CN112399892A - 用于原位测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的方法、系统和探头 - Google Patents

Abstract

本发明的目的由一种用于原位测定地层中氧化‑还原电位的系统实现，该地层具有将地层与环境大气隔开的地表。该系统可原位测量氧化‑还原电位，从而该系统可提供氧化‑还原电位的最精确测量。地层地表可以是环境大气与地层最上层之间的界面。本申请中，地表也被称为土壤。该系统可包括用于贯入到地层中的探头。探头可包括氧化‑还原电极。该系统可包括用于放置在地层地表上的参考电极。该系统可包括控制器，其可构造成与探头通信。控制器可构造成与参考电极通信。控制器还可构造成测定氧化‑还原电位作为参考电极和氧化‑还原电极之间的电位差。控制器可通过有线或无线或者有线和无线的组合与探头、氧化‑还原电极、参考电极或任何其他装置通信。

Description

用于原位测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的方法、系 统和探头

技术领域

本发明涉及用于原位测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的方法、系统和探头。

本发明涉及用于原位测定具有地表的地层中的电阻率的方法、系统和探头。

背景技术

农业使用硝酸铵等化肥来提高总产量。所用的部分化肥渗入地表，并可能进一步渗入到地层中，而地层可能具有地下水库。这样，地下水库就会被化肥污染，不进行额外处理的话，就会产生可能无法作为饮用水使用的地下水。

要防止化肥渗入到地层中是非常困难的，同样清除化肥也很难。在一些情况下，高度污染的土壤已经被物理清除，但这是一种昂贵且劳动密集的方法。此外，由于土壤只是被移到了不太敏感的区域，因而土壤并没有从化肥中清离出来。

地表和地层中自然存在的细菌可以将硝酸盐转化为无害的副产品，但是，这受条件是厌氧还是好氧的控制。反硝化过程是厌氧过程，细菌在厌氧条件下可以将硝酸盐转化为无害的副产品。因此，具有大面积厌氧条件的地表和地层在清除化肥方面更有效，并且农业可以在这些田地使用更多的肥料，而污染地下水的风险更小。此外，通过向地表和地层中添加反硝化细菌可以提高转化率。反硝化细菌必须添加到地层的缺氧部分，因为氧通常对反硝化细菌是有毒的。

氧化-还原电位取决于氧的存在量，如果没有氧，那么氧化-还原电位将为负值。

因此，氧化-还原电位揭示了细菌的状况。从好氧到厌氧的过渡称为氧化还原界面。因此，氧化-还原电位的测量对测定地表和地层硝酸盐转化率至关重要。此外，氧化还原界面还揭示了应该在哪些深度添加反硝化细菌以提高硝酸盐转化率。

US5798940专利提出了一种单通道穿地探头，用于原位测量土壤的pH值和氧化-还原电位。通过测定借助离子渗透陶瓷屏障与土壤隔离的参考电极和与土壤直接接触的铂电极之间的电位差来测定氧化-还原电位。离子渗透陶瓷屏障是易脆的，如果受到过大的力或冲击，可能会破裂。此外，陶瓷屏障会延迟电位的任何变化。上述问题导致穿地探头的应用受到限制。

目前，氧化还原界面是根据诸如水样、沉积物颜色或沉积物样品之类的钻探数据来测定的。但这是一个缓慢且劳动密集的过程，因此在经济上不太可行。

实验表明，含水层(如沙子)与非含水层相比，具有不同的氧化-还原电位。因此，有必要测定地层的岩性，以便全面了解所测量的氧化-还原电位。地层的岩性可以通过直流电(DC)测量来分析，但目前现有技术的探头和方法都不能测定地层的氧化-还原电位和电阻率，即岩性。

因此，需要一种更快更可行的方法来测定具有地表的地层的特征，例如氧化-还原电位和/或电阻率。

此外，还需要这样一种系统和探头，其能够经受高力和/或高压，同时具有用于测定地层的氧化-还原电位和/或地层的电阻率的手段。

CN108132286A描述了一种用于驱动进入地表中的矛。该矛具有外露的铂丝，该铂丝连接到与电压表连接的铜丝。参考电极放置在地层的地表处并连接至电压表。氧化还原电位是以铂丝和参考电极之间的电位差来测量的。矛是1米长，这严重限制了发明的可用性，因为它不能用于测定1米以下深度的地层的氧化-还原电位。此外，矛是由人推压到土壤中的。因此，该矛不能解决上述需要。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是提供一种测定地层中的氧化-还原电位的方法。

