天然电场物探仪找水仪在资源勘探中的应用.docx

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天然电场物探仪找水仪在资源勘探中的应用

摘要

资源勘探的物探方法有很多，但电法勘探由于成本较低、使用方便而比较受欢迎，而电法勘探中也有多种方法，比如电阻率法、时间域极化激化法、瞬变电磁法、大地音频电场法、天然电场物探法，其中天然电场物探仪是利用大地天然电磁场作为工作场源，通过测量接收电极MN之间的电位差△VMN（即E），通过大地的电阻率：

我们假定大地电磁H为固定值，那么电阻率

与电位差△VMN（即E）成正比，与频率f成反比，仪器测得电位差△VMN和频率f，我们就研究地球内部各种不同地质体电性参数视电阻的变化，来确定各种资源异常位置，再依据不同频率的电磁波在导电煤质中具有不同趋肤深度的原理，我们就可以来确定各种资源异常的埋深等详细信息。

虽然天然电场物探相对发展较晚，也受到电子技术发展的制约，但其绝对的优势还是受到了用户极大的欢迎，主要是由于天然电场物探仪是吸取了电阻率法的布极方法，吸收自然电场法基础理论、同时也吸取瞬变电磁法、MT法和频率测深法等交流电磁法频率测深的优势，省略了笨重的供电场源，天然电场物探仪具有轻便高效、携带非常方便，在资源勘探中，特别是大面积资源勘探中大面积电法普查，迅速圈定异常区域，勘探速度比直流电法勘探提高10倍以上。

大大提高工作效率。

虽然天然电场物探仪还是受到一些制约，但已经找到相关方法来改进完善，相信在未来会得到更加广阔的发展与应用。

关键词：

天然电场物探仪资源勘探MT

一、天然电场物探仪主要原理与特点

（一）、天然电场物探仪主要原理

天然电场物探仪是利用大地天然电磁场作为工作场源，研究地球内部的电性结构，依据不同频率的电磁波在导电煤质中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，研究地下不同深度地质体的电性变化差异，确定地下地质体的赋存状态，天然电场物探仪主要根据以下3个方面的基础理论。

1、电磁波传播理论、亥姆霍兹方程

地面电磁波发送到地下，电磁波在岩土中的传播遵循Maxwell方程。

如果假设大多数地下岩土为无磁性物质，并且宏观上均匀导电，不存在电荷积累，那么Maxwell方程就可简化为：

（1-1）

式中k称为波数（或传播系数）

（1-2）

考虑到传播系数k为复数，令，其中：

a称为相位系数，b称为吸收系数。

在ADMT系列天然电场物探仪测量的电磁波频率范围内（0.1Hz~5KHz）,通常可以忽略位移电流，这时K进一步简化为：

（1-3）

2、波组抗与电阻率

有亥姆霍兹方程变化的磁场感生出变化的电场，我们有磁电关系：

（1-4）

表面阻抗Z定义为地表电场和磁场水平分量的比值。

在均匀大地的情况下，此阻抗与入射场的极化无关，和地电阻率以及电磁场的频率有关：

（1-5）

（1-5）式可用于确定大地的电阻率：

（1-6）

3、趋肤深度

在无磁性介质中，趋肤深度公式为：

（1-7）

由上式可知，电磁波的穿透深度与频率、电阻率有关系。

在频率一定时，电阻率越高穿透深度越大，电阻率一定时，频率越低穿透深度越大。

（二）、天然电场物探仪主要特点

1、操作简便：

采用全触摸智能化操作，简单易学，对于没有勘探经验的人员可以在2小时内完成相关培训。

2、高效：

多个频率同时测量，测量速度快，与传统人工电场勘探相比勘探速度和效率均提高10倍。

3、轻便便携：

利用大地天然电磁场作为信号源，不需要笨重的人工供电场源部分，携带使用非常方便。

4、高精度测量：

采用高性能放大器及进口核心部件，采用高性能AD转化器，分辨率高达0.001mV，±0.1%的高精度测量，让仪器能更好地应用于高阻地区工作，获得更深、更好的测量结果。

