上个世纪物探方法与理论发展迅速，新型电法仪器也不断涌现，特别是电磁法类物探仪器发展更快，当今先进的电磁法和电法仪器追求硬件和软件的完美结合，以达到：(1)高分辨率，高信噪比；(2)宽频带，大动态范围；(3)高集成，多功能，低功耗；(4)操作简单，轻便灵活，现场实时显示结果.具有代表性的如国外EH-4、GDP-32Ⅱ、MT-24、V5-2000、V6、V8等多功能电法仪器.上述仪器工作时，工作频带宽，因而探测深度较大，操作自动化、智能化、观测精度较高，并可现场实时对数据进行预处理，有的甚至可以进行一维反演，在解决深部地质问题中发挥了重要作用，但仪器设备笨重，而且价格昂贵，一般单位难以配置.

实际上一些普查性的，以发现异常为主要目的的地质工作，并非一定要采用上述大型仪器，例如寻找埋深浅、产状较陡的低阻断裂破碎带的地质工作(白宜诚等， 2004a，b).天然场音频电场法是20世纪70年代末由我国物探工作者提出并逐步发展的一种被动源电磁类剖面法.不同的单位还有不同的名称，如：“音频大地电场法”、“大地电场法”等不同的名称.它的方法原理和音频大地电磁测深的原理相似，是利用10 Hz～2 kHz范围内的天然电磁场作为激励场源，在地面用接地电极测量大地电磁信号中的多个频率的电场水平分量并在我国许多地区的工程勘察、水资源和固体矿产勘查中得到应用.在70年代末80年代初期，我国有数家单位研制了多种型号的天然音频电场法仪器，其中有原郑州地质学校研制的TR-2型、TR-3型；中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所研制的“YDD-B型音频大地电场仪”及山西平遥卜宜水利电探仪器厂研制生产的“SB-1型大地电场比值仪”.这些仪器的研制成功极大的促进了物探工作的开展，但是这些仪器因当时条件所限，设计时要么是指针式，要么读数为一个宽频段范围内的值，这样就存在：1)读数误差大，甚至不准；2)多频率电场信号被当成一个数值读数，由此可能误读；3)一般采用一次积分获取信号，存在干扰时无法判断是地下介质引起的异常还是干扰引起的异常.

天然电场选频仪在开发与设计上针对野外作业特点进行开发与设计，对信号按4组8个频率进行检波，获取1024 Hz、512 Hz、256 Hz、128 Hz、64 Hz、32 Hz、16 Hz、8 Hz信号，从而达到一次可以读出8个频率上的电场值，同在采用多次叠加的办法，读取4次平均后的数值.该仪器在硬件与软件设计上考虑了以下因素，即：

1)野外工作环境恶劣，在机械与电气上进行加固，要达到抗震防摔的要求.

2)野外工作中人员体力消耗大，轻便为宜.

3)野外作业时由于条件的限制无法携带大量的电池，必须使仪器在工作过程中省电以保证一天的采集工作顺利进行.

4)整机价格便宜.

5)野外作业中可能会碰到强干扰区域，在设计时考虑到抗干扰问题. 1 基本原理

天然音频电场法是一种浅层的被动源电磁法，它的工作原理可以与天然场源电磁测深法相似，为了说明天然音频电场法的工作原理有必要简要说明一下天然场源电磁测深的原理.

大地电磁测深原理是利用宇宙中的太阳风，雷电等入射到地球上的天然场电磁信号作为激发场源.天然场源又称一次场，该电磁场是平面电磁波，垂直入射到大地介质中，由电磁场理论可知，大地介质中将会产生感应 电磁场，此感应电磁场与一次场是同频率的.引入波阻抗Z，在大地是均匀及水平层状介质的条件下，波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值.

(1)及(2)式中的f是频率(Hz)，ρ是电阻率(Ωm)，E是电场强度(mV/km)，H是磁场强度(nT)，φ_E、φ_H分别是电场相位和磁场相位(mrad).此时的E、H应理解为一次场和感应场的空间张量叠加后的场，简称总场.在电磁理论中把电磁场(E、H)在向大地深部传播时其振幅衰减到初始化值的1/e时的深度定义为趋肤深度(δ).

