电容型传感器在电法勘探的应用研究

摘 要：针对传统电场传感器测量的局限性，该文设计并研制了新型电容型电场传感器，除了对该传感器在室内进行了系统测试外，还在校园草坪场地和山东平度旧店金矿区和传统方法进行了对比电磁法实验；，野外实验结果和传统方法非常接近。这些研究结果表明该电容型电场传感器可以用于电法勘探。

关键词：电场传感器 电磁法 正演

中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（b）-0007-02

电法勘探作为主要的地球物理勘探方法，不论是在金属与非金属固体矿产的勘查，还是在寻找地下水资源、油气和煤田等方面都有广泛的应用。目前，电法勘探的变种方法有十多种，除了瞬变电磁法和航空电磁法以外，绝大多数的变种方法均需要观测电场分量。电场分量的观测采用的电场传感器是电极（铁电极、铜电极或不极化电极），通常将接收电极与地下介质接触，观测接收电极间的电位差，除以接收电极的间距从而得到电场值。

但是，利用电极接地的方式观测电场分量，有一定的局限性，比如接收电极极距较大，在坑道和井中这些狭小的空间无法使用，电位差除极距得到的电场值是覆盖范围的平均值，不能很好的代表一个点的真实电场值，另外，在接地条件差的情况下（如基岩区、冻土区、冰面上等）很难观测，也不能测量空气介质中的电场分量。

针对上述传统电场传感器的局限性，我们利用电磁感应原理开发研制了电容型电场传感器，并对这种电场传感器的性能进行了研究，实验数据表明该电容型电场传感器可以用于电法勘探，这一工作实现了电法勘探交变电场观测技术的突破，提高了电法勘探数据采集信息量和应用效果[1-3]。

1 研制思路和实验方法

由于位于交变电场中的电容器，其电容两端会产生电位差，所以在电容器的电容是已知的情况下，如果测得处于交变电场中电容器两端的电位差，就可以计算出交变电场的强度。基于这一原理，我们设计了两块平行电容板组成的电容型电场传感器，利用它测定特定方向的交变电场，具体仪器如图1所示，图中电容器为6块铜板拼装的正方体状传感器，两侧的对立铜板分别带有导线可以连接仪器测量，铜板之间有特定材料连接，并非互相接触，具有电容器的功能，可以简便的放置测量。

在研制新型电容传感器之前我们利用可控源音频大地电磁法对电场三分量进行了计算，确定了地表测量的可行性。

在仪器研制开发之后，我们在室内通过标准信号检测了所研制电容型电场传感器的频谱特性并进行了系统的性能测试。此外，为了和传统的仪器进行对比，我们将传统的电极型电场传感器和新研制的电容型电场传感器在室外（校园草坪和山东平度旧店金矿区）同时用于实际电磁信号的观测，并对观测结果进行分析对比，检验和评价了新型电容型电场传感器的使用效果。

室内具体的测试方案为：（1）发射板和接收板间距固定，发射电压固定不变，改变频率观测电位差信号随频率变化的曲线。（2）发射板和接收板间距固定，频率固定，改变发射电压，测定电位差信号随发射电压的变化曲线。（3）发射板间距固定，频率固定，发射电压固定，改变接收板间距，观测电位差信号随接收板间距变化曲线。（4）接收板间距固定，频率固定，发射电压固定，改变发射板间距，观测电位差信号随接收板间距变化曲线。

室外在校园内草坪场地进行混合源电磁法实验的具体内容为：在高频时采用人工源发射，低频时采集天然场，在山东平度旧店金矿区对电容型电场传感器进行时间域激电法实验内容为：采用人工源发射，利用不极化电极和新研制的电场传感器分别采集电场，对比采集结果。

2 实验结果与讨论

2.1 理论模型计算结果与分析

使用电容型电场传感器的前提条件是可以在空中测量电场从场的幅值，为了证明这一点，我们设计了层状介质模型并进行了计算[4-5]，在推导层状介质可控源音频大地电磁法电场资料算法的基础上，编程实现了该算法，该模型如图1所示，其中第二层电阻率为10 Ωm（代表低阻层）或1000 Ωm（代表高阻层），场源为电偶极子，偶极距为1000安培米，位于原点处，偶极子方向为X方向。收发距为2000 m，接收点坐标为（2000 m，200 m）。采用以上参数我们分别计算了接收点位于地表和位于地表以上10 m处的电场Ex和Ey分量，其中Ex分量的结果如图2所示。计算结果表明，地表以上10 m处和地表处得到的场值无论实部还是虚部，差异不大，两条曲线吻合度很好，分量所得图像也是如此，这说明，在空中测量电场从场的幅值是可行的。

2.2 校园草坪实验结果

校园内草坪场地对电容型电场传感器进行了的混合源电磁法实验，无论是高频人工场资料还是低频天然场资料，传统的不极化电极记录的资料和电容型电场传感器记录的资料具有很好的相关性，只是幅值上有差异，而幅值上的差异可以利用电容型电场传感器的频谱特性曲线进行校正，具体如图4所示。这一结果表明利用研制的电容型电场传感器测量混合源电磁法产生的电场是可行的。

2.3 山东平度旧店金矿区

山东平度旧店金矿区使用研制的电容型电场传感器和不极化电极做时间域激电法的测试的对比实验结果如图4、5所示，其中图4是使用研制的电容型电场传感器记录的激电二次场衰减的数据，从图中可以看出幅值随时间增加而呈减小趋势，曲线有所波动。图5是传统的不极化电极记录的数据，与电容型电场传感器所测的曲线形状大致相同。这表明，不极化电极和电容型电场传感器记录的资料具有相似的衰减特性，只是幅值有差异。这一实验结果表明利用研制的电容型电场传感器记录测量时间域激发极化法产生的激电二次场衰减曲线也是可行的。

4 结语

为了突破传统电法勘探的局限性，我们设计并制作了新型的电容型电场传感器，并对在传感器在室内进行了系统的测试，同时在校园内草坪场地对电容型电场传感器进行了混合源电磁法实验和在山东平度旧店金矿区对电容型电场传感器进行了间域激电法实验，实验结果表明该电容器可以用于记录测量混合源电磁法产生的电场以及记录测量时间域激发极化法产生的激电二次场衰减曲线。

参考文献

[1] 傅良魁.电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1983.

[2] 朴化荣.电磁测深法原理[M].北京：地质出版社，1990.

[3] 李金铭.地电场与电法勘探[M].北京：地质出版社，2005.

[4] 石昆法.可控源大地电磁法理论与应用[M].北京：科学出版社，1999.

[5] 汤井田，何继善.可控源音频大地电磁测深与其应用[M].长沙：中南大学出版社，2006.