐在旋进频率f上 质子磁矩的旋进 将在接收线圈中产生感应电压信号 每按动一次工作微动开关 在程序控制器的控制下 磁化系统开始工作 即 有磁化电流流经探头 探头线圈产生n 103A m的磁化磁场 数秒后磁化系统 关闭 磁化场消失 质子磁矩在地磁场T的作用下旋进 切割线圈在探头中产 生感应讯号 适当选择探头配谐电容C 使其和探头线圈电感L 谐振在旋进频 率f上 可使选频放大器输入端获得最大的讯号 经选频放大后 送入倍频器 它将f倍频128倍 再经电子门送入计数器 由显示器直接显示地磁场T的量值 总之 质子磁力仪实际上是一个特殊的数字式频率计 其原理是计数器在单 位时间内 电子门控制 记下脉冲数目 25 2 5 思考题 感应电压信号的强弱受哪些因素影响 思考题 感应电压信号的强弱受哪些因素影响 1 感应讯号的幅度与kpH0成正比 kpH0是在极化磁场作用下 质子的磁 化强度 为了获取强旋进讯号 一方面要选用单位体积内质子数目多的工作物质 另一方面使用极化电流 产生强极化磁场 这也就提高了功率消耗 2 讯号幅度与质子旋进圆频率 T p 成正比 若地磁场弱 T值小 则 旋进圆频率 低 讯号幅度也就小 目前 质子磁力仪的测程一般是 20000 100000nT 相当于旋进频率由851 52Hz 4257 60Hz 3 讯号幅度亦与 2 sin 有关 线圈轴线与T的夹角 在0 90之间变化 其大小会影响旋进讯号的振幅 而与旋进频率无关 当 2 讯号幅度最大 接近于零度时是探头的工作盲区 因此对探头定向只要求大致与T相垂直 4 旋进讯号是按指数函数规律衰减的正弦讯号 衰减常数为 2 1 T 它持续 约几秒钟 感应讯号的衰减 与探头所处的磁场梯度有关 梯度越大 衰减愈快 3 质子磁力仪野外磁测的相关情况 3 质子磁力仪野外磁测的相关情况 3 1 应用范围应用范围 矿产勘查 如铁矿 铅锌矿 铜矿等 配合矿区勘探 研究矿体的埋深 产状和连续性 研究矿体的形状 大小 估计矿床规模 石油 天然气勘查 研究与油气有关的地质构造及大地构造等问题 普查 详查 地质填图 航空及海洋磁测的地面日变站 断层定位 考古 水文 工程勘查 如管线探测等 地震前兆监测 火山观测以及其它环境及灾害地质工作 小型铁磁物体的探测等 3 2 主要特点主要特点 可进行地磁场总场测量及梯度测量 水平梯度或垂直梯度 需增配专用探 26 头及探头架 可外接GPS 存储测点坐标值 可用于野外作业 也可用做基站测量 内置实时时钟 测量结果连同测量时刻一并存储 还能定时测量 存储 大屏幕显示 全中文界面 自动显示磁场强度曲线 操作简单 既可全量程自动调谐 也可人工调谐 轻便便携 整套系统使用背包背带 一人即可完成全部测量任务 具有RS 232C计算机接口 专业地质软件可绘制等值线图 剖面图等 内存大 可存24万个测点 带掉电保护功能 硬质铝合金外壳 专用防水接头 可适用于恶劣环境 防震 防雨 信号质量适时监控 信号质量下降可及时发现以便采取措施补救 3 3 系统描述系统描述 本质子磁力仪利用质子旋进的原理 来测量地球磁场的磁场总量绝对值 它 可以利用以下两种模式进行工作 1 单点模式 只使用一个传感器进行工作 它检测传感器所在位置的地球 磁场总量的绝对值 2 自动模式 自动模式只使用一个传感器工作 它可以使仪器在设定的时间 开始 以固定间隔的时间重复自动测量 其中仪器开始工作的时间和间隔时间可 以通过软件来设置 这个功能主要是用于日变修正 测量结果将会贮存在仪器的内存中 当关机或更换电池时 数据不会丢失 测量完毕回到室后 数据可以通过传输线下载至计算机中进行进一步处理 用软 件可以将所测得数据进行日变修正 并可对修正后的数据进行进一步处理 文件 为文本格式 用户可以使用其他软件进行处理 将测量结果绘出等值线图 剖面 图等专业图 