CN112630842B - 一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置及方法 - Google Patents

一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置，属于地球物理勘探技术领域，包括相互共线或平行的偶极发射组合装置和偶极接收装置，采用两个发射电流大小相等，方向相反、极距大小相同的偶极发射装置作为发射场源，从物理上实现电磁场梯度测量，进而提高分辨率。本发明还公开一种采用应用于直流电阻率法勘探的方法，数值模拟试验表明：偶极差分装置分辨率明显优于二极装置、三极装置、四极装置和偶极装置，从根本上提升了直流电阻率法的分辨率和探测精度，有利于开展精细勘查。

Description

一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置及方法
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置及勘探方法，可用于水文地质、工程、环境地质调查和资源勘探等方面。
背景技术
直流电阻率勘探法作为一种相对成熟的地球物理勘探方法，广泛应用于矿产资源勘探，水文地质调查，工程勘察等领域。在直流电阻率法中，根据不同的地质任务和不同的地电条件，采取不同的装置类型(电极排列形式)进行探测。目前，常用的装置类型主要有二极装置(图1)、三极装置(图2)、联合剖面装置(图3)、对称四极装置(图4)、中间梯度装置(图5)、偶极装置(图6)等。
二极装置(AM)：供电电极B和测量电极N均置于“无穷远”处接地。这里对B极而言，若相对A极在M极产生的电位小到可以忽略时，便视B极为无穷远。对N极而言，若A极在N极产生的电位相对M极很小以至于可以忽略时，认为N极位于无穷远，并取那里的电位为零。因此，二极装置实际是一种测量电位的装置，通常取AM中点作为观测结果的记录点，然后沿着测线逐点进行观测，分辨率相对较低，且有“无穷远”极存在，使得整个装置移动起来比较笨重。
三极装置(AMN)：当只将供电电极B置于无穷远，而AMN排列在一条直线上进行观测时，便称为三极装置，通常取MN中点作为观测结果的记录点，然后沿着测线逐点进行观测。这种装置有一“无穷远”极存在，使得整个装置移动起来比较笨重，但由于其测量的是电位差，故分辨率比二极装置高。
联合剖面装置(AMN&MNB)：它是由两个三极装置联合组成，故称为联合剖面装置。其中电源的负极置于无穷远，电源的正极可以接向A极，也可接向B极，然后沿着测线逐点进行观测。这种方法是寻找和追索良导电陡立薄矿脉的最有效方法之一，在寻找轴状矿体以及划分岩层界面时，也有明显的效果。但是有一“无穷远”极存在，使得整个装置移动起来比较笨重，并且在一个测点观测两次，生产率较低。因此，联合剖面法不适合普查，多用于详查和勘探阶段。
对称四极装置(AMNB)：AM＝NB，记录点取在MN的中点。当AM＝MN＝NB＝a时，称作温纳装置。整个装置沿着测线逐点进行观测。主要用于地质填图，研究覆盖层下的基岩起伏和对水文、工程地质提供有关疏松层中电性不均匀体的分布以及疏松层下的地质构造等。
中间梯度装置(MN)：供电电极AB的极距取的较大，且固定不动，测量电极MN在其中间三分之一地段逐点测量，记录点取在MN的中点，然后沿着测线逐点进行观测。中间梯度法是追索陡立高阻脉状体的有效方法，且布设一次电极可同时观测多条测线，生产效率相对较高，但是只能在供电电极中间三分之一地段测量，降低了其装置本身的优越性。
偶极装置(ABMN)：供电电极AB和测量电极MN均采用偶极并分开有一定的距离，常取MN中点为记录点。这种装置对于各种金属矿的异常响应相当明显，供电电极与测量电极是分开的，且所需导线很短，能有效减弱游散电流和电磁感应引起的干扰，分辨率比较高，相对其它装置具有明显的优越性。因此，它也是目前矿产资源勘查中一种常用的装置类型，尤其是与频率域激电法同时测量时，偶极装置的应用更为普遍。
随着勘探难度的加大和方法应用的深入，对直流电阻率法装置的分辨率提出了更高的要求，然而现有勘探装置的分辨率无法实现精细勘探的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题：现有的偶极装置，分辨率不能满足要求，不利于精细勘查。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置(图7)，包括相互共线或平行的偶极发射组合装置和偶极接收装置，所述偶极发射组合装置包括2个偶极发射装置，2个偶极发射装置相互共线或平行且间隔一段距离。
