CN105824050A - 隐伏断层探测仪器及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隐伏断层探测仪器及分析方法，探测仪器包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，其特征在于：前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到模数转换模块，DSP处理模块接收模数转换模块的输出数据并输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端；上位机读取探测仪器保存的探测数据经分析处理后提取隐伏断层特征信息及参数并据此分析隐伏断层的埋藏深度、存在状态、导流水量。本发明探测结果唯一、定位精度高，可在工程建设、矿产开采中广泛应用。

Description

隐伏断层探测仪器及分析方法

技术领域

本专利涉及一种地球物理勘探用的探测仪器及探测方法，尤其是一种用于地下隐伏断层探测的探测仪器和分析方法。

背景技术

断层是指岩体在构造应力的作用下发生断裂且断裂面两侧岩体有明显相对位移的构造现象；而隐伏断层是在地表无出露，潜伏地表以下的断层；隐伏的原因可能是：切穿基岩的断层被新沉积物覆盖，断层被侵位岩体占据，形成于地下深处且断层面没有切穿至地表的盲断层。

对于断层等地质构造，地质学者可通过对地表地质的观察，结合构造规律和工作经验情况做出一定程度的推测，但在断层无露头或出露不明显的地段，只能通过物探、钻探或其他地质工程来验证。地球物理探测(物探)通过少数观测点获得的数据去推测地下研究对象的状况，这个推测过程就是地球物理学中的反演问题。在反演过程中会因观测时很多干扰因素的影响而出现误差，即使在观测精度很高、干扰因素很小的情况下，反演过程都存在多解性。

断层不仅对岩体的稳定性和渗透性、地震活动和区域稳定有重大的影响，而且是地下水运动的良好通道和汇聚的场所；在规模较大的断层附近或断层发育地区，常赋存有丰富的地下水资源。在断层分布密集的断层带内，岩层一般都受到强烈破坏，产状紊乱，岩体裂隙增多、岩层破碎、风化严重、地下水多，从而降低了岩石的强度和稳定性；同时伴有沟谷斜坡崩塌、滑坡、泥石流等不良地质现象发育。因此，在工程建设、矿产开采中，必需准确探测和查明断层、特别是隐伏断层的分布情况。（1）路基：断层破碎带的岩体松散，节理也很发育，常是地下水活动的通道，加之断层面倾基，所以当挖方边坡与断层带平行时，极易产生滑塌；特别在安排河谷路线时，要注意河谷地貌与断层构造的关系，当路线与断层走向平行，路基靠近断层破碎带时，由于开挖路基，容易引起边坡发生大规模坍塌，直接影响施工和公路的正常使用。（2）桥基：勘测时，要注意查明桥基部分有无断层存在，及其影响程度如何，以便根据不同情况，在设计基础工程时采取相应的处理措施；应尽可能的避开断层破碎带，因桥基岩体破碎，易风化渗水，受桥基和桥体荷载后出现沉陷，或沿断层破裂面错动的方向，使桥墩发生滑移或倾斜；断裂面对岩质边坡、桥基稳定常有重要影响。（3）隧道：由于岩层的整体性遭到破坏，加之地面水或地下水的侵入，其强度和稳定性都很差，容易产生洞顶坍落，影响施工安全，对工程极为不利，宜选择绕避；当隧道轴线与断层走向平行时，应尽量避免与断层破碎带接触，若不能绕避则应与断层构造线呈直交或近乎直交穿越；在确定隧道平面位置时，要尽量设法避开大规模的断层破碎带。（4）地基：由于断层破碎带力学强度低、压缩性大，降低了地基的强度和稳定性，建于其上的建筑物因地基的较大沉陷，易造成开裂或倾斜；跨越断层带的建筑物，由于断裂带及其两侧上、下盘的岩性均可能不同，易产生不均匀沉降；断裂带在新的地壳运动的影响下，可能发生新的移动，从而影响建筑物的稳定。（5）矿带：以煤矿为例，在遇到煤层缺失的时候，除了要考虑断层影响外，还应考虑相变的影响，即沉煤当时的沉积环境不同而影响的；应该通过煤层的层间距、岩性组合、化石等特征进行综合分析，避免盲目的掘进开采。（6）煤与瓦斯突出：研究表明煤层高突瓦斯带、低瓦斯带区域范围内断层的分形特征明显，服从分形规律，高突瓦斯带区域内断层的盒维数大，低瓦斯带区域内构造的维数小。（7）矿井突水：断层分维揭示了断裂构造的复杂程度，构造越复杂的区域突水可能性越大；对于隐伏断层十分发育矿区，发生以隐伏断层为突水通道的风险性增加。

