譚嘉言++張自力++董愛國++王亞芳

摘 要：針對傳統(tǒng)電場傳感器測量的局限性，該文設計并研制了新型電容型電場傳感器，除了對該傳感器在室內進行了系統(tǒng)測試外，還在校園草坪場地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進行了對比電磁法實驗；，野外實驗結果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結果表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探。

關鍵詞：電場傳感器 電磁法 正演

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：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電場分量。電場分量的觀測采用的電場傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質接觸，觀測接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場值。

但是，利用電極接地的方式觀測電場分量，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法使用，電位差除極距得到的電場值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個點的真實電場值，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，也不能測量空氣介質中的電場分量。

針對上述傳統(tǒng)電場傳感器的局限性，我們利用電磁感應原理開發(fā)研制了電容型電場傳感器，并對這種電場傳感器的性能進行了研究，實驗數(shù)據表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探，這一工作實現(xiàn)了電法勘探交變電場觀測技術的突破，提高了電法勘探數(shù)據采集信息量和應用效果[1-3]。

1 研制思路和實驗方法

由于位于交變電場中的電容器，其電容兩端會產生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測得處于交變電場中電容器兩端的電位差，就可以計算出交變電場的強度?；谶@一原理，我們設計了兩塊平行電容板組成的電容型電場傳感器，利用它測定特定方向的交變電場，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，兩側的對立銅板分別帶有導線可以連接儀器測量，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，可以簡便的放置測量。

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電場三分量進行了計算，確定了地表測量的可行性。

在儀器研制開發(fā)之后，我們在室內通過標準信號檢測了所研制電容型電場傳感器的頻譜特性并進行了系統(tǒng)的性能測試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進行對比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場傳感器和新研制的電容型電場傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時用于實際電磁信號的觀測，并對觀測結果進行分析對比，檢驗和評價了新型電容型電場傳感器的使用效果。

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

室外在校園內草坪場地進行混合源電磁法實驗的具體內容為：在高頻時采用人工源發(fā)射，低頻時采集天然場，在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行時間域激電法實驗內容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場傳感器分別采集電場，對比采集結果。

2 實驗結果與討論

2.1 理論模型計算結果與分析

使用電容型電場傳感器的前提條件是可以在空中測量電場從場的幅值，為了證明這一點，我們設計了層狀介質模型并進行了計算[4-5]，在推導層狀介質可控源音頻大地電磁法電場資料算法的基礎上，編程實現(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），場源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點處，偶極子方向為X方向。收發(fā)距為2000 m，接收點坐標為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計算了接收點位于地表和位于地表以上10 m處的電場Ex和Ey分量，其中Ex分量的結果如圖2所示。計算結果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場值無論實部還是虛部，差異不大，兩條曲線吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說明，在空中測量電場從場的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實驗結果

校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了的混合源電磁法實驗，無論是高頻人工場資料還是低頻天然場資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場傳感器記錄的資料具有很好的相關性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場傳感器的頻譜特性曲線進行校正，具體如圖4所示。這一結果表明利用研制的電容型電場傳感器測量混合源電磁法產生的電場是可行的。

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傳感器和不極化電極做時間域激電法的測試的對比實驗結果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場傳感器記錄的激電二次場衰減的數(shù)據，從圖中可以看出幅值隨時間增加而呈減小趨勢，曲線有所波動。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據，與電容型電場傳感器所測的曲線形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實驗結果表明利用研制的電容型電場傳感器記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線也是可行的。

4 結語

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們設計并制作了新型的電容型電場傳感器，并對在傳感器在室內進行了系統(tǒng)的測試，同時在校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了混合源電磁法實驗和在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行了間域激電法實驗，實驗結果表明該電容器可以用于記錄測量混合源電磁法產生的電場以及記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線。

參考文獻

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測深法原理[M].北京：地質出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應用[M].北京：科學出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測深與其應用[M].長沙：中南大學出版社，2006.endprint

摘 要：針對傳統(tǒng)電場傳感器測量的局限性，該文設計并研制了新型電容型電場傳感器，除了對該傳感器在室內進行了系統(tǒng)測試外，還在校園草坪場地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進行了對比電磁法實驗；，野外實驗結果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結果表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探。

關鍵詞：電場傳感器 電磁法 正演

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：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電場分量。電場分量的觀測采用的電場傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質接觸，觀測接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場值。

但是，利用電極接地的方式觀測電場分量，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法使用，電位差除極距得到的電場值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個點的真實電場值，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，也不能測量空氣介質中的電場分量。

