OhmMapper 电导率成像仪介绍及探测效果分析

1、毕毕 业业 设设 计计 （论（论 文）文）题题 目：目： OhmMapper 电导率成像仪介绍及探测效果分析电导率成像仪介绍及探测效果分析英文题目：英文题目：The introduction of conductivity imager OhmMapper and the analysis of exploration effect学学 院：核工程技术学院院：核工程技术学院专专 业：勘查技术与工程业：勘查技术与工程学学 号：号：0410112204101122姓姓 名：胡珺珺名：胡珺珺指导老师：方根显指导老师：方根显二零零八年六月二零零八年六月摘 要OhmMapper 是用于去测量高阻区地下电

2、阻率的一种电容耦合电阻率系统。电容耦合电阻率法（CCR）是一种新颖的物探方法，它是利用电容向下供电，并利用电容来测量地表耦合电位，由于不需要接地，电容耦合电阻率法解决了常规电阻率法在表层电阻率高的地区难以布极、供电困难等问题。OhmMapper 具有信息丰富（可以连续采集）、效率高（沿地面拖动测量）的特点，是一种在浅层勘探中很有效的仪器。本文将对这一种方法的原理、工作方法技术及仪器的操作方法进行介绍的基础上，对实验采得的数据进行处理分析，对OhmMapper 仪器的使用效果做一定的评价。关键词：电容耦合电阻率法； 原理； OhmMapper TR1ABSTRACTThe OhmMapper i

3、s a capacitively-coupled resistivity system designed to measure subsurface resistivity in areas with high subsurface resistivity . capacitively -Coupled Resistivity (CCR) Method is a new method of geophysical exploration, which uses capacitor to supply current to underground and measures coupled ele

4、ctric potential as well. Because of without grounding, the Capacitively-Coupled Resistivity method solved such problems that it is difficult to arrange electrode and supply current in the area where the resistivity is very high in nearsurface in ordinary resistivity method . The OhmMapper which is a

5、n effective instrument in shallow exploration, has such advantages as abundant information (continuous acquisition) and high efficiency (dragging survey along the ground). On the basis of introducing the principle and working ways of the method and the operation of instrument OhmMapper , the paper a

6、lso describes the dealing with the data which acquired and analyzing it in order to evaluate the effective of the instrument OhmMapper .keyword ： capacitivelycoupled resistivity method； principle；OhmMapper TR1目 录前 言.11.电容耦合电阻率法（CCR）的基本原理及应用范围.21.1 电容耦合的产生 .21.2 电容耦合的作用过程 .31.3 影响勘探深度的因素 .31.4 OHMMAP

7、PER仪器的应用范围 .42.OHMMAPPER TR1 仪器的工作方法技术 .62.1 工作流程 .62.2 测量方式.63. OHMMAPPER TR1 工作装置及操作 .83.1 OHMMAPPER TR1 工作装置 .83.2 OHMMAPPER控制台成图特征 .93.3 OHMMAPPER仪器的操作模式 .103.4 OHMMAPPER TR1 操作方法及参数设置 .114. OHMMAPPER TR1 应用实践与资料解释 .134.1 OHMMAPPER TR1 应用实践 .134.2 数据处理及对比分析 .144.3 存在的问题 .18结 语.20致 谢.22参考文献.2323东

8、华理工大学毕业设计（论文） 前言1 前言电法勘探发展历程约为两个世纪。十九世纪初 ，P佛克斯首先在硫化金属矿上观测到自然电流场。二十世纪初，电法勘探正式投入到生产找矿。从二十世纪初开始，由于世界上许多国家工业发展迅速，对各种矿产资源的需求越来越迫切，因此在这个时期诞生了许多电法勘探的分支，电法勘探也取得了极大的发展。最近几十年，由于工程数学和现代物理学以及电子学等学科的迅速发展，并及时地向电法勘探的各个方面渗透，使电法勘探发生了深刻的变化，出现了一批新方法和新技术。一些小型化、轻便化、数字化、自动化的电法仪器被研制出来并在生产中广泛应用3。电容耦合作用影响最早见于激发极化法和电磁法测量中测线中

