地球物理與儀器結(jié)課報告

1、地球物理儀器結(jié)課報告 電法勘探儀器 姓名 ： 彭明鍵 學號 ： 201220120221 專業(yè) ：測控技術與儀器 班級 ： 1221202 課程老師： 徐哈寧 2015年12月13日一、 地球物理 1.1 地球物理學 地球物理學用物理學的原理和方法，對地球的各種物理場發(fā)布及其化進行觀測，探索地球本體及近地空間的介質(zhì)結(jié)構、物質(zhì)組成、形成和演化，研究與其相關的各種自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律。在此基礎上為探測地球內(nèi)部結(jié)構與構造、尋找能源、資源和環(huán)境監(jiān)測提供理論、方法和技術，為災害預報提供重要依據(jù)。地球物理的研究內(nèi)容總體上可以分為應用和理論地球物理兩大類。 1.2 勘探方法地理物理勘探所給出的是根據(jù)物理現(xiàn)象

2、對地質(zhì)體或地質(zhì)構造做出解釋推斷的結(jié)果，因此，它是間接的勘探方法。此外，用地球物理方法研究或勘查地質(zhì)體或地質(zhì)構造，是根據(jù)測量數(shù)據(jù)或所觀測的地球物理場求解場源體的問題，是地球物理場的反演的問題，而反演的結(jié)、果一般是多解的，因此，地球物理勘探存在多解性的問題。為了獲得更準確更有效的解釋結(jié)果，一般盡可能通過多種物探方法配合，進行對比研究，同時，要注重與地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)理論的研究相結(jié)合，進行綜合分析判斷。人類居住的地球，表層是由巖石圈組成的地殼，石油和天然氣就埋藏于地殼的巖石中，埋藏可深達數(shù)千米，眼看不到，手摸不著，所以，要找到油氣首先需要搞清地下巖石情況。怎樣才能搞清地下巖石的情況呢？這要從巖石的物理性

3、質(zhì)談起。巖石物理性質(zhì)是指巖石的導電性、磁性、密度、地震波傳播等特性，地下巖石情況不同，巖石的物理性質(zhì)也隨之而變化。各種物理性質(zhì)都表現(xiàn)為一種或幾種不同的物理現(xiàn)象，如導電性不同的巖石在相同的電壓作用下，具有不同的電流分布；磁性不同的巖石，對同一磁鐵的作用力不同；密度不同的巖石，可以引起重力的差異；振動波在不同巖石中傳播速度不同等。運用現(xiàn)代技術，完全可以記錄到上述物理現(xiàn)象的變化，進而可以了解地下巖石的性質(zhì)及其分布規(guī)律，達到尋找地下油氣的目的。我們把這種以巖石間物理性質(zhì)差異為基礎，以物理方法為手段的油氣勘探技術，稱為地球物理勘探技術，簡稱物探技術。二、地球物理儀器地球物理儀器是認識地球、資源探測、工程

4、勘察、地質(zhì)災害監(jiān)測的重要手段，是地球科學研究的基礎，也是前沿技術。在地球物理學領域，地球物理場主體上分為重力場、地磁場、電場、地熱場、放射性輻射場和地震波場。日常工作中對礦產(chǎn)資源、油氣能源和環(huán)境的勘察與監(jiān)測，對地震災害的預測與預防，對地球深部圈、層結(jié)構以及物質(zhì)組成和空間狀態(tài)的探測等都是通過物理場完成的。隨著地球物理學在理論、方法和應用方面的不斷進步，科學與技術發(fā)展的需求日益增加，相應學科的儀器與設備得到了迅速發(fā)展，物理學、力學、信息學和計算機技術中的一些新成就得到了廣泛應用，地球物理觀測的精度和對信息的分辨率不斷提高。地球物理勘探儀器是集當代先進技術如傳感器、電子、計算機、數(shù)據(jù)傳輸和通訊等技術

5、為一體的綜合系統(tǒng)。它的革新與發(fā)展總是伴隨著新技術的推廣和完善。地球物理儀器按照所測量的地球物理場，主要分為重力儀、磁力儀、電法儀、淺層地震儀、測井儀以及放射性儀器等。地球物理儀器在許多部分存在相似的電路，例如模擬通道和數(shù)字通道，前置放大電路和濾波電路，A/D采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換等，除此之外還會連接通信接口、顯示接口以及鍵盤接口等等。但是地球物理儀器往往又有自己的一些特點：（1）頻帶較寬，大動態(tài)范圍；（2）高速、高分辨率和高信噪比；（3）集成度高，功能多但是功耗較低；（4）操作簡單，輕便靈活，現(xiàn)場實時顯示結(jié)果，寬工作溫度范圍，高穩(wěn)定度。在以上各個重要參數(shù)中，高分辨率是地球物理儀器的最為關鍵參數(shù)，這是因

