隱伏斷層探測儀器及分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種隱伏斷層探測儀器及分析方法，探測儀器包括探針、信號電纜、前置輸入模塊、信號調理模塊、DSP處理模塊，其特征在于：前置輸入模塊通過兩段信號電纜連接16根插入地表的探針以接收天然瞬變電磁波穿透地層在地面形成的分布電場信號并直接和通過信號調理模塊傳輸到模數轉換模塊，DSP處理模塊接收模數轉換模塊的輸出數據并輸出邏輯控制信號至模數轉換模塊、信號調理模塊和前置輸入模塊的控制端；上位機讀取探測儀器保存的探測數據經分析處理后提取隱伏斷層特征信息及參數并據此分析隱伏斷層的埋藏深度、存在狀態、導流水量。本發明探測結果唯一、定位精度高，可在工程建設、礦產開采中廣泛應用。
【專利說明】
隱伏斷層探測儀器及分析方法
技術領域
[0001] 本專利設及一種地球物理勘探用的探測儀器及探測方法，尤其是一種用于地下隱 伏斷層探測的探測儀器和分析方法。
【背景技術】
[0002] 斷層是指巖體在構造應力的作用下發生斷裂且斷裂面兩側巖體有明顯相對位移 的構造現象;而隱伏斷層是在地表無出露，潛伏地表W下的斷層;隱伏的原因可能是:切穿 基巖的斷層被新沉積物覆蓋，斷層被侵位巖體占據，形成于地下深處且斷層面沒有切穿至 地表的盲斷層。
[0003] 對于斷層等地質構造，地質學者可通過對地表地質的觀察，結合構造規律和工作 經驗情況做出一定程度的推測，但在斷層無露頭或出露不明顯的地段，只能通過物探、鉆探 或其他地質工程來驗證。地球物理探測（物探）通過少數觀測點獲得的數據去推測地下研 究對象的狀況，運個推測過程就是地球物理學中的反演問題。在反演過程中會因觀測時很 多干擾因素的影響而出現誤差，即使在觀測精度很高、干擾因素很小的情況下，反演過程都 存在多解性。
[0004] 斷層不僅對巖體的穩定性和滲透性、地震活動和區域穩定有重大的影響，而且是 地下水運動的良好通道和匯聚的場所;在規模較大的斷層附近或斷層發育地區，常賦存有 豐富的地下水資源。在斷層分布密集的斷層帶內，巖層一般都受到強烈破壞，產狀素亂，巖 體裂隙增多、巖層破碎、風化嚴重、地下水多，從而降低了巖石的強度和穩定性;同時伴有溝 谷斜坡崩塌、滑坡、泥石流等不良地質現象發育。因此，在工程建設、礦產開采中，必需準確 探測和查明斷層、特別是隱伏斷層的分布情況。（1)路基:斷層破碎帶的巖體松散，節理也很 發育，常是地下水活動的通道，加之斷層面傾基，所W當挖方邊坡與斷層帶平行時，極易產 生滑塌;特別在安排河谷路線時，要注意河谷地貌與斷層構造的關系，當路線與斷層走向平 行，路基靠近斷層破碎帶時，由于開挖路基，容易引起邊坡發生大規模巧塌，直接影響施工 和公路的正常使用。（2)橋基:勘測時，要注意查明橋基部分有無斷層存在，及其影響程度如 何，W便根據不同情況，在設計基礎工程時采取相應的處理措施;應盡可能的避開斷層破碎 帶，因橋基巖體破碎，易風化滲水，受橋基和橋體荷載后出現沉陷，或沿斷層破裂面錯動的 方向，使橋墳發生滑移或傾斜;斷裂面對巖質邊坡、橋基穩定常有重要影響。（3)隧道：由于 巖層的整體性遭到破壞，加之地面水或地下水的侵入，其強度和穩定性都很差，容易產生桐 頂巧落，影響施工安全，對工程極為不利，宜選擇繞避;當隧道軸線與斷層走向平行時，應盡 量避免與斷層破碎帶接觸，若不能繞避則應與斷層構造線呈直交或近乎直交穿越;在確定 隧道平面位置時，要盡量設法避開大規模的斷層破碎帶。（4)地基：由于斷層破碎帶力學強 度低、壓縮性大，降低了地基的強度和穩定性，建于其上的建筑物因地基的較大沉陷，易造 成開裂或傾斜;跨越斷層帶的建筑物，由于斷裂帶及其兩側上、下盤的巖性均可能不同，易 產生不均勻沉降;斷裂帶在新的地殼運動的影響下，可能發生新的移動，從而影響建筑物的 穩定。巧)礦帶：W煤礦為例，在遇到煤層缺失的時候，除了要考慮斷層影響外，還應考慮相 變的影響，即沉煤當時的沉積環境不同而影響的；應該通過煤層的層間距、巖性組合、化石 等特征進行綜合分析，避免盲目的掘進開采。（6)煤與瓦斯突出：研究表明煤層高突瓦斯帶、 低瓦斯帶區域范圍內斷層的分形特征明顯，服從分形規律，高突瓦斯帶區域內斷層的盒維 數大，低瓦斯帶區域內構造的維數小。（7)礦井突水:斷層分維掲示了斷裂構造的復雜程度， 構造越復雜的區域突水可能性越大;對于隱伏斷層十分發育礦區，發生W隱伏斷層為突水 通道的風險性增加。
[0005] 由于隱伏斷層影響工程建設施工、威脅著礦山安全生產，故而做好隱伏斷層勘查 一直是工程建設、礦產開采中的一個重點研究課題，而做好隱伏斷層勘查工作的基礎性內 容就是要探明斷層的分布及富水情況。目前，用于隱伏斷層勘查的物探方法主要包括淺層 地震法、高密度電阻率法、重力法和大地電磁法等;其共同點是在人工場作用下進行測量， 把尋找固體礦產的物探方法應用在隱伏斷層探測上。地面儀器測量值反映的是地質體物性 綜合值，運個物理量所顯示的是地下的那種固體礦產或隱伏斷層全憑解釋者的主觀經驗。 所W上述方法探測隱伏斷層的成功率不高，其根源在物探曲線的多解性。能否發明一種將 隱伏斷層與地下固體礦產資源區分開來的物探儀器和分析方法，目前國內外科技界一直沒 有解決，尚無相關的研究成果和產品報道。
