水文地质物探实验指导书

水文地质物探实验指导书

易兵薛建朱士

吉林大学地探学院

2006 年3月

目录

水文地质物探实验课的任务和要求 (1)

实验一电阻率剖面法模型实验 (2)

实验二电阻率测深法模型实验 (6)

实验三高密度电法数据采集和处理.........................(9). 实验四电磁法实验 (11)

水文地质物探实验课的任务和要求

水文地质物探是一门实践性很强的课程，该实验课的任务是：使学生加深对水文地质物探的基本理论和方法的理解，掌握物探仪器的原理与操作方法，为进一步做物理模拟实验和野外实践打下基础，为了达到上述目的,要求学生做到：

1.做好实验前准备工作

预习是为做好实验奠定必要的基础，在实验前学生一定要认真阅读有关实验教材，明确实验目的、任务、有关原理、操作步骤及注意事项，做到心中有数。

2.严谨求实

实验时要求按照操作步骤进行，认真记录观测数据，善于思考，学会运用所学理论知识解释实验曲线，研究实验中出现的问题。

3.遵从实验教师的指导

要严格按照实验要求进行实验，如出现意外，要及时向老师汇报，以免发生意外事故。

4.注意安全

学生实验过程中，要熟练实验室环境（水、电等）严格遵守实验室安全守则。

5.仪器的使用

使用仪器前要事先检查仪器是否完好，使用时要严格按照操作步骤进行，如发现仪器有故障，应立即停止使用，报告老师及时处理，不得私自进行。

6.实验报告

一个实验报告大体包括下列内容：实验名称、实验日期、实验目的、简要原理、主要实验步骤的简要描述、测量所得数据、计算和分析结果，问题和讨论等。

实验一. 电阻率剖面法模型实验

实验类别：验证、观测性实验

实验学时：2学时

实验地点：地质宫108实验室，

实验依据：《水文地质物探》教学大纲

实验仪器：DWD-2A微机电测仪

实验耗材：电池，导线，报告纸，鳄鱼夹，供电电极，测量电极，铜模型，计算器，铅笔，橡皮，小刀，直尺，厘米纸。

一、实验目的与要求

1. 了解DWD-2A微机电测仪面板结构和操作。

2. 学会电阻率剖面法的工作布置及观测方法。

3．了解各种电阻率剖面法在良导体上视电阻率异常特征。

二、实验内容

本实验是在水槽中用不同的装置在良导体上做电阻率剖面法观测，实验工作布置参阅表1－1，装置的大小根据实验条件设计。注意：①为了便于各种电剖面法异常规律之间的对比，最好应选相同模型（如良导板），其顶部埋深2－3cm 为宜。②模型中心正上方定为坐标原点。③电极入水深度约2－3cm较合适。④无穷远极可选在下水管道或暖气管道上。

表1－1

三、实验步骤

1.按实验要求，工作前做好各项准备工作（仪器电源检查、线路连接、模型布设）。如图1—1和图1—2所示

图1—1 联合剖面法装置示意图

图1—2 对称剖面法装置示意图

2.根据所采用的工作布置选定极距，结合测点点位计算装置系数（对于中间梯度法，还要按点位将装置系数填入记录表中），同时还应记下模型参数和装置参数。

3.逐点观测△V 和I ，计算视电阻率I V K s /??=ρ，并作记录B S A S ρρ＝。注意，

联剖规定：测点号小号在西或南，大号在东或北，A 极布置在小号一侧，B 极布置在大号一侧。如表1—2

测点号 ΔV A

（mv ） I A

（mA ） ρS A （Ω·M ） ΔV B （mv ） I B

（mA ） ΡS B

（Ω·M ）

4.将观测结果绘制ρs 剖面图，并及时检查可疑点。如图1—3所示

图1—3 联合剖面和对称四极曲线图

5.观测质量检查：测量过程中每隔3-5点，改变供电电流25%以上，进行重

复观测，并计算相对误差，

()()

()()

()%

100

2

2

1

2

1

?