9、电磁耦合效应的校正。激电法中供电导线与大地、测量导线与大地以及供电导线与测量导线之间存在分布电容，电流通过它们形成电容性漏电，进而影响断电后电场的衰减过程及电场的频率特性，构成对激电法的干扰。为了克服电磁干扰，提出了许多模型3。 在研究激电法中电磁耦合效应校正的基础上，发展了电容耦合作用应用于地质勘探的理论，奠基工作由前苏联地球物理学家 Timofeev 完成，他建立了双偶极装置时系统的装置系数计算模型3 。 美国 Geometrics 公司开发出了世界上第一台电容耦合式电阻率测量仪OhmMapper 。并应用在地下水、喀斯特地形的探测等。在古罗马竞技场考古研究中也取得了良好的效果3。我国在这

10、方面的工作开展较晚，除中国石油天然气总公司石油物探局引进了一套 OhmMapper 做了一些工作外，基本上处于空白状态。因此研究电容耦合电法勘探以及相应的仪器就很迫切6。电容耦合电法在高速公路质检、地下水、金属矿勘探中有良好的应用价值，因此将会在国民经济建设中发挥重要的作用，并将大大促进新理论研究与应用。我校去年也有人写过有关这种方法的毕业论文,其文中是用 Surfer 做了平面等值线图,但没有作对比。而该文中不但用 Surfer 做了不同偶极间隔的平面等值线图并作了对比，而且还用 Grapher 作了测线上不同偶极间隔的平面剖面图并作对比。通过这些，希望对电容耦合电阻率法及 OhmMappe

11、r TR1 仪器有更深的及新的认识。东华理工大学毕业设计（论文） 前言2 1电容耦合电阻率法（CCR）的基本原理及应用范围 1.1 电容耦合的产生在一个电容耦合电阻率仪中，发射器利用一个天线电容去耦合一个进入大地的交流信号。在 Ohmmapper 中，这个天线就是同轴电缆，信号大概是16.5KHZ。电缆的电容主要是由电缆的长度决定的，电缆越长电容越大，因此能耦合更多电流到地下。把电缆中的导线看作是电容的一个极板，把地球看作是电容的另一个极板，把电缆绝缘套看作是电容的绝缘体（如图 11，12 所示） 。因为交流信号可以通过电容，所以发射电缆中的发射电流可以通入地下。 同轴绝缘层同轴导电层大地图

12、1-1 等效电容示意图东华理工大学毕业设计（论文） 电容耦合电阻率法（CCR）的基本原理及应用范围3 发射 大地偶极电缆偶极电缆导电芯同轴导电层同轴绝缘层发射16.5KHZz图 1-2 偶极电缆示意图 1.2 电容耦合的作用过程电容耦合测量法的原理是：通过在发射电极加一定的交流电压，通过大地和发射电极之间的电容耦合作用，向大地输入一定频率的交流电流，这个电流由于耦合作用在接收电极上产生一个与发射电流同频的交流电压。这个电压和两电极之间的大地电阻率及发射电流成比例。与直流电法相似，视电阻率的计算是由一个装置系数乘上接收电压后，归一化到发射电流得到（ 如图13，14 所示 ） 。 东华理工大学毕业

13、设计（论文） 电容耦合电阻率法（CCR）的基本原理及应用范围4图 1-3 电容耦合电法测量原理图 图 1-4 电容耦合电法测量工作示意图 1.3 影响勘探深度的因素电容耦合电阻率法得到的视电阻率是地下电性不均匀体的综合反映。电容耦合电阻率法的勘探深度取决于以下因素： 大地电阻率：最大探测深度将取决于接收机能探测到多远的发射机信号。通过欧姆定律，我们知道当电流流过时，电压的幅度与电阻成比例。V=IR。其中 V 是电压，I 是电流，R 是电阻率。对于一个给定的电流，如果大地的电阻高，产生的电压就高，使得测量更加简单。如果电阻低，电压就低，使得测量更困难。无论在易导的还是高阻的地区，衰减都是很快的。