【發明內容】
[0006] 為了克服上述技術問題，本發明公開了一種用于隱伏斷層探測的探測儀器和分析 方法。
[0007] 本發明的技術方案是:一種隱伏斷層探測儀器及分析方法，探測儀器包括探針、信 號電纜、前置輸入模塊、信號調理模塊、DSP處理模塊，其特征在于:前置輸入模塊通過兩段 信號電纜連接16根插入地表的探針W接收天然瞬變電磁波穿透地層在地面形成的分布電 場信號并直接和通過信號調理模塊傳輸到模數轉換模塊，DSP處理模塊接收模數轉換模塊 的輸出數據并輸出邏輯控制信號至模數轉換模塊、信號調理模塊和前置輸入模塊的控制 端;上位機讀取探測儀器保存的探測數據經分析處理后提取隱伏斷層特征信息及參數并據 此分析隱伏斷層的埋藏深度、存在狀態、導流水量。
[000引本發明中，探針包括探針引線(2-1)、探測桿連接器(2-2)、探測桿(2-3)，所述探針 引線為連接信號電纜與探針的單忍屏蔽線，忍線用于傳輸探針接收的瞬變電磁波信號，屏 蔽層在正常探測時與儀器內部模擬地連接、在探針連接狀態檢測時傳輸檢測信號;所述探 測桿連接器內含有磁珠(2-4)、電容(2-5)和二極管(2-6)，磁珠串接在探針引線的忍線與探 測桿連接器的中屯、插孔之間，二極管與電容并聯后串接于探針引線的屏蔽層與探測桿連接 器的外殼之間;所述探測桿為一頂部中屯、安裝有與桿體電連接插針的良導電性細長金屬圓 柱體，通過插接卡緊方式連接到探測桿連接器并將其的中屯、插孔與外殼短路。
[0009] 本發明中，信號電纜包括連接器(3-1)、電纜本體(3-2)、引線加固環(3-3)，長度為 7.加的8根單忍屏蔽線繞包外隔離層并總屏蔽編織后擠壓外護套而成的電纜本體(3-2)與 連接器(3-1)電連接并在其上均勻分布相距為D的8個用于加固探針引線（2-1)的引線加固 環(3-3)，第一個引線加固環與連接器的距離為0.加，在每個引線加固環處剪斷1根單忍屏 蔽線并從靠近連接器一方引出用于連接探針的探針引線(2-1)。
[0010] 本發明中，前置輸入模塊包括A組和B組信號電纜接口、二極管D1~D16、微型繼電器 JDl、四運放ICl~IC15、單運放IC16、數字控制電位器PRl~PR15、電阻R1~R155、電容Cl~C60， 實現15通道探針接收信號的程控差分放大、高通濾波和雙極性轉換，W及信號電纜接入檢 測、探針連接狀態檢測和輸入限幅保護。
[0011] 本發明中，信號調理模塊包括15個通道的工頻陷波器、低通濾波器、可編程帶通濾 波器和程控后增益放大器，每個通道的信號調理電路由1個四運放IC17、1個開關電容濾波 忍片IC18、1個數字控制電位器PR16、15個電阻R156~R170、8個電容C6^C68-起實現。
[0012] 本發明中，模數轉換模塊由1個16通道模數轉換忍片IC19、8個雙四選一模擬開關 IC20~IC27組成，可在DSP處理模塊控制下實現模數轉換器對電纜接入信號、探針連接狀態 信號、前置輸入模塊的輸出信號、可編程帶通濾波器輸出信號、程控后增益放大器輸出信號 的分時轉換。
[0013] 本發明中，DSP處理模塊包括DSP處理器、時鐘與復位、C化0、341、1?01、閃盤、1]58接 口、LCD觸摸顯示組件，DSP處理器在時鐘與復位電路的驅動控制下通過總線與CPLD、RAM、 ROM、閃盤、USB接口、模數轉換模塊、LCD觸摸顯示組件交換數據，還通過CPLD輸出邏輯控制 信號至RAM、R0M、閃盤、LCD觸摸顯示組件、前置輸入模塊、信號調理模塊和模數轉換模塊的 控制端;探測儀器的參數設置、功能自檢、正常探測功能均在LCD顯示提示下通過觸摸操作 實現。
[0014] 本發明中，隱伏斷層埋藏深度h與其特征信息主頻頻率fz之間的關系為h = 1591.58(l/fz 產已。
[001引本發明中，導水斷層的導流水量與其特征信息邊頻的關系另
[0016] 本發明中，隱伏斷層的存在狀態通過四維物探曲線低值異常并結合動態信息、裂 隙信息參數來綜合分析和評估。
[0017] 本發明的有益效果在于:根據從瞬變電磁波中提取的特征信息及參數可準確分析 隱伏斷層的埋藏深度、存在狀態、導流水量，探測結果唯一、定位精度高，可在工程建設、礦 產開采中廣泛應用。
【附圖說明】
[0018] 下面結合附圖和實施例對本發明專利作進一步說明。
[0019] 圖1是本發明的探測儀器結構示意圖； 圖2是本發明的探針原理示意圖； 圖中：2-1探針引線，2-2探測桿連接器，2-3探測桿，2-4磁珠，2-5電容，2-6二極管 圖3是本發明的信號電纜結構示意圖； 圖中：3-1連接器，3-2電纜本體，3-3引線加固環，2-1探針引線 圖4是本發明的前置輸入模塊電路原理圖； 圖5是本發明的信號調理模塊結構圖； 圖6是本發明的單通道信號調理電路原理圖； 圖7是本發明的模數轉換模塊電路原理圖； 圖8是本發明的DSP處理模塊結構圖； 圖9是本發明探測的動態信息特征圖； 圖10是本發明探測的裂隙信息特征圖； 圖11是本發明在某礦區測線一的四維物探剖面圖； 圖12是本發明在某礦區測線二的四維物探剖面圖； 圖13是本發明在某礦區測線Ξ的四維物探剖面圖。