由于隐伏断层影响工程建设施工、威胁着矿山安全生产，故而做好隐伏断层勘查一直是工程建设、矿产开采中的一个重点研究课题，而做好隐伏断层勘查工作的基础性内容就是要探明断层的分布及富水情况。目前，用于隐伏断层勘查的物探方法主要包括浅层地震法、高密度电阻率法、重力法和大地电磁法等；其共同点是在人工场作用下进行测量，把寻找固体矿产的物探方法应用在隐伏断层探测上。地面仪器测量值反映的是地质体物性综合值，这个物理量所显示的是地下的那种固体矿产或隐伏断层全凭解释者的主观经验。所以上述方法探测隐伏断层的成功率不高，其根源在物探曲线的多解性。能否发明一种将隐伏断层与地下固体矿产资源区分开来的物探仪器和分析方法，目前国内外科技界一直没有解决，尚无相关的研究成果和产品报道。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明公开了一种用于隐伏断层探测的探测仪器和分析方法。

本发明的技术方案是：一种隐伏断层探测仪器及分析方法，探测仪器包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，其特征在于：前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到模数转换模块，DSP处理模块接收模数转换模块的输出数据并输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端；上位机读取探测仪器保存的探测数据经分析处理后提取隐伏断层特征信息及参数并据此分析隐伏断层的埋藏深度、存在状态、导流水量。

本发明中，探针包括探针引线（2-1）、探测杆连接器（2-2）、探测杆（2-3），所述探针引线为连接信号电缆与探针的单芯屏蔽线，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁波信号，屏蔽层在正常探测时与仪器内部模拟地连接、在探针连接状态检测时传输检测信号；所述探测杆连接器内含有磁珠（2-4）、电容（2-5）和二极管（2-6），磁珠串接在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间，二极管与电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间；所述探测杆为一顶部中心安装有与杆体电连接插针的良导电性细长金属圆柱体，通过插接卡紧方式连接到探测杆连接器并将其的中心插孔与外壳短路。

本发明中，信号电缆包括连接器（3-1）、电缆本体（3-2）、引线加固环（3-3），长度为7.5D的8根单芯屏蔽线绕包外隔离层并总屏蔽编织后挤压外护套而成的电缆本体（3-2）与连接器（3-1）电连接并在其上均匀分布相距为D的8个用于加固探针引线（2-1）的引线加固环（3-3），第一个引线加固环与连接器的距离为0.5D，在每个引线加固环处剪断1根单芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探针的探针引线（2-1）。

本发明中，前置输入模块包括A组和B组信号电缆接口、二极管D1~D16、微型继电器JD1、四运放IC1~IC15、单运放IC16、数字控制电位器PR1~PR15、电阻R1~R155、电容C1~C60，实现15通道探针接收信号的程控差分放大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接入检测、探针连接状态检测和输入限幅保护。

本发明中，信号调理模块包括15个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带通滤波器和程控后增益放大器，每个通道的信号调理电路由1个四运放IC17、1个开关电容滤波芯片IC18、1个数字控制电位器PR16、15个电阻R156~R170、8个电容C61~C68一起实现。

本发明中，模数转换模块由1个16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟开关IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接状态信号、前置输入模块的输出信号、可编程带通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出信号的分时转换。

本发明中，DSP处理模块包括DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示组件，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、LCD触摸显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示组件、前置输入模块、信号调理模块和模数转换模块的控制端；探测仪器的参数设置、功能自检、正常探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。

本发明中，隐伏断层埋藏深度h与其特征信息主频频率f_z之间的关系为h＝1591.58(1/f_z)^0.5。

本发明中，导水断层的导流水量与其特征信息边频的关系为。

本发明中，隐伏断层的存在状态通过四维物探曲线低值异常并结合动态信息、裂隙信息参数来综合分析和评估。

本发明的有益效果在于：根据从瞬变电磁波中提取的特征信息及参数可准确分析隐伏断层的埋藏深度、存在状态、导流水量，探测结果唯一、定位精度高，可在工程建设、矿产开采中广泛应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。

图1是本发明的探测仪器结构示意图；

图2是本发明的探针原理示意图；

图中：2-1探针引线，2-2探测杆连接器，2-3探测杆，2-4磁珠，2-5电容，2-6二极管

图3是本发明的信号电缆结构示意图；

图中：3-1连接器，3-2电缆本体，3-3引线加固环，2-1探针引线

图4是本发明的前置输入模块电路原理图；

图5是本发明的信号调理模块结构图；

图6是本发明的单通道信号调理电路原理图；

图7是本发明的模数转换模块电路原理图；

图8是本发明的DSP处理模块结构图；

图9是本发明探测的动态信息特征图；

图10是本发明探测的裂隙信息特征图；

图11是本发明在某矿区测线一的四维物探剖面图；

图12是本发明在某矿区测线二的四维物探剖面图；

图13是本发明在某矿区测线三的四维物探剖面图。

具体实施方式

参见附图，图1是本发明的探测仪器结构框图。隐伏断层探测仪器包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，每个探测仪器可两段信号电缆，两段信号电缆分别用护套颜色标记：蓝色为A组信号电缆，黑色为B组信号电缆；每段信号电缆可连接8根探针，共16根。前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到模数转换模块，直接传输方式用于探针连接状态检测，通过信号调理模块传输方式用于正常探测。DSP处理模块是探测仪器的核心，它接收来自模数转换模块的探测数据并保存，同时输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端，以实现仪器的自检、正常探测和参数设置等功能。上位机读取DSP处理模块保存的探测数据经分析处理后提取隐伏断层特征信息及参数并据此分析隐伏断层的埋藏深度、存在状态、导流水量。