本发明的目的是提供一种能够测定地层中的氧化-还原电位的系统和探头。

本发明的目的是提供一种能够测定地层中的电阻率的系统和探头。

发明概述：

本发明的目的是由测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的方法来实现的。

该方法可以原位测量氧化-还原电位，从而该方法可以提供氧化-还原电位的最精确测量。

地层的地表可以是环境大气和地层的最上层之间的界面。在本申请中，该地表也称为土壤。

该方法可以包括将参考电极放置在地表处——即地层的土壤中——的操作。

本领域普通技术人员将知道使用哪种参考电极。

该方法可以包括通过直接推压或旋转钻进或声波钻进将携带氧化-还原电极的探头穿入到地层中的操作。

穿入操作应作广义解释，因为穿入操作等同于撤回操作。

该探头可以是地层穿入探头。

与不太坚固的参考电极相比，氧化-还原电极能够经受的力明显更大。探头只携带氧化-还原电极，而参考电极在探头外部并被放置在地层的地表处。与现有技术相比，电极的定位使得探头在穿入时能够暴露于更大的力和/或压力。因此，该方法比现有技术更可靠。

此外，因为使探头能够经受更大的力和/或压力，所以与已知的探头相比，可以显著提高贯入速度。勘测速度的提高降低了勘测区域氧化还原界面的总成本。目前，平均操作速度约为70至100米/天。操作速度在很大程度上取决于地质情况和深度，但在最佳条件下，操作速度可以达到150米/天以上。因此，与现有技术相比，该方法能够实现更大的操作速度。

此外，参考电极在地表处的定位也使得能够在更大的贯入(量)或深度处进行测量，因为与携带参考电极和氧化-还原电极两者的探头相比，压力可能更大。因此，该方法可以在较大的深度(如深度达60米)处测量氧化还原电位。

此外，该探头可以用于较硬的地层，如带有石头和巨砾的粘土台地，因为与已知的用于测定氧化-还原电位的探头相比，该探头能够经受更大的力和/或压力。因此，与现有技术相比，该方法可以用于具有较硬地层的地质情况中。

本领域普通技术人员将知道使用哪种钻进技术来使探头穿入地层。

钻进技术可以是直接推压或者旋转钻进或声波钻进。

该方法可以包括测定氧化-还原电位作为参考电极和氧化-还原电极之间的电位差的操作。

作为测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的实施例，参考电极被放置在地表中。随后，将携带氧化-还原电极的探头穿入到地层中。在最后的操作中，氧化-还原电位被测定为参考电极和氧化-还原电极之间的电位差。

作为测定具有地表的地层中的氧化-还原电位的另一实施例，将参考电极放置在地表中。随后，将携带氧化-还原电极的探头从地层中撤回。在最后的操作中，氧化-还原电位被测定作为参考电极和氧化-还原电极之间的电位差。

在一个方面中，可以在穿入的同时进行测定氧化-还原电位的操作。

因此，可以原位并实时地测定氧化-还原电位，这使得更容易测定氧化-还原界面，因为该方法连续提供数据。如果用户只是寻找第一氧化还原界面，那么当找到氧化还原界面时，用户停止穿入操作。之后用户可以撤回探头，并将设备移动到下一个定位，再重复以上操作。这样，区域的测绘或勘测速度就会提高一大截。

此外，因为测定氧化-还原电位的操作是在现场和原地形成的，所以用户能够识别毁坏的或不好的数据，并重新重复该方法。因此，可以提高数据的整体质量。

在一个方面中，可以通过根据时间引导探头来进行穿入操作。

在一些情况下，探头连续地穿入土壤中，而没有任何中断，在这些情况下，时间测量对评价数据是很好的。

如果探头以恒定的速度或接近恒定的速度穿入，则可以将时间换算为贯入(量)或贯入程度或深度。

此外，通过根据时间进行穿入的操作，由于需要简单的计时器，因此简化了操作。这种简化是便宜的，但仍可以用于以足够的进动测定氧化还原界面的存在。

在一个方面中，穿入操作涉及建立探头贯入到地层中的操作；并且其中可以根据贯入进行测定氧化-还原电位的操作。

可以通过使用弦丝电位计建立贯入，该弦丝电位计的分辨率可以为+/-0.5厘米。

贯入(量)应理解为贯入的程度或深度。在一些情况下，探头直着向下穿入，在这些情况下，贯入等于探头的深度。在其他情况下，探头与地表相比有一定角度地穿入，或者探头在穿入时改变了方向，在这些情况下，建立贯入的程度。

在所有情况下，根据贯入测定氧化-还原电位将使用户能够更精确地测定氧化还原界面。

因此，用户将能够确定在哪个深度应该添加反硝化细菌。

建立贯入的操作可以使用直接推压(锤击/敲击)、声波或带有静压的锥形贯入仪测试(CPT)。

在一个方面中，该方法还可以包括将探头从地层中撤回并在回缩期间进行直流电(DC)测量的操作。

探头还可以包括由用于测量电压差的两个电阻率电极构成的计量仪，从而确定地层的电阻率。两个电阻率电极在探头上以相互的距离定位。该计量仪还可以包括两个电流电极，用于向地层提供直流电。这两个电流电极可以在地表处放置在探头的两侧。

在另一个实施方式中，探头还可以包括这样的计量仪，该计量仪包括用于测量电压差的两个电阻率电极以及用于向地层提供电流的两个电流电极。四个电极沿探头定位，其中两个电流电极包围两个电阻率电极。