【具體實施方式】
[0020] 參見附圖，圖1是本發明的探測儀器結構框圖。隱伏斷層探測儀器包括探針、信號 電纜、前置輸入模塊、信號調理模塊、DSP處理模塊，每個探測儀器可兩段信號電纜，兩段信 號電纜分別用護套顏色標記:藍色為A組信號電纜，黑色為B組信號電纜;每段信號電纜可連 接8根探針，共16根。前置輸入模塊通過兩段信號電纜連接16根插入地表的探針W接收天然 瞬變電磁波穿透地層在地面形成的分布電場信號并直接和通過信號調理模塊傳輸到模數 轉換模塊，直接傳輸方式用于探針連接狀態檢測，通過信號調理模塊傳輸方式用于正常探 測。DSP處理模塊是探測儀器的核屯、，它接收來自模數轉換模塊的探測數據并保存，同時輸 出邏輯控制信號至模數轉換模塊、信號調理模塊和前置輸入模塊的控制端，W實現儀器的 自檢、正常探測和參數設置等功能。上位機讀取DSP處理模塊保存的探測數據經分析處理后 提取隱伏斷層特征信息及參數并據此分析隱伏斷層的埋藏深度、存在狀態、導流水量。
[0021] 在附圖2中，探針包括探針引線(2-1)、探測桿連接器(2-2)、探測桿(2-3)等Ξ個部 分。探針引線（2-1)為一單忍屏蔽線，長度約0.6m左右，忍線用于傳輸探針接收的瞬變電磁 波信號到信號電纜的對應忍線上，屏蔽層在正常探測時與儀器內部模擬地連接、在探針連 接狀態檢測時傳輸檢測信號。探測桿連接器(2-2)外殼由侶、銅或不誘鋼等金屬材料經機加 工而成，底部中屯、安裝有一個銅鍛金的與外殼絕緣的插孔，中部空腔內含有磁珠(2-4)、電 容（2-5)和二極管（2-6)，磁珠串接在探針引線的忍線與探測桿連接器的中屯、插孔之間，二 極管與電容并聯后串接于探針引線的屏蔽層與探測桿連接器的外殼之間。探測桿(2-3)為 一具有良導電性的金屬材質細桿，頂部中屯、安裝有一個銅鍛金的與桿體連接的插針，上端 部分加工有用于與探測桿連接器連接的插槽和卡緊銷，下端部分的圓錐體可使探測桿插入 泥±更為容易，中間為細長圓柱體;當探測桿通過插接卡緊方式連接到探測桿連接器上，會 將探測桿連接器的中屯、插孔與外殼短路。探測桿用于接收天然電場信息，在探測過程中它 既接收地殼內場信號，不可避免地也接收了空間的電磁干擾信號；為避免空間電磁干擾對 探測的影響，在探針引線的屏蔽層與探測桿連接器的外殼之間串接高頻特性較好的瓷片電 容(2-5)(優選高頻零溫漂黑點瓷片電容）。由于天然電場的信號頻段在甚低頻(3~30Ifflz) 范圍，為有效的提取天然電場信息，在探針引線的忍線與探測桿連接器的中屯、插孔之間串 接有高頻濾波磁珠(2-4)。磁珠等效于電阻和電感串聯，但電阻值和電感值都隨頻率變化， 它比普通的電感有更好的高頻濾波特性，在高頻時呈現阻性，所W能在相當寬的頻率范圍 內保持較高的阻抗，從而提高濾波效果;磁珠由鐵氧磁體組成，電感由磁忍和線圈組成，磁 珠把交流信號轉化為熱能，電感把交流存儲起來，緩慢的釋放出去;鐵氧體磁珠不僅可用于 電路中濾除高頻噪聲，還可廣泛應用于其它電路，其體積可W做得很小;特別是在數字電路 中，由于脈沖信號含有頻率很高的高次諧波，也是電路高頻福射的主要根源，所W可在運種 場合發揮磁珠的作用。二極管(2-6)具體工作過程如下：（1)在探針連接狀態檢測時，由DSP 處理模塊經前置輸入模塊輸出探針檢測信號TZJC到探針引線（2-1)的屏蔽層，探針檢測信 號經二極管(2-6)、探測桿(2-3)、磁珠(2-4)到探針引線(2-1)的忍線，經信號電纜返回前置 輸入模塊，DSP處理模塊根據返回的檢測信號判斷并給出探針的連接狀態W及信號電纜的 通斷情況；（2)在正常探測情況下，探針引線(2-1)的屏蔽層通過前置輸入模塊內部接信號 地，此時，二極管(2-6)的陽極接信號地，與前置輸入模塊內部的陰極接電源VCC的二極管一 起用于限幅探針輸入信號W保護內部電路，探測桿(2-3)接收的信號經磁珠(2-4)到探針引 線(2-1)的忍線，經信號電纜連接到前置輸入模塊。
[0022]在附圖3中，信號電纜包括連接器(3-1)、電纜本體(3-2)、引線加固環(3-3)。電纜 本體(3-2)由8根單忍屏蔽線總絞成纜，線忍由銅絲或鍛錫銅絲絞合而成，截面積為0.3mm2、 均采用F46絕緣，并由絕緣的顏色加 W區分，如：白、藍、紅、黑、棟、灰、黃、綠;并在成纜好的 線忍上繞包一層聚醋帶，搭蓋率不小于15%，將總成纜好的線忍上采用Φ0.12mm的銅絲或鍛 錫銅絲編織而成，密度不小于90%，采用105°C阻燃下晴聚合物擠壓而成，成品顏色：藍色和 黑色兩種(藍色用于制作A組信號電纜，黑色用于制作B組信號電纜），外徑：11.8±0.3mm，所 有絕緣線忍工頻火花試驗電壓為4KV不擊穿，電纜工作環境溫度-40~W5度。引線加固環 (3-3)經加模注塑而成，用于固定信號電纜上的8根探針引線(2-1)，第一個引線加固環與連 接器的距離為0.5D(其目的是：當使用兩段信號電纜同時探測時，置探測儀器于中間，兩段 信號電纜的首探針間距為D)，其余引線加固環均勻分布且兩兩相距為D，則每段信號電纜的 總長度為7.加，運里D極距（即兩根探針之間的距離），若取極距D=10米，信號電纜的總長度 為75米;實際應用中，需根據探測工程的具體要求選擇合理的極距D，在每個引線加固環處 剪斷1根信號電纜的單忍屏蔽線并從靠近連接器一方引出用于連接探針的探針引線(2-1)。 連接器(3-1)為12針航空插頭，針對A組和B組信號電纜的接線定義見下表：