在附图2中，探针包括探针引线（2-1）、探测杆连接器（2-2）、探测杆（2-3）等三个部分。探针引线（2-1）为一单芯屏蔽线，长度约0.6m左右，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁波信号到信号电缆的对应芯线上，屏蔽层在正常探测时与仪器内部模拟地连接、在探针连接状态检测时传输检测信号。探测杆连接器（2-2）外壳由铝、铜或不锈钢等金属材料经机加工而成，底部中心安装有一个铜镀金的与外壳绝缘的插孔，中部空腔内含有磁珠（2-4）、电容（2-5）和二极管（2-6），磁珠串接在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间，二极管与电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间。探测杆（2-3）为一具有良导电性的金属材质细杆，顶部中心安装有一个铜镀金的与杆体连接的插针，上端部分加工有用于与探测杆连接器连接的插槽和卡紧销，下端部分的圆锥体可使探测杆插入泥土更为容易，中间为细长圆柱体；当探测杆通过插接卡紧方式连接到探测杆连接器上，会将探测杆连接器的中心插孔与外壳短路。探测杆用于接收天然电场信息，在探测过程中它既接收地壳内场信号，不可避免地也接收了空间的电磁干扰信号；为避免空间电磁干扰对探测的影响，在探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间串接高频特性较好的瓷片电容（2-5）（优选高频零温漂黑点瓷片电容）。由于天然电场的信号频段在甚低频（3～30KHz）范围，为有效的提取天然电场信息，在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间串接有高频滤波磁珠（2-4）。磁珠等效于电阻和电感串联，但电阻值和电感值都随频率变化，它比普通的电感有更好的高频滤波特性，在高频时呈现阻性，所以能在相当宽的频率范围内保持较高的阻抗，从而提高滤波效果；磁珠由铁氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢的释放出去；铁氧体磁珠不仅可用于电路中滤除高频噪声，还可广泛应用于其它电路，其体积可以做得很小；特别是在数字电路中，由于脉冲信号含有频率很高的高次谐波，也是电路高频辐射的主要根源，所以可在这种场合发挥磁珠的作用。二极管（2-6）具体工作过程如下：（1）在探针连接状态检测时，由DSP处理模块经前置输入模块输出探针检测信号TZJC到探针引线（2-1）的屏蔽层，探针检测信号经二极管（2-6）、探测杆（2-3）、磁珠（2-4）到探针引线（2-1）的芯线，经信号电缆返回前置输入模块，DSP处理模块根据返回的检测信号判断并给出探针的连接状态以及信号电缆的通断情况；（2）在正常探测情况下，探针引线（2-1）的屏蔽层通过前置输入模块内部接信号地，此时，二极管（2-6）的阳极接信号地，与前置输入模块内部的阴极接电源VCC的二极管一起用于限幅探针输入信号以保护内部电路，探测杆（2-3）接收的信号经磁珠（2-4）到探针引线（2-1）的芯线，经信号电缆连接到前置输入模块。

在附图3中，信号电缆包括连接器（3-1）、电缆本体（3-2）、引线加固环（3-3）。电缆本体（3-2）由8根单芯屏蔽线总绞成缆，线芯由铜丝或镀锡铜丝绞合而成，截面积为0.3mm²、均采用F46绝缘，并由绝缘的颜色加以区分，如：白、蓝、红、黑、棕、灰、黄、绿；并在成缆好的线芯上绕包一层聚酯带，搭盖率不小于15%，将总成缆好的线芯上采用Φ0.12mm的铜丝或镀锡铜丝编织而成，密度不小于90%，采用105℃阻燃丁晴聚合物挤压而成，成品颜色：蓝色和黑色两种（蓝色用于制作A组信号电缆，黑色用于制作B组信号电缆），外径：11.8±0.3mm，所有绝缘线芯工频火花试验电压为4KV不击穿，电缆工作环境温度-40～+75度。引线加固环（3-3）经加模注塑而成，用于固定信号电缆上的8根探针引线（2-1），第一个引线加固环与连接器的距离为0.5D（其目的是：当使用两段信号电缆同时探测时，置探测仪器于中间，两段信号电缆的首探针间距为D），其余引线加固环均匀分布且两两相距为D，则每段信号电缆的总长度为7.5D，这里D极距（即两根探针之间的距离），若取极距D＝10米，信号电缆的总长度为75米；实际应用中，需根据探测工程的具体要求选择合理的极距D，在每个引线加固环处剪断1根信号电缆的单芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探针的探针引线（2-1）。连接器（3-1）为12针航空插头，针对A组和B组信号电缆的接线定义见下表：