作为优选，两个偶极发射装置发射电流大小相等、方向相反，极距大小相等。作为优选，所述2个偶极发射装置和偶极接收装置的相对位置可调节。所述两个偶极发射装置的极距相等，但可以与偶极接收装置的极距不等。
本发明还公开一种采用上述应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置的勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将偶极差分装置设置于待测区域地面，使2个偶极发射装置共线或平行，并与偶极接收装置共线或平行；
S2：向偶极发射组合装置中的发射回路中通入电流，控制两个偶极发射装置中的电流流入大小相等，方向相反；
S3：调节偶极发射装置的极距大小，使得二者极距相等；
S4：调节偶极组合发射装置与偶极接收装置的相对位置，控制偶极组合发射装置中的两个偶极发射装置同时激发，实现几何测深；采用偶极差分发射模式，实现从物理上测量电磁梯度场。
作为优选，步骤S1中，2个偶极发射装置与1个偶极接收装置三者所在平面共线或平行。
作为优选，步骤S3中，2个偶极发射装置的极距大小相等，偶极接收装置的极距可以与偶极发射装置的极距相等或者不相等。作为优选，通过点源电流场在水平层状大地地面上的电位表达式计算每个点电源产生的电位，并根据任意电极组合的视电阻率公式计算视电阻率测深曲线。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置，采用两个发射电流大小相等，方向相反、极距大小相同的偶极发射装置作为发射场源，从物理上实现电磁场梯度的测量，分辨率较高。数值试验表明：偶极差分装置分辨率明显优于二极装置、三极装置、四极装置和偶极装置，从根本上提升直流电阻率法的分辨率和探测精度，有利于开展精细勘查。
附图说明
图1是二极装置结构示意图；
图2是三极装置结构示意图；
图3是联合剖面装置结构示意图；
图4是对称四极装置结构示意图；
图5是中间梯度装置结构示意图；
图6是偶极装置结构示意图；
图7为偶极差分装置示意图；
图8为不同地电模型对应的不同装置视电阻率曲线：(a)为G型曲线；(b)为D型曲线；(c)为H型曲线；(d)为K型曲线；(e)为KH型曲线1；(f)为KH型曲线2。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明的应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置，包括相互共线的偶极发射组合装置和偶极接收装置，偶极发射组合装置包含2个偶极发射装置，2个偶极发射装置相互共线且间隔一段距离。两个偶极发射装置发射电流大小相等、方向相反，极距大小相等。偶极发射装置和偶极接收装置的相对位置可调节。2个偶极发射装置的极距相等，但可以与偶极接收装置的极距不等。
本实施例中，如图7所示，具体为偶极发射装置A1B1，偶极发射装置A2B2和偶极接收装置MN，三者所在平面共线。偶极发射装置A1B1和偶极发射装置A2B2回路中的电流大小相等，方向相反，极距大小相等。偶极发射装置(A1B1或A2B2)和偶极接收装置MN的极距大小可以不等。
本发明还公开一种采用上述应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置的勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将偶极差分装置设置于待测区域地面，使2个偶极发射装置和1个偶极接收装置三者共线，称为轴向偶极差分；即偶极发射装置A1B1，偶极发射装置A2B2和偶极接收装置MN，三者所在平面共线；若2个偶极发射装置共线，并与1个偶极接收装置平行，称为赤道偶极差分。下面以轴向偶极差分装置为例进行说明。
S2：向偶极发射组合装置中的发射回路中通入电流，控制两个偶极发射装置中的电流流入大小相等，方向相反；即调节偶极发射装置A1B1和偶极发射装置A2B2回路中的电流大小和方向，使其大小相等，方向相反。
S3：调节两个偶极发射装置的极距大小，使得二者极距相等；即偶极发射装置A1B1和偶极发射装置A2B2的极距大小，使得二者的极距大小相等。