5、抗干扰能力强：

通过多档增益和衰减的设计模式，并进行两级工频抑制及采用高精度的滤波IC使得抗干扰能力大大的加强，对50HZ工频抑制由于80dB。

适合各种地质环境。

6、频率响应范围广：

根据频率测深法理论频率与测量深度成反比，1-5000HZ的宽频响应，充分满足测量深度的要求。

（三）、天然电场物探仪主要用途

1、广泛用于金属矿、非金属矿、石油天然气、煤矿等矿产资源的详查和普查勘探，减少地质钻探量，降低矿山投资的风险、提高矿产投资的科学性及成功率。

2、广泛用于地下水、地热、温泉等资源详查和普查勘探，提高钻井取水资源的成功率。

3、广泛用于煤矿采空区、地下水灾害、堤坝隐患、断裂带及陷落柱、山体滑坡等水文地质的详查和普查勘探，确定水库坝基和防洪大堤隐患位置、寻找断裂带及陷落柱、山体滑坡、煤矿采空区等

4、广泛用于铁路、桥梁等工程地质勘探，城市物探，考古挖掘，地下管线等详查和普查勘探。

二、天然电场物探仪仪器介绍

（一）、仪器设计主要功能结构介绍

天然电场物探测量仪由测量电极、衰减增益部分、工频抑制部分、检波部分、主控制器、数据存储和人机界面等部分组成（如图2-1），在仪器的信号输入端加入衰减、增益及工频（50HZ、60HZ）滤波部分并使用波段开关进行转换，方便使用者灵活运用，在在程控滤波和检波部分采用高性能的进口检波芯片以达到高精度的频率固定误差（一般在1%）并且频率测量频率范围广达到（1-5K）HZ充分满足测量精度和测量深度的要求，在整个电路设计采用两级工频滤波和程控滤波和检波部分采用高性能的进口检波芯片等一系列设计，并采用高性能的２４位△－∑Ａ／Ｄ转换器实现对微弱信号高效转换测量。

整机具有测量精度高，响应频率范围广，抗干扰能力强等显著特点，是在长期的实践中不断完善实践研发的产品，工频抑制优于80dB，充分解决天然电场的干扰问题实现高精度稳定测量。

图2-1原理框图

（二）、仪器部分电路设计介绍

1、工频抑制电路

为提高整机抗干扰能力，本仪器采用Q值可调的有源双T带阻滤波器，滤除50Hz和60Hz的工频干扰，衰减为80dB。

如图2-2所示：

图2-2：

工频抑制电路原理图

2、衰减电路

采用无源电容电阻网络实现衰减X0.1，X0.01。

如图2-3所示：

图2-3:

衰减电路原理图

3、放大电路原理

采用有源高精度放大器实现信号的放大，放大倍数为：

X20，X50。

如图2-4所示，调整RG的阻值实现放大倍数的调整。

图2-4：

放大电路原理图

4、程控放大

根据信号的强弱，本仪器自适应切换相应的放大倍数，分为4个放大倍数X1，X10，X100，X1000。

如图2-5所示：

图2-5：

程控放大电路原理框图

5、程控滤波

采用CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，通过微控制器控制其精确滤波函数，设置其内部中心频率、Q值、工作模式来实现对信号的选频滤波，提高微弱信号检测的精度。

如图2-6所示：

图2-6程控滤波电路原理框图

（三）、量产仪器介绍

目前在市场上销售的产品有上海艾都能源科技有限公司所研发、生产的天然电场物探仪产品较为成熟，本文挑选了一款ADMT-6A多功能天然电场物探仪（图2-7）来说明，该仪器采用7寸超大触摸屏设计，量程为0-400mv，测量频率为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共计30个测量频率，频率误差为0.1%，分辨率达到0.001mV。

