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论天然电场选频法物探仪的发展历程及问题

文章出处:www.shanshuia.com │ 网站编辑:山水地质 │ 发表时间:2017-04-06

摘要:目前电磁法测深物探仪种类较多, 天然电场选频仪是国内生产厂家最多、销售价格 最低、原理论述最少、应用解释最乱的一种天然电磁法仪。本文对天然电场选频仪的发展历程 做以介绍,并提出其原理之缺陷和使用中的误区,供业内人士参考。

关键词:天然电场选频法,大地电磁法,物探

一、天然电场选频仪的创新及发展历程

1、天然电场选频仪的创新过程

在国内外地球物理勘探方法及设备分类介绍教科书资料中,天然场源地磁法包括:MT 大 地电磁法、AMT 声频大地电磁法、GDS 地磁测量法,没有天然电场选频法。天然电场选频仪纯 属中国人自己的发明,而发明者就是郑州地质学校。

天然电场选频仪的创新过程说来很简单却也很有特色。1979 年隶属地矿部的郑州地质学 校物探科科长马文秀老师,去桂林参加了一个学术交流会,买了 3 台由地矿部河北省地矿(保 定)四大队生产的大地电磁仪。该电磁仪属于天然场源时间域大地电磁探测方法,2 个电极插 埋在地里、按键后由表头读取一个综合电位值,不分地层深度。当时有人提出通过分频可以对 探测深度有一个大致的分层,在马文秀老师的带领下,与物探科里的韩荣波老师、吴木林老师 一起研究开发天然电场选频仪,具体由学物探专业的马老师和韩老师制定方案,学物理专业懂 无线电的吴老师设计电路和制作。经过解剖 2 台大地电磁仪,在采集信号放大电路里增加了选 频放大电路和三频点选择开关等,于 1980 年研制出了第一台天然电场选频仪。该项成果由郑 州地校提交河南省地矿厅进行了技术鉴定,申报并在 1984 年获得了河南省科技进步成果三等 奖。

2、天然电场选频仪的优点

在上世纪 80 年代前,物探工作基本上使用的都是有源的需要用电池对大地馈电的直流电 阻率法物探仪,只有少数省级物探单位拥有进口的含有无源 MT 大地电磁法的综合电法仪。相 当于直流电法在一个探测点上拉线、插埋电极、放电才能测量一个深度层的数据,天然电场选 频仪只需要在探测点两边各插地一个电极,逐档选频测量记录数据即可得到 3 频点或 5 频点的 测值数据。与直流电法相比其具有明显的优点:

(1)不用大容量电池对地馈电,成本明显降低,设备小巧轻便,操作方法简单; (2)工作效率明显提高,这在当时应该是比其它物探方法最大的优点,只有探测速度快

了才有可能在一条线上进行多点探测、在一个剖面上形成连线图,由过去的一维点测深升级为二维线剖面测深;

(3)不用远距离拉线插埋电极,地形适应能力明显提高,尤其是在山区仍能开展工作; (4)不同频点反映的深度层资料直观易解释,地层变化异常易判断,对基岩破碎带反映

明显,在地下水勘测中的使用效果较好。

3、天然电场选频法仪的发展历程

任何一种创新产品都要经历被人认知、不断改进、推广使用、直至因技术落后被更新产品 取代的过程,天然电场选频仪的发展历程一样如此。1983 年马文秀老师带着研发成果创办郑 州地校校办工厂,专门生产天然电场选频仪,艰难推广数年才刚刚打开市场大门一缝隙。因体 制原因马老师停薪留职去搞物探定井,校办工厂技术人员逐渐流失自己单干,韩老师和吴老师 也都相继开始自己生产天然电场选频法找水仪。其中只有韩荣波老师退休去北京之后成立公司 继续开发生产天然电场选频仪,在技术和规模上做的不错,其他掌握技术的人做的较为一般。 由于该仪器数据采集显示全靠硬件,电路并不复杂容易仿制,国内陆陆续续有人开始仿制生产, 到目前生产类似产品的厂家估计有六七十家,其中以长沙和上海做的时间较长、规模较大。