结合上表与附图4，本专利探测仪器的自检工作过程如下：（1）电缆接入检测，DSP处理模块输出检测控制信号JCKZ=0，微型继电器JD1将A组和B组信号电缆接口的第10引脚与内部模拟地连接；此时，若有A组信号电缆（A组信号电缆制作时将连接器的第9、10针短路并连接到电缆芯线的屏蔽层上）接入A口，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到DLJCA为低电平，若有B组信号电缆（B组信号电缆制作时将连接器的第10、11针短路并连接到电缆芯线的屏蔽层上）接入B口，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到DLJCB为低电平，若是连接错误或未连接，DSP处理模块将检测到对应的DLJCA或DLJCB为高电平（内部上拉为高电平）。（2）探针连接状态检测，仅对连接正确信号电缆上的探针进行检测，DSP处理模块输出检测控制信号JCKZ=1并将数字控制电位器PR1-PR15的抽头置为断开状态（此时15个通道差分输入放大器相当于信号缓冲器），微型继电器JD1将A组和B组信号电缆接口的第10引脚与所加的测试信号JCXH连接，测试信号JCXH经探针内部二极管（2-6）返回到A组和B组信号电缆接口的相应引脚上，DSP处理模块将通过模数转换模块检测到探针连接返回信号TZA8、TZA7……TZB7、TZB8并根据信号电压大小判断各探针的连接状态；在此连接方式下，还可通过改变测试信号JCXH的类型以测试各通道电路的性能。（3）正常探测，DSP处理模块输出检测控制信号JCKZ=0并将数字控制电位器PR1-PR15的触头置在相应位置以确定15个通道差分输入放大器的放大倍数，微型继电器JD1将A组和B组信号电缆接口的第10引脚与内部模拟地连接；DSP处理模块根据电缆、探针的连接情况，仅对连接状态正常的探针接收信号进行采集。

在附图4中，前置输入模块包括A&B两组信号电缆接口、二极管D1~D16、微型继电器JD1、四运放IC1~IC15、单运放IC16、数字控制电位器PR1~PR15、电阻R1~R155、电容C1~C60，实现15通道探针检测信号的程控差分放大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接入检测、探针接入状态检测和输入限幅保护。A&B两组信号电缆接口用于分别连接A、B两组信号电缆，二极管D1-D16与相应探针内部的二极管（2-6）一起组成限幅保护电路，防止探针输入信号超出测量范围而损坏探测仪器。微型继电器JD1在DSP处理模块的控制下实现电缆接入检测、探针连接状态检测和正常探测等工作情况的信号连接转换，电阻R153用于测试信号JCXH的输出限流，电阻R154、R155用于电缆接入检测DLJCA、DLJCB的上拉，以配合A、B两组信号电缆的不同接线方式实现电缆接入检测判断。单运放IC16和电阻R154、R155一起组成双极性信号参考电压Vref设置电路，15个通道的探针检测信号程控差分放大、高通滤波和双极性转换电路是一致的，只是输入来自的探针不同和输出连接的通道不同，每个通道的探针检测信号程控差分放大、高通滤波和双极性转换电路均由1片四运放、10个电阻、4个电容和1个数字控制电位器组成。以通道1为例，由IC1C、IC1D、R1、R2、C1、C2、PR1组成的电路在正常测试情况下是一个全差分放大器，其输出增益由数字控制电位器PR1调节（R1＝R2），增益A=1+(R1+R2)/PR1；在探针连接状态检测时，将数字控制电位器PR1的抽头设置为开路，电路相当于两个缓冲器，直接将探针上的检测电压缓冲到模数转换模块；C1＝C2为高频滤波电容，优选高频特性较好的瓷片电容。IC1B、R3~R6、C3、C4组成一个高通滤波与直流偏移修正电路（其中，R3＝R4、R5＝R6、C3＝C4），用于消除输入信号中的直流偏移、滤除测试范围以外的低频成分，高通滤波截止频率f＝1/2πR5C3。IC1A、R7~R10组成双极性转换放大电路，其中R7＝R8＝R9＝R10，双极性信号的参考点电压由Vref决定。本专利中，前置输入模块的四运放为低功耗、低噪声的单电源运放，可选型号有：AD8574、TLC274、LT1016等，单运放优选低功耗、低噪声的单电源运放AD8599、OP285、OP297等；数字控制电位器用的是XICOR公司的X9241，还可选MAX、AD、DS、CAT等公司的同类产品；微型继电器选用AGN21003或AGN20003。

