电法.docx
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电法
电法勘探各类方法的简单分类如下表:
包括方法分类,各方法设备原理,常用仪器,应用范围,优缺点等
分类内容
装置/原理
仪器设备
测量参数
应用范围
优缺点
传导类电法(直流电法)
电阻率法
电阻率剖面法
基本原理是欧姆定律装置:
(装置见附图)
二极装置
三极装置
联合装置
对称四极(温纳)
中间梯度装置
偶极装置
自动补偿仪DWD-2A微机电测仪、供电电源、供电和测量电极、导线、线架和通讯设备等
测量电位差(△U)、极距、电流强度(I),先求出电极排列系数(装置系数)K,然后再求视电阻率或归一化电位值(U/I)
联合剖面用于寻找良导陡立薄矿脉、找等轴状矿体、划分岩石界面;对称四极用于地质填图、寻找地下古河道等;中梯用于追索陡立高阻脉状体;偶极剖面用于地质填图、寻找硫化矿床等
电阻率直流电法法受外界影响小,但受地形影响大;偶极剖面极距较大时,会出项两个异常;电测深曲线存在等值现象,容易造成错误的解释
电阻率测深法
主要用于寻找地下水、研究解决工程地质问题、划分咸淡水界面
高密度电阻率法
其原理为常规电法勘探原理。
因此电阻率剖面法的装置均可用于高密度电阻率法
常用于场地勘察、公路及铁路隧道选线、坝基及桥墩选址、采空区及地裂缝调查、水库渗漏研究、地下水污染调查等环境地质
与传统电阻率法相比快速、高效、自动化、获得的地电信息更丰富,
充电法
其原理是良导体直接连通电源,观测其电场分布特征和规律进行找矿勘探。
常把供电电源正极接在良导体上,负极放在无穷远处。
起初用于良导金属矿的勘探,确定矿体的形态跟规模;确定地下水的流向跟流速;测试油田压裂施工中的裂缝;追索岩溶发育区的地下暗河等
用于良导体以及天然或人工露头的地质体;而且矿体跟围岩的电阻率需要稳定
自然电场法(自然极化)
地下的一些岩石或矿石,可以由氧化还原作用、地下水渗透作用、扩散作用和岩石颗粒的吸附作用等自然形成的电场,称为自然电场。
利用自然电场进行找矿勘探的方法叫自然电场法。
一对测量电极、导线,电位计
测量电位或电位差,求取电位值(自然电场等电位线)
常用于金属硫化矿床、某些金属氧化矿床、石墨、无烟煤等的普查工作,还应用于水文地质跟工程地质之中
不需供电,仪器设备简单,生产效率高,成本低,但是非矿异常(山地电场、炭质页岩电场)和干扰(工业游散电流)较多
激发极化法( DDJ-2A型多功能激电仪)
岩矿石水溶液在电流作用下产生极化,根据岩石、矿石的激发极化效应来寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题。
装置类似于电阻率法
除了电阻率所用仪器外还有(直流/交流)激电仪
测量总场电位差(△U)二次电位差(△U2)、充电与断电时间,再求极化率、电阻率
寻找铜矿床外,在找铁(山西式铁矿、沉积型锰铁矿,镜铁矽)、找煤(小而浅的煤矿,煤矿外围的隐伏、半隐伏煤田)、找铅锌矿,在超基性岩区找镍铬矿和找金矿等都取得了—定的地质效果。
应用范围广,能找百分含量不高的浸染状矿,但不够工业品味的非矿矿化(黄铁矿化和石墨化)也能产生明显的激电异常,形成找矿的严重干扰
感应类电法
电磁剖面法
不接地(定源)回线法
在均匀场或似均匀场中研究水平或缓倾斜状良导矿体,沿测线观测交变磁场的垂直分量或沿剖面方向的水平分量和虚部,也可观察振幅和相位
电源部分、交流发电机、发送接收线圈、选频放大和指示器
通电导线中的电流值、回线的边长面积并获得电场跟磁场的实分量与虚分量、以及振幅相位差等
应用于均匀场或似均匀场中水平或缓倾斜产状的良导矿体的勘探,以及接触带、裂隙破碎带、岩溶带、古河床等的普查,工程地质、水文地质的调查