以供进一步分析使用 也可绘制出三维图使测量结果更加直观易读 3 4 技术指标技术指标 测量范围 25 000 80 000nT 测量精度 1nT 分 辨 率 0 1nT 梯度范围 5 000nT m 27 存贮数据 245 760 个读数 存贮时间 10 年 液晶显示 320 240 图型液晶 电脑接口 USB口 可直接作为U盘使用 WIN XP直接驱动 RS 232C 串口 300 119200 波特率可选 电源电压 内置可充电4AH锂电池 主机尺寸 232 x 100 x 145mm 传 感 器 直径 70mm 长 140mm 主机重量 包括电池 1 9 公斤 传 感 器 0 8公斤 温度范围 10 到 50 四 实验报告 四 实验报告 实验报告内容包括实验目的 实验内容 实验原理 实验结果 小结 28 实验二 磁性体磁场正演 一 实验目的 实验二 磁性体磁场正演 一 实验目的 1 通过球体 水平圆柱体磁场的正演计算 掌握简单规则磁性体正演磁场 的计算方法 2 学会使用MATLAB或C语言编写磁性体磁场正演程序 3 通过计算认识球体与水平圆柱体磁场的一般分布规律 了解影响磁性体 磁场的主要因素 如磁性体的形体 物性参数 走向或计算剖面的选择等 二 实验内容 二 实验内容 用Matlab语言或C语言编程实现球体和水平圆柱体的磁场 包括Za Ha t 的正演计算 三 实验要求 三 实验要求 假设地磁场方向与磁性体磁化强度方向一致且均匀磁化的情况下 当地磁场 T 50000nT 磁倾角I 60 球体与水平圆柱体中心埋深R 30m 半径r 10m 磁化率k 0 2 SI 计算 观测 剖面磁化强度水平投影夹角A 0 时 1 正演计算球体的磁场 Za Hax Hay T 画出对应的平面等值线图 曲面图及主剖面异常图 2 正演计算水平圆柱体的磁场 Za Ha T 画出主剖面异常结果图 3 通过改变球体与水平圆柱体的几何参数 磁化强度方向 I 计算剖面 的方位角 A 观察主剖面磁场Za的变化 分析磁化方向与计算剖面对磁性体 磁场特征的影响 四 实验原理 四 实验原理 球体与水平圆柱体磁场 Za Ha T 的计算公式是以磁化强度倾角I 有 效磁化倾角is和剖面与磁化强度水平投影夹角A 来表达 1 球体磁场的正演公式 29 sincos3coscos3 sin 2 4 coscos3sin3 sincos 2 4 sincos3sin3 coscos 2 4 222 2 5222 0 222 2 5222 0 222 2 5222 0 AIRyAIRx IyxR Ryx m Z AIxyIRy AIRxy Ryx m H AIxyIRx AIRyx Ryx m H a ay ax sin2sin32sincos3 cos2sin3sincos 2 coscos 2 sin 2 4 2 22222 222222222 2 5 222 0 AIyRAIxy AIxRAIRxy AIRyxIyxR Ryx m T 2 水平圆柱体磁场的正演公式 sin2cos 1 2 cos2sin 1 2 22 222 0 22 222 0 ss s a ss s a iRxixR Rx m H iRxixR Rx m Z oo 902cos2902sin sin sin 2 22 2 22 0 ss s s iRxixR i I Rx m T 3 有效磁化强度 Ms 与有效磁化倾角 is sec sincos cos 11 2222 122 AtgItg M M tgi IAIMMMM x z s zxs 五 实验报告五 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结果 分析或小结 30 实验三 磁异常处理转换实验三 