專利名稱：激發極化二次時差法探測地下水方法及其儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用激發極化二次時差法探測地下水方法及其儀器。
目前，應用物理勘探手段探測地下水主要用激發極化法測量視電阻率和視極化率，由于地層中含水層和非含水層多為互層，視電阻率曲線只能是它們的綜合反映，對互層的界面分辨不清;視激化率由于幅值較小，對含水層和非含水層界面分辨率較低;另外，地表的干濕程度對視電阻率和視極化率影響較大。應用激發極化二次時差法探測地下水克服了上述缺點，它是利用在含水層二次場衰減時與激發電流成正比，在非含水層隨激發電流的增大二次場衰減時基本不變或者逐漸變小的特征，選擇大于臨界電流的兩種電流作為激發電流，將大電流下的二次場衰減時減去小電流下的二次場衰減時，在含水層將出現正值;在非含水層將出現零或負值。將每個極距所得到的二次時差值點繪于算術座標中，零線以上的正異常對應的為含水層，零線以下的負異常所對應的為非含水層;正異常包含的面積與單位涌水量成正比。二次時差法采用常規的激發電流形式和測量方式時，在地質條件復雜地區的測量結果不理想，存在著探測深度淺，衰減時變化幅度小，干擾誤差大和重復性差等缺點。
本發明的目的在于提供一種適應范圍廣、探測深度深、含水層分辯率高的激發極化二次時差法探測地下水方法及其儀器。
激發極化二次時差法探測地下水方法是采用對稱四極裝置測量在兩個不同激發極化電流下的二次場半衰時之差，其特征在于激發極化電流為單向脈沖電流。
激發極化的單向脈沖電流是將直流開槽為單向短脈沖的KC電源，頻率20～30赫芝，占空比8∶1～12∶1，采用KC電源后，臨界電流減小，探測深度增大。
選擇激發電流的大小原則上應保證在不同的探測深度上保持相同的電流密度，但由于發電機功率限制，在供電極距的一半大于40米時，其大小激發極化電流配對選用4-3安、3-2安;在地層高阻區選2-1安、4.5-3.5安、3.5-2.5安、2.5-1.5安;在供電極距的一半小于40米時，按下表等比關系逐漸減小。
激發電流的供電時間選擇應控制在衰減時曲線的線性區，供電時間應小于50秒，一般選擇10～30秒。
二次時差法測量中，由于激發電流較大，在供電回路中，電流通斷瞬間的突然變化，引起周圍磁通量的變化，在測量回路產生感生電動勢，由于地磁偶合產生互感電動勢，使斷電瞬間二次場電位最大值U20測量出現誤差。因此在激發電流斷電延遲△T后，測量二次場電位最大值U20，延遲時間400～600毫秒。
在極化過程中，由于電化學反應或多或少的致使極化體的電化學性質有所改變，使得供電前的自然極化平衡電位和斷電后的自然極化平衡電位并不相等，甚至放電后仍不歸零，所以以二次場放電一定間隔的二次場電位U2Z作為終零線值。終零線時間選擇在斷電后20～60秒。
激發極化二次時差法探測地下水的儀器，其特征在于它包括供電裝置和測量裝置，供電裝置由電源(1)、整流濾波電路(2)、供電控制電路(5)控制的可控硅直流開關(3)和供電極(4)組成，測量裝置由測量電極(7)、陷波器(8)、電流取樣電路(6)供電控制電路(5)控制的U1、U2、I1入口控制電路(10、9、11)、U1、U2、I1通道放大器(13、12、14)、模數轉換器(15)和單片微處理機系統(16)組成。單片微處理機系統將測量電極和供電電極取得的U2、U1、I1信號經過模擬放大器模/數轉換器按時序轉換成數字量，讀入存儲器，并計算出衰減時St。
測量電極由去掉表皮的青竹管和插入竹管內的銅管組成，在竹管內封灌有硫酸銅溶液。將測量電極在清水中浸泡10～20天即可使用這種竹制管狀電極的接地電阻比瓷質罐狀電極小一半，極差小幅度測量誤差＜0.5%，時間測量誤差＜2%。
下面結合附圖對本發明進行詳細描述
圖1是激發極化二次時差法探測儀器的結構圖。
圖2是供電控制電路的結構圖。
圖3是供電控制電路的一個實施例。
圖4是可控硅直流開關的實施例。
圖5是U1、U2、I1入口控制時序圖。
圖6是U1、U2、I1通道放大器的結構圖。
圖7是U1、U2、I1通道放大器的實施例。
圖8是單片微處理機系統及其外圍配置的實施例。