属于纯异常场,避开了一次场的影响;地形影响小,能克服地形的假异常;多频虚分量的观测结果能较好的评价异常
航空电磁法
通过研究由人工或天然形成的电磁场对地质体感应激发产生的异常场特征和规律(即应用交变电磁场的感应原理)来寻找矿体或解决某些地质
除正常观测系统、还有导航系统、运载工具等
观测二次场,获得二次场的实分量跟虚分量
快速普查良导性金属矿体(富铜、富铁,对圈定近地表的基岩起伏,研究地下水和冰冻层等方面有一定效果,在石墨化岩石、粘土、蛇纹岩块、近地表风化层、含水破碎带及断层剪切带有较好反映,地质填图
适用于大面积普查,不能将其局限于直接找矿,机身存在噪声等
甚低频法(VLF)
用频率为15~25kHz电台发射的电磁波作为场源,在地表、空中或地下探测场的参数变化,获得电性局部差异、地下良导体或地下构造信息。
NDT台、NWC台
总场倾角、偏心率以及磁场实分量和虚分量,求波阻抗、然后进一步求得电阻率
适用于做电导率填图,以及用于探测大的断层、破碎带、石墨化地层、矿化带等个别情况下还能探测浸染和块状硫化矿
仪器轻便,工作效率高,但是能为我国使用的频段有限,测量的参数较多,且不适于地面的普查工作
电磁测深法
大地电磁测深法(MT)
实质:
测量由于太阳风或太阳黑子活动及赤道区的闪电雷击在地球表面产生的各种频率的水平电场和水平磁场,然后通过阻抗与电阻率的关系计算视电阻率从而了解地下电性结构。
EH-4等
观测电场跟磁场的水平跟垂直分量(Ex、Ey、Hx、Hy)以及Hz,计算波阻抗Z,再进一步求得卡尼亚视电阻率,而且还得讨论大地电磁测深曲线的等值性,最终分析异常
概括的说可用于油气田勘探,地热资源调查,地壳和上地幔深部地质构造的研究。
具体说:
研究高阻基岩表面的起伏,圈定油气盆地的范围;一定条件下可划分岩层;确定断层、岩层垂直接触带等不均匀界面;确定地壳内高导层、上地幔的分界面在逆掩断层和火山岩覆盖地区有较好的地质效果。
在天然气和石油的普查与勘探中,此方法是其它物探方法,特别是地震法的一种补充
不需供电,成本低,方便,不受高阻层屏蔽,对低阻分辨率高,是地震法的补充
可控音频大地电磁测深法(CSAMT)
用可控制的人工场源;以有限长接地导线为场源,距场源一定距离同时观测电磁场参数,并基于电磁波的趋肤深度原理,利用改变频率进行不同深度的电测深。
EH-4、V-8、GDP32
是MT跟频率测深的变种,克服了MT场源随时间变化的缺点,而且电阻率曲线更简单
频率测深(FS)
指频率在几十周/秒到几万周/秒的音频范围内,通过改变交变磁场频率的办法探测岩层电阻率随深度的变化以了解地质构造和找矿
EH-4
与直流测深比,等值作用范围窄,对地层分辨力强,勘探深度大;省力、效率高;用不接地磁偶极子场源,对高阻覆盖层和高阻岩层穿透能力强。
瞬变电磁法(TEM)
接地回线或电极向地下发送脉冲式一次场,并观测该场感应的地下涡流产生二次场的空间和时间分布
V-8、GDP32等
测量线框的边长、观测二次场,求视电阻率
地下水和地热资源的调查;寻找低阻矿体;寻找溶洞、煤田采空区;高阻覆盖区油气田的普查;遂道超前探测
抗干扰能力强、分辨能力高、勘探深度大、对富水体反应敏感以及现场施工高效、快捷方便,对浅层反映不明显
附图:
1、二极装置:
其
的表达式为:
,其中
。
2.、三极装置:
其
的表达式为:
,其中
。
3、联合剖面装置:
装置系数计算方法和三极装置相同。
4、对称四极装置:
这种装置的特点是AM=NB,记录点取在MN的中点。
其
的表达式为:
,其中
。
对称四极装置的特例——温纳装置:
这种装置的特点是AM=MN=NB=a,记录点取在MN的中点。
其
的表达式为:
其中
。
5、偶极装置:
其
的表达式为:
,其中
。
6、中间梯度装置:
这种装置的特点是供电电极AB的距离取得很大,且固定不动;测量电极在其中间三分之一地段逐点测量。
记录点取在MN中点。
其
的表达式为:
,其中
。
仪器介绍
DCX-1多功能高密度电法仪(电阻率层析成像数据采集系统)(
高密度直流电法仪(AGI)(
DDJ-2A型多功能激电仪(
IPR-12时间域激发极化/电阻率接收仪(
甚低频VLF电磁法仪(
GDP-32(
EH-4型连续电导率剖面仪(
TerraTEM瞬变电磁系统(
ProTEM瞬变电磁仪(
AeroTEM航空瞬变电磁仪(
比较:
1、传导类电法比较传统,仪器比较繁多笨重,应用要比感应类电法早,相对感应类电法而言,传导类电法受外界的干扰比较小,不过受地形等因素的干扰却比较大,近年来感应类电法也得到了迅速的发展,尤其是国外生产出了各种先进的仪器,最具代表性的就是EH-4等。
现在的电法勘探大多应用的是感应类电法。
2、剖面法与测深法相比而言,电剖面法是测量电极沿侧线移动,获得的是侧线下面一定深度范围内地电断面的综合反映,简单的说就是测得的电阻率是沿水平方向的变化;而电测深法是在同一测点上逐渐扩大电极距,观测垂直方向由浅到深的视电阻率值变化情况,从而了解测点下部沿垂向变化的地址情况。
3、高密度电阻率法、可控音频大地电磁测深技术、顺便电磁技术都是近年来新的应用技术,虽然已经取得了较好的成果,但在数据处理、解释等方面还有待于进一步的深入提高。
4、从上述表格我们还可以看出:
电法勘探分天然场源和人工场源,例如电阻率法、定源回线法,瞬变电磁等就是人工场源法;自然法,大地电磁测深法就是天然场法。
顾名思义,天然场法研究观测天然存在于地下的电场跟磁场,而人工场法师对人工建立于地下的电场跟磁场进行观测和研究。
对比的来说,天然源法不需人工建立,既经济省事又具有较高的工作效率,但是信号比较弱,不便于测量;人工场法较灵活的就是其场的形式、功率等可以控制,但是相比而言比较麻烦,耗时耗力。
不过随着技术的发展,人们也研制出了两用仪器:
既可观测天然场,也可用于人工场,这样的仪器还是灵活多变的。
5、另外也可从性质方面来看,分为时间域电法跟频率域电法。
时间域电法以直流电法的观测和研究稳定电流场空间分布规律的变化为主;频率域电法以交流电法研究似稳态的电磁场或电磁波的空间分布或随频率的变化特点为主。
不过从物理机制上它们是一样的,只是表现形式不同,因为通过傅里叶变化可以进行相互转化。
探地雷达系统
时间域探底雷达是将电磁波脉冲通过天线一次性地发射出去,并采用宽带的接收器接收电磁脉冲的回波信号。
步进频率探地雷达主要是在频率域实现探地雷达的发射和接收,通过付氏变换,获得介质的电磁波时间域相应。
从物理机制上来讲,时间域脉冲探地雷达和频率域的步进探底雷达是一样的,应该说无论从稳态形式(频率域)出发,或是从瞬态形式(时间域)出发都能解一般形式的电磁场问题,因为通过傅里叶变换,时间域和频率域是相通的,只是信号的表现形式不同。
正因为这种不同,步进频率探地雷达系统具有许多优越性。
步进频率技术是在一定时间内将所需要的频带分成许多的频率段,并以这些窄频率段形式进行发射和接收。
理想匹配层(PML)
理想匹配层的基本思想是在边界附近填充虚拟有耗媒质。
假设模拟区域和理想匹配层的介电常数
和磁导率
相同,有耗媒质的电导率
,磁阻率
满足阻抗匹配条件
同时相对于边界面,不同有耗媒质层的横向导率相同,则在这种有耗媒质中,电磁波在行进中其幅度按指数衰减在任意入射角和频率,不同媒质间的分界面不会造成电磁波反射,称这种有耗媒质为理想匹配层。
理想匹配层的吸收性能只与层厚和导率的乘积有关。
因此相同吸收性能下,足够大的导率就能换回非常薄的理想匹配层。