磁异常处理转换 一 实验目的一 实验目的 1 加深对磁性体磁异常在空间域处理转换原理与作用的认识 2 用Matlab语言编程实现球体或水平圆柱体磁异常 包括Za Ha t 的向上 延拓和分量转换 培养学生数据处理的实际动手能力 3 学会使用 MATLAB 语言编写程序绘制异常图件 二 实验内容二 实验内容 1 用MATLAB或C语言编程实现两个大小与埋深不同的球体磁场 T Za Ha 的正演计算 为球体磁异常处理转换准备数据 2 用MATLAB或C语言编程实现两个截面积大小与埋深不同的二度水平圆柱 体磁异常 T Za Ha 的计算 为水平圆柱体磁异常处理转换准备数据 3 用MATLAB或C语言编程实现球体叠加磁场的向上延拓与分量转换 并绘 制异常曲线图 4 用MATLAB或C语言编程实现二度水平圆柱体磁异常的向上延拓与分量转 换 并绘制异常曲线图 三 实验要求三 实验要求 要求实现球体或水平圆柱体磁异常上延计算与分量计算 同时要求对计算结 果误差进行分析 具体如下 1 上延计算 对 T Za Ha各分量向上延拓5m 10m 画出对应结果图 2 分量计算 进行Za Ha Ha Za分量转换 画出对应结果图 3 观察向上延拓 分量转换前后的异常特征 分析向上延拓与分量转换的作用 4 要求对计算结果误差进行分析 如有可能提出改进措施 31 5152535455565758595105115125135145155 30 20 10 0 10 20 30 nT 0 10 20 30 m 图 1 水平圆柱体 球体 模型及其产生的磁异常分量 Za 和 Ha 四 实验原理四 实验原理 在空间域内讨论磁异常的转换和处理的基础是磁异常的位函数 它具有调和 函数的性质 因此可根据某观测面上的实测磁异常 换算成场源以外其他空间位 置的磁异常 也可以将某种实测分量换算成其他的分量 增加解释信息 1 向上延拓 换算平面位于实测平面之上 主要用途是削弱局部异常干扰 反映深部异常 设坐标原点位于计算点下方实测剖面上 延拓高度为一个点距h 则原点的向上延拓公式 1 2 1 222 2 0 14 0 0 arctan 43 nh nh nn Za nhh ZahdZa nh hn 1 2 1 222 2 0 14 0 0 arctan 43 nh nh nn Ha nhh HahdHa nh hn 34 4 arctan 1 0 0 0 2 2 1 2 1 22 n nhTd h hnhT hT hn hn nn 2 磁异常分量间的换算 原点处的磁异常的分量换算公式 Za Ha 0 0 0 0 1 iaia N i ia ZZaH Ha Za 0 0 0 0 1 iaia N i ia HHaZ 式中 ln 2 1 1 1 1 2 1 a i i i a 1 ln 2 2 ln1 2 1 1 N N N a 32 五 实验报告五 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结果 分析或小结 33 实验四 磁异常反演 一 实验目的 实验四 磁异常反演 一 实验目的 1 了解简单规则形体的特征点反演方法原理 2 用 Matlab 语言编程实现球体磁异常特征点反演 二 实验内容二 实验内容 利用单个球体产生的 Za 异常进行特征点反演 计算出球体的中心埋深 三 实验原理三 实验原理 利用磁异常曲线上一些特征值 如极大值 半极值 1 4 极值 拐点 零值 点及极小值等坐标位置和坐标之间的距离 求解磁源体参数的方法称为特征点 法 其实质就是解出不同形状磁源体磁场解析式的特征点与该形体参数间的关系 式 然后由异常曲线上读取各个特征值代入相应关系式求得反演结果 斜磁化球体的 a Z 表达式为 cos3sin 2 4 22 2 522 0 ss s