电法勘探实验报告中南大学.docx
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电法勘探实验报告中南大学
电法勘探
实
验
报
告
班级：
地科1301班
学号：
0403130105
姓名：
庄铭煌
指导老师：
严家斌、龚安栋
地球科学与信息物理学院
2015年12月
第1章实验简述…………………………………………………2
第2章实验仪器…………………………………………………2
一、DDC-5电子自动补偿仪……………………………………………………2
二、双频激电仪…………………………………………………………………2
第3章实验原理及操作…………………………………………3
一、中梯装置……………………………………………………………………3
二、三极装置……………………………………………………………………3
三、二级装置……………………………………………………………………4
四、偶极装置……………………………………………………………………4
五、对称四级装置………………………………………………………………5
六、温纳装置……………………………………………………………………5
七、矿石电阻率测量装置………………………………………………………5
第4章实验数据及分析…………………………………………6
一、中梯装置……………………………………………………………………6
二、三极装置……………………………………………………………………8
三、二级装置……………………………………………………………………10
四、偶极装置……………………………………………………………………11
五、对称四级装置………………………………………………………………14
六、温纳装置……………………………………………………………………16
七、矿石电阻率测量装置………………………………………………………17
第5章实验小结…………………………………………………19
第一章实验简述
电法勘探，即根据地壳中不同岩层之间、岩石和矿石之间存在的电磁性质差异，通过观测天然存在的或由人工建立的电场、电磁场分布，研究地质构造、寻找有用矿产资源，解决工程、环境、灾害等地质问题的一类地球物理勘探方法，是一种常用的勘探方法。
此次实验以水槽模拟实验为主，包括电阻率法和激发极化法两种方法；此外，还有测量矿体电阻率实验。
多个电法实验的完成，加深我们对理论知识的理解，熟悉并学会DDC-5和双频激电仪的操作流程，让我们对电法勘探过程有更加直观的理解。
第2章实验仪器
一、DDC-5电子自动补偿仪
DDC—5是一种直流电法仪器，它将传统电法仪器的发射机和接收机组装在一个箱体里，可直接用于电阻率法的测量。
可直接显示所测得的参数值，如视电阻率值Rs值，及电流I和电压V的平均值。
该仪器广泛用于寻找地下水源，解决人畜用水及工农业用水问题。
用于水文工程，环境的地质勘探及高分辨电阻率法工程地质勘探，用于金属与非金属矿产资源勘探，能源勘探，城市物探，铁道及桥梁工程勘探，并用于找地热，确定水库坝基和防洪大堤隐患位置等。
二、双频激电仪
SQ-3C双频道轻便型激电仪是基于中华人民共和国地质矿产行业标准《双频道激发极化法技术规定》开发完成，该系统由数据采集模块和数据处理模块组成。
数据采集模块属嵌入式软件，嵌入运行在双频激电仪的接收机和发送机内，主要有模块参数设置功能、信号发送功能、电流自动纪录功能、模块校准功能、数据采集功能、数据查询功能、数据成图功能。
数据处理模块运行在Windows操作平台上，主要有通讯自动连接、手动扫描串口、电流数据传输、剖面数据传输、测深数据传输、数据保存、电流数据更新、数据打印。
该系统用于双频激电方法适用于在矿产探测中信号的采集、传输和数据处理。
金属非金属固体矿产勘察、水文工程、物探以及探测其他具有电性差异的目标体。
第三章实验原理及操作
1、中梯装置
如图所示，中梯装置的特点是：
供电电极AB距离去的很大，且固定不动；测量电极MN在其中间三分之一地段逐点测量。
记录点去在MN中点。
此外，中梯装置还可在离开AB连线一定距离且平行于AB的旁侧线上进行观测。
