CN1821810A - 聚束直流电阻率探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚束直流电阻率探测方法：它是采用一个负电极、一个测量参考电极，一个主电极，两个供电极性与主电极相同的屏蔽电极，四个监督电极相互作用组成的电极系对地面下一定范围和厚度进行探测，主电极、屏蔽电极用导线连接、与负电极共为供电回路，监督电极两两对称短路连接、均与测量参考电极构成测量回路：测得的视电阻率ρ_s按下式计算：ρ_s＝ρ_i－ρ_i－1 (1)；ρ＝K（U_Mi/I₀) (2)；式(2)中U_M1为监督电极M₁的电位；I₀为主电极(A₀)的电流，K为聚束电极系装置系数，取值为1，i为自然数。该方法利用同性电场在地下的排斥效应，使电流在较深的地方有较大的电流密度分布，使得地下异常体在地表引起较大的电场变化，大大提高了探测深度，探测精度较高。

Description

聚束直流电阻率探测方法

技术领域：本发明涉及一种地球物理探测技术，尤其涉及一种聚束直流电阻率探测方法

背景技术：直流电阻率法勘探是一门新兴的地球科学，无论在普查金属、非金属矿产方面，还是在能源勘探、地质填图以及水文、工程地质调查等方面，都有良好的地质效果，发挥着重要作用。

直流电阻率法勘探的根本目的是求取地层视电阻率，通过测量地表电场变化，来判断不同深度的地下异常体的存在；目前常规直流电阻率法测深的测量方式有多种，其中最常规的直流电测深方法为对称四极法，该方法包括如下步骤：

一、将测量装置的供电电极A和B、监督电极M和N四个电极排列方式相对MN中点对称；其装置系数的计算式如下：

$K=\mathrm{\π}\·\frac{\mathrm{AM}\·\mathrm{AN}}{\mathrm{MN}}$

MN中点为被测量点，被测量点的地下介质的视电阻率计算公式为：

$\mathrm{\ρ}=K\·\frac{\mathrm{\ΔU}}{I}.$

ΔU为MN之间的电位差，I为AB的供电电流。

一般认为测量到的视电阻率的对应深度为AB距离的1/2，在测量过程中，固定M和N电极，移动电极A和B，AB距离越大，探测深度越深。

直流电阻率法在工程地质勘探中应用十分广泛，但也存在着固有的缺陷。电极供电电流有限，电流密度随着地层深度增加而迅速减小，电流不能够往更深的地层流动，造成勘探深度有限；地电剖面的横向和纵向分辨率较低，对复杂地质条件勘探效果不够理想等也是困扰常规直流电阻率法的技术难题。

发明内容：

为了解决上述对称四极法求取地层视电阻率所存在的问题，本发明的目的是提供一种探测深度大、对一定范围和厚度且带状断续分布的复杂地层有较好探测效果的聚束直流电阻率探测方法：

本发明的技术方案是以下述方式实现的：

一种聚束直流电阻率探测方法：它是采用供电电极、屏蔽电极、监督电极相互作用组成的电极系对地面下一定范围和厚度进行探测，其特征在于：一个负电极(B)、一个测量参考电极(N)，一个主电极(A₀)，两个供电极性与主电极(A₀)相同的屏蔽电极(A₁、A₂)；四个监督电极(M₁、M₁′、M₂、M₂′)；

电极系的排列方式为：将主电极(A₀)布置在被测量点的地面上，以主电极(A₀)为中心，将监督电极(M₁、M₁′)、监督电极(M₂、M₂′)、屏蔽电极(A₁、A₂)三对电极顺序对称地布置在电极A₀两边、呈一条直线，负电极(B)和测量参考电极(N)分别布置在直线的两侧，A₀B和A₀N均与这条直线方向垂直：

电极系的连线方式为：主电极(A₀)、屏蔽电极(A₁、A₂)用导线连接，此三个电极上的电位相同，与负电极(B)共为供电回路，监督电极(M₁、M₁、′M₂、M₂)两两对称短路连接，此两对电极均与测量参考电极(N)构成测量回路：

测量：使主电极(A₀)和屏蔽电极(A₁、A₂)分别供给极性相同的电流I₀和I₁，并调节I₀，使得两对监督电极(M₁、M₁′和M₂、M₂′)上的电位保持相同，即 $U_{M_1}=U_{M_2}$ 或 $U_{M_1^{\′}}=U_{M_2^{\′}};$

测得的视电阻率ρ_s按下式计算：

              ρ_s＝ρ_i-ρ_i-1             (1)