14、因此，与易导区相比，在高阻区，接收机能探测到更大间距发射机的信号。发射信号的趋肤深度电容耦合电阻率的最大探测深度受发射信号趋肤深度的限制, 由于趋肤深度与频率有关17，根据公式= 2f500可以算出趋肤深度 。这里 为电阻率, f 是频率。 这里有双重意义。 可定义为电磁波在地下介质中传播时，其振幅衰减到原来的 1/e 倍时所达到的深度。这是另一个理由：在易导去（低阻） ，最大探测深度比在高阻区更浅。在实际情况下，当超过一个趋肤深度时，信号幅度将明显地衰减。因此，一旦发射机-接收机间距大于一个趋肤深度，信号基本上是探测不到的。环境噪音随着偶极间距的不断增加,信号逐渐衰减,但环境噪音不变,当信噪

15、比低到一定程度时,测量的数据就不可靠 。也就是说,在环境噪音大的地区,勘探深度小;在环境噪音小的地方勘探深度就大。东华理工大学毕业设计（论文） 电容耦合电阻率法（CCR）的基本原理及应用范围5对 OhmMapper TR1 仪器来说,他的勘探深度为 10-20 米。 1.4 OhmMapper 仪器的应用范围直流电法需要埋没电极，测量效率低下。而且电极和大地之间接触电阻很大，对测量带来很大影响，发射电流很难注入大地，地下电流场很微弱，视电阻率非常微弱，勘探效果比较差。在沙漠、水坝或高速公路等测量条件下，无法埋设电极，直流电法无法应用。在地表高电阻率情况下，直流电法测量效果也很差。 为了克服直流

16、电法测量应用的局限性，以及提高测量效果，发展了电容耦合电法测量。该方法无需埋设电极，通过人工或机械拖动测量装置沿着测线在大地表面移动测量，测量效果远远高于直流电法测量。 在高表面电阻率条件下，采用电容耦合法能取得较好的测量效果 。由于电容耦合电法测量不需要埋设电极，因此可以在传统直流电法测量无法施工的冰面上、冻土带、岩石露头、或路面地界进行测量。 OhmMapper 仪器正是利用电容耦合的作用进行测量的。OhmMapper 仪器应用领域很广，在如下几个领域有很好的用途：勘探地下水：查找地断层、查找断裂带、圈出粘土层和滞水层、发现地下管道、找出含水结构、追寻海水入侵。 探矿：基岩深度探测、探测矿

17、脉、找出砂卵石河床深度、圈定粘土和大理石沉积界线、确定成矿地质构造。 工程检测：堤坝整体性检测、检测永久性冻土冰积透镜体、水坝检漏、检测供电线的接地电阻、检测建筑物及路下空洞。 环境调查：调查废料的泄漏扩散、圈出地下环境污染范围。 其它应用：考古研究、科学研究东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 仪器的工作方法技术6东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 仪器的工作方法技术7 2. OhmMapper TR1 仪器的工作方法技术 2.1 工作流程OhmmapperTR1仪器的操作使用主要分野外数据采集和室内资料处理两部分，具体是按照以下步骤进行的。 图 3

18、-1 电容耦合电阻率法仪器工作流程图 2.2 测量方式OhmmapperTR1 仪器提供以下三种测量方式2：1剖面测量根据勘探任务在测区内布置测网测线仪器连接启动开始程序参数设置选取测量方式按照测量方式进行数据采集退出程序数据传输读取采集到的数据开始处理得出各种成果图件东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 仪器的工作方法技术8剖面测量保持同一偶极间距在多条测线上测量。测量结果以视电阻率平剖图或等值线平面图的方式展示。这种测量方式提供某一深度上的电性平面展布信息,它提供的深度信息是定性的。其特点是速度快、效率高。2.剖面测深这种测量方式是用多个偶极间距在同一测线上作多次测量,

19、小间距提供较小深度的电性信息,大间距提供较大深度的电性信息。测量结果可用与常规偶极-偶极一样的方法绘视电阻率等值线拟断面图,也可用二维直流电测深偶极-偶极的反演软件作反演,以精确地描绘地下电性的分布特征。3.3D 测量这种测量方式实际上就是第 1 和第 2 种测量方式的结合,在多条测线上作剖面测深以得到丰富的 3D 电性信息。东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作9 3.3. OhmMapper TR1 工作装置及操作 3.1 OhmMapper TR1 工作装置CCR 采用偶极-偶极的工作装置(见 3-1)与常规电阻率法的偶极-偶极类似。发射偶极与接收偶极(