結合上表與附圖4,本專利探測儀器的自檢工作過程如下：（1)電纜接入檢測，DSP處理 模塊輸出檢測控制信號JCKZ=0,微型繼電器JD1將A組和B組信號電纜接口的第10引腳與內 部模擬地連接;此時，若有A組信號電纜(A組信號電纜制作時將連接器的第9、10針短路并連 接到電纜忍線的屏蔽層上)接入A 口，DSP處理模塊將通過模數轉換模塊檢測到化JCA為低電 平，若有B組信號電纜(B組信號電纜制作時將連接器的第10、11針短路并連接到電纜忍線的 屏蔽層上)接入B 口，DSP處理模塊將通過模數轉換模塊檢測到化JCB為低電平，若是連接錯 誤或未連接，DSP處理模塊將檢測到對應的DLJCA或DLJCB為高電平（內部上拉為高電平）。 (2)探針連接狀態檢測，僅對連接正確信號電纜上的探針進行檢測，DSP處理模塊輸出檢測 控制信號JCKZ=1并將數字控制電位器PR1-PR15的抽頭置為斷開狀態(此時15個通道差分輸 入放大器相當于信號緩沖器），微型繼電器JD1將A組和B組信號電纜接口的第10引腳與所加 的測試信號JCXH連接，測試信號JCXH經探針內部二極管（2-6)返回到A組和B組信號電纜接 口的相應引腳上，DSP處理模塊將通過模數轉換模塊檢測到探針連接返回信號TZA8、 TZA7……TZB7、TZB8并根據信號電壓大小判斷各探針的連接狀態;在此連接方式下，還可 通過改變測試信號JCXH的類型W測試各通道電路的性能。（3)正常探測，DSP處理模塊輸出 檢測控制信號JCKZ=0并將數字控制電位器PR1-PR15的觸頭置在相應位置W確定15個通道 差分輸入放大器的放大倍數，微型繼電器JDl將A組和B組信號電纜接口的第10引腳與內部 模擬地連接;DSP處理模塊根據電纜、探針的連接情況，僅對連接狀態正常的探針接收信號 進行采集。
[0023] 在附圖4中，前置輸入模塊包括A&B兩組信號電纜接口、二極管D1~D16、微型繼電器 JD1、四運放IC1~IC15、單運放IC16、數字控制電位器PR1~PR15、電阻R1~R155、電容C1~C60， 實現15通道探針檢測信號的程控差分放大、高通濾波和雙極性轉換，W及信號電纜接入檢 巧。、探針接入狀態檢測和輸入限幅保護。A&B兩組信號電纜接口用于分別連接A、B兩組信號 電纜，二極管D1-D16與相應探針內部的二極管（2-6)-起組成限幅保護電路，防止探針輸入 信號超出測量范圍而損壞探測儀器。微型繼電器JD1在DSP處理模塊的控制下實現電纜接入 檢測、探針連接狀態檢測和正常探測等工作情況的信號連接轉換，電阻R153用于測試信號 JCXH的輸出限流，電阻R154、R155用于電纜接入檢測化JCA、DLJCB的上拉，W配合A、B兩組信 號電纜的不同接線方式實現電纜接入檢測判斷。單運放IC16和電阻R154、R155-起組成雙 極性信號參考電壓化ef設置電路，15個通道的探針檢測信號程控差分放大、高通濾波和雙 極性轉換電路是一致的，只是輸入來自的探針不同和輸出連接的通道不同，每個通道的探 針檢測信號程控差分放大、高通濾波和雙極性轉換電路均由1片四運放、10個電阻、4個電容 和1個數字控制電位器組成。W通道1為例，由1(：1(：、1(：10、1?1、1?2、(：1^2、？1?1組成的電路在正 常測試情況下是一個全差分放大器，其輸出增益由數字控制電位器PR1調節(R1=R2)，增益 A=1+(R1+R2)/PR1;在探針連接狀態檢測時，將數字控制電位器PR1的抽頭設置為開路，電路 相當于兩個緩沖器，直接將探針上的檢測電壓緩沖到模數轉換模塊;C1 = C2為高頻濾波電 容，優選高頻特性較好的瓷片電容。IC1B、R3~R6、C3、C4組成一個高通濾波與直流偏移修正 電路(其中，1? = 1?4、1?5 = 1?6^3 =〔4)，用于消除輸入信號中的直流偏移、濾除測試范圍^外 的低頻成分，高通濾波截止頻率f=l/2誠5C3。IClA、R7~R10組成雙極性轉換放大電路，其中 R7 = R8 = R9 = R10,雙極性信號的參考點電壓由化ef決定。本專利中，前置輸入模塊的四運 放為低功耗、低噪聲的單電源運放，可選型號有:408574、化〔274、1；1'1016等，單運放優選低 功耗、低噪聲的單電源運放AD8599、0P285、0P297等;數字控制電位器用的是XIC0R公司的 X9241，還可選魁乂、40、05、〔41'等公司的同類產品；微型繼電器選用46肥1003或46肥0003。