结合附图，图5是本发明的信号调理模块结构图，图6是本发明的单通道信号调理电路原理图。信号调理模块包括15个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带通滤波器和程控后增益放大器，这15个通道的信号调理电路是一致的，每个通道的信号调理电路都是由1个四运放、1个开关电容滤波芯片、1个数字控制电位器、15个电阻、8个电容组成。以通道1为例，IC17B、IC17C、R156~R160(其中，R156＝R157＝2R158)、C61~C63（其中，C61＝C62＝C63/2）组成一个深度负反馈的高Q值陷波器，陷波频率f＝1/2πR156C61（需合理选择R156、C61，使f＝50Hz），调节R159与R160之比值以改变陷波器Q值。IC17D、R161~R162(其中，R161＝R162)、C64~C65（其中，C64＝C65）组成一个二阶低通滤波器，用于滤除测试范围之外的高频成分，低通滤波截止频率f＝1/2πR161C64。由由开关电容滤波芯片IC18、电阻R163-R168、电容C66和C67组成的四阶带通频率可控滤波电路，电路中C66、C67为电源去耦电容，取电阻R163＝R166、R164＝R167、R165＝R168，带通滤波中心频率由DSP处理器经CPLD输出的f_BPCLKX（15路可相同，也可各不相同）决定f_BPX＝f_BPCLKX/100，Q值＝R165/R164，电路放大倍数A=[R165/R163]²；在电路参数选择时，将15个带通滤波器的放大倍数设置一致（放大倍数可在1-10之间选取），通过选取不同的R164使15个带通滤波器具有不同或相同的Q值。由运放IC17A、数字控制电位器PR16、电阻R169和R170、电容C68组成的反相放大电路，数字控制电位器PR16用于调节放大倍数A=R170/PR16（放大倍数可在1-100之间进行调节），R169为输入适配电阻取R169=R170，C68为高频滤波电容；由于该电路于15个带通滤波器之后，而前置信号经15个带通滤波器选频后的输出大小不一，故需调节数字控制电位器PR16，使信号既不失真又能满足模数转换器分辨率较高的要求。本专利中，信号调理模块的四运放为低功耗、低噪声的单电源运放，可选型号有：AD8574、TLV2374等，开关电容滤波芯片可选MAXIM公司的MAX7491、MAX7490或其它公司的同类产品。

在附图7中，模数转换模块由1个16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟开关IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接状态信号、前置输入模块的输出信号、可编程带通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出信号的转换。8片双四选一模拟开关IC20~IC27与1片16通道模数转换芯片IC19一起组成一个具有64路信号输入的模数转换模块，DSP处理模块输出的控制码KZM2、KZM1、KZM0的控制下有序地进行信号转换。控制码中KZM2为使能信号，当KZM2＝1模拟开关不工作，KZM2＝0使能模拟开关，由KZM1、KZM0决定选择通道信号；当KZM1、KZM0＝00，16根探针的连接状态信号选通到16通道模数转换器，以实现探针连接状态的检测和判断；当KZM1、KZM0＝01，15个前置输入模块的输出信号与A组电缆接入检测信号一起选通到16通道模数转换器，以实现对15个前置放大器的增益整定和A组电缆接入检测；当KZM1、KZM0＝10，15个可编程带通滤波器输出信号与B组电缆接入检测信号一起选通到16通道模数转换器，以实现对15个可编程带通滤波器的Q值、增益、中心频率调整和B组电缆接入检测；当KZM1、KZM0＝11，15个程控后增益放大器输出信号与双极性信号参考电压Vref一起选通到16通道模数转换器，以实现对15个程控后增益放大器的增益整定和双极性信号参考电压Vref检测。正常探测时，设置控制码KZM2、KZM1、KZM0＝011，连续采集16通道模数转换器输出，并将15个程控后增益放大器输出信号的采集值减去Vref的采集值以15个通道输出的双极性数字信号。本专利中，双四选一模拟开关可选MAX4782、CD4052、ADG709等芯片；模/数转换电路的ADC可选采用TI公司生产的16通道的ADS7953（12-bit）、ADS7957（10-bit）、ADS7961（8-bit）系列芯片，模拟电源电压为2.7V～5.25V、数字电源电压为1.7V～5.25V，采样率高达1MHz，20MHz的SPI接口；它具有精度高、体积小、通道多、使用灵活等特点。模/数转换电路将模拟信号转换成数字信号，并将数字信号传输至DSP处理模块，同时DSP可根据模/数转换器输出值，通过CPLD对后前置增益放大电路、后增益放大电路进行自动控制和调节，以保证测量数据的分辨率和测量精度。

