電容型傳感器在電法勘探的應(yīng)用研究

譚嘉言++張自力++董愛(ài)國(guó)++王亞芳

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器測(cè)量的局限性，該文設(shè)計(jì)并研制了新型電容型電場(chǎng)傳感器，除了對(duì)該傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試外，還在校園草坪場(chǎng)地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比電磁法實(shí)驗(yàn)；，野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結(jié)果表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)傳感器 電磁法 正演

中圖分類(lèi)號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0007-02

電法勘探作為主要的地球物理勘探方法，不論是在金屬與非金屬固體礦產(chǎn)的勘查，還是在尋找地下水資源、油氣和煤田等方面都有廣泛的應(yīng)用。目前，電法勘探的變種方法有十多種，除了瞬變電磁法和航空電磁法以外，絕大多數(shù)的變種方法均需要觀測(cè)電場(chǎng)分量。電場(chǎng)分量的觀測(cè)采用的電場(chǎng)傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質(zhì)接觸，觀測(cè)接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場(chǎng)值。

但是，利用電極接地的方式觀測(cè)電場(chǎng)分量，有一定的局限性，比如接收電極極距較大，在坑道和井中這些狹小的空間無(wú)法使用，電位差除極距得到的電場(chǎng)值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個(gè)點(diǎn)的真實(shí)電場(chǎng)值，另外，在接地條件差的情況下（如基巖裸露區(qū)、凍土區(qū)、冰面上等）很難觀測(cè)，也不能測(cè)量空氣介質(zhì)中的電場(chǎng)分量。

針對(duì)上述傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器的局限性，我們利用電磁感應(yīng)原理開(kāi)發(fā)研制了電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)這種電場(chǎng)傳感器的性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探，這一工作實(shí)現(xiàn)了電法勘探交變電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的突破，提高了電法勘探數(shù)據(jù)采集信息量和應(yīng)用效果[1-3]。

1 研制思路和實(shí)驗(yàn)方法

由于位于交變電場(chǎng)中的電容器，其電容兩端會(huì)產(chǎn)生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測(cè)得處于交變電場(chǎng)中電容器兩端的電位差，就可以計(jì)算出交變電場(chǎng)的強(qiáng)度。基于這一原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩塊平行電容板組成的電容型電場(chǎng)傳感器，利用它測(cè)定特定方向的交變電場(chǎng)，具體儀器如圖1所示，圖中電容器為6塊銅板拼裝的正方體狀傳感器，兩側(cè)的對(duì)立銅板分別帶有導(dǎo)線(xiàn)可以連接儀器測(cè)量，銅板之間有特定材料連接，并非互相接觸，具有電容器的功能，可以簡(jiǎn)便的放置測(cè)量。

在研制新型電容傳感器之前我們利用可控源音頻大地電磁法對(duì)電場(chǎng)三分量進(jìn)行了計(jì)算，確定了地表測(cè)量的可行性。

在儀器研制開(kāi)發(fā)之后，我們?cè)谑覂?nèi)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)檢測(cè)了所研制電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性并進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進(jìn)行對(duì)比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場(chǎng)傳感器和新研制的電容型電場(chǎng)傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時(shí)用于實(shí)際電磁信號(hào)的觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)了新型電容型電場(chǎng)傳感器的使用效果。

室內(nèi)具體的測(cè)試方案為：（1）發(fā)射板和接收板間距固定，發(fā)射電壓固定不變，改變頻率觀測(cè)電位差信號(hào)隨頻率變化的曲線(xiàn)。（2）發(fā)射板和接收板間距固定，頻率固定，改變發(fā)射電壓，測(cè)定電位差信號(hào)隨發(fā)射電壓的變化曲線(xiàn)。（3）發(fā)射板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變接收板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。（4）接收板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變發(fā)射板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。

室外在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地進(jìn)行混合源電磁法實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容為：在高頻時(shí)采用人工源發(fā)射，低頻時(shí)采集天然場(chǎng)，在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行時(shí)間域激電法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場(chǎng)傳感器分別采集電場(chǎng)，對(duì)比采集結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 理論模型計(jì)算結(jié)果與分析

使用電容型電場(chǎng)傳感器的前提條件是可以在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值，為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了層狀介質(zhì)模型并進(jìn)行了計(jì)算[4-5]，在推導(dǎo)層狀介質(zhì)可控源音頻大地電磁法電場(chǎng)資料算法的基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)了該算法，該模型如圖1所示，其中第二層電阻率為10 Ωm（代表低阻層）或1000 Ωm（代表高阻層），場(chǎng)源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點(diǎn)處，偶極子方向?yàn)閄方向。收發(fā)距為2000 m，接收點(diǎn)坐標(biāo)為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計(jì)算了接收點(diǎn)位于地表和位于地表以上10 m處的電場(chǎng)Ex和Ey分量，其中Ex分量的結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場(chǎng)值無(wú)論實(shí)部還是虛部，差異不大，兩條曲線(xiàn)吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說(shuō)明，在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了的混合源電磁法實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是高頻人工場(chǎng)資料還是低頻天然場(chǎng)資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有很好的相關(guān)性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性曲線(xiàn)進(jìn)行校正，具體如圖4所示。這一結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)是可行的。