$\mathrm{\ρ}=K\frac{U_{M_1}}{I_0}---\left(2\right)$

式(2)中U_M1为监督电极M₁的电位；I₀为主电极(A₀)的电流，K为聚束电极系装置系数，取值为1，i表示为自然数。

主电极(A₀)和负电极(B)之间的距离为所需最大勘探深度的5～10倍，主电极(A₀)和测量参考电极(N)之间的距离为所需最大勘探深度的5～8倍。

在重复测量时，屏蔽电极(A₁和A₂)同时向外侧移动，屏蔽电极每次移动步距为0.2m～0.3m，调节主电流使电场聚束，继续重复上述操作过程，当屏蔽电极与主电极的距离为5m～8m时测量结束，对应探测点的深度为(l₁+(i-1)×s)×d；式中l₁为A₀A₁的初始距离，l₁＜1m；s为移动步距，d为A₀A₁距离的倍数，2.8≤d≤3.2；最后，画出不同深度的视电阻率曲线，根据某一深度的视电阻率异常来判断该深度范围内有异常体的存在。

本发明的聚束原理是：由于M₁、M₁′两等位面之间以及M₂、M₂′两等位面之间不可能有电流流动，所以无论从主电极或屏蔽电极流出的电流都在M₁、M₁′以及M₂、M₂′处拐弯，迫使主电极A₀的供电电流垂直流入地层。测得的视电阻率ρ_s表示为：

${\mathrm{\ρ}}_s=K\frac{U_{M_1}}{I_0}$

式中U_M1表示在点M₁处的电位。勘探时测量点M₁和监督电极B即参考电极之间的电位差。由于B极较远，近似地认为U_B＝0，所以点M₁和B极之间地电位差实际上就等于M₁处的电位U_m1，K为聚束电极系装置系数，取值为1。

本“聚束直流电阻率探测方法”激发的电场在地下具有一定的方向性，可以逾越高阻层的屏蔽，并且减少低阻层分流的影响，所以探测深度高于常规直流电阻率法。聚束直流电阻率探测方法对范围不广，厚度不大，带状断续分布的复杂地层有较好的探测效果，该方法应用于黄河堤坝根石的探测试验中已经取得了成功。该方法利用同性电场在地下的排斥效应，使电流在较深的地方有较大的电流密度分布，使得地下异常体在地表引起较大的电场变化，大大提高了探测深度，探测精度较高。

附图说明：

图1为对称四极法电测深的电极系分布示意图。

图2为本发明的电极系分布示意图。

图3为本发明的聚束原理示意图。

图4为中牟黄河控导134坝测点1电阻率测深对比曲线。

图5为中牟黄河控导134坝测点2电阻率测深对比曲线。

图6为本发明中使用的电极系仪器工作原理框图。

图7为本发明使用的微计算机工作原理方框图。

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

首先按照图2所示，布置电极系：将主电极(A₀)布置在被测量点的地面上，以主电极(A₀)为中心，将监督电极(M₁、M₁′)、监督电极(M₂、M₂′)、屏蔽电极(A₁、A₂)三对电极顺序对称地布置在电极A₀两边、呈一条直线，负电极(B)和测量参考电极(N)分别布置在直线的两侧，A₀B和A₀N均与这条直线方向垂直；

由图2还可以看出：电极系的连线方式为：主电极(A₀)、屏蔽电极(A₁、A₂)用导线连接，此三个电极上的电位相同，与负电极B共为供电回路，监督电极(M₁、M₁、′M₂、M₂)两两对称短路连接，此两对电极均与测量参考电极N构成测量回路；

测量时，调节主电流A₀的大小，使M₁与M₂之间的电位差为零，这时M₁′与M₂′之间的电位差也为零，这样在M₂和M₂′之间形成聚束电场，测量到屏蔽电极M₁的电压值和主电极A₀的电流值，仪器自动记录下来，并由式(2)计算出视电阻率值，然后同时移动屏蔽电极A₁和A₂，移动方向按图2中所示，每次移动0.2m～0.3m，调节主电流使电场聚束，继续重复上述操作过程。当屏蔽电极与主电极的距离为5m～8m时测量结束。

由图6、图7可以看出：聚束直流电阻率探测仪由微计算机、两组接收通道、三组供电电路、调平衡电路、平衡指示电路、滤波电路、24位A/D转换电路及数据处理软件等组成，其中，微计算机部分由51系列单片及ROM、RAM等构成微计算机，从键盘接收控制命令。由点阵式液晶显示各种状态及测量结果。控制接口发出供电、恒流、前放、滤波等需要的命令，并从A/D获得所需数据。通讯口是用在测量结束后将仪器内的数据送到外部计算机；两组接收通道用来接收M₁ N、M₂ N接收电极的电压信号，在调平衡阶段两组电压信号进行比较，平衡后M1 N电压信号作为接收数据被记录；三组供电电路通过供电电极分别向大地发射同极性电流信号，A₀为主电流，A₁、A₂为屏蔽电流，平衡后A₀成为聚束电流被记录；调平衡电路用来调节A₀或A₁、A₂电流，使M₁ N、M₂ N接收电极的电压信号平衡或相等，此时，A₀便形成了垂直地面的聚束电流向下供电；平衡指示电路用来监视M₁ N、M₂ N接收电极的电压信号的比较平衡状态；滤波电路用来消除交流电的工频干扰和其它高频信号的干扰；24位A/D转换电路用来将M₁ N、M₂ N接收电极的模拟电压信号转换成数字信号进行储存或记录；数据处理软件将A/D转换的数据进行分析、处理和计算，得出对应的视电阻率等参数并可实时显示。