6、為在地球物理勘探中，傳感器接收的信號一般都很小，如直流電法儀中，測量大地的自然電位時，信號可能只有幾uV；地震勘探中，檢波器接收的信號也只有幾pV；瞬變電磁儀接收到的二次場信號也只有幾nv。這就要求A/D轉(zhuǎn)換器具有很高的分辨率，因此目前的地球物理儀器設計中大都采用了24位A/D采樣技術，以達到高分辨率的目的。另外高信噪比也是地球物理儀器的特點，由于傳感器輸出的有用信號很小，而干擾信號是隨機信號，且頻帶很寬，有時候噪聲比有用信號大幾個數(shù)量級，如直流電阻率測量系統(tǒng)中，自然電位可能比高壓供電在大地兩點間產(chǎn)生的信號要大得多。來自空中或地上的電磁波輻射以及50Hz工頻干擾，對儀器提取有用信號都造成困難。

7、怎樣去掉這些噪聲，得到有用信號，是儀器要解決的關鍵問題。隨著電子技術的不斷進步，地球物理儀器也不斷地向小型化發(fā)展，一些老式的地球物理儀器不僅笨重而且測量精度也很低。集成電路的發(fā)展，一個集成塊可以代替以前整個電路板的功能，地球物理儀器也向集成度更高的方向發(fā)展。多功能也是地球物理儀器發(fā)展的一個方向。如GDP一3211多功能電法儀，幾乎可以實現(xiàn)所有與電法相關的方法，整個儀器的集成度很高，而且使用也很方便。而且不同的儀器有相同的硬件架構，使用過程中加上不同的傳感器后，通過軟件就能實現(xiàn)不同的儀器功能。除此之外，地球物理儀器是野外用儀器，因此儀器會很頻繁的被移動或者搬運，所以地球物理儀器必須很輕便。加上野

8、外環(huán)境惡劣，所以儀器應具有抗震、防水、防沙等功能。儀器還要能夠適應不同的溫濕度度環(huán)境，如儀器可能在寒冷干燥的冬天進行數(shù)據(jù)采集，也可能在炎熱的夏天工作。另外，儀器還要求具有高穩(wěn)定度，重復觀測性要好以及漂移要小，還應該有存儲量大等特點，一些地球物理儀器，如磁力儀、地震儀等還具備GPS全球定位功能。三、電法勘探及儀器2. 1 電法勘探它是以地下介質(zhì)間電學性質(zhì)的差異為物質(zhì)基礎，通過觀測和研究人工的、或天然的電場、或電磁場的空間分布和隨時間變化規(guī)律，利用電場、或電磁場異常與地電介質(zhì)分布的對應關系，達到勘查目標體的一組物探方法。地殼是由不同的巖石、礦體和各種地質(zhì)構造所組成，它們具有不同的導電性、導磁性、介

9、電性和電化學性質(zhì)。根據(jù)這些性質(zhì)及其空間分布規(guī)律和時間特性，人們可以推斷礦體或地質(zhì)構造的賦存狀態(tài)（形狀、大小、位置、產(chǎn)狀和埋藏深度）和物性參數(shù)等，從而達到勘探的目的。電法勘探具有利用物性參數(shù)多，場源、裝置形式多，觀測內(nèi)容或測量要素多及應用范圍廣等特點。電法勘探利用巖石、礦石的物理參數(shù)，主要有電阻率（）、導磁率（）、極化特性（人工體極化率和面極化系數(shù)、自然極化的電位躍變）和介電常數(shù)（）。3.2 電法勘探的方法（1） 按場源性質(zhì)可分為人工場法（主動源法）、天然場法（被動源法）。（2）按觀測空間可分為航空電法、地面電法、地下電法。（3）按電磁場的時間特性可分為直流電法（時間域電法）、交流電法（頻率域電

10、法）、過渡過程法（脈沖瞬變場法）。（4）按產(chǎn)生異常電磁場的原因可分為傳導類電法、感應類電法。（5）按觀測內(nèi)容可分為純異常場法、總合場法等。中國常用的電法勘探方法有電阻率法、充電法、激發(fā)極化法、自然電場法、大地電磁測深法和電磁感應法等。3.2.1 高密度電法高密度電法實際上是集中了電剖面法和電測深法，其原理與普通電阻率法相同，所不同的是在觀測中設置了高密度的觀測點，是一種陣列勘探方法。關于陣列電法勘探的思想源于20世紀70年代末期，英國人設計的電測深偏置系統(tǒng)就是高密度電法的最初模式，20世紀80年代中期日本借助電極轉(zhuǎn)換板實現(xiàn)了野外高密度電法的數(shù)據(jù)采集。 我國是從20世紀末期開始研究高密度電法及其

11、應用技術，從理論方法和實際應用的角度進行了探討并完善，現(xiàn)有中國地質(zhì)大學、原長春地質(zhì)學院、重慶的有關儀器廠家研制成了幾種類型的儀器。高密度電法野外測量時將全部電極（幾十至上百根）置于剖面上，利用程控電極轉(zhuǎn)換開關和微機工程電測儀便可實現(xiàn)剖面中不同電極距、不同電極排列方式的數(shù)據(jù)快速自動采集。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電法具有以下優(yōu)點：（1）電極布置一次性完成，不僅減少了因電極設置引起的故障和干擾，并且提高了效率。（2）能夠選用多種電極排列方式進行測量，可以獲得豐富的有關地電斷面的信息。（3）野外數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了自動化或半自動化，提高了數(shù)據(jù)采集速度，避免了手工誤操作。（4）此外，隨著地球物理反演方法的發(fā)