S4：调节偶极组合发射装置与偶极接收装置的相对位置，控制偶极组合发射装置中的两个偶极发射装置同时激发，实现几何测深；采用偶极差分发射模式，实现从物理上测量电磁梯度场。
通过点源电流场在水平层状大地地面上的电位表达式计算每个点电源产生的电位，并根据任意电极组合的视电阻率公式计算不同类型地电模型对应的不同装置(二极装置、三极装置、对称四极装置、偶极装置、偶极差分装置)视电阻率测深曲线，为后续反演与解释奠定基础。
设计不同类型的均匀层状介质地电模型用于对比不同装置的视电阻率测深曲线：
G型模型参数：第一层电阻率为10Ω·m，厚度为20m；第二层电阻率为100Ω·m。
D型模型参数：第一层电阻率为100Ω·m，厚度为20m；第二层电阻率为10Ω·m。
H型模型参数：第一层电阻率为100Ω·m，厚度为50m；第二层电阻率为10Ω·m，厚度为50m；第三层电阻率为100Ω·m。
K型模型参数：第一层电阻率为10Ω·m，厚度为50m；第二层电阻率为100Ω·m，厚度为50m；第三层电阻率为10Ω·m。
HK1型模型参数：第一层电阻率为10Ω·m，厚度为20m；第二层电阻率为100Ω·m，厚度为10m；第三层电阻率为10Ω·m，厚度为50m；第四层电阻率为500Ω·m。
HK2型模型参数：第一层电阻率为10Ω·m，厚度为20m；第二层电阻率为100Ω·m，厚度为2m；第三层电阻率为10Ω·m，厚度为50m，第四层电阻率为500Ω·m。所采用的二极装置、三极装置、对称四极装置、偶极装置和偶极差分装置的极距均相等。
图8为不同地电模型对应的不同装置视电阻率曲线。从图中可以看出：①二极装置的视电阻率异常响应较小，分辨率最低，尤其对于高低阻薄层很难进行识别，这是由于二极装置实际上是一种测量电位的装置；②三极装置和对称四极装置的视电阻率曲线完全重合，且异常响应明显大于二极装置异常响应，这是由于二者测量的均是电位差，即为二极装置测量的电位差分结果；③偶极装置的视电阻率异常响应高于二极装置和三极装置的异常响应，这是由于偶极装置采用了观测电位差的方式，而且偶极发射相当于从物理角度进行差分，进一步提升了分辨率；④偶极差分装置对高/低阻薄层的分辨率是最高的，尤其是对于板状体和三维体将具有较高识别能力，这是由于偶极差分装置的发射端采用两个相距一段距离，且供电方向相反的电极对，从发射角度又进行了一次物理差分，在偶极装置的基础上又一次提高了分辨能力。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于直流电阻率法勘探的偶极差分装置，其特征在于：包括相互共线或平行的偶极发射组合装置和偶极接收装置，所述偶极发射组合装置包括2个偶极发射装置，2个偶极发射装置相互共线或平行，且间隔一段距离；两个偶极发射装置发射电流大小相等、方向相反，极距大小相等；
2个偶极发射装置的极距相等，但偶极发射装置和偶极接收装置的极距可大小不等，2个偶极发射装置与1个偶极接收装置三者所在平面共线；
2个偶极发射装置和偶极接收装置的相对位置可调节；控制偶极组合发射装置中的两个偶极发射装置同时激发，实现几何测深；采用偶极差分发射模式，实现从物理上测量电磁梯度场。
2.一种采用权利要求1所述的偶极差分装置的应用于直流电阻率法勘探的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将偶极差分装置设置于待测区域地面，使2个偶极发射装置共线或平行，并与偶极接收装置共线或平行；
S2：向偶极发射组合装置中的发射回路中通入电流，控制两个偶极发射装置中的电流流入大小相等，方向相反；
S3：调节偶极发射装置的极距大小，使得二者极距相等；
S4：调节偶极组合发射装置与偶极接收装置的相对位置，控制偶极组合发射装置中的两个偶极发射装置同时激发，实现几何测深；采用偶极差分发射模式，实现从物理上测量电磁梯度场。
3.根据权利要求2所述的应用于直流电阻率法勘探的方法，其特征在于：步骤S1中，2个偶极发射装置与1个偶极接收装置三者所在平面共线。
4.根据权利要求2所述的应用于直流电阻率法勘探的方法，其特征在于：步骤S3中，2个偶极发射装置的极距相等，偶极接收装置的极距可以与偶极发射装置的极距相等或者不相等。
5.根据权利要求2所述的应用于直流电阻率法勘探的方法，其特征在于：通过点源电流场在水平层状大地地面上的电位表达式计算每个点电源产生的电位，并根据任意电极组合的视电阻率公式计算视电阻率测深曲线。
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