电极可以放置成使每个电极与相邻电极的距离相等，因为这将提供更好的电阻率测量。

两个电流电极可以是环形电极。

两个电阻率电极可以是环形电极。

电流电极和电阻率电极可以是环形电极，并且它们可以沿探头呈温纳(Wenner)构造。实验表明，这种构造可以得到最好的测量值，从而得到地层电阻率的最佳值。

电阻率测量将改善对氧化-还原电位的解释，因为含水层(如砂子)已被证明与非含水层相比具有不同的氧化-还原电位。电阻率测量提供了地层的岩性信息，因此，回缩过程中的直流电(DC)测量是对氧化-还原电位的补充，因为它是正确解释氧化-还原电位所需要的。

通过使所有电极位于探头上，该方法被简化，因为无需将电流电极插入地层的地表中。此外，该测量是更本地化的，这将增加测量的分辨率。

因此，该方法可以测定贯入操作期间的氧化-还原电位，并且该方法可以测定回缩期间的地层电阻率。

地层的氧化-还原电位和电阻率都可以根据贯入来测定。

与撤回时设备的机械漂移造成的回缩相比，在贯入期间测量贯入或深度的精度最大。因此，最重要的测量应在贯入期间进行，而最不重要的测量应在回缩期间进行。

在该方法的实施方式中，直流电(DC)测量可以在贯入期间进行，而氧化-还原电位可以在回缩期间测定。在这种情况下，电阻率将具有更好的贯入分辨率。

该方法可以使用直接推压，因为直接推压和沿探头使用的四个环形电极的呈温纳构造的直流电测量机构的组合已被证明在测定电阻率方面特别好，同时能够高速穿入。

本发明的一个目的由一种用于原位测定地层中的氧化-还原电位的系统实现的，该地层具有将地层与环境大气隔开的地表。

该系统可以原位测量氧化-还原电位，从而该系统可以提供氧化-还原电位的最精确测量。与制作钻孔并分析钻孔数据相比，前者的成本更低。

地层的地表可以是环境大气和地层的最上层之间的界面。在本申请中，地表也可以称为土壤。

该系统可以包括用于贯入到地层中的探头。该探头可以包括氧化-还原电极。

该探头可以是穿地探头。

该系统可以包括用于放置在地层的地表的参考电极。参考电极可以在探头的外部，而参考电极可以具有尖锐的端部，用于将参考电极正确地插入到地层的地表中。

在探头贯入到地层中的过程中，该尖锐的端部将稳定参考电极。

本领域中的普通技术人员会知道使用哪种参考电极。

参考电极可以是氯化银参考电极。

探头可以不包括参考电极。

与不太坚固的参考电极相比，氧化-还原电极能够经受的力明显更大。探头只携带氧化-还原电极，而参考电极在探头外部，并放置在地层的地表中。与现有技术相比，电极的定位使得探头在穿入时能够暴露于更大的力和/或压力。

此外，因为使探头能够经受更大的力和/或压力，所以与已知的探头相比，可以显著提高贯入速度。勘测速度的提高降低了勘测区域氧化还原界面的总成本。目前，平均操作速度约为70至100米/天。操作速度在很大程度上取决于地质情况和深度，但在最佳条件下，操作速度可以达到150米/天以上。

此外，参考电极在地表处的定位也使得能够在更大的贯入(量)或深度处进行测量，因为与携带参考电极和氧化-还原电极两者的探头相比，压力可能更大。

此外，该探头可以用于较硬的地层(如带有石头和巨砾的粘土台地)，因为与已知的用于测定氧化-还原电位的探头相比，该探头能够经受更大的力和/或压力。

该系统可以包括控制器，该控制器可以构造成与探头通信。

控制器可以构造成与参考电极通信。

控制器还可以构造成测定氧化-还原电位作为参考电极和氧化-还原电极之间的电位差。

控制器可以通过有线或无线或有线和无线的组合与探头、氧化-还原电极、参考电极或任何其他装置通信。

氧化-还原电极可以是金属电极，因为金属电极能够承受较大的力或压力。

氧化-还原电极可以是贵金属电极，因为贵金属电极能够承受较大的力或压力，并且贵金属是化学惰性的，从而减小由化学反应引起的漂移。

氧化-还原电极可以是铂电极，因为铂电极是众所周知的，具有优良的特性。

本领域普通技术人员会知道使用哪种钻进技术来使探头穿入地层。钻进技术可以是直接推压或旋转钻进或声波钻进。

在一个方面中，该系统还可以包括与控制器通信的贯入仪，该控制器可以进一步构造成根据到地层中的贯入来测定氧化-还原电位。

贯入仪可以是弦丝电位计，它是用于测量位置和/或速率的简单而可靠的工具。

本领域普通技术人员应将贯入(量)理解为贯入的程度或深度。在一些情况下，探头直着向下穿入，在这些情况下，贯入等于探头的深度。在其他情况下，探头与地表相比有一定角度地穿入，或者探头在穿入时改变了方向，在这些情况下，建立贯入的程度。