二次時差法屬時間域極化法的范疇，激發電流制式有長脈沖-DC、短脈沖-DNC，這兩種電源對含水層特別是細顆粒(中細砂)含水層反應不明顯，采用短脈沖的KC電源后，由于KC電源方波前后沿含有極其豐富的諧波成份，其中某些頻率的諧波有促進含水層寬管正離子移動量與遷移距離增大的作用，使其斷電后恢復平衡所需時間長，另外KC電源方波上升沿瞬間要產生一個大于電源電壓的反向電勢，流經供電電極時有抑制電極極化的作用，所以采用KC電源后，二次時差曲線對中細砂含水層反映明顯，同時使臨界電流減小，在同等功率下探測深度增加。
測量和供電電極采用四極對稱測深裝置，一般采用供電極距∶測量極距＝3∶1;當接收信號較大、儀器靈敏度高、穩定可靠的情況下，采用測量電極小于三分之一供電電極的固定式測量電極距。
二次場衰減時St在線性區隨供電時間增長而線性增大，所以供電時間應選擇在線性區。在探測深度200～300米范圍內，供電時間小于50秒，一般10～30秒為宜。
二次時差法探測地下水儀器的供電控制電路框圖如圖2所示。當開關K接通時，有一負脈沖觸發供電時控電路(17)，在其輸出端輸出的高電平加到導通控制門(18)，此時KC電源槽脈沖信號也加到此門輸入端，經導通控制門(18)輸出的脈沖信號由導通脈沖放大器(19)放大后去觸發圖4中的可控硅CR1，使其按照脈寬時間導通。與此同時，由供電時控電路(17)輸出的另一路信號經斷電控制電路(20)加到關斷控制門(21)，脈沖信號發生器(23)輸出的另一路信號經過脈沖控制器(24)同時送入關斷控制門(21)，關斷控制門(21)輸出的信號由關斷脈沖放大器(22)放大后觸發圖4中的可控硅CR2，使其按照槽寬時間以及供電時間進行關斷。
供電時控電路(17)輸出的信號送入終零線時控電路(25)，控制U1、U2、I1、信號入口控制電路(10、9、11)。開關K在起動供電時控電路的同時也啟動光電記錄控制電路(27)控制光點記錄儀進行記錄。
圖3顯示了供電控制裝置的一個實施例。IC1組成斷電時控電路;IC2組成供電時控電路，BG1和光耦組成光點記錄啟動電路;IC3組成脈沖信號信號發生器;IC6組成終零線時控電路;IC8組成脈沖控制電路;IC9和BG5組成關斷控制電路;BG6、BG7組成關斷脈沖放大器，BG2、BG3、BG4組成導通脈沖放大器。IC4、IC5、BG9、BG10組成U1入口控制電路;BG8組成U2入口控制電路。導通脈沖變壓器B1輸出的信號觸發圖4中的可控硅CR1，關斷脈沖變壓器B2輸出的信號觸發圖4中的可控硅CR2。圖5是供電時序和U1、U2、I1入口時序圖，其中△t1為供電時間，△t2為終零線時間。IC1、IC2、IC4、IC5、IC6、IC7采用555時基組成單穩態電路，IC3采用555時基組成無穩態振蕩電路。
圖6是I1、U1、U2通道放大器結構圖，U1、U2通道共用一個測量電極(7)和50赫芝陷波器(8)。為了增大輸入阻抗，U1、U2通道分時測量，從U1入口出來的U1信號經前置放大(36)、低通濾波器(37)、可變增益放大器(38)、射極跟隨器(39)后送入A/D轉換器的輸入端，從U2口出來的U2信號經U2通道的前置放大(29)、低通濾波(30)、射極跟隨器(31)、固定增益放大器(32)、低通濾波、可變增益放大器(34)、射極跟隨器(35)送入A/D轉換器的輸入端。
串聯在供電路回路中的電流取樣路(6)送出的信號經I1入口控制電路(11)和I1前置放大器(28)放大后送入模數轉換器。
圖7U1、U2、I1的通道放大器實施例中，IC11、IC16、IC19是前置放大器，IC12、IC15、IC18是射極跟隨器，IC13是固定增益放大器，IC14、IC17是可變增益放大器。
在U1、U2通道的實施例中，為了減小零點漂移和提高輸入阻抗前置級和放大級采用了自穩零集成運算放大器ICL7650，使U1通道輸入阻抗大于100NΩ，U2通道輸入阻抗大于200NΩ，零點漂移U1通道小于0.15NV/小時，U2通道零點漂移小于0.13NV/小時。
圖8是采用NCS48系列單片微處理機組成的系統配置。采用8243芯片，將單片機的4條I/O線(P20～P23)擴展為4個4位靜態口，被擴展的8243的P4、P5口為打印機接口、P6P7口作為A/D接口。采用8155擴展作為鍵盤及顯示接口，8155的A口作LED顯示器的段控、B口作位控同時還作鍵盤的行控，C口作鍵盤的列控。