图2-7ADMT-6A多功能天然电场物探仪主机

接地电极一般采用紫铜电极（图2-8）或不极化电极（图2-9），为了方便在野外使用，一般在紫铜电极中的上端配置尼龙手柄和快速电缆接头。

由于在野外工作，连接电缆（图2-10）一般需要解决导电、抗拉、屏蔽三个问题，并且配置快速接头。

图2-8：

紫铜电极

图2-9：

不极化电极

图2-10：

连接电缆

三、天然电场物探仪与传统直流激电仪的对比测试

（一）、天然电场物探仪与传统时间域激电仪的对比

直流激电仪是传统电法勘探中应用较广泛的一种仪器，主要是根据不同的勘探深度使用不同功率的发送机向大地供电,电阻率法是采用A、B两电极供电，测量M、N两电极间的电位差△VMN也就是一次场，并依照公式：

（3-1）

计算出各测点上的视电阻率，同时在向大地供电时也为大地充电了，所以在断电后的瞬间能测量到二次场△V2通过下面公式我们可以得到视激化率ηS:

（3-2）

根据不同的视电阻率、视激化率变化来判断地质体的各种资源，因而为了测量准确及得到最大的勘探深度，为了能够准确地测量△VMN、△V2、供电电流I，就必须加大供电电源，一般5KW的供电电源重量达到150KG，30KW的供电部分达到1.5吨，而天然电场物探仪则采用天然电磁场作为场源，省略了笨重的供电部分，并且使用频率测深的方法来测量深度，所以速度快。

（二）、在海南某地实际测试对比

为了证明天然电场物探仪的效果是否跟传统的直流激化极化法的勘探效果一样，我们在海南某矿业公司矿区同时使用5KW的大功率激电仪与我们研发设计的天然电场物探仪进行对比试验，在时间勘探中国天然电场物探仪的勘探速度非常快，在同一个剖面上大功率激电仪用了3天时间勘探的测区，使用天然电场物探仪不到半天时间就完成了数据采集工作。

并且在多个剖面的勘探结果中的异常判断上得到惊人的一致效果，下面图3-1、图3-2就是其中一个测区的效果图对比图：

图3-1:

大功率极化法勘探效果图。

图3-2:

天然电场物探仪勘探效果图

从图3-1中横（X）轴是测线总长也称点距之和，纵（Y）轴是几条测线所做的一个平面图，因为激电仪在找矿中我要看高极化率，在图3-1中可以明显的看到在Y轴是-10米和X轴20米处到Y轴10米处和X轴50米处（即绿色到红色部分），我们看到了高激化异常很可能是有矿的异常表现。

同时在图3-2的天然电场物探仪勘探效果图中也正好在这个位置表现出低阻异常（红色部分），位置吻合程度很高。

都可以判断在这个位置出现可能是矿的异常。

在后期的钻探中证明确实是一条矿脉，经取样化验分析为金矿，品位在3.5，在后期开采过程中的反馈信息：

整条矿脉长1000米左右，宽处2米，窄处在0.5米，矿脉连续性较好。

通过上述对比来看，我们天然电场物探仪与传统直流激化极化发法勘探的异常效果一样，也就是说，我们只要使用天然电场物探仪勘探也能得到判断出最终需要找矿的物探异常结果，而且大大地提高工作效率。