a iRxixR Rx m Z 令 0 x Za 则有三个根对应其极值横坐标 其中极大值坐标 max x 和一个明 显的极小值坐标 min x 之间的距离 m d 为 R f xxdm 1 maxmin 则有 m dfR 式中 3 4 1 3 sin4 1 2 s ictg f 1 9 16 3 4 6 13 27 64 arccos 2 323 sss ictgctgiictg 将极值点坐标 max x 代入 a Z 表达式中 可求得截面磁矩 ms 有 0 max 3 2 a s ZR m 2 34 若令 max min a a Z Z K 这时 K 与 f 均为 is 角的函数值 根据它们的函数关系 式可以作出表 1 解反演问题时 由实测异常曲线上取得 dm 和极值比 K 并 由 K 值在表中查得 is f 及 值 分别代入公式 1 和 2 式解得 R 和 ms 若已知截面磁化强度 Ms 则又可求得球的中心剖面内最大截面积 S 进一步可解 得球体的体积 表 1 is 0 15 30 45 60 75 90 K 1 00 0 53 0 29 0 15 0 10 0 04 0 02 f 1 00 0 98 0 92 0 83 0 72 0 61 0 50 0 43 0 56 0 70 0 82 0 92 0 98 1 00 四 实验报告四 实验报告 内容包括实验目的 实验内容 实验原理 计算程序代码 实验结果 结 果分析或小结 35 地电场与电法勘探实验指导地电场与电法勘探实验指导 谭捍东 佟拓 张启升 中国地质大学 北京 地球物理与信息技术学院 实验一实验一 直流电法常用仪器认识及操作 均匀半无限介质 点源场及水电阻率的测定 直流电法常用仪器认识及操作 均匀半无限介质 点源场及水电阻率的测定 一 实验目的一 实验目的 1 了解直流电法常用仪器的简单原理 并学会仪器的操作方法 2 学会测定电场 加深正常场的概念 3 学会用四极法测定水电阻率的方法 二 实验内容及步骤二 实验内容及步骤 一 DDJ 4A多功能电测仪操作说明 DDJ 4A多功能电测仪是采用嵌入式技术设计的智能化仪器 有良好的人机 交互功能 能直观地显示测量结果 并实时保存测量数据 能自动成图 显示各 个参数的变化趋势 仪器的操作主要分为接线 选择测量方式 参数设置 数据 采集和数据处理五步 1 接线 接线 应该按照以下顺序进行接线操作 才能安全的使用仪器 首先连接A B高 压输出线 M N采集线 然后开机 待系统启动后 再连入高压输入 测量完成后 应该先断开高压输入 才能关机 在测量过程中应避免 A B 短路 为保证测量精度 数据测量时 不能移动连接线 2 选择测量方式 选择测量方式 2 1 创建项目 选择测量方式有 测深 中梯装置 联合剖面 对称四极 选择同步方式 内控同步 自同步 选择极化率计算方式 不测量极化率 单极化率 多极化率 2 2 激电电测发送功能 设置供电时间 供电次数 设置供电时间2秒 供电次数2次时其供电方式 示意图如图1所示 37 图 1 供电方式示意图 2 3 创建项目 参数设置 选择7 可以设置计算极化率的采样窗口宽度 有四种方式可以选择 但是 要有足够长的供电时间 二次延时 可以设置从断电到计算二次场的时间 图 2 计算极化率开窗示意图 3 输入装置系数 输入装置系数 3 1 系统设置 用户SP编辑 从第一个点开始分别输入AB 2 原点 A MN 2 旁侧距离 每输入一 个点按下一次 保存 仪器内部存储了两套系统SP 用户可以随意选择使用 3 2 内部校准 可以消除仪器内部的直流漂移 获得更加准确的自然电位 内部校准前要短 接MN 4 数据采集 数据采集 数据采集 SP设置 可以调出已经保存好的装置系数 测量 开始采集数据 测量完 成后显示全部测量结果 按 极化率 