針對上述傳統(tǒng)電場傳感器的局限性，我們利用電磁感應原理開發(fā)研制了電容型電場傳感器，并對這種電場傳感器的性能進行了研究，實驗數(shù)據表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探，這一工作實現(xiàn)了電法勘探交變電場觀測技術的突破，提高了電法勘探數(shù)據采集信息量和應用效果[1-3]。

1 研制思路和實驗方法

由于位于交變電場中的電容器，其電容兩端會產生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測得處于交變電場中電容器兩端的電位差，就可以計算出交變電場的強度。基于這一原理，我們設計了兩塊平行電容板組成的電容型電場傳感器，利用它測定特定方向的交變電場，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，兩側的對立銅板分別帶有導線可以連接儀器測量，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，可以簡便的放置測量。

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電場三分量進行了計算，確定了地表測量的可行性。

在儀器研制開發(fā)之后，我們在室內通過標準信號檢測了所研制電容型電場傳感器的頻譜特性并進行了系統(tǒng)的性能測試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進行對比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場傳感器和新研制的電容型電場傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時用于實際電磁信號的觀測，并對觀測結果進行分析對比，檢驗和評價了新型電容型電場傳感器的使用效果。

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

室外在校園內草坪場地進行混合源電磁法實驗的具體內容為：在高頻時采用人工源發(fā)射，低頻時采集天然場，在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行時間域激電法實驗內容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場傳感器分別采集電場，對比采集結果。

2 實驗結果與討論

2.1 理論模型計算結果與分析

使用電容型電場傳感器的前提條件是可以在空中測量電場從場的幅值，為了證明這一點，我們設計了層狀介質模型并進行了計算[4-5]，在推導層狀介質可控源音頻大地電磁法電場資料算法的基礎上，編程實現(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），場源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點處，偶極子方向為X方向。收發(fā)距為2000 m，接收點坐標為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計算了接收點位于地表和位于地表以上10 m處的電場Ex和Ey分量，其中Ex分量的結果如圖2所示。計算結果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場值無論實部還是虛部，差異不大，兩條曲線吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說明，在空中測量電場從場的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實驗結果

校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了的混合源電磁法實驗，無論是高頻人工場資料還是低頻天然場資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場傳感器記錄的資料具有很好的相關性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場傳感器的頻譜特性曲線進行校正，具體如圖4所示。這一結果表明利用研制的電容型電場傳感器測量混合源電磁法產生的電場是可行的。

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傳感器和不極化電極做時間域激電法的測試的對比實驗結果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場傳感器記錄的激電二次場衰減的數(shù)據，從圖中可以看出幅值隨時間增加而呈減小趨勢，曲線有所波動。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據，與電容型電場傳感器所測的曲線形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實驗結果表明利用研制的電容型電場傳感器記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線也是可行的。

4 結語

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們設計并制作了新型的電容型電場傳感器，并對在傳感器在室內進行了系統(tǒng)的測試，同時在校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了混合源電磁法實驗和在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行了間域激電法實驗，實驗結果表明該電容器可以用于記錄測量混合源電磁法產生的電場以及記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線。

參考文獻

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測深法原理[M].北京：地質出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應用[M].北京：科學出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測深與其應用[M].長沙：中南大學出版社，2006.endprint

摘 要：針對傳統(tǒng)電場傳感器測量的局限性，該文設計并研制了新型電容型電場傳感器，除了對該傳感器在室內進行了系統(tǒng)測試外，還在校園草坪場地和山東平度舊店金礦區(qū)和傳統(tǒng)方法進行了對比電磁法實驗；，野外實驗結果和傳統(tǒng)方法非常接近。這些研究結果表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探。

關鍵詞：電場傳感器 電磁法 正演

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：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電場分量。電場分量的觀測采用的電場傳感器是電極（鐵電極、銅電極或不極化電極），通常將接收電極與地下介質接觸，觀測接收電極間的電位差，除以接收電極的間距從而得到電場值。

但是，利用電極接地的方式觀測電場分量，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法使用，電位差除極距得到的電場值是覆蓋范圍的平均值，不能很好的代表一個點的真實電場值，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，也不能測量空氣介質中的電場分量。