20、均为同轴电缆)轴向排列,沿测线移动、逐点测量,记录点在排列的中点（见图 3-2）。设供电电流为 I,测量的电位为 V,与常规电阻率法类似,视电阻率的计算公式为s =KV/I公式中，s为视电阻率，K为装置系数。K的计算公式如下7：222222212121lnbbbbbbbbbbblk其中lrb2图 3-1 OhmmapperTR1 仪器野外现场工作示意图东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作10RT接收偶极发射偶极距离 r记录点 L L图 3-2 电容耦合电阻率法装置（其中 L 为偶极长度，r 为偶极间距，记录点在 r 的中点） 3.2 OhmMapper 控制

21、台成图特征图 4-1 OhmMapper 控制台及其连接附件5OhmMapper 的设计使地球物理测量更加简单，它的所有特征都是为了加速测量过程和降低错误产生的可能性。以下就是 OhmMapper 的一些特征：1、连续测量，仪器自动以每秒 2 个的速度记录数据。2、离散测量，当操作者按下测量键才采集一个数据。3、三种操作模式：（1）搜寻模式，进行对异常或系统测试的随机测量；东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作11（2）简单测量，一种简单化了的操作方法；（3）成图测量：当采集数据时，有确定和追踪位置的能力。4、测量的真实时间模拟扫描显示。5、最多能存储 5 次

22、独立的测量数据。6、地图显示，显示测量区域，在这个区域内，读数被绘制在正确的点位上。7、数据图像显示，允许浏览以前的数据。8、数据编辑功能，数据可以删除也可以重测。9、数据以压缩的格式下载到 PC 主机上。10、用主机上的软件编辑数据位置，并写下文件，绘二维图形，如用Winsurf 和 Geosoft 软件。11、通过可听到的声音表明当目标的测量发生变化，警示无效的数据，指示数据已经采集和存储以及定位键已经按下。12、能存储 250000 个以上的读数和点位，每个读数和点位都包含了发生的时间。13、数据（如 GPS 数据）从 RS-232 接口输入。14、记录使用者确定的区域 3.3 OhMm

23、apper 仪器的操作模式在这里我们进行操作模式和它们的优点的概述以及不同情况下模式的选择。1、搜寻模式在搜寻模式下，OhmMapper 仪器正常地运行，将显示一条模拟示波器的轨迹。高音调表示读数有变化（呜呜的声音指示） 。尽管如此，读数是不会存储的，这对于人工识别目标体位置是非常有用的，就像有个金属探测器一样。这对于检查合适的传感器作用和周围噪音也是很有用的。2、简单测量模式在简单测量模式下，仪器保持了 MARK 键（在测线起点和中间）和 END LINE 键（在测线的末端）以及每条测线方向的轨迹。这将允许一次完全的测量。后来，在数据下载到 PC 上之后，Magmap2000 软件将附加一个

24、 X 和 Y 坐标到每东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作12个起点，中间点和末点。简单测量模式提供了 OhmMapper 最简单的操作方式，代价却是 PC 主机软件上的更加复杂的操作，你必须人工地记得采集数据的路径并把这些信息输入到主机软件上去定位读数。3、成图测量模式与简单测量相比，成图测量为你提供了更加直观可视的测量区域，并且可以在这个区域内以非连续的形式移动。使用指针键，你可以在图形内的任何地方并获得数据。放弃指针移动的程序已经编码到仪器上了，因此如果你进行正常路径的测量区域的测量，你只要简单的按下 MARK 和 ENDLINE 键，就像进行简单测量

