DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)

張益勝，張春鳳，劉明文，劉小川，龍祥忠，潘雷

(1.中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司，重慶 400033；2.中國(guó)地質(zhì)裝備集團(tuán)有限公司，北京 100102)

1 引言

高密度電法于20世紀(jì)70年代最先出現(xiàn)在英國(guó)，不僅大大提高了電法勘探的工作效率，更為常規(guī)直流電法勘探提供了新的發(fā)展方向。根據(jù)地質(zhì)勘探需要，我國(guó)于1990年從日本引進(jìn)高密度電阻率法，并對(duì)其功能進(jìn)行分析及吸收，自主研發(fā)了我國(guó)的新一代高密度儀器，由此大大提高了我國(guó)地質(zhì)行業(yè)的工作效率。隨著制造工藝、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，二維高密度的數(shù)據(jù)量及信息已無(wú)法滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的礦物能源勘查需求，為此三維電阻率法的采集與反演研究是我國(guó)地質(zhì)勘探的行業(yè)需求。除我國(guó)外，目前只有美國(guó)、法國(guó)和瑞典等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家開(kāi)展了三維電阻率采集系統(tǒng)和成像技術(shù)的研究工作。三維直流電阻率觀測(cè)需采集海量數(shù)據(jù)，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)電法儀器還處于分時(shí)多道采集的二、三代儀器水平，采集效率低下，因此難于適應(yīng)海量數(shù)據(jù)采集的要求，國(guó)外以AGI公司為代表的Supersting系列儀器采用可任意擴(kuò)展的分布式電極系統(tǒng)和多通道并行采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了三維電阻率現(xiàn)場(chǎng)快速采集，但引入成本高，維護(hù)使用不方便。

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)由主站、子站、智能電極系統(tǒng)、傳輸電纜(總線)等組成，該系統(tǒng)采用主站集中管理控制，通過(guò)分布式子站、分布式智能電極和緊湊的“E-SCAN”觀測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了多通道同時(shí)三維快速并行采集，推進(jìn)了三維電阻率測(cè)量的實(shí)用化進(jìn)程，很好地滿足了三維電阻率測(cè)量對(duì)海量數(shù)據(jù)采集的要求。

2 三維電阻率成像基本原理

電法勘探是勘探地球物理學(xué)中的一個(gè)重要分支，由于地殼中多數(shù)巖礦石之間存在電學(xué)性質(zhì)的差異，通過(guò)觀測(cè)和研究由電性差異引起的人工或天然電磁場(chǎng)的空間和時(shí)間分布規(guī)律及變化特點(diǎn)，從而達(dá)到查明地下地質(zhì)構(gòu)造或礦產(chǎn)分布的一組勘探方法。電法勘探原理圖見(jiàn)圖1。電法勘探中常用于判斷地質(zhì)體電學(xué)性質(zhì)的參數(shù)包括視電阻率ρs和視極化率ηs。

圖1 電法勘探原理圖

2.1 視電阻率ρs

視電阻率是描述物質(zhì)導(dǎo)電性優(yōu)劣的一個(gè)電性參數(shù)，視電阻率計(jì)算見(jiàn)公式(1)。

(1)

式中： ΔUMN—M、N兩個(gè)測(cè)量電極之間的電勢(shì)差；

I—流過(guò)地質(zhì)體的電流；

k—電極裝置系數(shù)，見(jiàn)公式(2)。

(2)

2.2 視極化率ηs

視極化率用于表示巖、礦石電化學(xué)活動(dòng)性，其計(jì)算見(jiàn)公式(3)。

(3)

式中：ΔV(T)—供電一段時(shí)間T后在斷電前測(cè)得的總電場(chǎng)電位差；

ΔV2(t)—斷電后T時(shí)刻測(cè)得的二次場(chǎng)電位差。

2.3 電源三維電場(chǎng)的邊值問(wèn)題

電阻率各向同性，非均勻分布的地電三維情形中，由點(diǎn)電源產(chǎn)生的電位應(yīng)滿足的邊值問(wèn)題，見(jiàn)公式(4)。

(4)

式中：Γs—研究區(qū)域Ω的地表邊界；

?！蕖芯繀^(qū)域Ω的地下無(wú)窮遠(yuǎn)邊界；

n—邊界Γs外法線方向；

σ—電導(dǎo)率；

r—源點(diǎn)到計(jì)算點(diǎn)的距離；

I—供電電流。

由于研究區(qū)域Ω內(nèi)部的電性差異界面滿足自然邊界條件，故不需考慮。

2.4 CT技術(shù)

CT(Copmuterized Tomography)在地球物理上被譯為層析成像技術(shù)。層析成像是對(duì)物體進(jìn)行逐層剖析成像，相當(dāng)于把物體切成片，然后照相。層析成像技術(shù)是成像技術(shù)發(fā)展到目前的最高階段。CT技術(shù)是根據(jù)物體外部的測(cè)量數(shù)據(jù)，依據(jù)一定的物理和數(shù)學(xué)關(guān)系反演物體內(nèi)部物理量的分布，最后得到清晰的、不重疊的分布圖像。根據(jù)源的特性，CT技術(shù)可分為：X射線CT、γ射線CT、正電子CT、核磁共振CT、超聲波CT、單質(zhì)子發(fā)射CT、地震波CT、電阻率CT等。電阻率CT即為電阻率影像法(resistivity imaging profile)或電阻率成像。