然而实际数值分析发现情况远非如此,当理想匹配层内部导率剧烈变化时,尤其当模拟空间与理想切配层交界面附近的导率剧烈变化时,理想匹配层将引起很大反射。
同样,理论分析也不能解释导率剖面与截断边界条件的相互影响。
不同边界条件截断的理想匹配层的吸收效果也不同,对各种导率剖面,相比于理想导体条件,采用有耗吸收边界条件基本上能改善理想匹配层的吸收性能,但改善程度不同。
还可以看到,随着理想匹配层厚度的增加,吸收效果逐渐变好这在情理之中。
不论层数多寡,平方指数导率剖面结合有耗吸收边界条件的理想匹配层的实际吸收性能优于其他理想匹配层,因此至少对于波导问题,在相同厚度、相同最大导率条件和最小实际反射意义上,它是最优的理想匹配层。
瞬变电磁中线圈的匝数未知,而且供电电流以及供电频率也是不确定的,也就是说电磁场能量的信号的强弱都是未知的,要使用理想匹配层有一定难度。
另一方面探底雷达用的是高频信号,类似于地震波,只适用于波动方程,瞬变电磁等其他的电法勘探用的大多是中低频信号,适用于扩散性方程。
因此,虽然都是电磁波,但传播机理还是有一定区别的。
测深
1电阻率测深法
电阻率测深法(电测深)常用来探明水平或近似水平层状岩石在地下分布情况的一组电阻率法。
其特点是保持测量电极MN的位置固定不变,在不断增大供电极距的同时,逐次进行观测。
随着供电极距的加大,观测垂直方向由浅到深的视电阻率变化情况,所观测的视电阻率测深曲线反映了地下不同电性的岩层随深度的分布情况,通过分析电测深曲线来了解测点下部垂向变化的地质情况。
电测深曲线类型:
G(两层)、H、K、D(两层)、A、Q。
电测深成果图:
电测深曲线类型图、视电阻率等值断面图、视电阻率剖面图和平面等值线图。
2电磁测深
根据电磁感应原理研究天然或人工(可控)场源在大地中激励的电磁场分布,并由观测到的电磁场值来研究地电参数随深度的变化。
大地电磁测深(频率域)
大地电磁测深法简称MT,它是利用天然交变电磁场(电磁脉动(P泼)的短周期脉动)研究地球电性结构的一种地球物理勘探方法。
此方法不受高阻层屏蔽,对低阻层分辨率高,而且勘探深度随电磁场的频率而异,浅可以几十米,深可达数百公里。
大地电磁测深资料解释中,长期以来使用观测的视电阻率作为解释参数。
但视电阻率存在一定的局限性。
相位微分为MT的解释增加了一种新的手段。
从理论上研究了相位微分的性质,并将其应用于松辽盆地北部MT资料解释中,可以得出剖面的电性特征,确定主要电性层的深度和电阻率。
可控音频大地电磁测深(CSAMT)法使用可控制的人工场源,测量参数为电场与磁场之比而得出的卡尼亚视电阻率值;同时,基于电磁波的趋肤深度原理,利用改变频率进行不同深度的电测深。
CSAMT法优点:
工作效率高,一次发射可同时接收7道电场和1道磁场;抗干扰能力强;勘探深度范围大,一般可达1~2千米,横向分辨率高,可灵敏地发现断层;高阻频蔽作用小,可穿透高阻层。
其资料处理流程:
原始数据噪声剔除-数据格式转换-静态效应改正-初始模型建立-每条测深曲线的一维光滑模型反演-输出式电阻率断面图。
频率测深(频率域)
人工源频率域电磁测深法,利用人工源(不同频率)交变电磁场探测电性沿铅直方向变化的电磁测深法的一种。
它要求在远区测量,测量时场源和接收点都不动,只改变电磁场的频率。
由于不同频率的电磁场穿透深度不同,高频穿透深度浅,低频穿透深度大,因此,研究测点电场和磁场分量的频率特性,就可以达到测深的目的。
其场源即可采用接地的水平电偶极子,也可采用不接地的水平线圈(面积为S)构成的垂直磁偶源向地下输入不同频率的电磁场。
测量时即可用水平电偶极子测量电场分量Ex,Ey,也可以用垂直和水平线圈(面积为S)测量磁场分量Hx,Hy,Hz。
