李德胜 孟宪玮
（中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，０７１０５１）
摘要：本文介绍了音频大地电场仪在地下水勘查中使用方法，仪器工作原理、功能特点、技术指标及音频大地电场仪在地下水勘查中的应用。 关键词：音频大地电场仪、音频大地电场法、工作原理、地下水勘查、富水构造带
音频大地电场仪是中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所科技人员经过多年研制和试验，利用天然电磁场中20Hz－25KHz范围内的电场信息作为场源，对不同基岩地区进行地下水勘查的一种物探仪器。仪器主要可用于基岩裂隙水、浅层岩溶水的勘查。对低电阻富水构造带反映灵敏，能准确提供富水构造带的位置。该仪器轻便、操作简单、探测迅速、资料反映直观、不受地形限制，可在其它物探仪器无法开展工作的山区开展地下水勘查工作。通过多年大量的实践，针对仪器及微弱多变的场源，科技人员总结出了一套较为完善的野外工作及室内资料处理方法，使该仪器在基岩地区地下水勘查中取得了十分显著的效果。
1、仪器介绍
1.1、仪器应用方法
据有关资料报道，大地电磁场产生的原因十分复杂，其主要来源有雷雨放电、宇宙射线、地磁场微变及大地感应的工业游散电流。频率超过1Hz的大地电场除50Hz的工业电流及大功率的高频电台信息外，几乎都是由雷电产生的。地球上平均每秒钟可发生的大大小小空间闪电约100次以上，闪电巨大的能量一部分随感应电流流入地下，远处雷电产生的电磁场以传导波的方式经空间和大地传播，形成一种较平缓的近似均匀的大地电场。经过各种试验，大地电场水平分量与岩石电阻率的变化情况基本一致，这就客观地显示出了天然电场的水平分量与岩石电阻率有着一定的对应关系。
音频大地电场法是利用频率在音频范围内的天然大地电场作为场源，在地面上沿一定的剖面逐点测量电场强度的水平分量Ex，从电场强度的变化可以看出，这种变化基本能反映出岩石电阻率的变化。由于电场强度的变化间接反映了地层电阻率的变化，通过研究这种电阻率的变化，就可以达到了解浅层地质构造的目的。经研究表明某一地层电阻率的大小除了与岩石的各种成分有关，还与构造的裂隙和岩石的破碎情况有关。地质构造活动使完整的
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李德胜（１９５６－），男，工程师，中国计算机函授学院，计算机应用专业，主要从事仪器及物探工作
岩层遭到破坏，在构造的裂隙带和断层破碎带里，通常是地下水富集的地方。实践表明，破碎带的电阻率比完整岩层电阻率低得多，完整灰岩、花岗岩电阻率很高，但破碎充水后电阻率却很低，而这种充水的破碎带，恰恰是寻地下水的主要目标。［１］
综上所述，音频大地电场仪所观测到的大地变化情况，基本反映了相应剖面上电阻率的变化情况，这种电阻率的相对变化又与基岩地区的富水构造带有关。因此，结合地质构造情况，分析大地电场曲线变化特点，可达到基岩地区寻地下水的目的。
1.2、仪器工作原理
仪器工作时，天然场水平信号通过测量电极MN进入仪器，仪器对交流信号进行处理，变成直流信号给A/D转换器，转换成数字信号后通过显示屏显示。 仪器的模拟电路部分包括宽带通道和4个固定频率通道。宽带通道主要是扩宽放大器的通频带，提升频率高端的放大倍数。电路的主要部分包括输入电路、陷波电路、检波电路等。输入电路采用阻抗变换电路来提高仪器的输入阻抗。陷波电路采用串并联电路抑制工业电流５０Ｈｚ及谐波的干扰。检波电路采用线性检波方法把交流信号便为直流信号。工作原理如图１所示。 裂隙水图１ 音频大地电场仪工作原理图
１．２．１、仪器信号输入电路
仪器所采用的信号接收部分是模拟电路，其功能主要是把微弱的天然电场信号通过电极进行采集，然后通过导线将采集到的信号传送给主机。由于仪器接收的信号场源太弱，因此输入级采用电压跟随器的电路形式。它的主要优点是输入阻抗高、输出阻抗低，起阻抗变换作用，提高仪器的灵敏度。信号输入电路见图2。
图2 信号输入电路
１．２．２、仪器陷波电路