[0024] 結合附圖，圖5是本發明的信號調理模塊結構圖，圖6是本發明的單通道信號調理 電路原理圖。信號調理模塊包括15個通道的工頻陷波器、低通濾波器、可編程帶通濾波器和 程控后增益放大器，運15個通道的信號調理電路是一致的，每個通道的信號調理電路都是 由1個四運放、1個開關電容濾波忍片、1個數字控制電位器、15個電阻、8個電容組成。W通道 1 為例，IC17 B、IC17C、R156~R160(其中，3156 = 1?157 = 21?158)、〔61~〔63(其中，〔61 =〔62 = C63/2)組成一個深度負反饋的高Q值陷波器，陷波頻率f=l/23iR156C61(需合理選擇R156、 C61，使f = 50Hz)，調節R159與R160之比值W改變陷波器Q值。IC17D、R161~R162(其中，R161 = R162)、C64~C65(其中，C64 = C65)組成一個二階低通濾波器，用于濾除測試范圍之外的高 頻成分，低通濾波截止頻率f=l/化R161C64。由由開關電容濾波忍片IC18、電阻R163-R168、 電容C66和C67組成的四階帶通頻率可控濾波電路，電路中C66、C67為電源去禪電容，取電阻 R163 = R166、R164 = R167、R165 = R168，帶通濾波中屯、頻率由DSP處理器經CPLD輸出的fBPCLκx (15路可相同，也可各不相同）決定fBPx = fBPακx/100，Q值 = R165/R164，電路放大倍數A=[ R165/R163]2;在電路參數選擇時，將15個帶通濾波器的放大倍數設置一致(放大倍數可在 1-10之間選取），通過選取不同的R164使15個帶通濾波器具有不同或相同的Q值。由運放 IC17A、數字控制電位器PR16、電阻R169和R170、電容C68組成的反相放大電路，數字控制電 位器PR16用于調節放大倍數A=R170/PR16(放大倍數可在1-100之間進行調節），R169為輸入 適配電阻取R169=R170，C68為高頻濾波電容；由于該電路于15個帶通濾波器之后，而前置信 號經15個帶通濾波器選頻后的輸出大小不一，故需調節數字控制電位器PR16,使信號既不 失真又能滿足模數轉換器分辨率較高的要求。本專利中，信號調理模塊的四運放為低功耗、 低噪聲的單電源運放，可選型號有:AD8574、化V2374等，開關電容濾波忍片可選MAXIM公司 的MAX7491、MAX7490或其它公司的同類產品。
[0025]在附圖7中，模數轉換模塊由1個16通道模數轉換忍片IC19、8個雙四選一模擬開關 IC20~IC27組成，可在DSP處理模塊控制下實現模數轉換器對電纜接入信號、探針連接狀態 信號、前置輸入模塊的輸出信號、可編程帶通濾波器輸出信號、程控后增益放大器輸出信號 的轉換。8片雙四選一模擬開關IC20^C27與1片16通道模數轉換忍片IC19 一起組成一個具 有64路信號輸入的模數轉換模塊，DSP處理模塊輸出的控制碼KZM2、KZM1、KZM0的控制下有 序地進行信號轉換。控制碼中KZM2為使能信號，當KZM2=1模擬開關不工作，KZM2 = 0使能 模擬開關，由KZM1、KZM0決定選擇通道信號；當KZM1、KZM0 = 00，16根探針的連接狀態信號選 通到16通道模數轉換器，W實現探針連接狀態的檢測和判斷；當KZM1、KZM0 = 01，15個前置 輸入模塊的輸出信號與A組電纜接入檢測信號一起選通到16通道模數轉換器，W實現對15 個前置放大器的增益整定和A組電纜接入檢測；當KZM1、KZM0 = 10，15個可編程帶通濾波器 輸出信號與B組電纜接入檢測信號一起選通到16通道模數轉換器，W實現對15個可編程帶 通濾波器的Q值、增益、中屯、頻率調整和B組電纜接入檢測；當KZM1、KZM0 = 11，15個程控后增 益放大器輸出信號與雙極性信號參考電壓化ef-起選通到16通道模數轉換器，W實現對15 個程控后增益放大器的增益整定和雙極性信號參考電壓化ef檢測。正常探測時，設置控制 碼1(212、防11、防10 = 011，連續采集16通道模數轉換器輸出，并將15個程控后增益放大器輸 出信號的采集值減去化ef的采集值W15個通道輸出的雙極性數字信號。本專利中，雙四選 一模擬開關可選MAX4782、CD4052、ADG709等忍片;模/數轉換電路的ADC可選采用TI公司生 產的 16通道的ADS7953(12-bit)、ADS7957(10-bit)、ADS7961(8-bit)系列忍片，模擬電源 電壓為2.7V~5.25V、數字電源電壓為1.7V~5.25V，采樣率高達IMHz，20MHz的SPI接口；它 具有精度高、體積小、通道多、使用靈活等特點。模/數轉換電路將模擬信號轉換成數字信 號，并將數字信號傳輸至DSP處理模塊，同時DSP可根據模/數轉換器輸出值，通過CPLD對后 前置增益放大電路、后增益放大電路進行自動控制和調節，W保證測量數據的分辨率和測 量精度。