-

-

=

s

s

s

s

ρ

ρ

ρ

ρ

δ，实验时，要求δ≤6 % 。

四、实验要求

1. 每个实验组完成一种装置整条剖面的观测、记录及草图绘制。

2. 实验结束后，各组交流实验结果并讨论。

3. 定性分析各种装置在高（低）阻体上分布特征，并讨论各种装置ρS异常之间的关系。

4. 编写实验报告

五、思考题

1. 熟悉直流电法仪器原理、面板及操作，学会使用仪器进行观测。

2. 各种电阻率剖面法异常特征有何变化？

3. 以三极装置为例说明装置系数的物理意义。

4. 在电法勘探中为什么要引入视电阻率的概念？

电阻率剖面法（联合三极装置）实验报告

年月日班级姓名评分一、实验目的要求

二、实验设备及工作线路图

三、数据测量

四、资料整理

五、实验成果分析

六、教师评语

教师签字

实验二. 电阻率测深法模型实验

实验类别：验证，观测性实验 实验学时：2学时

实验地点：地质宫108实验室， 实验依据：《水文地质物探》教学大纲 实验仪器：DWD-2A 微机电测仪

实验耗材：电池，导线，报告纸，鳄鱼夹，供电电极，测量电极，铜模型，计算器，铅笔，橡皮，小刀，直尺，双对数坐标纸。

一、实验目的与要求

1.学会电阻率测深法的工作布置及观测方法。

2.掌握电阻率测深法视电阻率曲线特征。] 二、实验内容

将比水槽面积稍小的高阻塑料板（ρ2→∞）水平放置于水槽中，埋深约15cm 左右，构成由水和高阻层组成的二层地电断面。测深点固定在水槽中部，供电电极沿水槽长边方向向两侧移动，装置布置形式如图2—1所示。各种装置的极距选择可自行设计，或参考表2－1，逐次改变极距，观测不同极距的△V 和I 值，并计算I V K s /??=ρ，K 表达式同表2－1。

图2—1 对称四极测深示意图

三、实验步骤

1.按实验要求，做好准备工作（仪器电源检查、线路连接、模型布设）。

2.根据设计的极距或按表2－1，逐次改变极距，观测△V 和I ，计算装置系数和视电阻率，并进行记录。

3.绘制测深曲线，纵轴为视电阻率ρ

，横轴为：AB／2，所有曲线绘制在双

S

对数坐标纸上。及时检查可疑点。

4.对若干个极距的观测结果进行质量检查（方法同实验一）。

四、实验要求

1. 各小组完成一个测深点的测量，并绘制草图。

2. 用切线法（S法）或交点法解释四极测深曲线，将所求埋深（h）与实际模型埋深对比。

3. 编写实验报告。

五、思考题

1．为什么供电电极距越大或测量极距越小，反映电性的深度越深？

2．用切线法解释对称四极测深曲线时，若切线交的不是ρS /ρ1 = 1线（横轴），而是与横轴平行的某条直线，如何根据交点的横坐标求出高阻基底埋深？

表2-1

电测深法（对称四极测深装置）实验报告

年月日班级姓名评分一、实验目的要求

二、验设备及工作线路图

三、数据测量

四、资料整理

五、实验成果分析

六、教师评语

教师签字

实验三高密度电法数据采集和资料处理

实验类别：验证性实验

实验学时：2学时

实验地点：工程与环境物探实验室地质宫110室

实验依据：《水文地质物探》教学大纲

一、实验目的

1. 掌握DUK-2型高密度电法测量系统的工作模式和操作方法。

2. 学会高密度电阻率法数据采集和处理的方法

二、实验内容

本实验是在水槽中或野外采用温纳装置在高（低）阻地质体上做剖面观测，实验工作如图3-1所示。电极个数为60，间隔系数为1~16，极距的大小根据实验条件设计。模型应放置在剖面的中部，电极入水深度约2~3 mm。

图3－1 高密度测点分布示意图

三、实验步骤

1. 工作前做好各项准备工作（如仪器电源检查，多路电极转换器与主机连接，电极与供电线连接和模型布设等），如图3-2所示。

2 . 根据仪器操作要求按菜单依次选定：仪器类型、工作模式、装置形式、电极距、存储序号、最小间隔系数、最大间隔系数、温施间隔层数、供电时间等。

3. 进行接地电阻的检测，完成后复位。

4. 仪器进入测量状态，在测量过程中仪器自动存储视电阻率值，测量完毕后显示数据总数。

图3－2 野外工作中导线敷设

5. 高密度电法资料处理主要由五部分组成。分别为：

（1）数据传输系统：该系统利用传输软件（程序名HDCOMUS）将DUK —2机内数据传入计算机。

（2）原始数据前期处理系统：该系统主要包括原始数据的突跳点剔除、地形改正和数据连接等

（3）常规处理系统：该系统主要包括数据的圆滑滤波和电测深点的提取解释。

（4）原始数据的正反演处理系统：该系统负责对原始数据的正反演。采用的方法一般是左迪反演、有限元方法和最小二乘法等。

（5）数据成图系统：该系统负责对数据进行网格化并形成二维及三维彩色图。系统整体上分为两大模块。

根据以上CRT系统模块和CRTMapper系统模块提示选择点击模块图标，并按菜单提示完成操作。

下面以常用的二维地电断面图为例简述操作过程:

1. 将主机（CUK—2）的信号口与计算机上的RS232接口用信号线相连接。

2.在计算机进入Q—basic状态，启动CDNUS传输程序。

3。按程序提示（如传输数据数？测量方法？传输接口？波特率等？）输入相关参数将数据传入计算机。

4。点击CRT图标，启动CRT系统模块。

5．点击突跳点剔除菜单，进行自动或手动的突跳点剔除。

6．将以上数据网格化并利用成图系统显示视电阻率图形。

7．将原始数据进行反演。

8．将反演后的数据网格化并成图。

这样便得到了原始和反演后的视电阻率彩色二维地电断面图。

四、实验要求

1．每个实验组完成一整条剖面的观测、记录和草图绘制。

2．进行数据处理。

3．定性分析各种装置在异常体上的等拟断面图的特征

4．编写实验报告。

五、思考题

1．高密度电阻率法的特点是什么？

2．它是如何确定相对勘探深度的？

实验四 电磁法（地质雷达）实验

实验类别：验证性实验 实验学时：2学时

实验地点：地球物理模型实验室 地质宫113室 实验依据：《水文地质物探》教学大纲

一、实验目的

1.学习地质雷达的基本原理和基本操作方法。

2.经过对地下管线、钢筋、空洞等目标体的地质雷达探测，了解目标体异常的地质雷达剖面特征。

3.学习对雷达剖面的分析方法，学习对地质层位的对比、对地层、异常体埋藏深度的计算方法。

二、实验原理

地质雷达是浅层地球物理勘探中的重要方法之一，它在浅层工程地质勘查中起着十分重要的作用。地质雷达是利用高频电磁波束在界面上的反射探测有关目的物。

地质雷达的系统主要由四部分组成：(1)脉冲发生器，用于产生可重复的发射脉冲；(2)发射天线与接收天线，用于发射和接收电磁波；(3)取样接收与模数转换器，用于进行模拟信号到数字的转换；(4)主控制器，用于完成信号的采集和显示过程。

发射天线和接收天线紧靠地面，发射天线发射的电磁波传入大地，电磁波在地下传播过程中遇到介质的电性分界面后便发生反射或折射，反射回地面的电磁波被接收天线所接收。不同介质介电常数不同，形成电性界面，根据回波讯号的特征及其传播时间可判断电性界面的形态和埋深。

图4--1 地质雷达探测原理描述及异常体地质雷达图像

雷达波由发射天线发射到被接收天线接收所需要的往返时间为：

v t x z /42

2

+=

式中，x 为发射天线与接收天线间的距离，Z 为反射界面的深度，v 为电磁波在介质中的传播速度。由于在测量中发射天线和接收天线间的距离x 是固定的，且较小，因此上式可简化为：t=2z/v ，式中电磁波传播速度ε

r

C

V =

，[c

为光

速（c ≈0.33 m/ns ）；εr 为地下岩层的相对介电常数]。

三、实验仪器

1.SIR-2型地质雷达主机；

2.900MHz 天线；

3.500MHz 天线；

4.低频天线；

5.电缆；

6.12V 电瓶。

四、地质雷达使用方法 1．SIR —2系统硬件的连接

SIR —2型地质雷达基本连接方式有二种，对应着二种不同类型的天线，见图4-2、图4－3所示。

图4-2 高频天线的连接示意图

图4-3 低频天线连接示意图

2．SIR—2系统的基本操作

(1) 选择合理的天线

天线的选择是根据要探测的异常体可能的埋深和最小尺度来确定。在粘土层较厚的地区，要尽可能使用100MH z加强天线或低频分离天线；对公路、混凝土建筑物的检测应使用500MHz或900MHz天线。

(2) 基本操作步骤

SIR—2型地质雷达工作参数有两种配置方法，一种为自动配置（AUTOMATIC），另一种为手工配置（MANUAL）。在自动方式下，菜单中的各项工作参数由主机根据所选用的天线频率自动配置；手工方式是操作人员对已配置的参数根据需要进行重新选定。操作步骤如下：

（1）按“POWER”键启动电源。

（2）按“←”键进入配置菜单，根据已连接的天线的中心频率按箭头键移动亮条到所选项。

（3）按“ENTER”键确认。

（4）当天线参数配置完后，地质雷达进入调整窗口，屏幕左上方显示雷达图像，左下方显示功能菜单，屏幕右侧显示单扫描线，根据单扫描的振幅、时窗长度情况，按箭头键进一步调整采集参数并设置硬盘为“on”状态。

（5）当采集参数调整完后，由1～2人移动雷达天线，同时按“COLLECT”键启动数据采集。

（6）数据采集期间，图像在雷达屏幕上移动，按“PLAYBACK”键停止数据采集，按箭头键将屏幕左下方功能菜单中的加亮条移动到“Goto setup”项并按“ENTER”键确认，结束采集过程。

（7）数据采集完，按“POWER”键关闭电源，拆卸电缆和天线。

五、实验内容

1．采用900MHz天线沿模型室走廊墙壁测量，测量方法为剖面法，确定墙壁内部空洞、电缆等异常的分布数量位置和埋藏深度。

2．采用500MHz天线在地质宫二楼地板上测量，确定混凝土内钢筋的分布及其异常特征。

3．采用500MHz天线在地质宫院内马路上测量，确定马路的介质结构分层情况和地下管线在雷达剖面上的形态特征。

六、实验报告

1．简述地质雷达的基本原理和应用范围。

2．简述地质雷达天线的作用。

3．填写下表：