电法勘探测量原理.doc

13电法勘探测量原理10KW电法勘探发送机整套仪器连接图(图1)10KW 3相50HZ 汽油发电机 野外数据采集器(多台)多功能电法勘探接收机 RS485 总线RS232通通通巩通通供电铜电极测量不极化电极大地有关电法勘探的物探方法是一门地球物理用地质勘探的科学。在地质院校的物探专业教科书中有详细讲述。本文是从仪器测量方法原理的角度来说明。电法野外勘探的目的是要测量大地的电特性，是把大地作为一个线性时不变系统来看待，向大地发送电流，在地下建立人工电场，在大地表面的各测点上再用仪器测量电压，利用测出的电压与发送的电流的关系，可以计算出大地的系统特性。这些特性包括大地的直流电阻率，交流电阻率，时间域的衰减曲线（即大地系统对阶跃激励电流信号的响应，是系统脉冲响应函数的积分），大地的复数电阻率（即大地的传递函数或称频谱响应函数）。MA0.1W某测站代表的视大地复电阻系统h(t) 时域脉冲响应函数H(f) 频域频谱函数接收机DV发送机BNDI高压隔离AB电流波形采样器野外某测站测量原理方块图(图2)1.复电阻率按频率高低分类*.直流:0.01HZ_0.25HZ (100秒_4秒 周期):直流电阻率法,时域激发极化法.*.交流:0.5HZ_40HZ:交流电阻率法,频谱激电法.*音频:20HZ_20KHZ:可控源音频磁大地电流法(CSAMT).*高频:20KHZ_1MHZ:电磁感应法.*射频:1MHZ_10MHZ:无线电透视法.*雷达:100MHZ_2GHZ:测地雷达法.2.复电阻率测量中数字信号处理方法分类2.1.时间域信号处理: 负阶跃晌应函数测量_极化率衰减曲线测量. 按照系统论的观点对任何线性时不变系统用时间域的描述函数应该是该系统的箪位脉冲函数.发送机箪位脉冲接收机波形采集器A/D转换器野外数据库数据记录(1)数据记录(2)数据记录(3)大地系统时域脉冲响应函数 h(t)图(3) 在图(2)所描述的测量方法只能适用於实验室环境.因为箪位脉冲波形的数学定义是脉冲的宽度时间要无穷小,幅度要无穷大,面积等於1.系统对这样的输入用系统的脉冲响应函数h(t)倦积(*)后输出的波形就是脉冲响应函数h(t).但这种方法不适应野外环境.因为发送机无法发出箪位脉冲电流,即使能发出也会引起强烈的长导线与大地的电磁感应效应.这样测出的曲线不能反映大地内部的复电阻率参数.所以野外测量使用下图所示的方法.发送机箪位脉冲接收机波形采集器A/D转换器野外数据库数据记录(1)数据记录(2)数据记录(3)大地系统时域脉冲响应函数 h(t)图(4) 上图中发送机发出的电流波形是经长时间直流供电(大於4秒)后停电.即负阶跃波形.接收机采集整个停电前后的波形.停电之前是一次场强DV1, 停电之后是二次场强DV2. DV1是直流信号,可用多点采样值求平均值. DV2是随时间的延迟逐渐衰减.一般在0.5秒钟后衰减到0.我们一般取停电沿后60毫秒到600毫秒的曲线.然后对这曲线上的各点DV2(t),除以DV1就得到极化率衰减曲线h(t).该曲线如下图所示.100%极化率衰减曲线 h60ms h(t)500mst0极化率衰减曲线(图5)*对极化率衰减曲线的认识: 极化率衰减曲线h(t)测量的优点是排除了大地系统的直流电阻幅度效应,这样也排除了围岩和地表土垠电阻效应.特出了矿体的相位特性.各种矿体的相位特性是不同的.这就为区分矿种提供了可能性.说它是可能性是因为野外地下情况复杂.围岩也有极化效应对矿体极化率测量干扰.这个课题是方法研究人员要长期研究的,也要总结野外实测案例的经验,就象医生观察心脏病人的心电图病例一样.(心电图实际上就是心脏对电脉冲的时间域响应函数).本人在上世纪80年代就研究出了精确测量时间域极化率衰减曲线的野外仪器.(精度达0.1%,灵敏度10mv).但未得到方法研究人员的继续研究.希望今后有人研究,我将全力协助. 极化率衰减曲线h(t)测量的另一个优点是测量精度受野外布极的几何位置的误差应响较小.因为几何因数同时应响一次场和二次场.现在求出的极化率是二次场除以一次场,这叫规一化了一次场.因此极化率测量不受接收电极的距离MN误差映响.2.2. .频率域信号处理:野外测量的系统是一个分布参数系统，测量的参数是电场V，这些V是大地系统对发送机发出的电流I的反映，应V/I就得到了视电阻R，称为“视”电阻是因为它看上去像大地的电阻但又不是真的一只电阻器的电阻。