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)正是基于以上基礎(chǔ)理論及技術(shù)，采用陣列方式、并行三維測(cè)量以獲得海量、高精度數(shù)據(jù)，再通過(guò)電阻率反演，CT數(shù)據(jù)處理，并配以計(jì)算機(jī)成像，使異常分辨率比常規(guī)的直流電阻率法有明顯提高。

3 DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)組成及工作原理

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)由1個(gè)主站、n個(gè)子站和n個(gè)智能電極系統(tǒng)采用兩層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖

在整個(gè)三維電阻率成像系統(tǒng)中，所有的操作控制均由用戶通過(guò)主站完成，子站、智能電極系統(tǒng)都要服從主站的命令。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：首先由用戶通過(guò)主站啟動(dòng)通訊模塊，并設(shè)定好各種通訊參數(shù)和采集參數(shù)；然后，發(fā)送檢測(cè)各智能電極及子站是否正常的命令，等待子站和智能電極返回正確的執(zhí)行結(jié)果，在確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的工作狀態(tài)正常的情況下，再由主站發(fā)送開(kāi)始一次數(shù)據(jù)采集的命令，所有在線采集子站和智能電極按照設(shè)定的采集參數(shù)各司其職，完成一次采樣。用戶還可通過(guò)主站設(shè)定多次采集序列，讓主站自動(dòng)完成多次采樣并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

①輸入：16×16道同時(shí)測(cè)量輸入；②阻抗：>50 MΩ；③SP補(bǔ)償：±2 V；④輸入電壓范圍：±6 V；⑤最大供電電壓：1200 V；⑥最大供電電流：10 A；⑦電流通道：5 A；⑧靈敏度：電壓通道優(yōu)于10-6V，電流通道優(yōu)于10-6A，對(duì)50 Hz工頻干擾壓制優(yōu)于100 dB；⑨可視化輸出：800×600 LCD圖形顯示，白天可視化選擇顯示；⑩存儲(chǔ)容量：32 GB；工作溫度：-20～+50℃。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.3.1 主站系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主站需要測(cè)量的參數(shù)多，測(cè)量速度快，精確度高。不僅需要實(shí)時(shí)連續(xù)，長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，在采集的同時(shí)，還必須動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)波形和各子站通信；在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中還需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一些關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)能及時(shí)報(bào)警并做出相應(yīng)的處理。但是Windows并不是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，因而在其環(huán)境下開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)需要采用一些技術(shù)。由于主站的多任務(wù)特點(diǎn)，需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制，動(dòng)態(tài)顯示圖形，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和人機(jī)交互功能，而且各任務(wù)的運(yùn)行速度和時(shí)間精度要求不同，采用多線程技術(shù)和消息傳遞的機(jī)制可有效地同步完成不同的任務(wù)，不受單個(gè)任務(wù)運(yùn)行速度慢或時(shí)間長(zhǎng)或出現(xiàn)異常而影響其他任務(wù)實(shí)時(shí)控制。因此在Windows環(huán)境下利用VC++多線程技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了主站系統(tǒng)軟件。

3.3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)作為野外勘探儀器，要求系統(tǒng)連接簡(jiǎn)單，安裝和使用方便，子站插入、移除比較方便并易于擴(kuò)展，智能電極系統(tǒng)布極更加靈活。通過(guò)幾種常用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)比分析，DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)主站與子站之間采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相聯(lián)，所有子站都通過(guò)相應(yīng)的CAN接口直接連到總線上。總線結(jié)構(gòu)所需要的電纜數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、易于擴(kuò)充，增加或減少子站比較方便。

3.3.3 分布式子站和智能電極系統(tǒng)的智能編碼技術(shù)

為了滿足DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)中各子站、智能電極系統(tǒng)可根據(jù)需要隨機(jī)連接，避免子站和智能電極系統(tǒng)硬編碼給用戶造成的不便和錯(cuò)誤，本系統(tǒng)采用智能軟編碼尋址技術(shù)對(duì)子站和智能電極進(jìn)行動(dòng)態(tài)地址分配，系統(tǒng)為一主多從總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主站作為主機(jī)節(jié)點(diǎn)，其余子站和智能電極為從結(jié)點(diǎn)，通過(guò)子站和智能電極前后接力連接的編碼線完成系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)智能編碼。