由于电磁场穿透深度随频率而变化,频率高穿透深度浅,带回地面的只是浅部的信息,频率低穿透深度大,可以带回地球深部的信息,因此研究不同频率的电磁场特征,就可以了解测点电性结构随深度的变化,达到测深的目的。
瞬变测深法(时间域)
即时间域瞬变场电磁测深法
常见测深仪器
EH-4
EH-4系统属于部分可控源的大地电磁测深仪。
观测的基本参数为正交的两个电场分量(Ex,Ey)和磁场分量(Hx,Hy)。
利用上述观测参数可求得两个不同方向上的视电阻率,进而计算张量阻抗,获取地层的真电阻率值。
该系统适用于不同的地质条件和比较恶劣的野外环境。
其方法原理是利用宇宙中的太阳风等入射到地球上的天然电磁场信号作为激发场源,又称一次场。
该一次场是平面电磁波,垂直入射到大地介质中。
由电磁场理论可知,大地介质中将会产生感应电磁场,此感应电磁场与一次场是同频率的,由此引入波阻抗Z的概念。
在均匀和水平层状介质情况下,波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值。
EH4观测系统的时间序列是分频段、分块记录的。
其高频模式有三个频段,频段一:
10Hz~1kHz;频段二:
500Hz~3kHz;频段三:
750Hz~92kHz。
在每个频带,有不同的采样频率,四个场分量的时间序列同时连续记录,分块存贮。
在一个数据块中每个场分量记录12288个数据。
估计功率谱时将每个分量的12288个样值分三段进行离散傅立叶变换,叠加取平均。
采集多少个数据块要根据信号强弱设定,通过叠加平均提高信噪比。
EH4自带的imagem处理软件数据处理主要有以下几步:
第一步:
由时间序列y文件估计四个信号量的自功率谱和互功率谱,形成功率谱x文件。
先对每个频率的电场道自功率谱用系数(1/5f,f为信号频率)归一化处理。
将每个频段所有数据块的自功率谱和互功率谱按中心频率叠加平均。
第二步:
计算(Ex,Hy)和(Ey,Hx)信号对的相关系数,取相关系数大的频率的功率谱和互功率谱,形成功率谱x文件。
第三步:
对第二步的功率谱文件进行校准。
用出厂校准的功率谱频率表,电场、磁场传感器标定文件,各信号采集通道标定文件,以及采集过程中各频带的放大倍数,滤波器设置参数对功率谱x文件进行校准。
第四步:
用校准的各频率的信号自功率谱和互功率谱,计算各频率的阻抗张量。
计算各频率的视电阻率。
第五步:
对每个测点的不同频率的电阻率值进行Bostick变换,转换为深度电阻率。
将连续测量的各测点深度电阻率值进行空间域平滑滤波,得到深度电阻率断面。
V5
V5多功能电法仪器,测量装置采用“十”字形布设,以磁北方向为x轴,y轴正交于x轴。
地面采集分量包括Ex、Ey、Hx、Hy和Hz5个分量,磁场分量通过相互正交的3根磁棒采集,方位角误差不超过1;电场分量通过不极化电极采集,电极极差不超过1mV,电极距为100m。
此次工作每点采集36个频率点,有效观测记录频带为320~0.0011Hz。
由于野外干扰少,地形平坦,电极接地条件好,本次野外采集的数据质量较好。
V5仪器采集到时间系列的数据后,经过裁剪和傅里叶变换,将大地电磁分量时间系列转换成频谱,可以得到每个频点上的5个观测分量的自功率和互功率。
阻抗估算利用Robust统计方法以压制噪声影响,Robust统计方法比起常规最小二乘法处理结果,视电阻率曲线连续性好,曲线形态清晰。
它是根据观测值误差和剩余功率谱大小对数据加权的最小二乘法,重视整体数据,给飞点以小的权,在迭代中降低它对阻抗估算的影响,因此,它提高了信噪比,改善了阻抗估算的品质。
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