單片微處理機系統控制能對U1、U2、I1信號進行自動記錄，從A/D轉換器輸入的U1、U2、I1信號按激發極化二次時差法探測地下水的方法進行采集。計算出二次電場U2衰減到(U20-U2Z)/2時的衰減時St，在同一測量點上測量兩個不同激發電流的St，計算出大激發電流下的St和小激發電流下的St的差值Sc。以此差值來分辯含水與非含水層，同時將每個測點的二次時差Sc用打印機繪出二次時差曲線圖。
權利要求
1.激發極化二次時差法探測地下水方法是采用對稱四極裝置測量在兩個不同激發極化電流下的二次場半衰時之差，其特征在于激發極化電流為單向脈沖電流。
2.根據權利要求1所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于激發極化電流是將直流開槽為單向短脈沖的KC電源，頻率20～30赫芝，占空比8∶1～12∶1。
3.根據權利要求1或2所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于以二次場放電一定間隔后的二次場電位U2Z作為終零線值，終零線時間選擇在斷電后20～60秒。
4.根據權利要求1或2所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于當供電極距的一半大于40米時，其大小激發極化電流配對選用4-3安、3-2安;在地層高阻區選2-1安、4.5-3.5安、3.5-2.5安、2.5-1.5安;在供電極距的一半小于40米時，按下表等比關系逐漸減小。
5.根據權利要求3所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于當供電極距的一半大于40米時，其大小激發極化電流配對選用4-3安、3-2安;在地層高阻區選2-1安、4.5-3.5安、3.5-2.5安、2.5-1.5安;在供電極距的一半小于40米時，按下表等比關系逐漸減小。
6.根據權利要求1或2所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于激發極化電流斷電延遲△T后，測量二次場電位最大值U20，延遲時間400～600毫秒。
7.根據權利要求3所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于激發極化電流斷電延遲△T后，測量二次場電位最大值U20，延遲時間400～600毫秒。
8.根據權利要求4所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于激發極化電流斷電延遲△T后，測量二次場電位最大值U20，延遲時間400～600毫秒。
9.根據權利要求5所述的激發極化二次時差法探測地下水方法，其特征在于激發極化電流斷電延遲△T后，測量二次場電位最大值U20，延遲時間400～600毫秒。
10.激發極化二次時差法探測地下水的儀器，其特征在于它包括供電裝置和測量裝置，供電裝置由電源(1)、整流濾波電路(2)、供電控制電路(5)控制的可控硅直流開關(3)和供電極(4)組成，測量裝置由測量電極(7)、陷波器(8)、電流取樣電路(6)供電控制電路(5)控制的U1、U2、I1入口控制電路(10、9、11)、U1、U2、I1通道放大器(13、12、14)、模數轉換器(15)和單片微處理機系統(16)組成。單片微處理機系統將測量電極和供電電極取得的U2、U1、I1信號經過模擬放大器和模/數轉換器按時序轉換成數字量，讀入存儲器，并計算出衰減時St。
11.根據權利要求10所述的激發極化二次時差法探測地下水儀器，其特征在于測量電極由下部去掉表皮的青竹管和插入竹管內的銅管組成，竹管內封灌有硫酸銅溶液。
全文摘要
激發極化二次時差法探測地下水方法及其儀器，其特征在于激發極化電源為單向脈沖電流。儀器包括供電裝置和測量裝置，供電裝置由電源(1)、整流濾波電路(2)、供電控制電路(5)控制的可控硅直流開關(3)和供電極(4)組成，測量裝置由測量電極(7)、陷波器(8)、電流取樣電路(6)供電控制電路(5)控制的U1、U2、I1入口控制電路(10、9、11)、U1、U2、I1通道放大器(13、12、14)、模數轉換器(15)和單片微處理機系統(16)組成。
文檔編號G01V3/02GK1052955SQ9010875
公開日1991年7月10日 申請日期1990年10月26日 優先權日1990年10月26日
發明者謝明魁 申請人:鐵道部第一勘測設計院