实验装置如右图所示。
实验中，将供电电极A、B接在坐标尺的两端，即AB=1m，以测量电极M、N的中点为记录点，测量剖面的视电阻率，观察异常变化。
二、三极装置
如图所示，联合剖面由两个三极装置联合组成，其中供电电极B置于无穷远，记录点为MN中点O。
两个三极装置联合组成联合剖面装置。
实验中，将一个供电电极置于水池壁边缘，充作无穷远极。
当进行剖面实验时，取AO=BO=15cm，MN=2cm，移动MN；进行测深实验时，将MN的中心点置于坐标尺中点，单向移动供电电极A进行测量。
三、二极装置
如图所示，二极装置的特点是：
供电电极B和测量电极N均置于无穷远。
实验中，由于条件限制，将供电电极B和测量电极N分别置于水池壁的两个角落，原理供电电极A和测量电极M，充作无穷远。
由于时间关系，二极装置的实验只做了测深实验。
与之前三级测深实验不同的是，此次实验将N设置在坐标尺的60cm处，故水槽壁的影响颇大。
4、偶极装置
如图所示，偶极装置的特点：
供电电极AB和测量电极MN均采用偶极并分开有一定距离，四个电极都在一条直线上。
需要说明的是，对于值n，DDC-5电子自动补偿仪和双频激电仪的设置略有不同。
DDC-5电子自动补偿仪的na，是指AB的中点到MN中点的距离，而双频激电仪则是指BM之间的距离。
五、对称四极装置
如图所示，对称四极装置的特点是AM=NB，记录点取在MN中点。
实验中，测量了多组极距，如AB/2=9cm、AB/2=15cm；也测量了多个异常体，包括低阻板、板砖等。
六、温纳装置
温纳装置是一种特殊的对称四极装置，其特点为AM=MN=NB=a。
由于温纳剖面效果不佳，不常使用，故此次实验只研究温纳测深曲线。
测点设置为坐标尺中点。
七、矿石电阻率测量装置
实验模型如右图所示，在混合好的硫酸铜面团卡在所测矿体两侧，并用支架架好，确保矿体悬空绝缘。
将供电电极A、B接在矿体和硫酸铜面团之间，并在矿体上取合适的一段，绑缚上铜丝，并接上测量电极M、N。
确保准备工作无误，给矿体供电。
由于未设置装置系数，故测量并记录电位差U、电流I、横截面积S以及长度L，由公式算得电阻率。
第4章实验数据及分析
1、中梯装置
1、视电阻率异常
选取低阻金属板，分别水平及竖直放置，用DDC-5测量其视电阻率。
结果如下：
图4-1-1中梯装置电阻率曲线（金属板）
由图可知，中梯装置测量水平低阻板的曲线比较明显，趋近于水平板中心位置时，有明显的异常变化。
然竖直低阻板的曲线也十分明显，与书上所述有所不同，在竖直板正上方出现了高阻异常。
这是由于薄低阻板的激发极化效应导致的假异常。
因此，中梯装置适合寻找水平低阻体，而并不适合寻找竖直低阻体。
此外，还进行了不同剖面上的测量。
如下图所示，为水平低阻板多剖面测量曲线图。
由图可见，四条侧向剖面视电阻率曲线皆中部下凹平缓，呈现盆状，这是由于侧向距选取不当，略微偏大，以及实验条件限制等多种因素，导致测出的效果并不理想。
若无四周水池壁的影响，则这些曲线可能趋向于一条平缓的直线，说明侧向距过大时，实验所用的低阻板对其影响不大。
图4-1-2中梯装置水平低阻板旁侧线测量
2、激电异常
图4-1-3中梯装置低阻板激电异常
仍然选取低阻金属板（29.0cm*17.4cm*0.4cm），深约6.2cm，水平放置。
用双频激电仪对其进行测量，结果如上图所示。
可见，远离异常体时，无极化现象；当靠近异常体，产生激电异常，水平板中部上方二次场方向和一次场方向相同，视极化率为正值，且出现极大值；当靠近水平板两侧时，二次场方向与以磁场方向相反，视极化率为负值。
二、三极装置
1、剖面
a）视电阻率异常
联合剖面装置测量水平低阻板（32.0cm*17.5cm*0.5cm），深约4.7cm，结果如下图所示。
由图可知，两条曲线大致对称，产生正交点，说明水槽中存在水平金属板，与实际相符合。
图4-2-1联合剖面装置测量水平低阻版
b）激电异常
取上述水平板，进行测量。
由于联合剖面装置测得的曲线是由两个三极剖面装置测得的曲线组成，且两条曲线相互对称，故仅测量三极剖面。
测得激电异常如下：
图4-2-1三极装置水平低阻板激电异常