4、天然电场选频法仪的技术发展和应用现状

虽然天然电场选频仪从发明到现在已经过去三十五年了,从最初的三极管到现在的放大器 集成模块、从开始的指针式电表头显示读数到现在的液晶显示器,在信号采集技术和自动化控 制上已经有了长足的发展。然而,所有的改进工作都是围绕着探测仪本身所用电子器件和实现 功能自动化程度而进行的,在天然电场信号采集方式、选频测深模式上基本上没有大的改进, 尤其是在原理和方法论上一直都是短板。现在人们在网上搜索一下天然电场选频仪,几乎全部 是做产品销售广告和推广的,连产品说明用词几乎都差不多。在百度文库及其它文库里搜索一 下,最多也只有一二十篇应用天然电场选频仪找水找矿类的文章,看不到一篇详细论述天然电 场选频法物探仪原理和方法的文章。尽管是厂家很多、用户很多,但在应用方法上也没有看到 比较详细的数据分析判定方法和案例分析说明,看到的只有效果如何好、如何成功的产品宣传。

二、对天然电场选频法仪原理和方法的几点质疑

尽管找不到专门介绍天然电场选频法理论方法的文章,然而从几篇应用天然电场选频仪的 文章中介绍方法的几段文字中,基本可以看出它的理论基础还是源自于国外的大地电磁法,但 在实现方法上与其又有很大的差别,反倒是有些似是而非、不知其所以然。

对于天然电场选频法理论基础介绍文字比较多一点的应该是湖南科技大学应成明等人所 著《天然电场选频法在寻找地下水资源中的应用》一文:“天然电场选频法是根据大地电磁法 (MT)理论,由音频大地电磁法(AMT)演化而来。音频大地电磁法是测量交变电磁场所产生的磁 分量和电分量,选频法是其中一个分支,它利用音频(20Hz~20kHz)大地电磁场作为工作场源, 以地下岩、土的电性差异为基础,通过沿剖面逐点测量不同频率的大地电磁场在地面上产生的 电分量变化情况,得出反映地电信息的电性剖面,以达到解决地质问题的目的。”

对于天然电场选频法有几个理论性概念需要澄清:

1、俗称“天电”的天然电场究竟是电磁场还是电场

如果天然电场选频法的理论基础是大地电磁法,那么叫做“天电”就是错误的。因为理论 上大地电磁场源信号为电离层电流的定向流动或小规模的扰动、太阳风、远距离的雷电和工业 用电等所形成的自高空垂直入射到地表的均匀平面电磁波。电磁场不等于电场,更不是天上产 生的电场,二者的定义、性质及其在介质中反应特征是完全不同的。天然电场选频仪所采集的 信号应该是大地电磁场源的电场分量值,而不是电场产生的两电极间电位差值。

2、天然电场选频法究竟是什么物探方法

“天然电场选频法是利用大地电磁场及交变电磁场作为工作场源,以地下岩矿石电阻率差 异为基础,在地面上测量大地电磁场产生的几个(或几十个)不同频率的电场分量的变化规律 来研究地下地电断面的电性变化,达到解决地质问题的一种交流电勘探方法。”【2】

此段话几乎在所有天然电场选频仪厂家的仪器说明书开场白中都可以看得到,但却自相矛 盾:一是大地电磁场本身就是以磁场和电场两种形式交替变换传递能量的交变电磁场,是同一 个而不是两种不同的场源;二是大地电磁场是以电磁波形式传播能量的,无论是磁场能量值还 是电场能量值均为大地电磁场的一种表征形态,它们所携带的都是地下介质断面的电磁特性变 化信息,而不是“地电”断面的“电性”变化信息;三是电磁法勘探不是电法勘探,更不是“一 种交流电勘探方法”。

3、利用电极测取到的电场分量信号所表征的是什么信息

按照大地电磁法理论:大地电磁场是在距离场源很远的地面所分布的场,可视为一平面波,

其方向近似垂直于地面,场的变化规律服从麦克斯韦方程组。通过对普通型波动方程求解,可 以导出波阻抗(Ex/Hy)与介质视电阻率ρ s 的关系:

ρ s=0.2(Ex/Hy)2/f (Ex--电场分量,Hy 磁场分量,f--工作频率)

现有大地电磁法就是通过在地球表面实测的大地电磁场的电场分量和磁场分量计算出地 表波阻抗、视电阻率和相位,经过反演计算求取大地深部电导率结构。而天然电场选频法仅仅 使用 2 个插地电极在地表测量两极间距的电位差,认为拾取的是大地电磁场的电分量参数值, 不考虑磁分量的作用仅用电分量替代波阻抗来直接表征视电阻率,与大地电磁法原理已相差甚 远,究竟是什么原理、是否有效还需要深入研究。

