專利名稱：聚束直流電阻率探測方法
技術領域：
本發明涉及一種地球物理探測技術，尤其涉及一種聚束直流電阻率探測方法
背景技術：
直流電阻率法勘探是一門新興的地球科學，無論在普查金屬、非金屬礦產方面，還是在能源勘探、地質填圖以及水文、工程地質調查等方面，都有良好的地質效果，發揮著重要作用。
直流電阻率法勘探的根本目的是求取地層視電阻率，通過測量地表電場變化，來判斷不同深度的地下異常體的存在；目前常規直流電阻率法測深的測量方式有多種，其中最常規的直流電測深方法為對稱四極法，該方法包括如下步驟一、將測量裝置的供電電極A和B、監督電極M和N四個電極排列方式相對MN中點對稱；其裝置系數的計算式如下K=π·AM·ANMN]]>MN中點為被測量點，被測量點的地下介質的視電阻率計算公式為ρ=K·ΔUI.]]>ΔU為MN之間的電位差，I為AB的供電電流。
一般認為測量到的視電阻率的對應深度為AB距離的1/2，在測量過程中，固定M和N電極，移動電極A和B，AB距離越大，探測深度越深。
直流電阻率法在工程地質勘探中應用十分廣泛，但也存在著固有的缺陷。電極供電電流有限，電流密度隨著地層深度增加而迅速減小，電流不能夠往更深的地層流動，造成勘探深度有限；地電剖面的橫向和縱向分辨率較低，對復雜地質條件勘探效果不夠理想等也是困擾常規直流電阻率法的技術難題。
發明內容
為了解決上述對稱四極法求取地層視電阻率所存在的問題，本發明的目的是提供一種探測深度大、對一定范圍和厚度且帶狀斷續分布的復雜地層有較好探測效果的聚束直流電阻率探測方法本發明的技術方案是以下述方式實現的一種聚束直流電阻率探測方法它是采用供電電極、屏蔽電極、監督電極相互作用組成的電極系對地面下一定范圍和厚度進行探測，其特征在于一個負電極(B)、一個測量參考電極(N)，一個主電極(A0)，兩個供電極性與主電極(A0)相同的屏蔽電極(A1、A2)；四個監督電極(M1、M1′、M2、M2′)；電極系的排列方式為將主電極(A0)布置在被測量點的地面上，以主電極(A0)為中心，將監督電極(M1、M1′)、監督電極(M2、M2′)、屏蔽電極(A1、A2)三對電極順序對稱地布置在電極A0兩邊、呈一條直線，負電極(B)和測量參考電極(N)分別布置在直線的兩側，A0B和A0N均與這條直線方向垂直電極系的連線方式為主電極(A0)、屏蔽電極(A1、A2)用導線連接，此三個電極上的電位相同，與負電極(B)共為供電回路，監督電極(M1、M1、′M2、M2)兩兩對稱短路連接，此兩對電極均與測量參考電極(N)構成測量回路測量使主電極(A0)和屏蔽電極(A1、A2)分別供給極性相同的電流I0和I1，并調節I0，使得兩對監督電極(M1、M1′和M2、M2′)上的電位保持相同，即UM1=UM2]]>或UM1′=UM2′;]]>測得的視電阻率ρs按下式計算ρs＝ρi-ρi-1(1)ρ=KUM1I0---(2)]]>式(2)中UM1為監督電極M1的電位；I0為主電極(A0)的電流，K為聚束電極系裝置系數，取值為1，i表示為自然數。
主電極(A0)和負電極(B)之間的距離為所需最大勘探深度的5～10倍，主電極(A0)和測量參考電極(N)之間的距離為所需最大勘探深度的5～8倍。
在重復測量時，屏蔽電極(A1和A2)同時向外側移動，屏蔽電極每次移動步距為0.2m～0.3m，調節主電流使電場聚束，繼續重復上述操作過程，當屏蔽電極與主電極的距離為5m～8m時測量結束，對應探測點的深度為(l1+(i-1)×s)×d；式中l1為A0A1的初始距離，l1＜1m；s為移動步距，d為A0A1距離的倍數，2.8≤d≤3.2；最后，畫出不同深度的視電阻率曲線，根據某一深度的視電阻率異常來判斷該深度范圍內有異常體的存在。
本發明的聚束原理是由于M1、M1′兩等位面之間以及M2、M2′兩等位面之間不可能有電流流動，所以無論從主電極或屏蔽電極流出的電流都在M1、M1′以及M2、M2′處拐彎，迫使主電極A0的供電電流垂直流入地層。測得的視電阻率ρs表示為ρs=KUM1I0]]>式中UM1表示在點M1處的電位。勘探時測量點M1和監督電極B即參考電極之間的電位差。由于B極較遠，近似地認為UB＝0，所以點M1和B極之間地電位差實際上就等于M1處的電位Um1，K為聚束電極系裝置系數，取值為1。