上图与中梯装置激电异常图趋势相似，其因也类似，在此不赘述。
2、测深
a）视电阻率异常
依旧取上述水平板，测量结果如下：
图4-2-2三极测深视电阻率曲线
初看，曲线先上升，后下降，再上线，呈现KH型；然曲线初始部分，电极距离过近，难免产生一些影响，带来误差，若除去误差，曲线整体呈现H型，说明水槽中存在三层，中间的一层为低阻层，与实际中存在低阻异常体的情况相吻合。
b）激电异常
下图为三级测深实验的激电异常曲线图。
图4-2-3三极测深装置激电异常
由曲线可知，视极化率先呈上升趋势，后来达到极大，趋于饱和。
这是由于极距尚小时，测深小，水平板附近电流密度小，所以视极化率小；随着极剧增大，测深增大，水平板二次场增强，故视极化率增大。
极距持续增加，低阻水平板吸引电流，此时水平板完全处于均匀外电场中，二次场变化不大，故视极化率趋于饱和。
3、二极装置
下图为二极装置测深曲线。
图4-3-1二极装置测深视电阻率曲线
由图可见，曲线并不理想，这是因为实验室条件所限，两个无穷远极的条件难以实现，导致二极装置实验做出的效果不佳。
未知野外效果如何？
下图为测深激电异常曲线，同样不甚理想。
图4-3-2二极测深激电异常曲线
四、偶极装置
1、剖面
a）视电阻率异常
用偶极装置分别测量低阻球体和高阻板，曲线如下。
图4-4-1偶极装置测量低阻球体曲线图
图4-4-2偶极装置测量高阻板曲线图
由图可见，低阻球体曲线变化并不明显，而高阻板视电阻率异常明显，在高阻水平板中部出现极大值，而在高阻板两侧出现极小值。
与其他同学交流后，对比其他同学的测量结果，得知在当前实验室的条件下，测量低阻球体效果并不理想，而高阻板、低阻板尚佳。
应当如何改进实验，是今后需要思考的问题之一。
b）激电异常
偶极装置测量水平高阻板的视极化率曲线如下：
图4-4-3偶极装置水平高阻板激电异常
由图可见，异常相对板中心是对称的。
当n偏小（n=3）时，水平板中心有较小的正异常，随着n的增加（n=7），异常逐渐增大，当达到某个值时，有极大值。
进一步增加电极距（n=9）时，则异常减小，出现双峰。
然而由于实验数据过少，无法判断偶极装置测量的最佳电极距。
这是今后需要探索研究的问题之一。
2、测深
a）视电阻率异常
测点取坐标尺中点。
偶极装置实验似乎是个不太好做的实验，前述测量低阻球异常就已十分不理想，测深实验情况同样不尽人意。
图4-4-4偶极装置测深曲线
如上图所示，为偶极装置测深曲线。
虽然乍看上去是比较标准的K型曲线，但实际测量的异常体是实打实的低阻板，理论上而言，得出的应该是完全相反的H型曲线。
与其他同学讨论后，发现双方存在同样的问题，这样即排除了个别水槽和操作人员带来的偶然误差。
那么，为何会有如此结果？
大概时间会告诉我们答案。
革命尚未成功，壮士仍需努力。
b）激电异常
如下图所示，为偶极装置测深激电异常曲线图。
图4-4-5偶极装置测深激电异常
由图可见，曲线前半段是一个明显的高峰，先升后降，其原因前有所述，即Oo尚小时，测深小，水平板附近电流密度小，所以视极化率小；随着Oo增大，测深增大，水平板二次场增强，故视极化率增大。
与前述不同的是，后半段是一个较为平缓的低谷。
Oo持续增加，视极化率极剧减小。
这是由于Oo的长度已超过板长，此时低阻板上方已无电极，低阻板周围的电流密度极剧减小，故视极化率也随之减小。
有意思的是，当极距增到一定程度后，视极化率又呈现出上升的趋势。
究竟是水池壁的影响，还是其他的因素所致？
一切尽待君探寻。
五、对称四极装置
1、剖面
a）视电阻率异常
图4-5-1对称四极高祖体电阻率异常
取AB/2=9cm以及15cm，MN/2=1cm，测量高阻板砖（23.5cm*10.5cm*5.1cm），结果如上图所示。
由图可见，在板砖正上方，两条曲线均出现高阻异常；所不同的是，AB/2=15cm时，在板心上方有一个凹点。
这是因为极剧增大时，AB的长大于板长（30cm>23.5cm），AB电极恰好均位于板砖外，而AB/2=9cm时，该区域内AB总有一个位于板砖上方，两者电流分布不同，故产生差异。
b）激电异常
图4-5-2对称四极剖面激电异常
由于对称四极装置的对称性，故所测视极化率较小且较为平缓，无大波动。
