谈天然电场选频探水仪的发展历程及问题.docx
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1、 论天然电场选频法物探仪的发展历程及问题 寇伟 郑州地象科技有限公司 总经理 张孟才 黑龙江904水文地质工程地质勘察院副院长摘要: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。
2、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
3、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
4、)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
5、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
6、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
7、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
8、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(20Hz20kHz)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。”【1】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
9、,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;
10、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s的关系: 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
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