天然電場物探儀(找水儀)在資源勘探中的應(yīng)用

目錄一、天然電場物探儀主要原理與特點 1（一）、天然電場物探儀主要原理 1（二）、天然電場物探儀主要特點 2（三）、天然電場物探儀主要用途 2二、天然電場物探儀儀器介紹 3（一）、儀器設(shè)計主要功能結(jié)構(gòu)介紹 3（二）、儀器部分電路設(shè)計介紹 3（三）、量產(chǎn)儀器介紹 6三、天然電場物探儀與傳統(tǒng)直流激電儀的對比測試 8（一）、天然電場物探儀與傳統(tǒng)時間域激電儀的對比 8（二）、在海南某地實際測試對比 8四、天然電場物探儀在資源勘探中的應(yīng)用 11（一）、在某地多金屬礦資源勘探中的應(yīng)用 11（二）、在某破碎帶型金礦資源勘探中的應(yīng)用 12（三）、在尋找地下水資源勘探中的應(yīng)用 14五、天然電場物探儀的發(fā)展中存在的問題及解決方法建議 16（一）、天然電場物探儀的發(fā)展存在的問題 16（二）、解決影響天然電場物探儀發(fā)展幾點建議 16六、結(jié)論 17致謝 18參考文獻 19中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）一、天然電場物探儀主要原理與特點（一）、天然電場物探儀主要原理天然電場物探儀是利用大地天然電磁場作為工作場源，研究地球內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)電煤質(zhì)中具有不同趨膚深度的原理，在地表測量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列，研究地下不同深度地質(zhì)體的電性變化差異，確定地下地質(zhì)體的賦存狀態(tài)，天然電場物探儀主要根據(jù)以下3個方面的基礎(chǔ)理論。1、電磁波傳播理論、亥姆霍茲方程地面電磁波發(fā)送到地下，電磁波在巖土中的傳播遵循Maxwell方程。如果假設(shè)大多數(shù)地下巖土為無磁性物質(zhì)，并且宏觀上均勻?qū)щ?，不存在電荷積累，那么Maxwell方程就可簡化為：?2H+k?式中k稱為波數(shù)（或傳播系數(shù)）k=[ω2με-iωσμ]考慮到傳播系數(shù)k為復(fù)數(shù)，令k=b+ia，其中：a稱為相位系數(shù)，b稱為吸收系數(shù)。在ADMT系列天然電場物探儀測量的電磁波頻率范圍內(nèi)（0.1Hz~5KHz）,通常可以忽略位移電流，這時K進一步簡化為：k=-iωμσ(1-3)2、波組抗與電阻率有亥姆霍茲方程變化的磁場感生出變化的電場，我們有磁電關(guān)系：EH=-iωρk表面阻抗Z定義為地表電場和磁場水平分量的比值。在均勻大地的情況下，此阻抗與入射場的極化無關(guān)，和地電阻率以及電磁場的頻率有關(guān)：Z=EH=ωμρeiπ/4（1-5）式可用于確定大地的電阻率：ρ=15fEH23、趨膚深度在無磁性介質(zhì)中，趨膚深度公式為：δ≈503ρ/f由上式可知，電磁波的穿透深度與頻率、電阻率有關(guān)系。在頻率一定時，電阻率越高穿透深度越大，電阻率一定時，頻率越低穿透深度越大。（二）、天然電場物探儀主要特點1、操作簡便：采用全觸摸智能化操作，簡單易學(xué)，對于沒有勘探經(jīng)驗的人員可以在2小時內(nèi)完成相關(guān)培訓(xùn)。2、高效：多個頻率同時測量，測量速度快，與傳統(tǒng)人工電場勘探相比勘探速度和效率均提高10倍。3、輕便便攜：利用大地天然電磁場作為信號源，不需要笨重的人工供電場源部分，攜帶使用非常方便。4、高精度測量：采用高性能放大器及進口核心部件，采用高性能AD轉(zhuǎn)化器，分辨率高達0.001mV，±0.1%的高精度測量，讓儀器能更好地應(yīng)用于高阻地區(qū)工作，獲得更深、更好的測量結(jié)果。5、抗干擾能力強：通過多檔增益和衰減的設(shè)計模式，并進行兩級工頻抑制及采用高精度的濾波IC使得抗干擾能力大大的加強，對50HZ工頻抑制由于80dB。適合各種地質(zhì)環(huán)境。