显示极化率1 4 VAB VAB 时间 t 0 2 4 6 8 10 12 14 16 38 注意 当一次电压较小时 应调整 AD增益 以提高测量精度 5 数据处理 数据处理 5 1 数据处理 当整条测线测量完成后 可以显示测线的全部数据 可以利用键盘上的 PgUP PgDn来方便地浏览文件 并可将电阻率 极化率等参 数数据成图 如图3所示 图 3 数据成图 5 2删除数据请进入 文件管理 二 均匀半无限介质表面两异性点源场的测定 按图4连接供电和测量线路 选AB 100cm MN 1 2cm 点距2 4cm 在AB连线方向上 全线 包括A B电极内 外侧 逐点观测 VMN 并计算电 场强度E VMN MN 记录点MN中点 观测时应保持供电电流不变 否则观 测结果应用供电电流归一 图 4 均匀半无限介质表面两异性点源的电场测定 A B M N A B MN DDJ 4A 高压电源 39 三 水电阻率的测定 选用小四极装置 按图4接好线路 实验时 应将装置置于水槽的中间部位 供电后测量 VMN和IAB 并量出AB AN BM BN长度 单位m 则装置系 数 BNBMANAM K 1111 2 而 水 的 电 阻 率 计 算 公 式 为 ABMN IVK 改变供电电流进行3 4次重复观测 三 实验要求及思考题三 实验要求及思考题 1 熟悉各种直流电法仪器原理 面板及操作 学会使用这些仪器进行直流 电法的观测 2 测定并绘出均匀半无阻介质表面两异性点源场的电位及电场强度分布曲 线 讨论其分布特征 3 写出几个小四极装置大小及所测定的水电阻率 并求平均值 讨论在此 实验中 装置系数 供电电流 观测电位差以及水电阻率的观测值之间存在着什 么关系 4 用其它装置能否测定水的电阻率 如何测量 5 编写实验报告 40 实验二实验二 电阻率法和激发极化法水槽模型实验电阻率法和激发极化法水槽模型实验 一 实验目的一 实验目的 了解电阻率法和激发极化法常用仪器的简单原理 面板结构 并学会仪器的 操作方法 学会电阻率法和激发极化法中剖面法和测深法的工作布置及观测方法 了解电阻率法和激发极化法中剖面法和测深法在良导体上视电阻率异常特 征 二 实验内容二 实验内容 本实验主要实践电阻率法和激电法中的中间梯度法和对称四极测深法 中间梯度法 在水槽中用中间梯度装置在良导体上做剖面法观测 实验工作 装置大小根据实验条件设计 对称四极测深法 在水槽中的良导体上做对称四极测深法观测 分别将MN 中心定在模型正上方和模型边缘外侧的多个测深点上 A B供电电极同时向外 移动 逐渐加大极距 具体的点距和极距选择见参数设置部分 三 实验模型 仪器设备和采集参数设置三 实验模型 仪器设备和采集参数设置 实验模型 水模拟围岩介质 铜板 石墨板模拟局部异常体 注意 模型 如 良导板 其顶部埋深2 3cm为宜 模型中心正上方定为坐标原点 电极入水深 度约2 3mm较合适 仪器设备 由中国地质大学 北京 和北京地质仪器厂联合研制的多功能激 电仪 观测参数 观测整理自然电位 供电电流 电位差 视电阻率和视极化率值 发射波形 发射正负相间的方波信号 周期8秒 中梯梯度法 AB 120cm 测量范围中间80cm MN 4cm 点距4cm 记录 点为MN中点 41 对称四极测深法 极距设置见下表 记录点为MN中点 点距4cm AB 2 cm 5 8 10 10 12 12 20 30 40 50 MN 2 cm 1 1 1 2 1 2 2 2 2 2 四 实验步骤四 实验步骤 1 按实验要求 工作之前做好各项准备工作 仪器电源检查 线路连接 模 型布设等 2 根据所采用的工作方法布置选定极距 结合测点计算装置系数 同时还 应记下模型参数和装置参数 3 逐点和逐个极距观测和记录参数 并及时检查可疑点 4 对于中间梯度法 