2、测深
a）视电阻率异常
下图为对称四极装置测深曲线。
由图可见，此为较为明显的H型曲线，其探测结果说明水槽中存在三层，其中中间一层略显低阻，即水槽中存在低阻异常体。
这些都与实际相符。
图4-5-3对称四极装置测深曲线
b）激电异常
如下图所示，为对称四极装置测深激电异常曲线。
图4-5-4对称四级装置测深激电异常
由图可见，视极化率随极距的增加而增大。
当达到极大值后，视极化率便趋于饱和，不再增加。
此与前述三极装置测深的曲线类同，再次不多加赘述。
六、温纳装置
1）视电阻率异常
图4-6-1温纳装置测深视电阻率异常
上图为温纳测深视电阻率异常图。
由图可见，曲线先小幅上升，再下降，后上升，是一条较为平缓的KH型曲线。
除去误差，便是所求的H型曲线。
情况与前述三极装置测深情况类同，在此不多加赘述。
2）激电异常
图4-6-2温纳装置测深激电异常
虽然温纳装置属于对称四极装置的一种，但曲线却不同之前对称四极装置所测。
由图可见，曲线先升后降，是一个明显的单峰。
这是由于极距尚小时，测深小，异常体附近电流密度小，所以视极化率小；随着极剧增大，测深增大，异常体二次场增强，故视极化率增大。
然而极距持续增加，直到电极距大于异常体的长度，电极逐渐排列在异常体之外，水槽内电流分布改变，导致异常体附近电流密度大幅下降，故视极化率也大幅下降。
7、矿石电阻率测量装置
1）通电时间
实验选取1个单位时间到12个单位时间，共计12个时间单位进行测量；每个单位时间取12次测量结果，删去误差极大值。
结果如下：
图4-7-1测量矿体电阻率最佳通电时间
由图可知，当通电时间在5个单位时间以内时，所测得电阻率较为稳定，且随着通电时间的增加而增大；当通电时间超过5个单位时间后，电阻率增大，且波动幅度较大，测量结果变得不稳定。
此变化多因矿体内部激发极化效应造成。
故最佳测量时间为5个时间单位。
2）供电电压
由于实验室内没有可以调节电压的电源，本次测量使用3V、6V、9V、12V供电电源。
参考上次测量的数据，选取通电时间在5个单位时间进行电阻测量。
对折线图观察可发现，电阻在3V时明显偏高，且出现大幅波动；而在6V、9V、12V几乎没有变化，推测是由于黄铁矿的半导体特性导致在3V时的电阻偏高且波动较大。
图4-7-2测量矿体电阻率最佳供电电压
因此，测量黄铁矿石标本电阻的最好电压在6V以上，但是，测量时电流偏高一点比较准确。
所以，黄铁矿石标本测量电压在12V比较合适。
第5章实验小结
实践是检验真理的唯一标准，理论研究离不开实验的支持，实验是将理论应用于实际的必经之路。
电法勘探一直以来都是中南的优势，身为中南学子，应继承和发扬学校的优势，掌握好电法勘探，在此很庆幸学院能为我们开设这门电法实验课程。
进行实验的过程总是充满好奇，学习了书本知识，已然知道了观测异常体的曲线应为何样，似乎只需要按部就班的熟悉流程就好。
然而真正做过实验后才知道并非如此枯燥，在用DDC-8做偶极-偶极剖面实验时，起初选定了N=3进行实验，然而由测量数据画出的曲线却和实验结论大相径庭，这就引发了思考，为何如此呢？
经过讨论，小组成员认为这是由于N值过小，探测深度小于异常体埋深，因而得到的曲线才会如此。
为此，我们改变测量参数再次进行实验，一次次尝试后终于得到了符合书上理论的曲线，当时的成就感是在学习课本知识时无法得到的。
虽然有时也会觉得繁琐乏味，然而谁也无法否认实验带来的快乐。
怎样去完成一个实验、怎样减少误差、为什么结果不同，这些问题不断地被提出又不断地被解决，有些时候甚至不是在完成规定的教学任务，而是单纯地想满足自身的求知欲。
我想这也是那些前辈们乐此不疲地投身研究事业的原因吧。
最后，我要感谢严老师和龚老师对我们实验给予的大力帮助！
在实验遇到问题时，以我自身的学习水平，常常是束手无策。
正是有了两位老师的帮助，才能将那些困惑的地方一一解决。
我也很庆幸我们能够有这样的条件去学习，若不是如此，也许困惑会一直持续到课程结束，再而又被时间所磨灭，这将是学习的悲哀！
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