2.3 山東平度舊店金礦區(qū)

山東平度舊店金礦區(qū)使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器和不極化電極做時(shí)間域激電法的測(cè)試的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄的激電二次場(chǎng)衰減的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出幅值隨時(shí)間增加而呈減小趨勢(shì)，曲線(xiàn)有所波動(dòng)。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據(jù)，與電容型電場(chǎng)傳感器所測(cè)的曲線(xiàn)形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)也是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了新型的電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)在傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，同時(shí)在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了混合源電磁法實(shí)驗(yàn)和在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了間域激電法實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電容器可以用于記錄測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)以及記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測(cè)深法原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測(cè)深與其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.endprint

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器測(cè)量的局限性，該文設(shè)計(jì)并研制了新型電容型電場(chǎng)傳感器，除了對(duì)該傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試外，還在校園草坪場(chǎng)地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比電磁法實(shí)驗(yàn)；，野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結(jié)果表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)傳感器 電磁法 正演

中圖分類(lèi)號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0007-02

電法勘探作為主要的地球物理勘探方法，不論是在金屬與非金屬固體礦產(chǎn)的勘查，還是在尋找地下水資源、油氣和煤田等方面都有廣泛的應(yīng)用。目前，電法勘探的變種方法有十多種，除了瞬變電磁法和航空電磁法以外，絕大多數(shù)的變種方法均需要觀測(cè)電場(chǎng)分量。電場(chǎng)分量的觀測(cè)采用的電場(chǎng)傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質(zhì)接觸，觀測(cè)接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場(chǎng)值。

但是，利用電極接地的方式觀測(cè)電場(chǎng)分量，有一定的局限性，比如接收電極極距較大，在坑道和井中這些狹小的空間無(wú)法使用，電位差除極距得到的電場(chǎng)值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個(gè)點(diǎn)的真實(shí)電場(chǎng)值，另外，在接地條件差的情況下（如基巖裸露區(qū)、凍土區(qū)、冰面上等）很難觀測(cè)，也不能測(cè)量空氣介質(zhì)中的電場(chǎng)分量。

針對(duì)上述傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器的局限性，我們利用電磁感應(yīng)原理開(kāi)發(fā)研制了電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)這種電場(chǎng)傳感器的性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探，這一工作實(shí)現(xiàn)了電法勘探交變電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的突破，提高了電法勘探數(shù)據(jù)采集信息量和應(yīng)用效果[1-3]。

1 研制思路和實(shí)驗(yàn)方法

由于位于交變電場(chǎng)中的電容器，其電容兩端會(huì)產(chǎn)生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測(cè)得處于交變電場(chǎng)中電容器兩端的電位差，就可以計(jì)算出交變電場(chǎng)的強(qiáng)度。基于這一原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩塊平行電容板組成的電容型電場(chǎng)傳感器，利用它測(cè)定特定方向的交變電場(chǎng)，具體儀器如圖1所示，圖中電容器為6塊銅板拼裝的正方體狀傳感器，兩側(cè)的對(duì)立銅板分別帶有導(dǎo)線(xiàn)可以連接儀器測(cè)量，銅板之間有特定材料連接，并非互相接觸，具有電容器的功能，可以簡(jiǎn)便的放置測(cè)量。

在研制新型電容傳感器之前我們利用可控源音頻大地電磁法對(duì)電場(chǎng)三分量進(jìn)行了計(jì)算，確定了地表測(cè)量的可行性。

在儀器研制開(kāi)發(fā)之后，我們?cè)谑覂?nèi)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)檢測(cè)了所研制電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性并進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進(jìn)行對(duì)比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場(chǎng)傳感器和新研制的電容型電場(chǎng)傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時(shí)用于實(shí)際電磁信號(hào)的觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)了新型電容型電場(chǎng)傳感器的使用效果。

室內(nèi)具體的測(cè)試方案為：（1）發(fā)射板和接收板間距固定，發(fā)射電壓固定不變，改變頻率觀測(cè)電位差信號(hào)隨頻率變化的曲線(xiàn)。（2）發(fā)射板和接收板間距固定，頻率固定，改變發(fā)射電壓，測(cè)定電位差信號(hào)隨發(fā)射電壓的變化曲線(xiàn)。（3）發(fā)射板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變接收板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。（4）接收板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變發(fā)射板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。