贯入仪可以实现非常精确的贯入测定，即+/-0.5厘米。因此，该系统可以为测定精确的氧化还原界面或测定地层的电阻率提供优良的数据。

在一个方面中，该系统还可以包括与控制器通信的计时器。控制器还可以构造成根据时间测定氧化-还原电位。

在一些情况下，探头连续地穿入到土壤中，而没有任何中断，在这些情况下，时间测量对评价数据是很好的。

如果探头以恒定的或接近恒定的速度穿入，则时间可以换算成贯入(量)或贯入程度或深度。

此外，通过根据时间进行穿入的操作，由于需要简单的计时器，因此简化了操作。这种简化是便宜的，但仍可以用于以足够的进动测定氧化还原界面的存在。

在一个方面中，该系统还可以包括计量仪，该计量仪构造成用于测量直流电(DC)。控制器还可以构造成根据时间、贯入或者时间和穿入两者来测定电阻率。

探头还可以包括由用于测量电压差的两个电阻率电极构成的计量仪，从而确定地层的电阻率。两个电阻率电极在探头上以相互的距离定位。该计量仪还可以包括两个电流电极，用于向地层提供直流电。这两个电流电极可以在地表处放置在探头的两侧。

在另一个实施方式中，探头还可以包括这样的计量仪，该计量仪包括用于测量电压差的两个电阻率电极以及用于向地层提供电流的两个电流电极。四个电极沿探头定位，其中两个电流电极包围两个电阻率电极。

电极可以放置成使每个电极与相邻电极的距离相等，因为这将提供更好的电阻率测量。

两个电流电极可以是环形电极。

两个电阻率电极可以是环形电极。

电流电极和电阻率电极可以是环形电极，并且它们可以沿探头呈温纳构造。实验表明，这种构造可以得到最好的测量值，从而得到地层电阻率的最佳值。

电阻率测量将改善对氧化-还原电位的解释，因为含水层(如砂子)已被证明与非含水层相比具有不同的氧化-还原电位。电阻率测量提供了地层的岩性信息，因此，回缩过程中的直流电(DC)测量是对氧化-还原电位的补充，因为它是正确解释氧化-还原电位所需要的。

通过使所有电极位于探头上，该方法被简化，因为无需将电流电极插入地层的地表中。此外，该测量是更本地化的，这将增加测量的分辨率。

该系统可以使用直接推压，因为直接推压和沿探头使用的四个环形电极的呈温纳构造的直流测量机构的组合已被证明在测定电阻率方面特别好，同时能够高速穿入。

在一个方面中，氧化-还原电极可以是基本上封装在探头的探头主体中并与探头主体电隔离的金属电极。

通过封装和电隔离氧化-还原电极，由于氧化-还原电极在与探头主体隔离的同时与地层电接触，因此电位漂移的风险被大大降低。

氧化-还原电极可以是贵金属。贵金属的化学性质稳定，并且测量的电位不会因反应而随时间漂移，而且贵金属能够承受高力和高压力。

氧化-还原电极可以是铂，因为已知铂具有最佳特性。

在一个方面中，氧化-还原电极可以包括封装金属电极的电极主体，电极主体可以是用于电隔离金属电极的绝缘体。

电极主体可以由复合材料或塑料制成，它能够承受高力或高压力而不劣化或变形，同时能够将金属电极与探头隔离。

电极主体可以包括与探头主体中的贯通槽互补的突出部。探头主体和电极主体之间的连接即使在大的力或压力下也必须紧密并且机械稳定，从而使测量的电位不随时间而漂移。这也将使探头能以较大的贯入速度穿入，因为氧化-还原电极将能应对较大的力或压力。

突出部可以具有这样的外表面，该外表面具有金属电极的暴露部分，从而当探头在预定使用中时，金属电极与地层直接接触。

外表面和探头主体可以共同形成平齐的表面。

在一个实施方式中，该系统还可以包括氧化-还原电极保持器，用于机械地稳定氧化-还原电极。

氧化-还原电极保持器可以插入到探头主体的中央部分中，使得氧化-还原电极保持器将氧化-还原电极推向探头主体的内侧。

氧化-还原电极保持器可以具有朝向中央凹入部的狭缝，用于与氧化-还原电极的金属电极接合。

在一个方面中，氧化-还原电极可以由电极主体封装，其中电极主体可以包括与探头主体中的贯通槽互补的突出部。该突出部可以具有这样的外表面，该外表面具有氧化-还原电极的暴露部分。

电极主体可以由复合材料或塑料制成，它能够承受高力或高压力而不劣化或变形，同时能够将金属电极与探头隔离。

探头主体和电极主体之间的连接即使在大的力或压力下也必须紧密并且机械稳定，从而使测量的电位不随时间而漂移。这也将使探头能以较大的贯入速度穿入，因为氧化-还原电极将能应对较大的力或压力。