25、一样。这种方法能使 PC 主机软件上的操作最简单，即使你输入了更多的信息到OhmMapper 上。假设你沿着一条简单路径进行，这种模式将自动为你追踪你的位置，但也允许你人为地改变你的位置，例如，当你遇到障碍，希望从另一边重新开始的时候。 3.4 OhmMapper TR1 操作方法及参数设置连接好仪器,打开接受器与发射器的开关,再打开 OhmMapper TR1 控制台的开关,即按下”POWER”。选择进入 OhmMapper TR1 主菜单（如图 3-4 所示） 。图 3-4 系统主菜单东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作13图 3-5 MAPPED SU

26、RVEY 系统主菜单选择“SYSTEM SETUP”按“ENTER”键进入系统设置菜单， 设置完后，按ESC 退出，回到主菜单（一般，默认其系统设置就可以了）。然后再进入OHMMAPPER GEOMETRY 进行参数设置，参数设置完成后按 ESC 退出，回到主菜单，选择 MAPPED SURVEY 测量模式进行测量。在 MAPPED SURVEY 测量模式下，选择一个空的文件夹来存储数据。选好文件夹后，确定矩形框，即测量区域。然后进行测量。东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 工作装置及操作14东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理15

27、 4 4OhmMapper TR1 应用实践与资料解释 4.1 OhmMapper TR1 应用实践为了解 OhmMapper TR1 仪器的实际应用效果,我们在介绍仪器的基础上做了实验进行处理分析。这一实验的目的是为了解 OhmMapper TR1 仪器对地下电性异常体的反映情况。实验在科技楼旁马路上进行的（野外工作图 4-1），因为水泥地上不可以打电极，这刚好突出了不接触电极法的优点。沿马路布置测线，在连接好仪器后，在马路上拖动仪器，每隔 10 米定一个点，即每隔 10 米，按下 MARK，在一条测线的最后一个点按下 ENDLINE。在测区的第 5 米，25 米，52米，72 米附近地面下

28、都有一个小空洞，深度都不超过 1 米，在 17 米附近水泥板下有一条较长的干水沟，估计深度也不超过 1 米。图 4-1 野外工作图我们做了多次实验，在数据处理中，共采用了 4 组数据，它们分别是偶极长度为 5 米，n = 0（偶极间隔为 0）一组；偶极长度为 5 米， n = 0.5（偶极间隔为 2.5 米）一组；（注：n 的计算公式为 n= X/L，其中 X 为偶极间隔，L为偶极长度）偶极长度为 5 米，n 分别为 0，0.25，0.5，0.75 一组；偶极长度为 10 米，n 分别为 0，0.25，0.5 一组。所需仪器设备： OhmMapper TR1 主机一台，以及连接主机电池一对；发

29、射偶极、接收偶极各一个， 2.5m 同轴电缆 5 根，5m 电缆 4 根，4 块电池，测绳一根，绳子一根，数据线一根。 4.2 数据处理及对比分析本次实验是在科技楼旁马路上进行的，总共采用了 4 组数据，现在对 4 组数据进行分析与解释。测线方向东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理16在数据处理前建议先对原始数据进行备份保存。再运行 MAGMAP2000 软件，打开原始数据。在 MAGMAP 2000 中查看采集到的原始数据。对采集到的数据中不好的点可以予以删除并且可以重新设置参数。由于实验是要认证仪器的应用效果,所以很少改动原始数据。软件中还可以查看电

30、阻率的二维图，三维图以及仪器原始读数曲线图。先在 MAGMAP 2000 软件中把每条测线的数据转换成“.dat”格式的文件。对第一，第二组数据，在 Surfer 软件利用转化来“.dat”格式文件，绘制电阻率的平面等值线图（如图 4-7，4-8） 。对第三，第四组数据在 Grapher 软件中绘制电阻率平面剖面图（如图 4-10，4-11） 。-505101520253035404550556065707580850123404000080000120000图 4-7 L=5 n=0 的视电阻率平面等值线图 从图 4-7 中可以看出，图上一共有 5 处异常(箭头标出)，从左至右，箭头分别代表

31、路面上干水沟的异常。而且电阻率都很高。因为 n=0，测量的深度很浅，大概只有几十厘米，水泥地面的电阻率又很高，所以视电阻率整体都很高。-551525354555657585-551525354555657585246801002003004005006007008009001000图 4-8 L=5 n=0.5 的视电阻率平面等值线图 从图 4-8 可以看出整体的电阻率值都小于 n=0 时的值，由于 n=0.5 时，东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理17探测深度大概是 1-2 米，水泥地面以下的电阻率小于水泥地面的电阻率，所以视电阻率减小了。从以上两张

