CN213780404U - 一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，包括主机系统、供电系统、探测传感器系统和多路转换器；探测传感器系统包括电火花震源、多个地表传感器和多个钻孔传感器；供电系统输出端连接主机系统输入端和电火花震源输入端，主机系统输出端连接多路转换器输入端，多路转换器输出端连接每个地表传感器和钻孔传感器；电火花震源设置在地面上，多个地表传感器阵列排布在地表层；钻孔传感器设置在至少四个钻孔中，每个钻孔中竖向串联有多个钻孔传感器；地表传感器和钻孔传感器内部设置有检波器，外部设置有金属外壳。提高三维探测的准确性和可靠性，能够最大程度真实地反映测量区域的地下结构信息。

Description

一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统

技术领域

本实用新型属于地质勘探领域，涉及一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统。

背景技术

黄土地质结构本身复杂，如层面、裂隙面均是促使黄土工程灾变诱因。近年来黄土高原重大工程如平山造城、治沟造地、固沟保塬等使黄土特殊地质结构日趋复杂，如填方区地下水位抬升、地面沉降、堆填界面软化，挖方区挖填界面劣化等均诱发新的黄土工程灾变。因此需要结合重大工程需求，精准查明黄土复杂地质结构时空演化。地球物理方法是最常用的大范围探测手段，电法及地震法探测作为较为精确的地球物理探测方法之一，应用广泛。但是传统电法及地震法受到探测传感器布线方式影响，导致探测地质结构时具有多解性，不能满足重大工程特殊地质结构精细化探测需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，提高三维探测的准确性和可靠性，能够最大程度真实地反映测量区域的地下结构信息。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，包括主机系统、供电系统、探测传感器系统和多路转换器；

探测传感器系统包括电火花震源、多个地表传感器和多个钻孔传感器；供电系统输出端连接主机系统输入端和电火花震源输入端，主机系统输出端连接多路转换器输入端，多路转换器输出端连接每个地表传感器和钻孔传感器；

电火花震源设置在地面上，多个地表传感器阵列排布在地表层；钻孔传感器设置在至少四个钻孔中，每个钻孔中竖向串联有多个钻孔传感器；

地表传感器和钻孔传感器内部设置有检波器，外部设置有金属外壳。

优选的，多路转换器包括多个模块，每个模块包括多组电子多路开关，每一组电子多路开关连接多个探测传感器。

优选的，供电系统包括太阳能板、电源、高压升压器和供电电路，太阳能板输出端连接电源输入端，电源输出端连接高压升压器输入端，高压升压器输出端连接供电电路输入端。

优选的，地表传感器与地表层之间设置有隔水膜。

优选的，地表传感器和钻孔传感器线路连接处均设置有防水接头。

优选的，地表传感器和钻孔传感器的检波器与金属外壳之间设置有压电陶瓷保护层。

优选的，多个地表传感器之间和多个钻孔传感器之间均采用电缆连接，电缆外部包裹有绝缘保护套，绝缘保护套外部包裹有保护外壳，保护外壳采用弹性波带隙材料制成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述系统，通过钻孔传感器以及地表传感器相结合的方式进行地球物理联合测量，可以提高三维探测的准确性和可靠性，通过主机系统发送命令及多个传感器同时测量，可以实现不间断探测，从而实现时空四维探测。并且地表传感器和钻孔传感器的排布方式可以实现大范围、高精度的地球物理联合测量，同时重点测量地段运用钻孔传感器可以对该地段的地下结构更加真实的反映。

进一步，多路转换器能够连接更多的探测传感器，打破传统集中式电法仪器只能测120根电极的数量限制，从而实现空间大范围的探测目标。

进一步，供电系统中设置太阳能板，能够在野外为整个探测系统供电，从而可以实现长时间序列的探测目标。

进一步，采用隔水膜用于防止地面水下渗破坏传感器，提高使用寿命。

进一步，采用防水接头用于防止水分地表传感器和钻孔传感器与电缆连接接头，提高使用寿命。

进一步，采用压电陶瓷保护层用于保护内部检波器，提高使用寿命。

进一步，使得该电火花震源发出的弹性波无法再保护外壳中传播，防止相互干扰。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的供电系统电路图；

图3为本实用新型的多路转换器电路图；

图4为本实用新型的多路转换器原理图；

图5为本实用新型的探测系统电缆结构图；

图6为本实用新型的钻孔传感器结构示意图；

图7为本实用新型的探测系统传感器分布图；

图8为本实用新型的探测系统探测原理图。

其中：1-主机系统；2-供电系统；20-电源；21-供电电路；3-探测传感器系统；4-太阳能板；5-高压升压器；6-电火花震源；7-隔水膜；8-防水接头；9-地表传感器；10-绝缘保护套；11-钻孔传感器；12-电缆；13-多路转换器；14-传感器上接口；15-传感器下接口；16-金属外壳；17-压电陶瓷保护层；18-检波器；19-保护外壳；20-电源；21-供电电路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型实施例为探测黄土复杂地质结构的时空四维地球物理探测系统，如图1所示，该探测系统包括：主机系统1、供电系统2、传输系统以及探测传感器系统3。其中主机系统1、供电系统2及传输系统均布设在探测站内。所述主机系统1分别连接所述供电系统2及探测传感器系统3，用于向所述供电系统2发送第一道命令向所述探测传感器系统3发送高压稳衡电流，向所述探测传感器系统3发送第二道命令控制探测传感器进行电法或地震数据采集。