[00%] 在附圖8中，DSP處理模塊包括DSP處理器、時鐘與復位、CPLD、RAM、R0M、閃盤、USB接 口、LCD觸摸顯示組件，DSP處理器在時鐘與復位電路的驅動控制下通過總線與CPLD、RAM、 ROM、閃盤、USB接口、模數轉換模塊、LCD觸摸顯示組件交換數據，還通過CPLD輸出邏輯控制 信號至RAM、R0M、閃盤、LCD觸摸顯示組件、前置輸入模塊、信號調理模塊和模數轉換模塊的 控制端；探測儀器的設置、檢測、探測功能均在LCD顯示提示下通過觸摸操作實現。DSP (Digital Signal Processor數字信號處理器)是一種用于實時完成數字信號處理的微處 理器，DSP可選用TI公司TMS320系列的C3X或C67X浮點處理器、AD公司的ADSP21XXX浮點處理 器、AT&T公司的DSP32XX浮點處理器、MOTOROLA公司的MC960XX浮點處理器、NEC公司的 UPD772XX浮點處理器，本專利采用ΤΙ公司TMS320系列的C672X浮點DSP。時鐘與復位電路分 別為DSP提供工作時鐘和上電復位信號;ROM用于保存儀器的執行程序和參數;RAM用于保存 儀器程序運行過程的中間數據；CF*LD(Complex Programmable Logic Device)采用了靜態 功耗極低的ispMACH4000Z系列復雜邏輯可編程器件，是儀器其它電路與DSP的邏輯輸入輸 出接口，完成本儀器的地址譯碼、數據傳輸、控制輸出、信息加密等功能。信號處理模塊的 DSP可根據用戶指令，通過CPLD向前置接口模塊發出控制信號，W實現電纜接入檢測、探針 連接狀態檢測和正常探測的選擇；同時，DSP接收模/數轉換電路所傳輸過來的數字信號，進 行分析處理后產生增益控制信號并通過CPLD控制前置輸入增益、后增益放大電路，實現了 對不同大小信號的自適應放大;完成W上的自檢和設置控制之后，DSP通過模/數轉換器對 探針所獲取的天然電磁波在地表形成的分布電場信號進行采集，并結合增益控制碼將采集 的數字信號轉換為探針所獲取的實際值并保存到閃盤中（W供上位機通過USB接口或DSP通 過內部總線讀取分析處理)和送LCD觸摸顯示屏顯示；綜合考慮可視度、可操作性和低功耗 等因素，LCD觸摸顯示屏尺寸應在3英寸到6英寸之間選擇;儀器的自檢和正常探測均可在 LCD觸摸顯示屏的顯示提示下通過觸摸操作實現。探測結束，上位機經USB接口讀取探測儀 器內部閃盤中的探測數據，上位機軟件對數據進行數字抗混濾波、FFT變換與頻譜細化、譜 線捜索、特征信息識別等法處理后可得到附圖9、附圖10所示的隱伏斷層特征信息圖。特征 信息圖中上半部分為天然瞬變電磁波的時域波形，下半部分為天然瞬變電磁波的特征頻譜 圖。頻譜圖中間最高的譜線稱為主頻譜線，分布于主頻譜線兩邊并關于主頻對稱的譜線稱 為邊頻譜線。主頻譜線表征地下某深度巖層的電性值，邊頻譜線表征地下水的活動情況，邊 頻譜線幅值表示地下水瞬時流量的大小，邊頻譜線距離主頻譜線的遠近稱邊頻頻率，邊頻 頻率表示地下水瞬時流動速度的快慢。存在于斷層中的地下水，按水文學規律流動在地底 下會切割地磁場磁力線產生感應電動勢。但該感應電動勢較微弱，無法穿透地層傳送到地 面;但它會對經過該處的天然瞬變電磁波產生持續不斷的干擾，最終附加在該電磁波信號 上傳輸到地表;本發明把附圖10運種附加有地下水流動信息的信號定義為地下水動態信息 (本發明的四維物探剖面圖中用A表示）。由于斷裂帶在形成過程中會出現或多或少的空 區，它與完好巖層間存在密度突變，天然瞬變電磁波在運里會被折射、反射或衰減;運樣就 形成了本發明附圖11所示的裂隙信息(本發明的四維物探剖面圖中用0表示）。根據電磁場 理論，天然瞬變電磁波在地層中的傳導電流遠遠大于位移電流，則其穿透深度為 h=l/(灶ζμ/ρ)°'日（單位:m) 上式中，fz為斷層特征信息主頻頻率;P為探測點的地表電阻率，一般地表大都是松散 的±層，取其平均電阻率P - 10( Ω .m);假設天然瞬變電磁波穿透的地層為無磁性介質，貝U 磁導率取μ =仙Xl(T7H/m;據此得到產生特征信息地質體的埋藏深度與特征信息主頻頻率 的關系如下 h=l/(灶zy/p)°'5 = 1591.58(l/fz產5 (單位:m) 結合附圖，圖11是本發明在某礦區測線一的四維物探剖面圖，圖12是本發明在某礦區 測線二的四維物探剖面圖，圖13是本發明在某礦區測線Ξ的四維物探剖面圖；測線二與測 線Ξ相距約300米且近似平行，測線一在測線二與測線Ξ的垂直方向上，相距500米左右。探 測中，使用了兩段信號電纜、共16根探針，探針的兩兩間距為10m(即極距D=10m，點距可由儀 器編程調節，附圖中也是10m);附圖中，橫坐標為測線范圍、共150m，縱坐標為天然電磁波穿 透不同地層后反映到地表的電性值，圖中每一條曲線表示一個深度的地層電性值變化情況 (每個層次用不同顏色、不同線型的曲線表示），再將地下特征信息（動態信息A、裂隙信息 0等)標注到相應深度地層的電性值曲線上，故稱四維物探剖面圖。