在附图8中，DSP处理模块包括DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示组件，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、LCD触摸显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示组件、前置输入模块、信号调理模块和模数转换模块的控制端；探测仪器的设置、检测、探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。DSP（DigitalSignalProcessor数字信号处理器）是一种用于实时完成数字信号处理的微处理器，DSP可选用TI公司TMS320系列的C3X或C67X浮点处理器、AD公司的ADSP21XXX浮点处理器、AT&T公司的DSP32XX浮点处理器、MOTOROLA公司的MC960XX浮点处理器、NEC公司的uPD772XX浮点处理器，本专利采用TI公司TMS320系列的C672X浮点DSP。时钟与复位电路分别为DSP提供工作时钟和上电复位信号；ROM用于保存仪器的执行程序和参数；RAM用于保存仪器程序运行过程的中间数据；CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）采用了静态功耗极低的ispMACH4000Z系列复杂逻辑可编程器件，是仪器其它电路与DSP的逻辑输入输出接口，完成本仪器的地址译码、数据传输、控制输出、信息加密等功能。信号处理模块的DSP可根据用户指令，通过CPLD向前置接口模块发出控制信号，以实现电缆接入检测、探针连接状态检测和正常探测的选择；同时，DSP接收模/数转换电路所传输过来的数字信号，进行分析处理后产生增益控制信号并通过CPLD控制前置输入增益、后增益放大电路，实现了对不同大小信号的自适应放大；完成以上的自检和设置控制之后，DSP通过模/数转换器对探针所获取的天然电磁波在地表形成的分布电场信号进行采集，并结合增益控制码将采集的数字信号转换为探针所获取的实际值并保存到闪盘中（以供上位机通过USB接口或DSP通过内部总线读取分析处理）和送LCD触摸显示屏显示；综合考虑可视度、可操作性和低功耗等因素，LCD触摸显示屏尺寸应在3英寸到6英寸之间选择；仪器的自检和正常探测均可在LCD触摸显示屏的显示提示下通过触摸操作实现。探测结束，上位机经USB接口读取探测仪器内部闪盘中的探测数据，上位机软件对数据进行数字抗混滤波、FFT变换与频谱细化、谱线搜索、特征信息识别等法处理后可得到附图9、附图10所示的隐伏断层特征信息图。特征信息图中上半部分为天然瞬变电磁波的时域波形，下半部分为天然瞬变电磁波的特征频谱图。频谱图中间最高的谱线称为主频谱线，分布于主频谱线两边并关于主频对称的谱线称为边频谱线。主频谱线表征地下某深度岩层的电性值，边频谱线表征地下水的活动情况，边频谱线幅值表示地下水瞬时流量的大小，边频谱线距离主频谱线的远近称边频频率，边频频率表示地下水瞬时流动速度的快慢。存在于断层中的地下水，按水文学规律流动在地底下会切割地磁场磁力线产生感应电动势。但该感应电动势较微弱，无法穿透地层传送到地面；但它会对经过该处的天然瞬变电磁波产生持续不断的干扰，最终附加在该电磁波信号上传输到地表；本发明把附图10这种附加有地下水流动信息的信号定义为地下水动态信息（本发明的四维物探剖面图中用Δ表示）。由于断裂带在形成过程中会出现或多或少的空区，它与完好岩层间存在密度突变，天然瞬变电磁波在这里会被折射、反射或衰减；这样就形成了本发明附图11所示的裂隙信息（本发明的四维物探剖面图中用Ο表示）。根据电磁场理论，天然瞬变电磁波在地层中的传导电流远远大于位移电流，则其穿透深度为

h＝1/(πf_zμ/ρ)^0.5(单位：m)

上式中，f_z为断层特征信息主频频率；ρ为探测点的地表电阻率，一般地表大都是松散的土层，取其平均电阻率ρ≈10（Ω.m）；假设天然瞬变电磁波穿透的地层为无磁性介质，则磁导率取μ＝4π×10^-7H/m；据此得到产生特征信息地质体的埋藏深度与特征信息主频频率的关系如下

h＝1/(πf_zμ/ρ)^0.5＝1591.58(1/f_z)^0.5(单位：m)