4、选频测深原理与大地电磁法一样吗

现有大地电磁法理论假定:交变的平面电磁波穿透地球时适用趋肤深度效应原理,不同周

期(频率)的电磁场信号相应地具有不同的穿透深度,趋肤深度δ =503 (ρ 为视电阻率,

f 为电磁场频率);由于不同地质体的导电性不同,大地电磁场穿透不同介质时产生的感应二 次场的强度亦不同,通过研究大地对电磁场的频率响应,观测二次场的变化来获得不同深度介 质电阻率分布的信息,从而达到探测地下各深度层介质电性结构的目的。

天然电场选频法因为是选择了大地电磁场的几个或几十个低频电场分量作为测量参数,所 以才称为天然电场选频法。由此说来天然电场选频法应该与大地电磁法的原理一样的,那么现 有天然电场选频仪的工作原理和使用方法就存在与其矛盾之处:(1)天然电场选频法测取的 仅仅是两极间电位差信号,而不是由电场分量和磁场分量带入公式计算出的视电阻率,是否也 符合趋肤深度原理?(2)由数量级小很多的电场分量值代替视电阻率带入趋肤深度公式计算 的不同频率对应的深度差别是否也会很大?(3)由趋肤深度计算公式可知,当频率一定时电 阻率越高穿透深度越大,当电阻率一定时频率越低穿透深度越大,这与天然电场选频仪所说其 某一选频与某一地层深度相对应是矛盾的;(4)天然电场选频法教程说是加长两电极间距离 就可以加大测量的深度,在大地电磁法原理中似乎找不到一点理论根据。

5、测取电场分量表征的是地下介质什么特性

大地电磁法测取地下反射二次波信号计算出的是介质层的视电阻率,反映的是地下介质的 电性结构,含水层的导电性好,电阻率肯定是低值。在天然电场选频法中测取的是两极间距 L 电场电位值 V,因 R=ρ L/S=ρ L2/V,可知在地层介质电阻率ρ 不变、电阻值与 L 等比增长的情 况下,测取电位值 V 会随着 L 的加长而成倍增长。由此可知在地表测取电位值 V 与电阻率ρ 不 存在等比增减关系,不能够代表地下介质的视电阻率ρ ,因此也就不能用以表征地下介质层的 电性结构。

三、谈天然电场选频法仪应用中的几个误区

1、目前市场上众多天然电场选频仪究竟有什么区别

天然电场选频法探水仪自 1981 年研发成功以来,由于操作方便、分析简单、价格低廉等 优点,在国内使用者较多。在网络上搜索一下就可以看到有几十个品牌的天然电场选频法探水 仪,价格从几千元到几万元不等,各家都称自己是正宗少林,别家都是抄袭,其实它们的设计 思路和硬件实现方式与最早郑州地质学校研发的基本相同,还都是通过带通滤波选频放大测取 信号,只不过多数已经采用 IC 选频放大器、液晶显示、模数转换、单片机控制、自动存储等 现代技术。区别之处多为显示方式、功能数量、外观设计等,其实用户真正应该关心的是选频 滤波放大性能和抗干扰能力等硬件指标,它们直接影响着探测数据的真实性、可靠性,关系着 用户的使用效果。

2、把天然电场选频法俗称“天电”

天然电场实际上指的是大地电磁场的电场分量而不是天然的电场,更不是天上的电场。按 照 MT-VCT 大地电磁法理论,大地电磁场源自地幔层一下的动态地磁场,是以电磁波形式自下 而上辐射到地表的。按照教科书所讲大地电磁法理论,大地电磁场是由天上的电离层电流的定 向流动或小规模的扰动、太阳风、远距离的雷电和工业用电等所形成的自高空垂直入射到地表 的均匀平面电磁波,使用仪器在地表测得的大地电磁场信号就是电磁波在导电地球内部层间界 面上反射产生二次场。即使是天然电场选频仪测取的是大地电磁场的电场分量,肯定也是从地 下反射上来的。所以,只要是天然电场选频仪,就应该考虑如何做好插地电极、更好地拾取地 下电磁波信号。有的厂家开发的探头不用接地、肩背仪器走着探测的找水仪,真不知道是什么 原理、怎样的高科技。