6、頻率響應(yīng)范圍廣：根據(jù)頻率測深法理論頻率與測量深度成反比，1-5000HZ的寬頻響應(yīng)，充分滿足測量深度的要求。（三）、天然電場物探儀主要用途1、廣泛用于金屬礦、非金屬礦、石油天然氣、煤礦等礦產(chǎn)資源的詳查和普查勘探，減少地質(zhì)鉆探量，降低礦山投資的風(fēng)險、提高礦產(chǎn)投資的科學(xué)性及成功率。2、廣泛用于地下水、地?zé)帷厝荣Y源詳查和普查勘探，提高鉆井取水資源的成功率。3、廣泛用于煤礦采空區(qū)、地下水災(zāi)害、堤壩隱患、斷裂帶及陷落柱、山體滑坡等水文地質(zhì)的詳查和普查勘探，確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置、尋找斷裂帶及陷落柱、山體滑坡、煤礦采空區(qū)等4、廣泛用于鐵路、橋梁等工程地質(zhì)勘探，城市物探，考古挖掘，地下管線等詳查和普查勘探。二、天然電場物探儀儀器介紹（一）、儀器設(shè)計主要功能結(jié)構(gòu)介紹天然電場物探測量儀由測量電極、衰減增益部分、工頻抑制部分、檢波部分、主控制器、數(shù)據(jù)存儲和人機界面等部分組成(如圖2-1)，在儀器的信號輸入端加入衰減、增益及工頻（50HZ、60HZ）濾波部分并使用波段開關(guān)進行轉(zhuǎn)換，方便使用者靈活運用，在在程控濾波和檢波部分采用高性能的進口檢波芯片以達到高精度的頻率固定誤差（一般在1%）并且頻率測量頻率范圍廣達到（1-5K）HZ充分滿足測量精度和測量深度的要求，在整個電路設(shè)計采用兩級工頻濾波和程控濾波和檢波部分采用高性能的進口檢波芯片等一系列設(shè)計，并采用高性能的２４位△－∑Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)對微弱信號高效轉(zhuǎn)換測量。整機具有測量精度高，響應(yīng)頻率范圍廣，抗干擾能力強等顯著特點，是在長期的實踐中不斷完善實踐研發(fā)的產(chǎn)品，工頻抑制優(yōu)于80dB，充分解決天然電場的干擾問題實現(xiàn)高精度穩(wěn)定測量。圖2-1原理框圖（二）、儀器部分電路設(shè)計介紹1、工頻抑制電路為提高整機抗干擾能力，本儀器采用Q值可調(diào)的有源雙T帶阻濾波器，濾除50Hz和60Hz的工頻干擾，衰減為80dB。如圖2-2所示：圖2-2：工頻抑制電路原理圖2、衰減電路采用無源電容電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)衰減X0.1，X0.01。如圖2-3所示：圖2-3:衰減電路原理圖3、放大電路原理采用有源高精度放大器實現(xiàn)信號的放大，放大倍數(shù)為：X20，X50。如圖2-4所示，調(diào)整RG的阻值實現(xiàn)放大倍數(shù)的調(diào)整。圖2-4：放大電路原理圖4、程控放大根據(jù)信號的強弱，本儀器自適應(yīng)切換相應(yīng)的放大倍數(shù)，分為4個放大倍數(shù)X1，X10，X100，X1000。如圖2-5所示：圖2-5：程控放大電路原理框圖5、程控濾波采用CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，通過微控制器控制其精確濾波函數(shù)，設(shè)置其內(nèi)部中心頻率、Q值、工作模式來實現(xiàn)對信號的選頻濾波，提高微弱信號檢測的精度。如圖2-6所示：圖2-6程控濾波電路原理框圖（三）、量產(chǎn)儀器介紹目前在市場上銷售的產(chǎn)品有上海艾都能源科技有限公司所研發(fā)、生產(chǎn)的天然電場物探儀產(chǎn)品較為成熟，本文挑選了一款A(yù)DMT-6A多功能天然電場物探儀（圖2-7）來說明，該儀器采用7寸超大觸摸屏設(shè)計，量程為0-400mv，測量頻率為2000、1200、900、600、500、400、300、200、170、120、100、80、67、57、43、39、35、31、28、25、21、18、15、12、10、8、7、6、5、4HZ共計30個測量頻率，頻率誤差為0.1%，分辨率達到0.001mV。