室外在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地進(jìn)行混合源電磁法實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容為：在高頻時(shí)采用人工源發(fā)射，低頻時(shí)采集天然場(chǎng)，在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行時(shí)間域激電法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場(chǎng)傳感器分別采集電場(chǎng)，對(duì)比采集結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 理論模型計(jì)算結(jié)果與分析

使用電容型電場(chǎng)傳感器的前提條件是可以在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值，為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了層狀介質(zhì)模型并進(jìn)行了計(jì)算[4-5]，在推導(dǎo)層狀介質(zhì)可控源音頻大地電磁法電場(chǎng)資料算法的基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)了該算法，該模型如圖1所示，其中第二層電阻率為10 Ωm（代表低阻層）或1000 Ωm（代表高阻層），場(chǎng)源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點(diǎn)處，偶極子方向?yàn)閄方向。收發(fā)距為2000 m，接收點(diǎn)坐標(biāo)為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計(jì)算了接收點(diǎn)位于地表和位于地表以上10 m處的電場(chǎng)Ex和Ey分量，其中Ex分量的結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場(chǎng)值無(wú)論實(shí)部還是虛部，差異不大，兩條曲線(xiàn)吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說(shuō)明，在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了的混合源電磁法實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是高頻人工場(chǎng)資料還是低頻天然場(chǎng)資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有很好的相關(guān)性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性曲線(xiàn)進(jìn)行校正，具體如圖4所示。這一結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)是可行的。

2.3 山東平度舊店金礦區(qū)

山東平度舊店金礦區(qū)使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器和不極化電極做時(shí)間域激電法的測(cè)試的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄的激電二次場(chǎng)衰減的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出幅值隨時(shí)間增加而呈減小趨勢(shì)，曲線(xiàn)有所波動(dòng)。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據(jù)，與電容型電場(chǎng)傳感器所測(cè)的曲線(xiàn)形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)也是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了新型的電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)在傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，同時(shí)在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了混合源電磁法實(shí)驗(yàn)和在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了間域激電法實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電容器可以用于記錄測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)以及記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測(cè)深法原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測(cè)深與其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.endprint

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器測(cè)量的局限性，該文設(shè)計(jì)并研制了新型電容型電場(chǎng)傳感器，除了對(duì)該傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試外，還在校園草坪場(chǎng)地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了對(duì)比電磁法實(shí)驗(yàn)；，野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結(jié)果表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探。

關(guān)鍵詞：電場(chǎng)傳感器 電磁法 正演

中圖分類(lèi)號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）04（b）-0007-02

電法勘探作為主要的地球物理勘探方法，不論是在金屬與非金屬固體礦產(chǎn)的勘查，還是在尋找地下水資源、油氣和煤田等方面都有廣泛的應(yīng)用。目前，電法勘探的變種方法有十多種，除了瞬變電磁法和航空電磁法以外，絕大多數(shù)的變種方法均需要觀測(cè)電場(chǎng)分量。電場(chǎng)分量的觀測(cè)采用的電場(chǎng)傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質(zhì)接觸，觀測(cè)接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場(chǎng)值。

但是，利用電極接地的方式觀測(cè)電場(chǎng)分量，有一定的局限性，比如接收電極極距較大，在坑道和井中這些狹小的空間無(wú)法使用，電位差除極距得到的電場(chǎng)值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個(gè)點(diǎn)的真實(shí)電場(chǎng)值，另外，在接地條件差的情況下（如基巖裸露區(qū)、凍土區(qū)、冰面上等）很難觀測(cè)，也不能測(cè)量空氣介質(zhì)中的電場(chǎng)分量。

針對(duì)上述傳統(tǒng)電場(chǎng)傳感器的局限性，我們利用電磁感應(yīng)原理開(kāi)發(fā)研制了電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)這種電場(chǎng)傳感器的性能進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該電容型電場(chǎng)傳感器可以用于電法勘探，這一工作實(shí)現(xiàn)了電法勘探交變電場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)的突破，提高了電法勘探數(shù)據(jù)采集信息量和應(yīng)用效果[1-3]。

1 研制思路和實(shí)驗(yàn)方法

由于位于交變電場(chǎng)中的電容器，其電容兩端會(huì)產(chǎn)生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測(cè)得處于交變電場(chǎng)中電容器兩端的電位差，就可以計(jì)算出交變電場(chǎng)的強(qiáng)度。基于這一原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩塊平行電容板組成的電容型電場(chǎng)傳感器，利用它測(cè)定特定方向的交變電場(chǎng)，具體儀器如圖1所示，圖中電容器為6塊銅板拼裝的正方體狀傳感器，兩側(cè)的對(duì)立銅板分別帶有導(dǎo)線(xiàn)可以連接儀器測(cè)量，銅板之間有特定材料連接，并非互相接觸，具有電容器的功能，可以簡(jiǎn)便的放置測(cè)量。