32、图可以看出，对于干水沟的异常都显示出来了，因为起点位置在-5，所以水沟的异常在 12 米附近。由于有些空洞的埋深较浅，所以当探测深度增大时，异常反而不明显了。所以 4-7 显示出了 5 个异常位置，而图 4-8 只显示了 3 个异常位置。由此看出，要根据实际目的选择不同的偶极距来突出需要的异常。-200204060800400080001200016000020406080100040080012001600-200204060800200040006000020406080100040080012001600n=0n=0.25n=0.5n=0.75x (m)x (m)x (m)x (m)pp

33、pp图 4-9 L=5 不同 n 值的视电阻率剖面图 图 4-9 表明，当 n=0 时，在多处都出现了双峰异常，而在 n=0.25 时，只出现了一处较明显的双峰异常。因此，可以根据实际需要，选择不同的偶极间距来突出需要的异常。东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理180204060801000100200300400-200204060800100200300400n=0.25n=0.25x (m)x (m)pp图 4-10 L=5 相同 n 值的视电阻率剖面图为了检查测量仪器测量的稳定性作了上图，图 4-10 中的第一副图是由图4-8 中的第二副图剔出

34、10 米前过大异常的数据得来的，留下的都是视电阻率范围在 400/的。第二副图是单独测得的。从两副图的比较来看，测量结果是较一致的。-200204060800200400600800020406080100040801201602000204060801000100200300N=0N=0.25N=0.5PX (m)px (m)px(m) 图 4-11 L=10 不同 n 值的视电阻率剖面图东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理19从图中可以看出 n=0 时，双峰异常较明显。当 n=0.5 时异常非常不明显。因为当偶极长度 L=10 时，探测深度为 2-3

35、 米。因为异常不大，当深度加大时，异常也就逐渐减小至消失。另外，将 n=0 和 n=0.25 进行对比，都显示了异常较大的 17 附近的干水沟处的异常。n=0 还显示了 5 米附近的异常，n=0.25 还显示了 52 米附近的异常。由于探测深度不同，突出的异常有一定的差别。02040608010004080120160200-2002040608004080120160200n=0.5n=0.5px (m)px (m)图 4-12 L=10 相同 n 值的视电阻率剖面图从图 4-12 中也可以看出，这两副的曲线形式也较相似。说明仪器较稳定。 4.3 存在的问题1 实验中存在的问题：用 OhMm

36、apper 仪器在野外进行测量时，场地一定要广阔，不能有太多的障碍物，不然仪器不能完全展开，拖起来也不方便。还有，在测量的过程中，测量者的步行速度要保持稳定，不然测量的数据分布与实际会有误差。再者，仪器的勘探深度较浅，只能进行浅部勘探，对于低阻异常勘探深度就更浅了。2 数据处理中存在的问题：在 MAGMAP 2000 中，可以对多余的、无效的点进行删除，也可以重新设置参数。然后将数据以”.dat”格式导出，我们会发现数据的点位不完全在我们设置的测区内，如上面的图中显示的，最副值将近-20米，最大值将近 100 米，而本身设置的测区为 0 至 80 米。出现这种情况的可能性之一是，实验中多按了 MARK 点，没有及时改正，在 MAGMAP 2000 中的改正并没有产生实质性的效果，在删除点的同时没有删除这段多余的距离。东华理工大学毕业设计（论文） OhmMapper TR1 应用实践与数据处理203 野外条件的问题：对于这种认证型实验，本应选择一个异常较突出，干扰较小的，场地较开阔的异常区。由于条件的限制，没有找到一个非常理想的测区。这对实验的认证也无疑会产生较大的影响，不能充分说明仪器的效用。东华理工大学毕业设计（论文） 结语21结语OhmMapper 是用于去测量高阻区地下电阻率的一种电容耦合电阻率系统，而用传统的直流电阻率系统是无法做到的。这种仪器使用起