聚束直流电阻率探测仪的主要技术指标：

电压通道：最小采样信号1μV，最大采样信号6000mV，误差1％，分辨率1μV

主电流通道：最小采样信号1μA，最大采样信号30mA，误差1％，分辨率1μA

屏蔽电流通道：最小采样信号1mA，最大采样信号2000mA，误差1％，分辨率1mA

输入阻抗：≥30MΩ自电补范围：1000mV

50Hz工频压制：≥60dB

最大供电电压：600V

最大供电电流：4000mA

RS-232接口

内置12V可充电源，整机电流80mA，整机功耗1W

工作温度：-10℃～+50℃

储存温度：-20℃～+60℃

整机重量：10kg

体积：490mm×380mm×200mm

由图3可以看出：主电极A₀的供电电流在屏蔽电极A₁、A₂的电流的屏蔽作用下垂直流入地层。

野外试验实例：

由图4中表示利用本发明在测点1位于中牟黄河控导134坝处，离测点1距离为4米进行的测量记录。由虚线表示的对称四极测深曲线对6.3m～8.5m的根石层反应不明显；而由实线表示的聚束电阻率测深曲线对6.3m～8.5m的根石层反应明显。说明了一般对称四极测深曲线对根石没有明显反映，聚束电阻率测深曲线在根石层的异常较大，对根石反映比较明显，这表明聚束电阻率的探测效果优于一般对称四级电法。聚束电阻率测深曲线判断测点地面下6.3m～8.5m为根石层。根据现场钻孔资料显示，地下6.5m～8.3m为根石层，对比说明聚束直流电阻率法探测对异常体反映效果明显。

图5中表示利用本发明在测点2位于中牟黄河控导134坝处，离测点1距离为4米进行的测量记录。由虚线表示的对称四极测深曲线对5.4m～8m的根石层反应不明显；而由实线表示的聚束电阻率测深曲线对5.4m～8m的根石层反应明显，聚束电阻率测深曲线判断测点地面下5.4m～8m为根石层。钻孔资料显示，地下4.8m～7m为根石层。表明了聚束电阻率探测根石的有效性。

Claims (3)

1、一种聚束直流电阻率探测方法：它是采用供电电极、屏蔽电极、监督电极相互作用组成的电极系对地面下一定范围和厚度进行探测，其特征在于：一个负电极(B)、一个测量参考电极(N)，一个主电极(A₀)，两个供电极性与主电极(A₀)相同的屏蔽电极(A₁、A₂)；四个监督电极(M₁、M₁′、M₂、M₂′)；

电极系的排列方式为：将主电极(A₀)布置在被测量点的地面上，以主电极(A₀)为中心，将监督电极(M₁、M₁′)、监督电极(M₂、M₂′)、屏蔽电极(A₁、A₂)三对电极顺序对称地布置在电极A₀两边、呈一条直线，负电极(B)和测量参考电极(N)分别布置在直线的两侧，A₀B和A₀N均与这条直线方向垂直；

电极系的连线方式为：主电极(A₀)、屏蔽电极(A₁、A₂)用导线连接，此三个电极上的电位相同，与负电极(B)共为供电回路，监督电极(M₁、M₁、M₂、M₂)两两对称短路连接，此两对电极均与测量参考电极(N)构成测量回路；

测量：使主电极(A₀)和屏蔽电极(A₁、A₂)分别供给极性相同的电流I₀和I₁，并调节I₀，使得两对监督电极(M₁、M₁′和M₂、M₂′)上的电位保持相同，即 $U_{M_1}=U_{M_2}$ 或 $U_{M_1^{\′}}=U_{M_2^{\′}};$

测得的视电阻率ρ_s按下式计算：

                   ρ_s＝ρ_i-ρ_i-1    (1)

$\mathrm{\ρ}=K\frac{U_{M_1}}{I_0}---\left(2\right)$

式(2)中U_M1为监督电极M₁的电位；I₀为主电极(A₀)的电流，K为聚束电极系装置系数，取值为1，i为自然数。

2、根据权利要求1所述的聚束直流电阻率探测方法，其特征在于：主电极(A₀)和负电极(B)之间的距离为所需最大勘探深度的5～10倍，主电极(A₀)和测量参考电极(N)之间的距离为所需最大勘探深度的5～8倍。

3、根据权利要求1或2所述的聚束直流电阻率探测方法，其特征在于：在重复测量时，屏蔽电极(A₁和A₂)同时向外侧移动，屏蔽电极每次移动步距为0.2m～0.3m，调节主电流使电场聚束，继续重复上述操作过程，当屏蔽电极与主电极的距离为5m～8m时测量结束，对应探测点的深度为(l₁+(i-1)×s)×d；式中l₁为A₀A₁的初始距离，l₁＜1m；s为移动步距，d为A₀A₁距离的倍数，2.8≤d≤3.2；最后，画出不同深度的视电阻率曲线，根据某一深度的视电阻率异常来判断该深度范围内有异常体的存在。

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