突出部可以具有这样的外表面，该外表面具有氧化-还原电极的暴露部分，从而当探头在预定使用中时，电极与地层直接接触。

外表面和探头主体可以共同形成平齐的表面。

本发明的目的是通过一种计算机程序产品实现的，该计算机程序产品包括计算机上的指令，以使系统进行测定氧化-还原电位的方法。

本发明的目的是借助其上存储有计算机程序的计算机可读介质来实现的。

本发明的目的是通过用于贯入到地层中的探头来实现的。该探头可以包括探头主体。该探头主体可以具有用于贯入地层的探头前部。

探头主体还可以支撑氧化-还原电极。

该探头可以是地层穿入探头。

探头不包括作为参考电极的参考电极。与不太坚固的参考电极相比，氧化-还原电极能够经受明显更大的力。因此，与现有技术相比，当探头仅携带氧化-还原电极，而参考电极在探头外部时，探头在穿入时可以暴露于更大的力和/或压力。

此外，因为探头能够经受更大的力和/或压力，所以与已知的探头相比，可以显著提高贯入速度。勘测速度的提高降低了勘测区域氧化还原界面的总成本。目前，平均操作速度约为70至100米/天。操作速度在很大程度上取决于地质情况和深度，但在最佳条件下，操作速度可以达到150米/天以上。

此外，参考电极在地表处的定位也使得能够在更大的贯入(量)或深度处进行测量，因为与携带参考电极和氧化-还原电极两者的探头相比，压力可能更大。

此外，该探头可以用于较硬的地层(如带有石头和巨砾的粘土台地)，因为与已知的用于测定氧化-还原电位的探头相比，该探头能够经受更大的力和/或压力。

在一个方面中，氧化-还原电极可以是金属电极，因为金属电极能够承受较大的力或压力。

在一个方面中，氧化-还原电极可以是贵金属电极，因为贵金属电极能够承受大的力或压力，而且贵金属具有化学惰性，从而减少了化学反应引起的漂移。

氧化-还原电极可以是铂电极，因为铂电极是众所周知的，并且具有优良的特性。

在一个方面中，氧化-还原电极可以是基本上封装在探头主体中并与探头主体电隔离的金属电极。

通过封装和电隔离氧化-还原电极，由于氧化-还原电极在与探头主体隔离的同时与地层电接触，因此电位漂移的风险被大大降低。

在一个方面中，氧化-还原电极可以是基本上封装在探头主体中并与探头主体电隔离的贵金属电极。

通过封装和电隔离氧化-还原电极，由于氧化-还原电极在与探头主体隔离的同时与地层电接触，因此电位漂移的风险被大大降低。

氧化-还原电极可以是铂电极，因为铂电极是众所周知的，并且具有优良的特性。

在一个方面中，氧化-还原电极可以包括封装金属电极的电极主体，电极主体可以是用于电隔离金属电极的绝缘体。

电极主体可以由复合材料或塑料制成，它能够承受高力或高压力而不劣化或变形，同时能够将金属电极与探头隔离。

电极主体可以包括与探头主体中的贯通槽互补的突出部。探头主体和电极主体之间的连接即使在大的力或压力下也必须紧密并且机械稳定，从而使测量的电位不随时间而漂移。这也将使探头能以较大的贯入速度穿入，因为氧化-还原电极将能应对较大的力或压力。

突出部可以具有这样的外表面，该外表面具有金属电极的暴露部分，从而当探头在预定使用中时，金属电极与地层直接接触。

在一个方面中，氧化-还原电极可以由电极主体封装，其中电极主体可以包括与探头主体中的贯通槽互补的突出部。突出部可以具有外表面，该外表面具有氧化-还原电极的暴露部分。

附图说明

将在图中描述本发明的一些实施方式，在图中：

图1示出了原位测定地层中的氧化-还原电位的方法；

图2示出了根据贯入测定的氧化-还原电位；

图3示出了用于原位测定地层中的氧化-还原电位的系统；

图4示出了用于根据贯入原位测定地层中的氧化-还原电位的系统；

图5示出了用于原位测定地层中的电阻率的系统；

图6示出了用于根据贯入原位测定地层中的电阻率的系统；

图7示出了用于原位测定地层中的电阻率的具有温纳构造的系统；

图8示出了用于根据贯入原位测定地层中的电阻率的具有温纳构造的系统；

图9示出了用于使用具有螺旋钻的探头原位测定地层中的氧化-还原电位的系统；

图10示出了具有氧化-还原电极(B)的探头主体的剖面以及氧化-还原电极(A)；

图11示出了：具有一种计量仪的探头，该计量仪具有四个电极(A)；以及具有另一种计量仪的探头，该计量仪具有两个电阻率电极(B)；

图12示出了具有氧化-还原电极的探头；以及

图13示出了根据贯入的氧化-还原电位以及根据贯入的电阻率测量值。

具体实施方式

图1示出了测定具有地表12的地层10中的氧化-还原电位50的方法1000。

该方法1000包括在地表12处放置1100参考电极52的操作。进一步的操作是将携带氧化-还原电极54的探头40穿入1200地层10中或从地层中撤回1300。进一步的操作是测定1400氧化-还原电位50作为参考电极52和氧化-还原电极54之间的电位差。