針對上述傳統(tǒng)電場傳感器的局限性，我們利用電磁感應原理開發(fā)研制了電容型電場傳感器，并對這種電場傳感器的性能進行了研究，實驗數(shù)據表明該電容型電場傳感器可以用于電法勘探，這一工作實現(xiàn)了電法勘探交變電場觀測技術的突破，提高了電法勘探數(shù)據采集信息量和應用效果[1-3]。

1 研制思路和實驗方法

由于位于交變電場中的電容器，其電容兩端會產生電位差，所以在電容器的電容是已知的情況下，如果測得處于交變電場中電容器兩端的電位差，就可以計算出交變電場的強度?；谶@一原理，我們設計了兩塊平行電容板組成的電容型電場傳感器，利用它測定特定方向的交變電場，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，兩側的對立銅板分別帶有導線可以連接儀器測量，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，可以簡便的放置測量。

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電場三分量進行了計算，確定了地表測量的可行性。

在儀器研制開發(fā)之后，我們在室內通過標準信號檢測了所研制電容型電場傳感器的頻譜特性并進行了系統(tǒng)的性能測試。此外，為了和傳統(tǒng)的儀器進行對比，我們將傳統(tǒng)的電極型電場傳感器和新研制的電容型電場傳感器在室外（校園草坪和山東平度舊店金礦區(qū)）同時用于實際電磁信號的觀測，并對觀測結果進行分析對比，檢驗和評價了新型電容型電場傳感器的使用效果。

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

室外在校園內草坪場地進行混合源電磁法實驗的具體內容為：在高頻時采用人工源發(fā)射，低頻時采集天然場，在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行時間域激電法實驗內容為：采用人工源發(fā)射，利用不極化電極和新研制的電場傳感器分別采集電場，對比采集結果。

2 實驗結果與討論

2.1 理論模型計算結果與分析

使用電容型電場傳感器的前提條件是可以在空中測量電場從場的幅值，為了證明這一點，我們設計了層狀介質模型并進行了計算[4-5]，在推導層狀介質可控源音頻大地電磁法電場資料算法的基礎上，編程實現(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），場源為電偶極子，偶極距為1000安培米，位于原點處，偶極子方向為X方向。收發(fā)距為2000 m，接收點坐標為（2000 m，200 m）。采用以上參數(shù)我們分別計算了接收點位于地表和位于地表以上10 m處的電場Ex和Ey分量，其中Ex分量的結果如圖2所示。計算結果表明，地表以上10 m處和地表處得到的場值無論實部還是虛部，差異不大，兩條曲線吻合度很好，分量所得圖像也是如此，這說明，在空中測量電場從場的幅值是可行的。

2.2 校園草坪實驗結果

校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了的混合源電磁法實驗，無論是高頻人工場資料還是低頻天然場資料，傳統(tǒng)的不極化電極記錄的資料和電容型電場傳感器記錄的資料具有很好的相關性，只是幅值上有差異，而幅值上的差異可以利用電容型電場傳感器的頻譜特性曲線進行校正，具體如圖4所示。這一結果表明利用研制的電容型電場傳感器測量混合源電磁法產生的電場是可行的。

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傳感器和不極化電極做時間域激電法的測試的對比實驗結果如圖4、5所示，其中圖4是使用研制的電容型電場傳感器記錄的激電二次場衰減的數(shù)據，從圖中可以看出幅值隨時間增加而呈減小趨勢，曲線有所波動。圖5是傳統(tǒng)的不極化電極記錄的數(shù)據，與電容型電場傳感器所測的曲線形狀大致相同。這表明，不極化電極和電容型電場傳感器記錄的資料具有相似的衰減特性，只是幅值有差異。這一實驗結果表明利用研制的電容型電場傳感器記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線也是可行的。

4 結語

為了突破傳統(tǒng)電法勘探的局限性，我們設計并制作了新型的電容型電場傳感器，并對在傳感器在室內進行了系統(tǒng)的測試，同時在校園內草坪場地對電容型電場傳感器進行了混合源電磁法實驗和在山東平度舊店金礦區(qū)對電容型電場傳感器進行了間域激電法實驗，實驗結果表明該電容器可以用于記錄測量混合源電磁法產生的電場以及記錄測量時間域激發(fā)極化法產生的激電二次場衰減曲線。

參考文獻

[1] 傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質出版社，1983.

[2] 樸化榮.電磁測深法原理[M].北京：地質出版社，1990.

[3] 李金銘.地電場與電法勘探[M].北京：地質出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地電磁法理論與應用[M].北京：科學出版社，1999.

[5] 湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁測深與其應用[M].長沙：中南大學出版社，2006.endprint