这个电阻受到大地的地形和发送机电流供电电极的几何空间位置和接收机测量电极的几何空间位置有关。这些几何因素综合起来形成一个K值，不同的野外布极方法可以得到不同的K值。用K值乘上视电阻就得到了野外某测点上的视电阻率s V1 s= K （1） I以上公式（1）计算出的视电阻率是从地表面测出的电阻率，但它反映的电阻率特性是地下面某一个深度的电阻率。所以它叫视电阻率。物探方法都是从测量地表的参数来反映地下的某几何位置的参数。测出的参数可以分为“正常”的参数和“异常”的参数。物探工作的目的是寻找“异常”。正常是指地下没有矿体，大地是电特性均匀分布的无穷大剖面。异常是指地下埋有电特性与周围岩石电特性不同的矿体。物探方法人员通过分析异常，推断，解释来寻找地下矿体，对于物探仪器要求是能够精确的测量出各种电参数，为方法人员提供可靠的资料。* 物探方法人员与仪器人员的共同点和不同侧重点： 1：共同的目的是通过寻找异常实现找矿或者了解地质结构（工程物探）。 2：方法人员是研究大地分布参数，使用的数学物理方法是电场理论（场论），基础是马克斯惠尔的4个场方程式（偏微分方程）。 3：仪器人员研究的是测量仪器的电路，把野外某测点作为一个四端线性系统网络来看待。研究的是这个网络的脉冲响应函数（时间域的方法）和传递函数（频率域的方法）。数字无论基础是线性系统论。使用的数学方法是线性常微分方程，拉普拉式变换，傅立叶变换。 4：把仪器单测点测量与一条测量线上各测点测量联系起来。就把单点的集中参数测量转化成一条测线的分布参数测量，这样把仪器人员的电路与方法人员的电场统一起来了，这样就得到一个剖面，再把不同的平行测线结合起来就形成了大地上的一块面积。 5：现代计算机与网络通讯技术用于野外勘探旧可以提高测量功率，与方法人员的分布参数系统与仪器人员的集中参数电路系统统一起来，形成一个多端点的野外现场总线局域网。电法勘探测量方法与仪器的分类：1：按电场生成分类：可分为天然电场法和人工电场法。天然电场是大地中自然产生的，或者是有雷电，远距离长波无线电台发出的电场，底下电化学效应自己引起的电场（自然电场）。 人工电场是勘探人员用发送机法术固定的电流波形在底下建立的人工电场。人工电场还可以分成传导类电场和感应类电场，传导类电场是发送机的发送电极接地的（用铜电极赶插入地下）。感应类电场是用无线电发送天线向空中发射后感应到地下的，即发送机发送端不接地（如测地雷达）。2：按被测的参数分类： 根据测量不同的物探参数可以分成不同的测量仪器，从被测信号频率的高低可分成以下几类： * 直流：（超低频1HZ以下） 直流电阻率法 * 低频：（0.1HZ20HZ） 激发极化法 * 音频：（20HZ10KHZ） 音频磁大地电流法3：按测量效率分类：按一次供电可同时测多少的物理测点分类：* 单点普通方法：每测一个物理点后要移动测量电极到新物理点再测，需要“跑极”，这种方法仪器简单，人工多，效率低。* 多点同时测量的高密度法：这种方法可以一次发送机供电。同时多个物理测点上同时测量，测量效率高，数据可靠性高。高密度测量中还可分为多线制和总线制。多线制是一台主机上引出多道测量线，用星形网直接接到不同物理点的MN接线电极上。这种方法的缺点是要用长导线传送模拟量V信号，而V信号是mV级的微弱信号，容易受空中电磁波干扰，测量精度受影响。总线制是一台主机与多台从机用一根电缆连接起来，组成一个野外现成总线局域网，主机用数字通讯指挥各从机同时测量，测量完成后用数字通讯把各从机测得的信号分时传送给主机。在长线上传送的是数字信号。选用半双工的RS485通讯总线，距离可达1000米，数字不易受干扰，一根电缆线最多可以带128个从机。4：按野外的布极方法分类，以下介绍几种常用的布极和K值计算公式* 中间梯度法 发电机、隔离变压器或蓄电池 A B 发送机（或简易供电开关D03JRS_T）接收机 A供电电极组 B供电电极组 M N M测量电极 N测量电极 M N A MN距（米） B注意：220V工业交流电（市电）不能直接供给大地，必须经隔离变压器隔离后才能送给发送机.Kmn = (2* AM * AN * BM * BN) / MN *(AM * AN + BM * BN)A,B供电电极是固定的，MN在A，B中间区域移动（在A，B的1/2区域内）* 电测深法（对称测深法） 发送机 A B接收机 A M N B 1/2ABK值与中间梯度法计算相同，只是这儿的AM = BN在此M，N是固定在AB中间，而A，B供电电极是可以对称的向两边移动。