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△V MN （即E ），通过大地的电阻率： ρ=15f |E H |2我们假定大地电磁H 为固定值，那么电阻率ρ与电位差△V MN （即E ）成正比，与频率f 成反比，仪器测得电位差△V MN 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目录一、天然电场物探仪主要原理与特点 (1)（一）、天然电场物探仪主要原理 (1)（二）、天然电场物探仪主要特点 (2)（三）、天然电场物探仪主要用途 (2)二、天然电场物探仪仪器介绍 (3)（一）、仪器设计主要功能结构介绍 (3)（二）、仪器部分电路设计介绍 (3)（三）、量产仪器介绍 (6)三、天然电场物探仪与传统直流激电仪的对比测试 (8)（一）、天然电场物探仪与传统时间域激电仪的对比 (8)（二）、在海南某地实际测试对比 (8)四、天然电场物探仪在资源勘探中的应用 (11)（一）、在某地多金属矿资源勘探中的应用 (11)（二）、在某破碎带型金矿资源勘探中的应用 (12)（三）、在寻找地下水资源勘探中的应用 (14)五、天然电场物探仪的发展中存在的问题及解决方法建议 (16)（一）、天然电场物探仪的发展存在的问题 (16)（二）、解决影响天然电场物探仪发展几点建议 (16)六、结论 (17)致谢 (18)参考文献 (19)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：∇2H+k2H=0（1-1）∇2E+k2E=0式中 k称为波数（或传播系数）k=[ω2με−iωσμ]12（1-2）考虑到传播系数k为复数，令k=b+ia，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：k=−iωμσ (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：E H =−iωρk（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：Z=EH=√ωμρe iπ/4（1-5）（1-5）式可用于确定大地的电阻率：ρ=15f |EH|2（1-6）3、趋肤深度在无磁性介质中，趋肤深度公式为：δ≈503√ρ/f（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80 dB。

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2-7 ADMT-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：连接电缆中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）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：ρs=K∆U MN I（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:ηs=∆V2∆V×100%（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。