结合附图，图11是本发明在某矿区测线一的四维物探剖面图，图12是本发明在某矿区测线二的四维物探剖面图，图13是本发明在某矿区测线三的四维物探剖面图；测线二与测线三相距约300米且近似平行，测线一在测线二与测线三的垂直方向上，相距500米左右。探测中，使用了两段信号电缆、共16根探针，探针的两两间距为10m（即极距D=10m，点距可由仪器编程调节，附图中也是10m）；附图中，横坐标为测线范围、共150m，纵坐标为天然电磁波穿透不同地层后反映到地表的电性值，图中每一条曲线表示一个深度的地层电性值变化情况（每个层次用不同颜色、不同线型的曲线表示），再将地下特征信息（动态信息Δ、裂隙信息Ο等）标注到相应深度地层的电性值曲线上，故称四维物探剖面图。附图11测线一的探测频段频率为35Hz、40Hz、45Hz、55Hz、65Hz、75Hz、85Hz、95Hz、125Hz、165Hz、205Hz、255Hz、335Hz、385Hz、505Hz、625Hz等16个频段，可由公式深度h＝1591.58(1/f_z)^0.5换算为对应的探测深度。从附图11的测线四维物探剖面图可知，测线范围内无明显地下水动态信息、裂隙信息和电性低值异常区域，该测线在探测深度范围内应属完好地层结构。附图12测线二的探测频段频率为30Hz、40Hz、55Hz、75Hz、95Hz、125Hz、165Hz、225Hz、305Hz、355Hz、475Hz、685Hz、885Hz、1085Hz等14个频段，在测线二的探针A7A6之间四维物探曲线出现电性低值异常区域，且在75Hz（对应探测深度约183米）频段存在地下水动态信息、305Hz（对应探测深度约91米）频段存在裂隙信息。附图13测线三的探测频段频率为30Hz、40Hz、55Hz、75Hz、95Hz、125Hz、165Hz、225Hz、305Hz、385Hz、505Hz、625Hz等12个频段，在测线三的探针B1B2之间四维物探曲线出现电性低值异常区域，且在95Hz（对应探测深度约163米）频段存在地下水动态信息、305Hz（对应探测深度约91米）频段存在裂隙信息。当地层中出现断裂时，在断裂带中充填的物质与两边岩层相比较松软、或者断裂带内含水时，会引起相对低的主频幅值反映，而两边岩层主频幅值相对较高；断裂带电阻率与岩石孔隙度的定量关系可以用阿尔奇公式来表述

R₀=aR_WΦm

式中，R₀为岩石的宏观电阻率，R_W为孔隙中水的电阻率，Φ为岩石孔隙度，a和m为待定系数。砂岩的电阻率一般在几欧姆米至几千欧姆米变化，分选差、颗粒粗及胶结程度高的致密砂岩，其电阻率高；反之，分选好、颗粒细及胶结程度低的疏松砂岩往往具有低电阻率。砾岩由于颗粒粗、分选性差，故常具有比砂岩较高的电阻率。一般土层结构疏松，孔隙度大，且与地表水密切相关，因而它们的电阻率均较低，一般为几十Ω·m。在本发明仪器的探测中：被测地质体的电阻率与四维物探曲线的电性值成正比例关系。所以当在某一测点位置出现纵向上所有曲线出现连续性低值异常时，则表明此处有断层存在。综合分析附图12和附图13，由于测线二和测线三的布置相距仅300米，可初步判定在测线二的A7A6测点到测线三的B1B2测点之间存在一地下隐伏断层，且断裂带宽度小于10m。具体断裂带宽度和结构需通过测线平移或更换极距较小的信号电缆进行精确定位探测、并多次重复探测才能得到准确结果。因此，识别地下隐伏断层结构需要进行2条以上的测线探测；要更精确的掌握隐伏断层宽度、含水情况等，则需进行精确定位探测、多次重复探测。单凭1条测线的数据或地层中某一段深度的数据进行判断是不完整的、不全面的。

由于测线二的A7A6测点在183米处存在地下水动态信息、垂深91米存在裂隙信息，测线三的B1B2测点在163米处存在地下水动态信息、垂深91米存在裂隙信息；可知该隐伏断层为一导水断层，导水流向是从测线三的B1B2测点到测线二的A7A6测点，且断裂带的顶部结构疏松，存在孔隙。隐伏断层中的导流水会切割地磁场的磁力线而产生感应电动势e，根据电磁流量原理，感应电动势e（单位：mV）与流量的方程式为

e＝（4BK/L）Q

式中，B为探测地点的大地电磁场感应强度（单位：mV/m²）、K为常数，对于一个已知的探测区域来说它们都是常数，但需要在探测区域附近找已知的水量的参考测试点进行整定；L为地下水流通道截面的周长（单位：m）。实际探测工作表明，地下水在岩溶裂隙中流动的流速、流量都是随时间变化的，其产生的感应电动势e是时间t的函数，计为e(t)＝0.5〔e₁(t)＋e₂(t)〕。e(t)与隐伏断层导流水量Sw之间的关系为

Sw=∫₀ ^T[L.e(t)/4BK]dt=(L/4BK)∫₀ ^Te(t)dt(单位：m³/h)

式中，T为导流水的变化周期，本专利仪器能探测出导流水的变化周期T（边频频率f_b的倒数）和周期T内感应电动势e(t)的综合值，由上式可简单地估算出导流水储量Sw。但由于导流水的变化周期T受地质构造、补给情况、开采量等因素的影响而各不相同，且该周期也是随时间变化的，这给准确评估导流水量带来一定困难。通常采用离散化方法来计算上式，具体做法是：由探测仪器对该固定深度连续重复探测1小时，得到M组探测数据，而这其中只有N组探测数据具有导流水特征信息，即边频综合幅值e(t₀)、e(t₁)、e(t₂)……e(t_N-1)，边频频率f_b0、f_b1、f_b2……f_bN-1；因此，上式的离散化计算公式为