四、天然电场物探仪在资源勘探中的应用

（一）、在某地多金属矿资源勘探中的应用

此案例是利用天然电场探矿仪在云南某地一个多金属矿找矿中的应用，找矿异常位置布线方向：

东西向偏北27°，测线线距：

20米；测点点距：

10米；测量极距：

20米，在此次测量中沿着东西偏北27°方向一共做了4条测线，每条测线上做了10个测点，图4-1为测量结果平面剖面图，图4-2为测量后的等值线图效果图。

1号测线2号测线

3号测线4号测线

图4-1：

平面剖面图

图4-2：

等值线图

通过曲线图和等值线图可以很明显看出异常的位置以及走向变化。

异常集中在40米到60米这个区间内；并且矿体宽度从1号线到4号线逐渐变窄。

在找到位置异常后，在其第三条测线的6个测点这个位置进行了测深。

其中测量点距10米，总测深100米。

测得深度异常曲线如图4-3所示：

图4-3：

测深曲线图

由此测深曲线图形中可以明显看出在60-70米这段有异常存在。

后在此点打钻揭露，56米开始见矿，矿体一直延续到74米，矿体垂直厚度为18米。

通过后续的钻探和开采基本证实了本次测量的准确性与精确度。

位置误差在5米之内。

（二）、在某破碎带型金矿资源勘探中的应用

在朝鲜某地的破碎带型金矿资源勘探中使用本天然电场物探仪在朝鲜找破碎带型金矿的应用。

在此次测量中一共布置了两条两极剖面测线，测线为南北向偏北40°，测线极距20米，线距10米，点距2米。

每条测线上均测了20个测点，图4-4和4-4为相应的平面剖面图和等值线图。

图4-4：

平面剖面图

图4-5：

等值线图

通过剖面图和等值线图可以很明显看出异常的位置以及走向变化。

异常集中第1条测线的5-10米、第2条测线的5-7米的位置。

且从第1条测线往第二条测线异常宽度逐渐变小。

通过后续的钻探和开采证实了本次测量的准确性与精确度，位置误差在基本在1米之内。

在找到位置异常后，在两条测线中间的第7米位置进行了测深。

其中测量点距2米，总测深60米。

测得深度异常曲线如4-6图形所示：

图4-6：

测深曲线图

由此测深曲线图形中可以明显看出在28-32米这段有异常存在。

后在此点打钻揭露，17米左右开始见矿，矿体一直延续到30米，矿体垂直厚度为13米。

（三）、在寻找地下水资源勘探中的应用

此案例是利用天然电场物探仪在山东青岛某地的找水中的应用，在测量中，测线极距20米，点距5米，测线为南北方向布置（如图4-7）。

图4-7：

野外测试图

图4-8为测量的等值线效果图，纵坐标代表探测深度，横坐标代表测点。

图4-8：

等值线图

从图13中我们可以清楚的在第4个测点至第8个测点约25-32米深处，有很明显的低阻异常反应，经打钻验证（图4-9），该井最后实际打钻26米，实际出水量达到了20吨/小时。

图4-9：

钻井图

五、天然电场物探仪的发展中存在的问题及解决方法建议

（一）、天然电场物探仪的发展存在的问题

天然电场物探仪在实际发展过程主要存在三个方面的问题：

1、场源随时变化，天然电场作为场源是非常便利，因为省略了笨重的供电部分，但因为天然电场主要来源于远处雷电活动、地球内部的地质远动或工业散流电场，不是完全稳定，而是随着时间的变化而变化，这样对后期的数据判断造成比较大影响，特别是对于只测量△VMN电位差的仪器，因为场源的变化本身就造成假异常。

2、资源勘探相关标准中对于天然电场物探仪所测量的数据及异常没有明确表示认可，在资源勘探的的物探仪器中没有天然电场物探仪，主要是因为建立标准较早而，天然电场发展较晚。

3、市场上仪器参差不弃，测量精度及抗干扰能力还不高，主要是因为市场管理比较混乱，电子元器件的发展也参差不齐，部分高性能器件会有限制进口或成本较高。

（二）、解决影响天然电场物探仪发展几点建议

为了解决天然电场的随时变化的问题，可以有两种方法来解决，首先是多通道同时测量，在所测量的剖面首先布置每个测点为一个独立通道的数据采集器，布置完成后用主控机控制所有的数据采集器能同时测量，这样就获得同一时间的场源，就是相对稳定的场源；

其次，也可以配置电磁探头来测量电磁场，通过公式

来计算视电阻率

，因为在电场变化的时候理论上电磁场也是变化的，通过本公司计算出视电阻率后就可以去除场源随时变化的问题。

再次，建议建立相关协会，也可以组织各厂家研发生产的仪器对比试验，逐步建立行业标准，争取早日进入资源勘探的标准目录，得到更大的推广使用。

六、结论

天然电场物探仪是利用大地天然电磁场作为工作场源，研究地球内部的电性结构，依据不同频率的电磁波在导电煤质中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，研究地下不同深度地质体的电性变化差异，确定地下地质体的赋存状态，其设计非常轻便高效，得到与传统电法勘探一样的异常效果，在地下矿藏、地下水等资源勘探发挥具大的作用。

致谢

本研究及学位论文是在我的导师陈刚老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。

他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

从课题的选择到项目的最终完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。

几年来，教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

参考文献

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