随着A，B的加大距离，接收机测出的参数反映的是距地面1/2AB处的特性。* 偶极剖面法：发送机接收机 I A B M N 45 45 V 测量点 偶极剖面法装置的特点是A，B和M，N的距离都相当小，可以把AB和MN为两对偶极，这两对偶极之间的距离很大。它的K值用下式计算Kmn = (2* AM * AN * BM * BN) / MN *( BM * BN - AM * AN )以上公式是假定供电时A为正，B为负。如果在实际工作中A，B都是可为正，也可为负的。这时算出的Kmn会变为负值。但是K值不会是负值的，这时只要把K值取绝对值。| Kmn |高密度电阻率法用偶极剖面法的优点：高密度电阻率法的目的是提高测量效率和精确度。效率的提高方法是用AB供电电极向地下供电，可以在不移动测量电极的情况下同时测量多个MN电极的电位差Vmn。精度的提高得益于这些Vmn是同一次供电时得到的，在计算电阻率时只要除以同一个电流，避免了不同次供电时电流I变化造成的误差，虽然可以用功率恒流电源来稳定电流，但这种恒流源难以达到大功率，在野外测量中为了提高信噪比唯一的方法是提高发送机功率，尤其是做偶极剖面法测量时，如果AB偶极与MN偶极距离较大时（大于300米），AB上供电较小时（小于1A），在MN上得到的V是很小的，有时只有几个毫伏，此时虽然可以采用高分辨率的A/D转换器（如24位）来获得0.01mV的分辨率。但是由于野外的各种干扰因素使得低于0.1mV的信号难以稳定的测得。其中影响的因素有以下这些： 1：A，B供电电极的极化和发热造成供电电流的不稳定。 2：M，N测量电极与土壤接触，产生极化电压，这个电压在2mV左右，而且在做缓慢的漂移。 3：M，N测量电极上来的大地上两点之间自然电位SP一般也有几到几十毫伏，这个自然电位也在做缓慢的漂移。 4：以上这些因素可以通过仪器测量电路的改进加以减小，仪器中的放大器部分一般都要设计一级自电补偿电路。这个自电补偿电路是每一个供电周期间补偿一次。但对于一个周期内时间上自电的漂移是无法补偿的。为了提高电阻率的测量精度，本仪器将采用数字信号处理的方法，对接近与直流的超低频信号进行傅立叶变换的办法，这样可以大大提高测量精确度，上世纪80年代中间做过的工作证明可以得到0.01mV的分辨率。 对于大地系统的分析，电法勘探中主要是用电流作为输入信号，电压作为输出信号，大地是信号传递系统，如下图所示： Vt发送机输出电流时域信号方波I (t)频域信号I (f)接收机获得信号时域，准方波大地系统时域脉冲响应函数 h (t)频域传递函数H (f) I If Vf fo f fo f 图（1） 上图中的It是时域电流的波形，If是频域中电流的频谱。Vt是时域的电压波形，Vf是频域中电压的频谱。 以上时域信号都是可以测量获得的，测量的办法时对电流和电压的波形进行采样和模数转换（A/D），如下图所示： (I) t h (K0) h (K1023) (V) t K0 K1023 t T N 图（2） 在电法勘探中使用的波形是连续的周期性的稳态波形。这是为了用频率域分析信号的要求，要求周期性是为了用计算机使用的离散采样信号来分析物理的连续信号，用傅立叶级数计算来代替无穷时间的连续积分。 对于时间域的信号It输入到大地的系统，经过大地系统的作用输出的时间域信号Vt。Vt与It之间的关系是： Vt = It（卷积）h(t) (1)这是一个积分方程，很难用计算机计算处理。 