在研制新型電容傳感器之前我們利用可控源音頻大地電磁法對(duì)電場(chǎng)三分量進(jìn)行了計(jì)算，確定了地表測(cè)量的可行性。

在儀器研制開(kāi)發(fā)之后，我們?cè)谑覂?nèi)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)檢測(cè)了所研制電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性并進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進(jìn)行對(duì)比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場(chǎng)傳感器和新研制的電容型電場(chǎng)傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時(shí)用于實(shí)際電磁信號(hào)的觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)了新型電容型電場(chǎng)傳感器的使用效果。

室內(nèi)具體的測(cè)試方案為：（1）發(fā)射板和接收板間距固定，發(fā)射電壓固定不變，改變頻率觀測(cè)電位差信號(hào)隨頻率變化的曲線(xiàn)。（2）發(fā)射板和接收板間距固定，頻率固定，改變發(fā)射電壓，測(cè)定電位差信號(hào)隨發(fā)射電壓的變化曲線(xiàn)。（3）發(fā)射板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變接收板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。（4）接收板間距固定，頻率固定，發(fā)射電壓固定，改變發(fā)射板間距，觀測(cè)電位差信號(hào)隨接收板間距變化曲線(xiàn)。

室外在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地進(jìn)行混合源電磁法實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容為：在高頻時(shí)采用人工源發(fā)射，低頻時(shí)采集天然場(chǎng)，在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行時(shí)間域激電法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場(chǎng)傳感器分別采集電場(chǎng)，對(duì)比采集結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 理論模型計(jì)算結(jié)果與分析

使用電容型電場(chǎng)傳感器的前提條件是可以在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值，為了證明這一點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了層狀介質(zhì)模型并進(jìn)行了計(jì)算[4-5]，在推導(dǎo)層狀介質(zhì)可控源音頻大地電磁法電場(chǎng)資料算法的基礎(chǔ)上，編程實(shí)現(xiàn)了該算法，該模型如圖1所示，其中第二層電阻率為10 Ωm（代表低阻層）或1000 Ωm（代表高阻層），場(chǎng)源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點(diǎn)處，偶極子方向?yàn)閄方向。收發(fā)距為2000 m，接收點(diǎn)坐標(biāo)為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計(jì)算了接收點(diǎn)位于地表和位于地表以上10 m處的電場(chǎng)Ex和Ey分量，其中Ex分量的結(jié)果如圖2所示。計(jì)算結(jié)果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場(chǎng)值無(wú)論實(shí)部還是虛部，差異不大，兩條曲線(xiàn)吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說(shuō)明，在空中測(cè)量電場(chǎng)從場(chǎng)的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實(shí)驗(yàn)結(jié)果

校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了的混合源電磁法實(shí)驗(yàn)，無(wú)論是高頻人工場(chǎng)資料還是低頻天然場(chǎng)資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有很好的相關(guān)性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場(chǎng)傳感器的頻譜特性曲線(xiàn)進(jìn)行校正，具體如圖4所示。這一結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)是可行的。

2.3 山東平度舊店金礦區(qū)

山東平度舊店金礦區(qū)使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器和不極化電極做時(shí)間域激電法的測(cè)試的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄的激電二次場(chǎng)衰減的數(shù)據(jù)，從圖中可以看出幅值隨時(shí)間增加而呈減小趨勢(shì)，曲線(xiàn)有所波動(dòng)。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據(jù)，與電容型電場(chǎng)傳感器所測(cè)的曲線(xiàn)形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場(chǎng)傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用研制的電容型電場(chǎng)傳感器記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)也是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了新型的電容型電場(chǎng)傳感器，并對(duì)在傳感器在室內(nèi)進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，同時(shí)在校園內(nèi)草坪場(chǎng)地對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了混合源電磁法實(shí)驗(yàn)和在山東平度舊店金礦區(qū)對(duì)電容型電場(chǎng)傳感器進(jìn)行了間域激電法實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電容器可以用于記錄測(cè)量混合源電磁法產(chǎn)生的電場(chǎng)以及記錄測(cè)量時(shí)間域激發(fā)極化法產(chǎn)生的激電二次場(chǎng)衰減曲線(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測(cè)深法原理[M].北京：地質(zhì)出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場(chǎng)與電法勘探[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測(cè)深與其應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.endprint