在实际工作中，由于各种工业电器的干扰、工频50Hz及其奇次波幅度值不稳定，对仪器的正常工作干扰比较严重。因此，在仪器的制造过程中采用陷波器的方法解决，其陷波中心频率为50Hz，通过陷波器把工频50Hz及其奇次谐波抑制到仪器所容许的水平。在实际设计与调试时，提高陷波器的品质因数Q值，陷波器的响应曲线就会十分陡峭，这种陷波器对系统频响特性的影响就会最小。由于采用的此种电路设计合理、电路所用元件少，调试方便，其陷波深度较大，陷波中心点的衰减在40dB以上。陷波电路见图3。
图3 陷波电路
１．２．３、仪器检波电路
仪器线性检波电路的作用是把经过放大后的交流信号转变成直流信号，普通二极管电路受二极管本身正向压降及非线性伏安特性和温度的影响，在检波1Ｖ以下的小信号时，误差较大，若把二极管置于运放的反馈回路中就能大大的消弱这种影响，起到压缩死区的作用，即使输入电压的有效值小于20mⅤ时，检波性能仍然很好。［２］ 检波电路见图4
图4 线性检波电路
1.2.4、仪器信号显示
仪器对接收到的天然电场信号由数字表盘显示，由于音频电场是天然场源，所以读数具有随机性，反映到仪器上，显示的数据是一直变化的，针对这种情况，仪器在设计和研制过程中，采用了提高了输入电路阻抗及放大电路增益、选用高稳定度的Ａ／Ｄ转换器等办法来提高仪器的灵敏度和抗干扰能力，同时，仪器还采用了开关电容的滤波和陷波作用来进一步抑制干扰，保证了仪器在各种干扰下能正常连续工作。
１．３、仪器的功能特点
・探测迅速、资料反映直观，对基岩中的低电阻率富水构造带反映灵敏，能够准确提供富水带位置。
・ 仪器设有＜５００Ｈｚ、＞５００Ｈｚ、１７．４ＫＨｚ、２２．３ＫＨｚ选频档和宽带档５个档位，同时宽带档设有５０Ｈｚ陷波和不陷波两种方式，因此可在同一个测量点上得到６个不同频段的数据，对判断观测曲线的异常提供了更多的参考资料。
・ 该仪器设有工频抑制功能，选择宽带档工作时，当工业杂散电流对测量干扰大、数据不稳定时，可接通工频陷波器，过滤掉５０Ｈｚ工业电流，消除工业大电流对测量的影响。当工业杂散电流对测量干扰小、数据稳定时，可关断工频陷波器。
・ 读数直观，每秒一次连续显示，能连续观察天然场的动态变化过程，当观测信号超过量程范围时，本机设有自动溢出指示功能。
・ 仪器采用高、中档ＩＣ集成电路、高精度Ａ／Ｄ芯片、低功耗的四运放等器件，整机元器件少、功能强、工作稳定可靠，并配有微型信号发生器，可用于随时检查仪器的工作状态。
・ 仪器轻便、操作简单、整机功耗低，电源使用１２节５＃电池供电，设有Ｖ＋、Ｖ－电源检查功能。
１．４、仪器主要技术指标
・交流音频电压测量信号范围：０－２０００ｍＶ
・交流音频电压测量精度：＜±５％
・最高分辨率：１／µＶ
・频率响应范围：２０Ｈ
Ｚ－２５ｋＨ
Ｚ
・输入阻抗：＞３ΜΩ
・整机功耗：１５７ｍＷ
・测量采样时间：１秒
・工作电压：±９Ｖ
・工作温度：－10℃ ~ 40℃
１．５、适用范围
由于音频大地电场仪所利用的是大地中天然交变电场信号，不受地形、地貌、时间等限制。因此，音频大地电场仪不仅应用于地形复杂山区地下水勘测，还可以应用于各种浅层地质构造的普查，探测暗河、溶洞及不同岩性的接触带。在地质灾害的勘查中，也能充分发挥其作用。如在地质灾害隐伏溶洞、溶岩塌陷、隐伏裂隙及断层等各类地质构造勘查中，均取得了较好的探测效果。
２、仪器在地下水勘查中的应用
２．１、应用原则
本仪器采用的是音频大地电场法，它是以岩石的电性差异为依据，属于被动源的交变电磁场法范畴，
因此仪器所要探测的地质体，无论是探测断层破碎带、岩脉还是不同岩性的接触带，要取得明显的地质效果，必须有明显的电阻率差异。这是必须具备的基本地质条件。
音频大地电场法是一种剖面测量法，一般剖面沿垂直于地质构造走向布设，利用天然电场中２０Ｈｚ－２５ＫＨｚ频率范围内的信号，沿剖面对水平电场分量Ｅｘ进行观测。一般极距为１０ｍ，可视具体情况灵活改变。
２．１．１、通常在坚硬的可溶性石灰岩、白云岩、大理岩地区，如果表土覆盖层厚度不超过１０ｍ，良好的富水破碎带上都能取得很好的地质效果，测线异常幅度值一般应大于８０％。 ２．１．２、如果所测地区表土覆盖层厚度超过１０ｍ，且在３０ｍ范围内，其异常幅度随表土厚度的增加而减小，在表土厚度为３０ｍ的地方，富水岩体上的异常幅度有时只有３０％左右。依
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