圖2-7ADMT-6A多功能天然電場物探儀主機接地電極一般采用紫銅電極（圖2-8）或不極化電極（圖2-9），為了方便在野外使用，一般在紫銅電極中的上端配置尼龍手柄和快速電纜接頭。由于在野外工作，連接電纜（圖2-10）一般需要解決導(dǎo)電、抗拉、屏蔽三個問題，并且配置快速接頭。圖2-8：紫銅電極圖2-9：不極化電極圖2-10：連接電纜中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）遠程與繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）三、天然電場物探儀與傳統(tǒng)直流激電儀的對比測試（一）、天然電場物探儀與傳統(tǒng)時間域激電儀的對比直流激電儀是傳統(tǒng)電法勘探中應(yīng)用較廣泛的一種儀器，主要是根據(jù)不同的勘探深度使用不同功率的發(fā)送機向大地供電,電阻率法是采用A、B兩電極供電，測量M、N兩電極間的電位差△VMN也就是一次場，并依照公式：ρs計算出各測點上的視電阻率，同時在向大地供電時也為大地充電了，所以在斷電后的瞬間能測量到二次場△V2通過下面公式我們可以得到視激化率ηS:ηs=根據(jù)不同的視電阻率、視激化率變化來判斷地質(zhì)體的各種資源，因而為了測量準確及得到最大的勘探深度，為了能夠準確地測量△VMN、△V2、供電電流I，就必須加大供電電源，一般5KW的供電電源重量達到150KG，30KW的供電部分達到1.5噸，而天然電場物探儀則采用天然電磁場作為場源，省略了笨重的供電部分，并且使用頻率測深的方法來測量深度，所以速度快。（二）、在海南某地實際測試對比為了證明天然電場物探儀的效果是否跟傳統(tǒng)的直流激化極化法的勘探效果一樣，我們在海南某礦業(yè)公司礦區(qū)同時使用5KW的大功率激電儀與我們研發(fā)設(shè)計的天然電場物探儀進行對比試驗，在時間勘探中國天然電場物探儀的勘探速度非常快，在同一個剖面上大功率激電儀用了3天時間勘探的測區(qū)，使用天然電場物探儀不到半天時間就完成了數(shù)據(jù)采集工作。并且在多個剖面的勘探結(jié)果中的異常判斷上得到驚人的一致效果，下面圖3-1、圖3-2就是其中一個測區(qū)的效果圖對比圖：圖3-1:大功率極化法勘探效果圖。圖3-2:天然電場物探儀勘探效果圖從圖3-1中橫（X）軸是測線總長也稱點距之和，縱（Y）軸是幾條測線所做的一個平面圖，因為激電儀在找礦中我要看高極化率，在圖3-1中可以明顯的看到在Y軸是-10米和X軸20米處到Y(jié)軸10米處和X軸50米處（即綠色到紅色部分），我們看到了高激化異常很可能是有礦的異常表現(xiàn)。同時在圖3-2的天然電場物探儀勘探效果圖中也正好在這個位置表現(xiàn)出低阻異常（紅色部分），位置吻合程度很高。都可以判斷在這個位置出現(xiàn)可能是礦的異常。在后期的鉆探中證明確實是一條礦脈，經(jīng)取樣化驗分析為金礦，品位在3.5，在后期開采過程中的反饋信息：整條礦脈長1000米左右，寬處2米，窄處在0.5米，礦脈連續(xù)性較好。通過上述對比來看，我們天然電場物探儀與傳統(tǒng)直流激化極化發(fā)法勘探的異常效果一樣，也就是說，我們只要使用天然電場物探儀勘探也能得到判斷出最終需要找礦的物探異常結(jié)果，而且大大地提高工作效率。四、天然電場物探儀在資源勘探中的應(yīng)用（一）、在某地多金屬礦資源勘探中的應(yīng)用此案例是利用天然電場探礦儀在云南某地一個多金屬礦找礦中的應(yīng)用，找礦異常位置布線方向：東西向偏北27°，測線線距：20米；測點點距：10米；測量極距：20米，在此次測量中沿著東西偏北27°方向一共做了4條測線，每條測線上做了10個測點，圖4-1為測量結(jié)果平面剖面圖，圖4-2為測量后的等值線圖效果圖。1號測線2號測線3號測線4號測線圖4-1：平面剖面圖圖4-2：等值線圖通過曲線圖和等值線圖可以很明顯看出異常的位置以及走向變化。