在本实用新型实施例中，供电系统2包括：太阳能板4、电源20、高压升压器5及供电电路21。如图2所示，太阳能板4输出端连接电源20输入端，电源20输出端连接高压升压器5输入端，高压升压器5输出端连接供电电路21输入端。所述太阳能板4连接所述电源20，用于将太阳能转换成电能，所述电源20用于储存电能，所述高压升压器5用于将电流转换成高压稳衡电流，并且最高可将电压提升至900V，所述供电电路21用于精准的对需要供电的装置供电。所述高压升压器5连接所述探测传感器系统3，用于在接收到所述主机系统1发送的第一道命令后向所述探测传感器系统3持续发送高压稳衡电流。

本实用新型实施例中，传输系统包括：电缆12以及多路转换器13。所述电缆12用于连接所有探测传感器，特别的，如图5所示，钻孔传感器相连的电缆12外部用保护外壳19保护，保护外壳19材料选用弹性波带隙材料，预设定电火花震源6所发射的弹性波频率，使得该弹性波无法再保护外壳中传播。

如图3所示，所述多路转换器13由120个模块组成，每个模块由12组电子多路开关组成，每一组电子多路开关连接12个探测传感器；如图4所示，Z表示探测传感器，n表示电子多路开关，M表示模块。1Z1—1Z12表示第一组的第一个探测传感器至第十二个探测传感器，分别连接12个探测传感器。nZ1—nZ12表示第n组的第一个探测传感器至第十二个探测传感器。每组连接12个探测传感器，由该组的电子多路开关分别切换选择；每个M模块电子多路开关可以控制12组电子多路开关，最多选择144个探测传感器。所述多路转换器13在接收到所述主机系统1发送的测量命令时，依次选择需要运行的模块、电子多路开关以及探测传感器。所述多路转换器13分别连接所述主机系统1以及所有探测传感器，其所能连接的探测传感器数目可以达到17280个，并且多路转换器可以对所述主机系统1发出的探测命令进行二次选择，从而可以准确的进行控制探测传感器进行探测。

本实用新型实施例中，探测传感器系统3包括：电火花震源6、隔水膜7、防水接头8、若干地表传感器9、绝缘保护套10和若干钻孔传感器11。

电火花震源6设置在地面上，多个地表传感器9阵列排布在地表层。地表传感器9内部设置有检波器18，外部设置有金属外壳16。地表传感器9与地表层之间设置有隔水膜7。地表传感器9线路连接处设置有防水接头8。地表传感器9的检波器18与金属外壳16之间设置有压电陶瓷保护层17。

所述电火花震源6在接收到主机系统1发送的地震法探测命令时，向地面发射弹性波。所述隔水膜7用于防止地面水下渗破坏传感器。所述防水接头8用于防止水分破坏地表传感器9与电缆12连接接头。所述地表传感器9可以作为供电电极或测量电极进行电法探测以及用于接收电火花震源6发出的弹性波进行地震法探测。绝缘保护套10用于保护电缆12。

本实用新型实施例中，钻孔传感器11包括：传感器上接口14、传感器下接口15、金属外壳16、压电陶瓷保护层17和检波器18。钻孔传感器11设置在至少四个钻孔中，每个钻孔中竖向串联有多个钻孔传感器11；钻孔传感器11内部设置有检波器18，外部设置有金属外壳16。钻孔传感器11与地表层之间设置有隔水膜7。钻孔传感器11线路连接处设置有防水接头8。钻孔传感器11的检波器18与金属外壳16之间设置有压电陶瓷保护层17。

传感器上接口14以及传感器下接口15均用于连接电缆12。所述金属外壳16可以作为供电电极或测量电极进行电法探测。所述压电陶瓷保护层17用于保护内部检波器18。所述检波器18用于接收电火花震源6发射的弹性波进行地震法探测。

在实施例中，探测传感器系统可以包括多个传感器以及多个钻孔传感器11。可选地，可以设置165个地表传感器9，以及在4个钻孔中分别设置30个钻孔传感器11，共计120个钻孔传感器，165个地表传感器9与4个钻孔中的钻孔传感器11用电缆12连接。该探测传感器系统作为地震检波器可以接受285道地震信号，同时又可以作为电极进行电极测量。本实用新型实施例对探测传感器系统中地表传感器9的个数不做限定，单个钻孔最多可布设30个钻孔传感器11，但是探测钻孔的数量不做限定。

具体地，如图7所示，多个传感器的排列方式可以按照网格状排列，多个钻孔传感器可以竖直等间距L排列。其中，所有传感器以及钻孔传感器可以通过一根长电缆12连接，也可以通过四根短电缆12连接。