作为实施例，参考电极52被放置在地层10的地表处。之后，钻进机构将进行把探头40穿入1200地层10中的操作。探头40携带氧化-还原电极54。与氧化-还原电极54和参考电极52无线或有线通信32的控制器30将进行测定1400氧化-还原电位50作为参考电极52和氧化-还原电极54之间的电位差的操作。

在图3、图4和图9中，系统20已经执行了上述方法1000，其中，测定1400氧化-还原电位50的操作是在穿入1200的同时进行的。

图2示出了根据贯入62测定的氧化-还原电位50。

该方法1000包括在地表12处放置1100参考电极52的操作。进一步的操作是将携带氧化-还原电极54的探头40穿入1200地层10中或从地层中撤回1300。其中，穿入1400或撤回1300的操作包含建立1500探头40贯入62到地层10中的操作；并且其中，根据贯入62进行测定1400氧化-还原电位50的操作。

作为实施例，将参考电极52放置在地层10的地表处。之后，钻孔机构将进行把探头40穿入1200地层10中的操作。探头40携带氧化-还原电极54。用于测量探头的贯入62的贯入仪60与探头40连接。与氧化-还原电极54和参考电极52无线或有线通信32的控制器30将进行测定1400氧化-还原电位50作为参考电极52和氧化-还原电极54之间的电位差的操作。控制器30还与贯入仪60进行无线或有线通信32，因此，根据到地层10中的贯入62测定氧化-还原电位50。

在图4中，系统20已经执行了上述方法1000，其中在穿入1200的同时进行根据到地层10中的贯入62测定1400氧化-还原电位50的操作。

图3示出了用于原位测定地层10中的氧化-还原电位50的系统20。地层10具有地表12，该地表将地层10与环境大气16隔开。

该系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。该探头包括氧化-还原电极54。氧化-还原电极54可以是金属电极或贵金属电极或铂电极。

该系统可以包括任何钻进机构，并且钻进机构因此公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括在探头40外部的参考电极52。参考电极52放置在地层10的地表12处。

系统20还包括控制器30，该控制器构造成有线或无线地与以下设备通信32：

-探头40；以及

-参考电极52。

控制器30还构造成进行测定1400氧化-还原电位50作为参考电极52和氧化-还原电极54之间的电位差的操作。

探头40下方的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正在穿入1200地层10。

在图中，氧化-还原电极54穿过一条虚线，该虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴具有任意单位，第二轴是测定的氧化-还原电位50，并且氧化还原界面18由电位的大变化表示。

图4示出了用于根据贯入62原位测定地层中的氧化-还原电位50的系统20。地层10具有地表12，该地表将地层10与环境大气16隔开。

该系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。探头包括氧化-还原电极54。

该系统可以包括任何钻进机构，并且钻进机构因此公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括探头40外部的参考电极52。参考电极52被放置在地层10的地表12处。

系统20还包括用于测定探头40的贯入62的贯入仪60。

贯入仪60是弦丝电位计。

系统20包括控制器30，该控制器构造成有线或无线地与以下设备通信32：

-探头40。

-参考电极52；以及

-贯入仪60。

控制器30还构造成根据到地层10中的贯入62测定1400氧化-还原电位50作为参考电极52和氧化-还原电极54之间的电位差。

探头40下方的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正在穿入1200地层10。

在图中，氧化-还原电极54穿过一条虚线，该虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴是贯入62，第二轴是测定的氧化-还原电位50，并且氧化还原界面18由电位的大变化表示。

图5示出了用于原位测定地层20中的电阻率76的系统20。地层10具有地表12，该地表将地层10与环境大气16隔开。

该系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。探头包括具有两个电阻率电极72的计量仪70，该电阻率电极用于测量电位/测量直流电(DC)。

该系统可以包括任何钻进机构，因此该钻进机构被公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括用于提供直流电的一对电流电极74、74。电流电极74、74被放置在地层10的地表12处。

系统20还包括控制器30，该控制器构造成有线或无线地与以下设备通信32：

-具有计量仪70的探头40；以及

-一对电流电极74、74。

控制器30构造成根据施加的直流电和电阻率电极72之间的电位来测定地层的电阻率76。

这对电流电极74、74位于探头40的两侧。

探头40下面的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正从地层10撤回1300。

图中的虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴是任意单位，并且第二轴是测定的电阻率76。

图6示出了用于根据贯入62原位测定地层10中的电阻率76的系统20。地层10具有地表12，该地表将地层10与环境大气16隔开。

该系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。探头包括计量仪70，计量仪具有用于测量电位/测量直流电(DC)的两个电阻率电极72。