附圖11測線一的探測頻 段頻率為 35Hz、40Hz、45Hz、55Hz、65Hz、75Hz、85Hz、95Hz、125Hz、165Hz、205Hz、255Hz、 335Hz、385Hz、505Hz、625化等16個頻段，可由公式深度}1= 1591.58( l/fz)^^·5換算為對應的 探測深度。從附圖11的測線四維物探剖面圖可知，測線范圍內無明顯地下水動態信息、裂隙 信息和電性低值異常區域，該測線在探測深度范圍內應屬完好地層結構。附圖12測線二的 探測頻段頻率為 30Hz、40Hz、55Hz、75Hz、95Hz、125Hz、165Hz、225Hz、305Hz、355Hz、475Hz、 68甜z、88甜z、1085化等14個頻段，在測線二的探針A7A6之間四維物探曲線出現電性低值異 常區域，且在75化(對應探測深度約183米)頻段存在地下水動態信息、305化(對應探測深度 約91米)頻段存在裂隙信息。附圖13測線Ξ的探測頻段頻率為30化、40Hz、55化、7甜Z、95化、 125化、165化、225化、305化、385化、505化、625化等12個頻段，在測線立的探針8182之間四 維物探曲線出現電性低值異常區域，且在95化(對應探測深度約163米)頻段存在地下水動 態信息、305化(對應探測深度約91米)頻段存在裂隙信息。當地層中出現斷裂時，在斷裂帶 中充填的物質與兩邊巖層相比較松軟、或者斷裂帶內含水時，會引起相對低的主頻幅值反 映，而兩邊巖層主頻幅值相對較高;斷裂帶電阻率與巖石孔隙度的定量關系可W用阿爾奇 公式來表述 民0 二 aRwOm 式中，Ro為巖石的宏觀電阻率，Rw為孔隙中水的電阻率，Φ為巖石孔隙度，a和m為待定 系數。砂巖的電阻率一般在幾歐姆米至幾千歐姆米變化，分選差、顆粒粗及膠結程度高的致 密砂巖，其電阻率高；反之，分選好、顆粒細及膠結程度低的疏松砂巖往往具有低電阻率。 堿巖由于顆粒粗、分選性差，故常具有比砂巖較高的電阻率。一般±層結構疏松，孔隙度大， 且與地表水密切相關，因而它們的電阻率均較低，一般為幾十Ω . m。在本發明儀器的探測 中：被測地質體的電阻率與四維物探曲線的電性值成正比例關系。所W當在某一測點位置 出現縱向上所有曲線出現連續性低值異常時，則表明此處有斷層存在。綜合分析附圖12和 附圖13,由于測線二和測線Ξ的布置相距僅300米，可初步判定在測線二的A7A6測點到測線 Ξ的B1B2測點之間存在一地下隱伏斷層，且斷裂帶寬度小于10m。具體斷裂帶寬度和結構需 通過測線平移或更換極距較小的信號電纜進行精確定位探測、并多次重復探測才能得到準 確結果。因此，識別地下隱伏斷層結構需要進行2條W上的測線探測；要更精確的掌握隱伏 斷層寬度、含水情況等，則需進行精確定位探測、多次重復探測。單憑1條測線的數據或地層 中某一段深度的數據進行判斷是不完整的、不全面的。
[0027]由于測線二的A7A6測點在183米處存在地下水動態信息、垂深91米存在裂隙信息， 測線Ξ的B1B2測點在163米處存在地下水動態信息、垂深91米存在裂隙信息;可知該隱伏斷 層為一導水斷層，導水流向是從測線Ξ的B1B2測點到測線二的A7A6測點，且斷裂帶的頂部 結構疏松，存在孔隙。隱伏斷層中的導流水會切割地磁場的磁力線而產生感應電動勢e，根 據電磁流量原理，感應電動勢e (單位:mV )與流量的方程式為 e = (4W/L)Q 式中，B為探測地點的大地電磁場感應強度(單位:mV/m2)、K為常數，對于一個已知的探 測區域來說它們都是常數，但需要在探測區域附近找已知的水量的參考測試點進行整定;L 為地下水流通道截面的周長(單位:m)。實際探測工作表明，地下水在巖溶裂隙中流動的流 速、流量都是隨時間變化的，其產生的感應電動勢e是時間t的函數，計為e (t)=0.5〔ei(t) + e2(t))。6 (t)與隱伏斷層導流水量Sw之間的關系為 Sw=J〇T[L.e (t)/4服]dt=( L/4服）jVe (t) dt (單位:m3/h) 式中，Τ為導流水的變化周期，本專利儀器能探測出導流水的變化周期Τ(邊頻頻率打的 倒數)和周期Τ內感應電動勢e (t)的綜合值，由上式可簡單地估算出導流水儲量Sw。但由于 導流水的變化周期T受地質構造、補給情況、開采量等因素的影響而各不相同，且該周期也 是隨時間變化的，運給準確評估導流水量帶來一定困難。通常采用離散化方法來計算上式， 具體做法是：由探測儀器對該固定深度連續重復探測1小時，得到Μ組探測數據，而運其中只 有Ν組探測數據具有導流水特征信息，即邊頻綜合幅值e (to)、e (ti)、e (t2)……e (tw-i)， 邊頻頻率打0、fbl、打2……fbN-l;因此，上式的離散化計算公式為
綜上所述，本發明的隱伏斷層探測儀器通過兩段信號電纜連接16根探針W接收天然電 磁波在地表形成的分布電場信號，從中提取隱伏斷層的特征信息并分析其埋藏深度、存在 狀態、導流水量，有效的解決了傳統物探工程中測線布置工程量大、探測效率低、成果解釋 多解性的問題;探測儀器抗干擾能力強、接收信號穩定、探測結果唯一、定位精度高，可在工 程建設、礦產開采中廣泛應用。