3.3.4 CAN通信技術(shù)的應(yīng)用

CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)以強(qiáng)抗干擾、高度可靠、實(shí)時(shí)高效、成本低廉等特征而著稱，是公認(rèn)的穩(wěn)定、快速和抗干擾性強(qiáng)的串行總線通信網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)過(guò)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)中各子站、智能電極系統(tǒng)選用內(nèi)嵌CAN控制器的MCU作為核心電路，采用CAN接口連接到系統(tǒng)中組成總線型網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)通信穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。

3.3.5 多通道同步采樣技術(shù)的應(yīng)用

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)為了滿足高質(zhì)、高效采集海量數(shù)據(jù)的要求，各個(gè)子站采用24位多通道同步轉(zhuǎn)換AD作為核心電路，每個(gè)子站管理16個(gè)通道，所有子站在主站的統(tǒng)一管理下同步采集數(shù)據(jù)并分時(shí)上傳。

4 模型實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)條件

DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)研制完成后首先在室內(nèi)進(jìn)行了模型測(cè)試，過(guò)程如下：在6000 mm ×6000 mm×3000 mm的水池中放入直徑38.2 cm銅球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；布置16×16的三維測(cè)量網(wǎng)格，a=20 cm；銅球處于網(wǎng)格中央，埋深8 cm，電極編碼見(jiàn)圖3。

圖3 電極網(wǎng)格布置圖

采用pole-pole裝置測(cè)量，共計(jì)得到65 280個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)電位互換原理，同一深度點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)為32 640個(gè)。

4.2 垂直方向電阻率切片

圖4顯示了由淺到深9個(gè)水平電阻率切面。從垂直電阻率切面看，在第4層電阻率(圖4d)、第5層電阻率(圖4e)、第6層電阻率(圖4f)可看到明顯的圓形低阻異常。

(a)z=0.00～0.14 m；(b)z=0.14～0.30 m；(c)z=0.30～0.49 m；(d)z=0.49～0.70 m；(e)z=0.70～0.94 m；(f)z=0.94～1.23 m；(g)z=1.23～1.55 m；(h)z=1.55～1.95 m；(i)z=1.95～2.35m

從垂直方向的電阻率切面可看到，在接近球體位置時(shí)，呈現(xiàn)出明顯的圓形低阻異常，從反演所得到的橫、縱電阻率切面，可推斷球體的具體位置。

4.3 x方向電阻率縱切片

圖5顯示了x方向(x-z截面)由上至下15個(gè)電阻率縱切片。從圖5可以看出，(j)、(h)、(i)三個(gè)電阻率切片通過(guò)銅球，異常明顯，且低阻等值線呈圓形封閉，與球的位置吻合。

(d)y=0.60～0.80 m；(e)y=0.80～1.00 m；(f)y=1.00～1.20 m；(g)y=1.20～1.40 m；(h)y=1.40～1.60 m；(i)y=1.60～1.80 m；(j)y=1.80～2.00 m；(k)y=1.80～2.00 m；(l)y=2.00～2.40 m

4.4 y方向電阻率縱切片

圖6顯示了y方向(y-z截面)由左至右15個(gè)電阻率縱切片。從圖6可以看出，(j)、(h)、(i)三個(gè)電阻率切片通過(guò)銅球，異常明顯，且低阻等值線呈圓形封閉，與球的位置吻合。其余切片為旁切片，越遠(yuǎn)離球體，異常越不明顯。

(g)x=1.20～1.40 m；(h)x=1.40～1.60 m；(i)x=1.60～1.80 m；(j)x=1.80～2.00 m；(k)x=1.80～2.00 m；(l)x=2.00～2.40 m；(m)x=2.40～2.60 m；(n)x=2.60～2.80 m；(o)x=2.80～3.00 m

從水平、x、y方向電阻率垂直切片可見(jiàn)，在接近球體位置時(shí)，呈現(xiàn)出明顯的圓形低阻異常，從反演所得到的橫、縱電阻率切片，可推斷球體的位置。

4.5 立體效果圖

從圖7立體效果圖看，球體的形態(tài)基本正確，反演的效果明顯。

圖7 立體效果圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外三維電阻率儀器進(jìn)行研究整合，我公司研制了適合我國(guó)國(guó)情、有利于促進(jìn)我國(guó)礦產(chǎn)資源精細(xì)勘查的DSDT-1三維電阻率成像系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在三維電阻率多通道同時(shí)快速并行采集領(lǐng)域的空白，促進(jìn)我國(guó)在三維電阻率采集系統(tǒng)與成像技術(shù)的發(fā)展。三維高密度成像系統(tǒng)能最大限度地提供地質(zhì)體的電性特征，多道的設(shè)計(jì)不僅能大大提高工作效率，同時(shí)還能減少外界干擾。