具体地，当探测传感器系统中包含165个地表传感器9以及120个钻孔传感器11时，可以将多个地表传感器9进行排列，并依次标号D1～D165，可以将多个钻孔传感器11依照钻孔编号进行排列，并依次标号Z101～Z130、Z201～Z230、Z301～Z330以及Z401～Z430。

本实用新型进行检测时括如下步骤：

步骤1：将系统内所有装置按照预先设计的方案布设到位并正确连接，启动主机系统1，设置工作参数后发送命令对整个系统进行检查。其中，工作参数包括地震信号采集的道数、起始道号、终止道号、采样率、记录长度、叠加次数；还包括电极总数、起始电极、终止电极、起始层、终止层、供电时间、断电时间、延迟时间、图像显示色标等等。系统检查主要检查接线是否正确以及传感器是否与土体充分接触等等。

步骤2：主机系统1发送电法测量命令，使用地表传感器9进行电法测量。

地表传感器9测量时，由端部的第一个至第四个地表传感器9开始，第一个地表传感器9和第四个地表传感器9的金属外壳16即D1和D4作为供电电极，中间两个地表传感器9的金属外壳16即D2和D3作为测量电极测量得到第一个电法数据，将数据传输至主机系统1进行储存，随后所有供电电极及测量电极依次向后顺移一个电极的距离，即采用第二个至第五个地表传感器9进行电法测量，直到所有地表传感器9测量完成；增加供电电极A、测量电极M、测量电极N以及供电电极B之间的间距，进行电法测量，直到所有地表传感器9测量完成。

步骤3：钻孔传感器11进行电法测量；由第一个至第四个钻孔最上层的钻孔传感器11开始，第一个和第四个钻孔中的钻孔传感器11的金属外壳16即Z101和Z401作为供电电极，第二个和第三个钻孔中的第一个钻孔传感器11的金属外壳16即Z201和Z301作为测量电极进行电法测量，将数据传输至主机系统进行储存，然后向下顺移一层钻孔传感器11，当第一个至第四个钻孔的钻孔传感器11全部测量完成后，向后顺移一个钻孔，采用第二个至第五个钻孔的钻孔传感器11进行电法测量，直到所有钻孔传感器11测量完成。

步骤4：主机系统1发出地震法测量命令，电火花震源6向地下发射弹性波，所有地表传感器9和钻孔传感器11依次接收弹性波，将接收到的弹性波转换成电信号传输至主机系统1，主机系统1将接收到的数据进行储存。

步骤5：待主机系统1接收到最后一个地震数据时，再次发送电法测量命令，进行下一轮测量，从而得到不间断电法地震法测量数据达到时空四维的目的。

在一实施例中，上述步骤中所测量得到的电法及地震法数据可以采用无线传输模块传输到基地的控制中心进行反演、分析及绘图。

本实用新型实施例提供的一种探测黄土复杂地质结构的时空四维地球物理探测系统，通过多个传感器以及多个钻孔传感器进行同时测量，实现“点面结合”的方式进行高精度三维电法地震法联合测量；通过同一地区不间断测量，实现“时空四维”探测目标；利用多路转换器实现“空间大范围”的探测目标；通过太阳能发电以及高压升压器储存并转换成高压稳衡电流，实现“时间长序列”的探测目标。以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，包括主机系统(1)、供电系统(2)、探测传感器系统(3)和多路转换器(13)；

探测传感器系统(3)包括电火花震源(6)、多个地表传感器(9)和多个钻孔传感器(11)；供电系统(2)输出端连接主机系统(1)输入端和电火花震源(6)输入端，主机系统(1)输出端连接多路转换器(13)输入端，多路转换器(13)输出端连接每个地表传感器(9)和钻孔传感器(11)；

电火花震源(6)设置在地面上，多个地表传感器(9)阵列排布在地表层；钻孔传感器(11)设置在至少四个钻孔中，每个钻孔中竖向串联有多个钻孔传感器(11)；

地表传感器(9)和钻孔传感器(11)内部设置有检波器(18)，外部设置有金属外壳(16)。

2.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，多路转换器(13)包括多个模块，每个模块包括多组电子多路开关，每一组电子多路开关连接多个探测传感器。

3.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，供电系统(2)包括太阳能板(4)、电源(20)、高压升压器(5)和供电电路(21)，太阳能板(4)输出端连接电源(20)输入端，电源(20)输出端连接高压升压器(5)输入端，高压升压器(5)输出端连接供电电路(21)输入端。

4.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，地表传感器(9)与地表层之间设置有隔水膜(7)。

5.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，地表传感器(9)和钻孔传感器(11)线路连接处均设置有防水接头(8)。

6.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，地表传感器(9)和钻孔传感器(11)的检波器(18)与金属外壳(16)之间设置有压电陶瓷保护层(17)。

7.根据权利要求1所述的探测复杂地质结构的四维地球物理探测系统，其特征在于，多个地表传感器(9)之间和多个钻孔传感器(11)之间均采用电缆(12)连接，电缆(12)外部包裹有绝缘保护套(10)，绝缘保护套(10)外部包裹有保护外壳(19)，保护外壳(19)采用弹性波带隙材料制成。

Images