異常集中在40米到60米這個區(qū)間內(nèi)；并且礦體寬度從1號線到4號線逐漸變窄。在找到位置異常后，在其第三條測線的6個測點這個位置進行了測深。其中測量點距10米，總測深100米。測得深度異常曲線如圖4-3所示：圖4-3：測深曲線圖由此測深曲線圖形中可以明顯看出在60-70米這段有異常存在。后在此點打鉆揭露，56米開始見礦，礦體一直延續(xù)到74米，礦體垂直厚度為18米。通過后續(xù)的鉆探和開采基本證實了本次測量的準確性與精確度。位置誤差在5米之內(nèi)。（二）、在某破碎帶型金礦資源勘探中的應(yīng)用在朝鮮某地的破碎帶型金礦資源勘探中使用本天然電場物探儀在朝鮮找破碎帶型金礦的應(yīng)用。在此次測量中一共布置了兩條兩極剖面測線，測線為南北向偏北40°，測線極距20米，線距10米，點距2米。每條測線上均測了20個測點，圖4-4和4-4為相應(yīng)的平面剖面圖和等值線圖。圖4-4：平面剖面圖圖4-5：等值線圖通過剖面圖和等值線圖可以很明顯看出異常的位置以及走向變化。異常集中第1條測線的5-10米、第2條測線的5-7米的位置。且從第1條測線往第二條測線異常寬度逐漸變小。通過后續(xù)的鉆探和開采證實了本次測量的準確性與精確度，位置誤差在基本在1米之內(nèi)。在找到位置異常后，在兩條測線中間的第7米位置進行了測深。其中測量點距2米，總測深60米。測得深度異常曲線如4-6圖形所示：圖4-6：測深曲線圖由此測深曲線圖形中可以明顯看出在28-32米這段有異常存在。后在此點打鉆揭露，17米左右開始見礦，礦體一直延續(xù)到30米，礦體垂直厚度為13米。（三）、在尋找地下水資源勘探中的應(yīng)用此案例是利用天然電場物探儀在山東青島某地的找水中的應(yīng)用，在測量中，測線極距20米，點距5米，測線為南北方向布置（如圖4-7）。圖4-7：野外測試圖圖4-8為測量的等值線效果圖，縱坐標代表探測深度，橫坐標代表測點。圖4-8：等值線圖從圖13中我們可以清楚的在第4個測點至第8個測點約25-32米深處，有很明顯的低阻異常反應(yīng)，經(jīng)打鉆驗證（圖4-9），該井最后實際打鉆26米，實際出水量達到了20噸/小時。圖4-9：鉆井圖五、天然電場物探儀的發(fā)展中存在的問題及解決方法建議（一）、天然電場物探儀的發(fā)展存在的問題天然電場物探儀在實際發(fā)展過程主要存在三個方面的問題：1、場源隨時變化，天然電場作為場源是非常便利，因為省略了笨重的供電部分，但因為天然電場主要來源于遠處雷電活動、地球內(nèi)部的地質(zhì)遠動或工業(yè)散流電場，不是完全穩(wěn)定，而是隨著時間的變化而變化，這樣對后期的數(shù)據(jù)判斷造成比較大影響，特別是對于只測量△VMN電位差的儀器，因為場源的變化本身就造成假異常。2、資源勘探相關(guān)標準中對于天然電場物探儀所測量的數(shù)據(jù)及異常沒有明確表示認可，在資源勘探的的物探儀器中沒有天然電場物探儀，主要是因為建立標準較早而，天然電場發(fā)展較晚。3、市場上儀器參差不棄，測量精度及抗干擾能力還不高，主要是因為市場管理比較混亂，電子元器件的發(fā)展也參差不齊，部分高性能器件會有限制進口或成本較高。（二）、解決影響天然電場物探儀發(fā)展幾點建議為了解決天然電場的隨時變化的問題，可以有兩種方法來解決，首先是多通道同時測量，在所測量的剖面首先布置每個測點為一個獨立通道的數(shù)據(jù)采集器，布置完成后用主控機控制所有的數(shù)據(jù)采集器能同時測量，這樣就獲得同一時間的場源，就是相對穩(wěn)定的場源；其次，也可以配置電磁探頭來測量電磁場，通過公式ρ=15fE再次，建議建立相關(guān)協(xié)會，也可以組織各廠家研發(fā)生產(chǎn)的儀器對比試驗，逐步建立行業(yè)標準，爭取早日進入資源勘探的標準目錄，得到更大的推廣使用。六、結(jié)論天然電場物探儀是利用大地天然電磁場作為工作場源，研究地球內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同頻率的電磁波在導(dǎo)電煤質(zhì)中具有不同