该系统可以包括任何钻进机构，因此该钻进机构被公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括用于提供直流电的一对电流电极74、74。电流电极74、74被放置在地层10的地表12处。

系统20还包括用于测定探头40的贯入62的贯入仪60。

贯入仪60是弦丝电位计。

系统20还包括控制器30，该控制器构造成有线或无线地与以下设备通信32：

-具有计量仪70的探头40；

-一对电流电极74、74；以及

-贯入仪60。

控制器30还构造成根据贯入62基于施加的直流电和电阻率电极72之间的电位来测定地层的电阻率76。

这对电流电极74、74位于探头40的两侧。

探头40下面的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正从地层10撤回1300。

图中的虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴是任意单位的贯入62，并且第二轴是测定的电阻率76。

图7示出了用于原位测定地层10中的电阻率76的具有温纳构造的系统20。

地层10具有地表12，该地表将地层10与环境大气16隔开。

系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。探头包括计量仪70，该计量仪具有用于测量电位/测量直流电(DC)的两个电阻率电极72以及用于提供直流电的两个电流电极74。

计量仪的电极72、74为温纳构造，并且电极72、74为环形电极。

该系统可以包括任何钻进机构，因此该钻进机构被公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括控制器30，该控制器构造成与具有计量仪70的探头40有线或无线地通信32。

控制器30还构造成根据施加的直流电和电阻率电极72之间的电位来测定地层的电阻率76。

探头40下方的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正在从地层10撤回1300。

在图中，虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴为任意单位，并且第二轴是测定的电阻率76。

图8示出了用于根据贯入62原位测定地层12中的电阻率76的具有温纳构造的系统20。

地层10具有地表12，该地表12将地层10与环境大气16隔开。

系统20包括用于贯入62到地层10中的探头40。探头包括计量仪70，该计量仪具有用于测量电位/测量直流电(DC)的两个电阻率电极72以及用于提供直流电的两个电流电极74。

计量仪的电极72、74为温纳构造，并且电极72、74为环形电极。

该系统可以包括任何钻进机构，因此该钻进机构被公开为探头40旁边的矩形。

系统20还包括用于测定探头40的贯入62的贯入仪60。

贯入仪60是弦丝电位计。

系统20还包括控制器30，该控制器构造成有线或无线地与以下设备通信32：

-具有计量仪70的探头40；以及

-贯入仪60。

控制器30还构造成根据贯入62基于施加的直流电和电阻率电极72之间的电位来测定地层的电阻率76。

探头40下面的箭头表示探头40的移动，在本图中，探头40正从地层10撤回1300。

图中的虚线表示氧化还原界面18。

公开了曲线概图，其中第一轴是任意单位的贯入62，并且第二轴是测定的电阻率76。

图9示出了用于使用具有螺旋钻的探头40原位测定地层10中的氧化-还原电位50的系统20。图7与图3不同之处仅在于具有螺旋钻的探头。

图10示出了具有氧化-还原电极(B)的探头主体42的剖面以及氧化-还原电极54(A)。

氧化-还原电极54包括电极主体55。电极主体55封装金属电极。电极主体55包括与探头主体42中的贯通槽46互补的突出部58，参见图10B。突出部58具有外表面59，该外表面具有金属电极的暴露部分。

氧化-还原电极54的参考线指向金属电极。

氧化-还原电极54具有适于与探头主体42的圆柱形形状接合的弯曲部。

突出部58具有使外表面59和探头主体42形成平齐表面的突出程度。

电极主体55具有背面(未示出)，该背面要与氧化-还原电极保持器接合。

氧化-还原电极保持器56具有大致的圆柱形形状，并具有朝向中央凹入部的狭缝，其中，如在图10B中看到的，当氧化-还原电极54和氧化-还原电极保持器位于探头主体42内时，狭缝和中央凹入部适于与氧化-还原电极54接合。整个连接非常坚固，使得氧化-还原电极54能够经受大的力或压力而不会漂移，从而不会降低分辨率或者在更糟糕的情况下完全毁坏数据。

图11A示出了具有计量仪70的探头40，该计量仪具有四个电极72、74(A)。两个电阻率电极72和两个电流电极74都是环形电极，并以温纳构造定位。

电极72、74要借助位于电极72、74和塑料管82之间的塑料环80与探头40的其它部分隔离。

图11B示出了具有两个电阻率电极72的探头40。在这种情况下，电流电极74(未示出)要放置在地层10的地表12处。

电阻率电极72是环形电极。

电阻率电极72要借助位于电极72和塑料管82之间的塑料环80与探头40的其它部分隔离。

图12示出了具有氧化-还原电极54的探头40。

探头40具有探头主体42，该探头主体具有探头前部44。其中探头前部44具有尖锐的端部，以方便贯入。探头40具有另一探头主体42'，该探头主体具有氧化-还原电极54，以与具有探头前部44的探头主体42连接。

氧化-还原电极54包括电极主体55。电极主体55封装金属电极。电极主体55包括与探头主体42中的贯通槽46互补的突出部58。突出部58具有外表面59，该外表面具有金属电极的暴露部分。