3、增加两电极插地的距离可以加大探测深度

按照天然电场选频仪的基本原理,是根据大地电磁法中趋肤深度原理通过选频来测取不同 深度层电阻率的,公式中探测深度只与频率、视电阻率有关,只有调整频率才能改变探测深度。 作为有源的直流电法加大两个对地放电电极的距离,可以增加探测深度。而天然电场选频仪是 无源的只能接收大地电磁场信号的探测仪,两电极间距内为实际接受地下电磁波信号的有效范 围,极间距越大、单次探测范围越大,探测数据中实际包含的探测点下的信息就越少,所以极 间距越大、信号越模糊、越不能反映探测点下实际地质情况。较为科学的探测办法是:若设定 点间距为 5 米,就把两电极插在离探测点前后各 2.5 米的地方,这样不会造成信息重叠,探测 结果更接近探测点下实际地质特征。

4、对同频点测值连线图的解释不尽符合实际

“天然电场选频法是利用天然电场在地下不同物质上所产生的电位值、电阻率等相关参数 的不同及变化来判断分析我们要寻找的地下水(基岩裂隙水、溶洞水、卵石层水等),从而了 解水的位置、深度、出水量等相关信息。”主要是对探测线路各个测点同一频点对应深度层的 连线图进行分析,其分析准则主要是在高值之间有低值就是有构造。假若探测数值是电阻率, 那么水的导电性很好、电阻率很低,测值应该始终都低。如果测点两边岩层测值较高、之间是 一含水裂隙,测值会低至水的电阻率测值范围内;如果高中有低、但之间低值高出含水层的电 阻率范围,即使是高低高值很明显也不能判断是含水构造;如果连续几个或十几个测点数据都 是含水范围内的低值,连线图是没有出现明显的高低高值,是否就不能判断有含水构造?

5、对使用专用制图软件绘制的等值曲线图解释不清

比较专业的天然电场选频仪用户,会使用 Surfer 绘图软件把多频点探测数据绘制成等值 曲线图供分析使用。在实践中所见天然电场选频法测值绘制的等值曲线图,大多都会出现上面 标定二三十米深度层都是标示为水层的蓝色,下面二三百米以下也全为蓝色,按道理讲这些低 值蓝色区既然都是水,随便找个测点定井就可以。为什么厂家解释这些蓝色区不是水,而是要 在那些高值区段中找那些不高不低的测点定井,有时说是高值是水,有时说是低值是水,真是 让人一头雾水。

6、如果测值为 0 可以调整两电极间距或加大增益直到有读数为止

在均匀场中有 E=Δ V/L,因天然电场选频法是以电场分量 E 替代视电阻率ρ ,那么视电 阻率ρ 就与测值Δ V 成正比,L 为两测量电极 M、N 之间的间距。从现场测得的 M 和 N 两点 电位差Δ V 大小,便可知地下介质层的视电阻率大小(即高阻体或低阻体)。按照此原则,探测 一个项目时 M、N 两极间距应该始终保持固定不变,才能保证测值之间的可比性。如果因为探测仪拾取信号能力差、电极在潮湿场地导通性过于敏感、工频干扰过强等原因测值过小或过大, 就通过调整两电极间距或加大增益参数来解决,就会改变原有的测值判断参考体系,使用户因 与原有经验和成果无可比性而无法正确分析判断定井。

7、增加选频数量使深度层加密可明显提高探测精度

天然电场选频仪是以带通放大器作为选频电路的。通常选频放大电路多是通带比较窄、过 渡带比较陡的滤波电路,通频带越窄,说明其对频率的选择性就越好,抑制能力也就越强。尽 管各种带通滤波器总是力求趋近理想矩形特性,然而实际设计出来的带通滤波器的幅频特性曲 线都难于达到理想的幅频特性,只能是在所选频率传输系数很大、通频带宽度较窄而已,实际 上都是一个范围的频率带通过,所对应的就是一个较宽范围的深度层。本来所选频率对应深度 层上下范围就很大,若是选频数量较多,某一频率深度层段与其上下频率的深度层段重合度就 很大,就会掩盖掉本来应有的地质特征,使探测结果平均化、构造特征模糊化,看似分层变细, 实则效果变差。