本“聚束直流電阻率探測方法”激發的電場在地下具有一定的方向性，可以逾越高阻層的屏蔽，并且減少低阻層分流的影響，所以探測深度高于常規直流電阻率法。聚束直流電阻率探測方法對范圍不廣，厚度不大，帶狀斷續分布的復雜地層有較好的探測效果，該方法應用于黃河堤壩根石的探測試驗中已經取得了成功。該方法利用同性電場在地下的排斥效應，使電流在較深的地方有較大的電流密度分布，使得地下異常體在地表引起較大的電場變化，大大提高了探測深度，探測精度較高。
圖1為對稱四極法電測深的電極系分布示意圖。
圖2為本發明的電極系分布示意圖。
圖3為本發明的聚束原理示意圖。
圖4為中牟黃河控導134壩測點1電阻率測深對比曲線。
圖5為中牟黃河控導134壩測點2電阻率測深對比曲線。
圖6為本發明中使用的電極系儀器工作原理框圖。
圖7為本發明使用的微計算機工作原理方框圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。
首先按照圖2所示，布置電極系將主電極(A0)布置在被測量點的地面上，以主電極(A0)為中心，將監督電極(M1、M1′)、監督電極(M2、M2′)、屏蔽電極(A1、A2)三對電極順序對稱地布置在電極A0兩邊、呈一條直線，負電極(B)和測量參考電極(N)分別布置在直線的兩側，A0B和A0N均與這條直線方向垂直；由圖2還可以看出電極系的連線方式為主電極(A0)、屏蔽電極(A1、A2)用導線連接，此三個電極上的電位相同，與負電極B共為供電回路，監督電極(M1、M1、′M2、M2)兩兩對稱短路連接，此兩對電極均與測量參考電極N構成測量回路；測量時，調節主電流A0的大小，使M1與M2之間的電位差為零，這時M1′與M2′之間的電位差也為零，這樣在M2和M2′之間形成聚束電場，測量到屏蔽電極M1的電壓值和主電極A0的電流值，儀器自動記錄下來，并由式(2)計算出視電阻率值，然后同時移動屏蔽電極A1和A2，移動方向按圖2中所示，每次移動0.2m～0.3m，調節主電流使電場聚束，繼續重復上述操作過程。當屏蔽電極與主電極的距離為5m～8m時測量結束。
由圖6、圖7可以看出聚束直流電阻率探測儀由微計算機、兩組接收通道、三組供電電路、調平衡電路、平衡指示電路、濾波電路、24位A/D轉換電路及數據處理軟件等組成，其中，微計算機部分由51系列單片及ROM、RAM等構成微計算機，從鍵盤接收控制命令。由點陣式液晶顯示各種狀態及測量結果。控制接口發出供電、恒流、前放、濾波等需要的命令，并從A/D獲得所需數據。通訊口是用在測量結束后將儀器內的數據送到外部計算機；兩組接收通道用來接收M1N、M2N接收電極的電壓信號，在調平衡階段兩組電壓信號進行比較，平衡后M1 N電壓信號作為接收數據被記錄；三組供電電路通過供電電極分別向大地發射同極性電流信號，A0為主電流，A1、A2為屏蔽電流，平衡后A0成為聚束電流被記錄；調平衡電路用來調節A0或A1、A2電流，使M1N、M2N接收電極的電壓信號平衡或相等，此時，A0便形成了垂直地面的聚束電流向下供電；平衡指示電路用來監視M1N、M2N接收電極的電壓信號的比較平衡狀態；濾波電路用來消除交流電的工頻干擾和其它高頻信號的干擾；24位A/D轉換電路用來將M1N、M2N接收電極的模擬電壓信號轉換成數字信號進行儲存或記錄；數據處理軟件將A/D轉換的數據進行分析、處理和計算，得出對應的視電阻率等參數并可實時顯示。
聚束直流電阻率探測儀的主要技術指標電壓通道最小采樣信號1μV，最大采樣信號6000mV，誤差1％，分辨率1μV主電流通道最小采樣信號1μA，最大采樣信號30mA，誤差1％，分辨率1μA屏蔽電流通道最小采樣信號1mA，最大采樣信號2000mA，誤差1％，分辨率1mA輸入阻抗≥30MΩ自電補范圍1000mV50Hz工頻壓制≥60dB
最大供電電壓600V最大供電電流4000mARS-232接口內置12V可充電源，整機電流80mA，整機功耗1W工作溫度-10℃～+50℃儲存溫度-20℃～+60℃整機重量10kg體積490mm×380mm×200mm由圖3可以看出主電極A0的供電電流在屏蔽電極A1、A2的電流的屏蔽作用下垂直流入地層。