而在频率域中Vf和If的关系是一个简单的代数式： Vf = If * H（f） （2） 我们的目的是要求得大地传递函数H（f），即大地的电阻率频谱函数，这里的H（f）传递函数是一个复数，它可以写成用振幅 | H（f）| 和相位R 表示的e指数形式： j*R H (f) = | H（f）| * e （3） 上式中j是虚部-1 利用公式（2）和（3）可得到下式： j*V Vf |Vf | * e |Vf | j*(V -I ) H (f) = = = * e (4) j*IIf |If | * e |If |上式中 |Vf | 是输入电压的频谱幅值，V是输入电压的相位 |If |是输入电流的频谱幅值，I是输入电压的相位利用公式（3）和公式（4）可得到下式：j*R |Vf | j*(V -I ) | H（f）| * e = * e （5） |If |根据（5）式我们可得到大地系统的复电阻幅值： |Vf | | H（f）| = （6） |If |大地系统的相位： R =V I （7）到此我们意义竟清楚地看出，在频率域中求大地系统的复电阻的幅值和相位用到的计算方式都是简单的代数方法，计算机很容易计算处理。但问题的关键是我们如何求出|Vf |，V，|If |，I这些量。这正是我们要在下文中讨论的DFT离散傅立叶变换算法。用高速A/D对电流和电压的时域信号进行一个完整周期的采样，然后分别对两个数据序列进行离散傅立叶变换，就能用加法和乘法来算出|Vf |，V，|If |，I 为了说明离散的傅立叶变换，我们先要从速读的傅立叶变换说起，傅立叶积分定义为： -j2ftH（f）= h(t) * e dt (8) -上式中H（f）是频率域内的频谱函数 h(t)是时间域内的时间波形信号函数因为 -j2fte = cos(2ft)- jsin(2ft) (9)用（8）式和（9）式可得到以三角函数表达的傅立叶变换式： H（f）= h(t) * cos(2ft)- j sin(2ft) dt （10） - 对于周期性的时域信号h(t)可以用下面傅立叶级数形式来代替上式： N-1 H（f n）= h(k) * cos(2f n * k)- j sin(2f n * k) K=0 N-1 N-1= h(k) * cos(2f n * k)- j * sin(2f n * k) K=0 K=0= Af n j* B f n (11) 上式中Af n是频谱函数H（f n）的f n谐波分量的实数部分系数 B f n是频谱函数H（f n）的f n谐波分量的虚数部分系数 如果f n是基波，则f 0=1，上式变得更加简单。我们在地质仪器中为了提高精度只对方波的基波进行傅立叶变换，实践证明对基波采1024个样，A/D转换分辨达到12bit时，可以得到幅度和相位分辨率0.1%，相位精度在2个毫弧度左右。 我们得到对方波信号的基波离散傅立叶变换的公式如下：1023 2 2H（f0）= h(k) * cos( * k)- j * h(k)sin( * k) （12） K=0 1024 1024 参看图（2）上式中，h(k)是波形中第K个采样点的A/D转换得的数据，它是一个二字节 2的整数，让 =，上式变为： 10241023 H（f0）= h(k) * cos( * k)- j * h(k)sin( * k) K=0 =A f0 j* B f0 （13）上式中的 1023 A f0 = h(k) * cos( * k) （14） K=0 1023 B f0 = h(k) * sin( * k) （15） K=0 A f0是频谱函数的实部，B f0是频谱函数的虚部 用e指数形式，（13）式可写成 B f0 jarctg 2 2 A f0H（f0）= （A f0） + （B f0） * e j*f0 = | H（f0）| * e (16) 2 2 上式中 |H（f0）|= （A f0） + （B f0） （17） 它是基波f0的幅值 B f0 f0 = arctg A f0 这是基波f0 的相位。注意这个相位是随机的，但是对电流I波形和电压V波形进行同步采样，用傅立叶变换求出的I电流相位）和V（电压相位），虽然它们都是随机的，随机的值取决与开始采样的那时刻，但V I = 电压对电流的相移是固定的，它是由大地系统的传递函数决定的。它就是我们要测量的物理参数，它就是复电阻率的相位。综上所述，要用傅立叶变换对大地系统测量频谱特性的方法步骤如下： 1：让发送机向地下供电，发送机输出的电流波形是方波，频率是精确的（1/10万 精确度），电流的幅度不要求很精确（5%精确度），用接收机中A/D转换器对方波采样1024个数据，A/D的分辨率为12bit。为了使放大器部分与发送机部分的输出端上的高压隔离，需要一个隔离电压在2500V以