(单位：m³/h)

综上所述，本发明的隐伏断层探测仪器通过两段信号电缆连接16根探针以接收天然电磁波在地表形成的分布电场信号，从中提取隐伏断层的特征信息并分析其埋藏深度、存在状态、导流水量，有效的解决了传统物探工程中测线布置工程量大、探测效率低、成果解释多解性的问题；探测仪器抗干扰能力强、接收信号稳定、探测结果唯一、定位精度高，可在工程建设、矿产开采中广泛应用。

Claims (10)

1.一种隐伏断层探测仪器及分析方法，探测仪器包括探针、信号电缆、前置输入模块、信号调理模块、DSP处理模块，其特征在于：前置输入模块通过两段信号电缆连接16根插入地表的探针以接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号并直接和通过信号调理模块传输到模数转换模块，DSP处理模块接收模数转换模块的输出数据并输出逻辑控制信号至模数转换模块、信号调理模块和前置输入模块的控制端；上位机读取探测仪器保存的探测数据经分析处理后提取隐伏断层特征信息及参数并据此分析隐伏断层的埋藏深度、存在状态、导流水量。

2.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的探针包括探针引线（2-1）、探测杆连接器（2-2）、探测杆（2-3），所述探针引线为连接信号电缆与探针的单芯屏蔽线，芯线用于传输探针接收的瞬变电磁波信号，屏蔽层在正常探测时与仪器内部模拟地连接、在探针连接状态检测时传输检测信号；所述探测杆连接器内含有磁珠（2-4）、电容（2-5）和二极管（2-6），磁珠串接在探针引线的芯线与探测杆连接器的中心插孔之间，二极管与电容并联后串接于探针引线的屏蔽层与探测杆连接器的外壳之间；所述探测杆为一顶部中心安装有与杆体电连接插针的良导电性细长金属圆柱体，通过插接卡紧方式连接到探测杆连接器并将其的中心插孔与外壳短路。

3.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的信号电缆包括连接器（3-1）、电缆本体（3-2）、引线加固环（3-3），长度为7.5D的8根单芯屏蔽线绕包外隔离层并总屏蔽编织后挤压外护套而成的电缆本体（3-2）与连接器（3-1）电连接并在其上均匀分布相距为D的8个用于加固探针引线（2-1）的引线加固环（3-3），第一个引线加固环与连接器的距离为0.5D，在每个引线加固环处剪断1根单芯屏蔽线并从靠近连接器一方引出用于连接探针的探针引线（2-1）。

4.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的前置输入模块包括A组和B组信号电缆接口、二极管D1~D16、微型继电器JD1、四运放IC1~IC15、单运放IC16、数字控制电位器PR1~PR15、电阻R1~R155、电容C1~C60，实现15通道探针接收信号的程控差分放大、高通滤波和双极性转换，以及信号电缆接入检测、探针连接状态检测和输入限幅保护。

5.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的信号调理模块包括15个通道的工频陷波器、低通滤波器、可编程带通滤波器和程控后增益放大器，每个通道的信号调理电路由1个四运放IC17、1个开关电容滤波芯片IC18、1个数字控制电位器PR16、15个电阻R156~R170、8个电容C61~C68一起实现。

6.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的模数转换模块由1个16通道模数转换芯片IC19、8个双四选一模拟开关IC20~IC27组成，可在DSP处理模块控制下实现模数转换器对电缆接入信号、探针连接状态信号、前置输入模块的输出信号、可编程带通滤波器输出信号、程控后增益放大器输出信号的分时转换。

7.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的DSP处理模块包括DSP处理器、时钟与复位、CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、LCD触摸显示组件，DSP处理器在时钟与复位电路的驱动控制下通过总线与CPLD、RAM、ROM、闪盘、USB接口、模数转换模块、LCD触摸显示组件交换数据，还通过CPLD输出逻辑控制信号至RAM、ROM、闪盘、LCD触摸显示组件、前置输入模块、信号调理模块和模数转换模块的控制端；探测仪器的参数设置、功能自检、正常探测功能均在LCD显示提示下通过触摸操作实现。

8.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：所述的隐伏断层埋藏深度h与其特征信息主频频率f_z之间的关系为h＝1591.58(1/f_z)^0.5。

9.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：导水断层的导流水量与其特征信息边频的关系为。

10.根据权利要求1所述的隐伏断层探测仪器及分析方法，其特征在于：隐伏断层的存在状态通过四维物探曲线低值异常并结合动态信息、裂隙信息参数来综合分析和评估。