将观测结果绘制视电阻率和视极化率剖面图 5 对于对称四极测深法 将观测结果绘制视电阻率和视极化率测深曲线和 测深剖面的视电阻率和视极化率拟断面图 五 实验要求五 实验要求 1 每个实验小组完成一整条剖面的观测 记录及图件绘制 2 实验结束后 各组交流实验结果并讨论 3 定性分析异常分布特征 4 编写实验报告 42 实验三实验三 高密度电法室外实验高密度电法室外实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解高密度电法工作方法 掌握高密度实验仪器和装备的工作原理 性 能 实习中所用仪器的操作步骤和维护方法 2 掌握高密度电法测点布置 导线放设 电极埋置 实际观测等有关技术 3 学会实测参数资料的整理 图示方法 4 为野外实习打下初步基础 二 实验内容二 实验内容 本实验是在室外实验区布设若干条测线 根据每条测线实际长度 布设数量 不同的电极串 使用温纳装置和偶极 偶极装置并改变极距进行高密度电法测量 观测不同装置和极距的视电阻率 视极化率值 三 工作方法及仪器设备三 工作方法及仪器设备 1 每个断面的探测参数如下 排列方式 温纳装置 偶极装置 电极串 4 8 串 电极间距 米 0 5 1 最小间隔系数 1 最大间隔系数 30 供电电压 50 V 220 V 440V 2 仪器设备 本次使用的仪器是德国 DMT 公司研制的 RESECS 测量系统 该系统属于分布 式电成像仪器 RESECS 是一个由 PC 机控制的直流电阻率仪器 用于高分辨探测 层析成像和动态监测等领域 RESECS 的系统软件在 Windows2000 下运行 可寻 址的电极数目最高达 960 个 这些电极由一根七芯电缆连接 每条电缆由 16 个 解码器 16 进制编号 连接而成 任何一对电极都可被选为供电电极 可实现电 极的任意组合 43 3 观测参数 参数代码参数代码 参数参数 单位单位 I 电流 mA U 电位电位 mV Rho 视电阻率 m Sp 自电位 mV M 极化率 充电率 ms 4 发射波形 发射正负相间的方波信号 四 实验步骤四 实验步骤 1 按实验要求 工作之前做好各项准备工作 仪器电源检查 线路连接 电 极除锈等 2 按照实验区实际情况 使用森林罗盘 测绳和米尺等工具合理布置测线 通常测线选择在视野开阔 地势平坦 避风干燥处 应远离高压输电线和变压器 以避免电磁感应与电源漏电影响 查看接地电阻 该值一般小于2K 3 根据所采用的工作方法布置选定极距 同时应记下实验区地表的地质特 征以及文化干扰 4 逐点和逐个极距观测和记录参数 并及时检查可疑点 5 温纳装置和偶极 偶极装置观测结果绘制视电阻率和视极化率拟断面图 五 实验要求 五 实验要求 1 学会熟练地使用电法仪器和设备 以实验小组为单位 至少完成一条测 线的物理点观测工作 并能较准确地获得数据 进而培养学生的实际操作技能 2 每个实验小组成员轮换完成剖面的观测 记录整理资料 3 每组实验要做适当的检查点 4 实验结束后 各组交流和讨论实验结果 44 5 每人编写实验报告 45 实验四实验四 电阻率测深曲线的定量解释实验电阻率测深曲线的定量解释实验 一 实验目的 一 实验目的 1 学会电测深曲线的计算机解释方法 二 实验内容及步骤 二 实验内容及步骤 目前各家提山的方法有数十种 其使用条件 所采用的公式 语言 程序 及适用的机型各不相同 这里介绍两种方法的各一个例子 1 T函数拟合法 拟合T函数实现自动反演的理论参阅 2 P 90 它是将实测视电阻率值数值转 换成T函数 然后对T函数反演 程序可用FORTRAN语言或BASIC语言在普 通微机或PC 1500上实现 这里介绍在PC 1500上拟合T函数以实现自动反演 的过程 3 P 17 程序具有如下特点 采用T