12、展，高密度電法資料的電阻率成像技術也從一維和二維發(fā)展到三維，極大地提高了地電資料的解釋精度。3.2.2 激發(fā)極化法在電法勘探中，當電極排列向大地供入或切斷電流的瞬間，在測量電極之間總能觀測到隨時間緩慢變化的附加電場，稱為激發(fā)極化效應。激發(fā)極化法（或激電法）就是以巖、礦石激發(fā)極化效應的差異為基礎來解決地質(zhì)問題的一類勘探方法。激電法是20世紀50年代末在我國開始研究和推廣的，早期是以直流（時間域）激電法為主，20世紀70年代初開始研究交流（頻率域）激電法主要是變頻法，20世紀80年代初又開始對頻譜激電法進行研究，也就是研究復視電阻率隨頻率的變化即復視電阻率的頻譜。由于該方法測量的是二次場，具有不受

13、地形起伏和圍巖電性不均勻的影響、可測量的參數(shù)多等優(yōu)點。在實際地質(zhì)應用方面，初期的激電法主要用于勘查硫化金屬礦床，后來發(fā)展到諸多領域，如氧化礦床、非金屬礦床、工程地質(zhì)問題等。近年來，激電法找水效果十分顯著，被譽為“找水新法”。利用激電法找水或確定地層的含水性，最好與高密度電阻率法相結(jié)合，這樣可以降低地球物理解釋的多解性，提高找水的成功率。高密度電阻率法在確定高阻或低阻地質(zhì)體具有優(yōu)越性，但低阻地質(zhì)體并不代表富含地下水，可能是由于泥巖引起地層的電阻率下降。這時，可以通過使用激電法來區(qū)分含水地層和泥巖，因為激電二次場與巖石的孔隙有關，在純粹泥巖中極化率比較小，在含水砂礫巖中極化率比較大，此外二次場的衰

14、減速度也與孔隙的大小、形狀和寬窄有關，這就是激電法找水的機理所在。3.2.3 可控源音頻大地電磁法（CSAMT）可控源音頻大地電磁法是在大地電磁法（MT）和音頻大地電磁法（AMT）基礎上發(fā)展起來的一種可控源頻率測深方法。CSAMT是1975年由Myron Goldstein提出，它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組建立了視電阻率和電場與磁場比值之間的關系，并且根據(jù)電磁波的趨膚效應理論得出電磁波的傳播深度（或探測深度）與頻率之間的關系，這樣可以通過改變發(fā)射頻率來改變探測深度，達到頻率測深的目的。CSAMT采用可控制人工場源，測量由電偶極源傳送到地下的電磁場分量，兩個電極電源的距離為12km，測量

15、是在距離場源510km以外的范圍進行，此時場源可以近似為一個平面波。由于該方法的探測深度較大（通?？蛇_2km），并且兼有剖面和測深雙重性質(zhì)，因此具有諸多優(yōu)點：（1）使用可控制的人工場源，測量參數(shù)為電場與磁場之比卡尼亞電阻率，增強了抗干擾能力，并減少地形的影響。（2）利用改變頻率而非改變幾何尺寸進行不同深度的電測深，提高了工作效率，一次發(fā)射可同時完成7個點的電磁測深。（3）探測深度范圍大，一般可達12km。（4）橫向分辨率高，可以靈敏地發(fā)現(xiàn)斷層。（5）高阻屏蔽作用小，可以穿透高阻層。3.2.4 瞬變電磁法（TEM）瞬變電磁法是利用不接地或接地線源向地下發(fā)送一次場，在一次場的間歇期間，測量由地質(zhì)體

16、產(chǎn)生的感應電磁場隨時間的變化。根據(jù)二次場的衰減曲線特征，就可以判斷地下不同深度地質(zhì)體的電性特征及規(guī)模大小等。由于該方法是觀測純二次場，消除了由一次場所產(chǎn)生的裝置偶合噪音，具有體積效應小、橫向分辨率高、探測深度深、對低阻反映靈敏、與探測地質(zhì)體有最佳偶合、受旁側(cè)地質(zhì)體影響小等優(yōu)點。瞬變電磁法最初是由前蘇聯(lián)學者在20世紀30年代提出用于解決地質(zhì)構造問題，20世紀50年代用于找礦，20世紀60年代以后從方法原理到一、二維反演都得到了廣泛應用和發(fā)展。在我國，該方法研究始于20世紀70年代，20世紀90年代后逐步向工程檢測、環(huán)境、災害等應用領域發(fā)展。從20世紀80年代開始，原長春地質(zhì)學院、原地礦部物化探研究所、中南