【主權項】
1. 一種隱伏斷層探測儀器及分析方法，探測儀器包括探針、信號電纜、前置輸入模塊、 信號調理模塊、DSP處理模塊，其特征在于:前置輸入模塊通過兩段信號電纜連接16根插入 地表的探針以接收天然瞬變電磁波穿透地層在地面形成的分布電場信號并直接和通過信 號調理模塊傳輸到模數轉換模塊，DSP處理模塊接收模數轉換模塊的輸出數據并輸出邏輯 控制信號至模數轉換模塊、信號調理模塊和前置輸入模塊的控制端;上位機讀取探測儀器 保存的探測數據經分析處理后提取隱伏斷層特征信息及參數并據此分析隱伏斷層的埋藏 深度、存在狀態、導流水量。2. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的探針包括 探針引線（2-1)、探測桿連接器(2-2)、探測桿(2-3)，所述探針引線為連接信號電纜與探針 的單芯屏蔽線，芯線用于傳輸探針接收的瞬變電磁波信號，屏蔽層在正常探測時與儀器內 部模擬地連接、在探針連接狀態檢測時傳輸檢測信號；所述探測桿連接器內含有磁珠(2-4)、電容(2-5)和二極管（2-6)，磁珠串接在探針引線的芯線與探測桿連接器的中心插孔之 間，二極管與電容并聯后串接于探針引線的屏蔽層與探測桿連接器的外殼之間；所述探測 桿為一頂部中心安裝有與桿體電連接插針的良導電性細長金屬圓柱體，通過插接卡緊方式 連接到探測桿連接器并將其的中心插孔與外殼短路。3. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的信號電纜 包括連接器(3-1)、電纜本體(3-2)、引線加固環(3-3)，長度為7.f5D的8根單芯屏蔽線繞包外 隔離層并總屏蔽編織后擠壓外護套而成的電纜本體(3-2)與連接器(3-1)電連接并在其上 均勻分布相距為D的8個用于加固探針引線(2-1)的引線加固環(3-3)，第一個引線加固環與 連接器的距離為0.5D，在每個引線加固環處剪斷1根單芯屏蔽線并從靠近連接器一方引出 用于連接探針的探針引線(2-1)。4. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的前置輸入 模塊包括A組和B組信號電纜接口、二極管D1~D16、微型繼電器JD1、四運放IC1~IC15、單運放 IC16、數字控制電位器PR1~PR15、電阻R1~R155、電容C1~C60,實現15通道探針接收信號的程 控差分放大、高通濾波和雙極性轉換，以及信號電纜接入檢測、探針連接狀態檢測和輸入限 幅保護。5. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的信號調理 模塊包括15個通道的工頻陷波器、低通濾波器、可編程帶通濾波器和程控后增益放大器，每 個通道的信號調理電路由1個四運放IC17、1個開關電容濾波芯片IC18、1個數字控制電位器 PR16、15個電阻R156~R170、8個電容C61~C68-起實現。6. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的模數轉換 模塊由1個16通道模數轉換芯片IC19、8個雙四選一模擬開關IC20~IC27組成，可在DSP處理 模塊控制下實現模數轉換器對電纜接入信號、探針連接狀態信號、前置輸入模塊的輸出信 號、可編程帶通濾波器輸出信號、程控后增益放大器輸出信號的分時轉換。7. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的DSP處理 模塊包括DSP處理器、時鐘與復位、CPLD、RAM、ROM、閃盤、USB接口、LCD觸摸顯示組件，DSP處 理器在時鐘與復位電路的驅動控制下通過總線與CPLD、RAM、ROM、閃盤、USB接口、模數轉換 模塊、IXD觸摸顯示組件交換數據，還通過CPLD輸出邏輯控制信號至RAM、ROM、閃盤、IXD觸摸 顯示組件、前置輸入模塊、信號調理模塊和模數轉換模塊的控制端;探測儀器的參數設置、 功能自檢、正常探測功能均在LCD顯示提示下通過觸摸操作實現。8. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于:所述的隱伏斷層 埋藏深度h與其特征信息主頻頻率fz之間的關系為11=1591.58(1/^)1^9. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于：導水斷層的導流 水量與其特征信息邊頻的關系為10. 根據權利要求1所述的隱伏斷層探測儀器及分析方法，其特征在于：隱伏斷層的存 在狀態通過四維物探曲線低值異常并結合動態信息、裂隙信息參數來綜合分析和評估。
【文檔編號】G01V3/38GK105824050SQ201610167422
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】黃采倫, 王靖, 曾照福, 吳亮紅, 范小春, 南茂元
【申請人】湖南科技大學