野外試驗實例由圖4中表示利用本發明在測點1位于中牟黃河控導134壩處，離測點1距離為4米進行的測量記錄。由虛線表示的對稱四極測深曲線對6.3m～8.5m的根石層反應不明顯；而由實線表示的聚束電阻率測深曲線對6.3m～8.5m的根石層反應明顯。說明了一般對稱四極測深曲線對根石沒有明顯反映，聚束電阻率測深曲線在根石層的異常較大，對根石反映比較明顯，這表明聚束電阻率的探測效果優于一般對稱四級電法。聚束電阻率測深曲線判斷測點地面下6.3m～8.5m為根石層。根據現場鉆孔資料顯示，地下6.5m～8.3m為根石層，對比說明聚束直流電阻率法探測對異常體反映效果明顯。
圖5中表示利用本發明在測點2位于中牟黃河控導134壩處，離測點1距離為4米進行的測量記錄。由虛線表示的對稱四極測深曲線對5.4m～8m的根石層反應不明顯；而由實線表示的聚束電阻率測深曲線對5.4m～8m的根石層反應明顯，聚束電阻率測深曲線判斷測點地面下5.4m～8m為根石層。鉆孔資料顯示，地下4.8m～7m為根石層。表明了聚束電阻率探測根石的有效性。
權利要求
1.一種聚束直流電阻率探測方法它是采用供電電極、屏蔽電極、監督電極相互作用組成的電極系對地面下一定范圍和厚度進行探測，其特征在于一個負電極(B)、一個測量參考電極(N)，一個主電極(A0)，兩個供電極性與主電極(A0)相同的屏蔽電極(A1、A2)；四個監督電極(M1、M1′、M2、M2′)；電極系的排列方式為將主電極(A0)布置在被測量點的地面上，以主電極(A0)為中心，將監督電極(M1、M1′)、監督電極(M2、M2′)、屏蔽電極(A1、A2)三對電極順序對稱地布置在電極A0兩邊、呈一條直線，負電極(B)和測量參考電極(N)分別布置在直線的兩側，A0B和A0N均與這條直線方向垂直；電極系的連線方式為主電極(A0)、屏蔽電極(A1、A2)用導線連接，此三個電極上的電位相同，與負電極(B)共為供電回路，監督電極(M1、M1、M2、M2)兩兩對稱短路連接，此兩對電極均與測量參考電極(N)構成測量回路；測量使主電極(A0)和屏蔽電極(A1、A2)分別供給極性相同的電流I0和I1，并調節I0，使得兩對監督電極(M1、M1′和M2、M2′)上的電位保持相同，即UM1=UM2]]>或UM1′=UM2′;]]>測得的視電阻率ρs按下式計算ρs＝ρi-ρi-1(1)ρ=KUM1I0---(2)]]>式(2)中UM1為監督電極M1的電位；I0為主電極(A0)的電流，K為聚束電極系裝置系數，取值為1，i為自然數。
2.根據權利要求1所述的聚束直流電阻率探測方法，其特征在于主電極(A0)和負電極(B)之間的距離為所需最大勘探深度的5～10倍，主電極(A0)和測量參考電極(N)之間的距離為所需最大勘探深度的5～8倍。
3.根據權利要求1或2所述的聚束直流電阻率探測方法，其特征在于在重復測量時，屏蔽電極(A1和A2)同時向外側移動，屏蔽電極每次移動步距為0.2m～0.3m，調節主電流使電場聚束，繼續重復上述操作過程，當屏蔽電極與主電極的距離為5m～8m時測量結束，對應探測點的深度為(l1+(i-1)×s)×d；式中l1為A0A1的初始距離，l1＜1m；s為移動步距，d為A0A1距離的倍數，2.8≤d≤3.2；最后，畫出不同深度的視電阻率曲線，根據某一深度的視電阻率異常來判斷該深度范圍內有異常體的存在。
全文摘要
本發明公開了一種聚束直流電阻率探測方法它是采用一個負電極、一個測量參考電極，一個主電極，兩個供電極性與主電極相同的屏蔽電極，四個監督電極相互作用組成的電極系對地面下一定范圍和厚度進行探測，主電極、屏蔽電極用導線連接、與負電極共為供電回路，監督電極兩兩對稱短路連接、均與測量參考電極構成測量回路測得的視電阻率ρ
文檔編號G01V3/00GK1821810SQ20061001756
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者喬惠忠, 冷元寶, 朱文仲, 王銳, 李長征, 周揚 申請人:黃委會水科院高新工程技術研究開發中心