图13示出了根据贯入62(A)的氧化-还原电位50以及根据贯入62(B)的电阻率76的测量值。

图13A公开了地层10的曲线图，该地层由于在所有贯入62处测量的氧化-还原电位50为负而被还原，因此，该地层支持或可以支持能够反硝化的细菌。

图13B公开了使用直流电被研究的地层10的曲线图。根据贯入62绘制了电阻率76的测量值。可以根据电阻率76来测定地层10的岩性。因为含水层(如沙子)与不含水层相比具有不同的氧化-还原电位50，所以在解释任何氧化-还原电位勘测时，地层10的岩性是重要的。

Claims (17)

1.一种测定具有地表(12)的地层(10)中的氧化-还原电位(50)的方法(1000)，所述方法(1000)包括以下操作：

-在地表(12)处放置(1100)参考电极(52)；

-通过直接推压或旋转钻进或声波钻进将携带氧化-还原电极(54)的探头(40)直接穿入(1200)到地层(10)中；

-测定(1400)氧化-还原电位(50)作为参考电极(52)和氧化-还原电极(54)之间的电位差。

2.根据权利要求1所述的方法(1000)，其中，在穿入(1200)的同时进行测定(1400)氧化-还原电位(50)的操作。

3.根据权利要求1或2所述的方法(1000)，其中，通过根据时间引导探头(40)来进行穿入(1200)的操作。

4.根据权利要求1至3中任一项或多项所述的方法(1000)，其中，穿入(1200)的操作涉及建立(1500)探头(40)贯入(62)到地层(10)中的操作；并且其中，根据贯入(62)进行测定(1400)氧化-还原电位(54)的操作。

5.根据权利要求1至4中任一项或多项所述的方法(1000)，其中，所述方法还包括将探头(40)从地层(10)中撤回(1300)并在撤回(1300)期间进行直流(DC)电阻率测量的操作。

6.一种用于原位测定地层(10)中的氧化-还原电位(50)的系统(20)，该地层具有将地层(10)与环境大气(16)隔开的地表(12)，所述系统(20)包括：

-控制器(30)，其构造成与以下设备通信(32)：

-探头(40)，其用于贯入(62)到地层(10)中，并包括氧化-还原电极(54)；和

-参考电极(52)；

-控制器(30)构造成将氧化-还原电位(50)测定作为参考电极(52)和氧化-还原电极(54)之间的电位差。

7.根据权利要求6所述的系统(20)，所述系统还包括与控制器(32)通信(32)的贯入仪(60)，控制器还构造成根据到地层(10)中的贯入(62)测定(1400)氧化-还原电位(50)。

8.根据权利要求6或7所述的系统(20)，所述系统还包括与控制器(30)通信(32)的计时器，控制器还构造成根据时间测定(1400)氧化-还原电位(50)。

9.根据权利要求6至8中任一项或多项所述的系统(20)，其中，探头(40)还包括计量仪(70)，该计量仪构造成测量直流(DC)电阻率，并且，控制器(30)还构造成根据时间、贯入(62)或者时间和贯入(62)两者来测定(1400)电阻率(76)。

10.根据权利要求6至9中任一项或多项所述的系统(20)，其中，氧化-还原电极(54)是金属电极，基本上封装在探头(40)的探头主体(42)中并与探头的探头主体电隔离。

11.根据权利要求10所述的系统(20)，其中，氧化-还原电极(54)包括封装金属电极的电极主体(55)；其中，电极主体(55)包括与探头主体(42)中的贯通槽(46)互补的突出部(58)，该突出部(58)具有外表面(59)，突出部的外表面具有金属电极的暴露部分。

12.根据权利要求6至9中任一项或多项所述的系统(20)，其中，氧化-还原电极(54)由电极主体(55)封装；其中，电极主体(55)包括与探头主体(42)中的贯通槽(46)互补的突出部(58)，该突出部(58)具有外表面(59)，突出部的外表面具有氧化-还原电极(54)的暴露部分。

13.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机上的指令，以使根据权利要求6至12中任一项或多项所述的系统(20)执行根据权利要求1至5中任一项或多项所述的测定氧化-还原电位(50)的方法(1000)。

14.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有权利要求13所述的计算机程序。

15.一种用于贯入(62)到地层(10)中的探头(40)，该探头(40)包括探头主体(42)，具有用于贯入(62)地层(10)的探头前部(44)，探头主体(42)支撑氧化-还原电极(54)。

16.根据权利要求14所述的探头(40)，其中，氧化-还原电极(54)是金属电极，基本上封装在探头主体(42)中并与探头主体电隔离。

17.根据权利要求15至16所述的探头(40)，其中，氧化-还原电极由电极主体(55)封装；其中，电极主体(55)包括与探头主体(42)中的贯通槽(46)互补的突出部(58)，该突出部(58)具有外表面(59)，突出部的外表面具有氧化-还原电极的暴露部分。

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