由(5)式可知探测深度(D)将随电阻率(ρ)和场源频率而变化，一般来说激励频率高探测深度浅，激励频率低探测深度深.当大地电性结构一定时，改变场源的频率，便可得到不同深度的垂直测深结果.因此在一个含有从高频到低频多种频率的较宽频带进行测量，观测电场和磁场的信息，便可计算出卡尼亚电阻率.最后进行反演、计算便可得到大地不同深度的大地电性结构.

分析(5)式可知：1)在地表观测到电场强度和磁场强度都是大地介质响应的结果.2)趋肤深度或探测深度都是激励场源的频率、电场强度、磁场强度的函数.3)不同频率的电场强度亦反映了大地不同深度的电性结构.4)仅观测电场强度是无法计算卡尼亚电阻率的，也就是说仅观测电场强度是不能进行定量计算，仅能进行定性分，但能反映出地下介质的地电信息.5)由于大地磁场在一定范围内是稳定的，因此可以将磁场值定义为常值，可做规一化运算.

天然音频电场法是在地表观测音频范围内的多个频率电场值，由于该方法仅观测电场值而不观测磁场值，因此仪器可以做得很轻便，观测速度很快，每一个测点观测时间仅为2～3 min，同时，由于电子技术的飞速发展、微型计算机及单片机技术的发展，使仪器观测精度大大提高. 2 整体设计

整个选频仪系统的工作流程是经测量电极、阻抗变换电路后获取到微弱的天然场音频信号，在进行信号前置放大之后，对50 Hz工频、3次谐波进行滤波，即信号进入“双T”陷波电路(张友山等， 1995；罗维斌等，2005；左国青等，2006).经第一级程控放大器进行放大，低通、高通滤波器选频放大后进入主放大器进行程控放大后，由8组带通滤波器分别将音频信号按相应频率的选出，经由精密检波和积分电路分别输出八组电位差，数据存储以后，可以以数据和曲线两种方式进行阅览，同时，测量数据可以通过RS-232口传至PC机做后续处理.随着经济的高速发展，电磁干扰变得非常严重与普遍，并且在信号前置放大后，如果对工频及其谐波滤波效果不好，则会随着传递函数将干扰信号传递下去，最终会产生错误的结果，所以在整个仪器的设计过程最关键的是抗干扰部分.

图 1

Fig. 1

图 1 双T陷波电路原理图Fig. 1 The elements of 2 levels ‘T’ trapping waver filter

由于场源为天然场源，检测到的信号是非常微弱的，设计中为了有效地抑制50 Hz工频及其三次谐波对大地电磁场音频信号的干扰，信号通道中采用两级双T陷波电路(50 Hz、150 Hz)，陷波深度均为-40 db，宽度为10 Hz，从硬件上最大限度的抑制工频信号干扰，保证采集到的信号不会被强烈的50 Hz及其谐波信号所淹没.

对称双T网络的频率特性为

如果ω=ω₀= 1 RC，则

实践过程中发现，这样进行滤波的效果非常好.可以最大程度上屏蔽50 Hz工频干扰及其3次谐波的干扰，保证了数据采集过程中在工频干扰较强的情况的可靠性.

同时在软件设计过程中采用Keil C和汇编混合编程来实现.汇编语言能够直接同底层软件和硬件进行交互活动，访问与硬件相关的存储器和I/O端口，不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全控制，能够根据特定的应用对代码做最佳优化，提高运行速度并最大限度地发挥硬件的功能；C语言是一种编译型程序设计语言，兼顾高级语言和汇编语言的特点和功能，既有功能丰富的库函数、良好的可移植性，又可以直接实现对系统硬件的控制，采用C语言编程还可以由编译器自动完成变量的存贮单元的分配，不必对硬件接口进行非常深入的了解.同时随着硬件设备性能的提高，在单片机移植C语言代码时长时间困扰人们的“产生代码太长，运行速度太慢不适合单片机使用”的缺点得到改善.这样就可以监控系统的设计中可以采用C与汇编语言相结合的办法，在增强可阅读性与可移植性上得到了加强，同时也保证了代码的执行效率.

在监控系统中，同样也重点考虑到了干扰问题.对于软件的抗干扰的主要任务一是防止程序满天乱跑，二是消除信号中的干扰来提高系统的精度.在野外数据采集时，设备的抗干扰能力十分重要.本系统是利用天然音频电场作为工作场源，提取的信号本身就非常微弱，一旦设备的抗干扰能力降低，就很难取得真实可靠的数据，就难以为生产和科研做出比较合理的解释.除去硬件上的抗干扰措施，软件上也必须考虑相应的措施.设计时主要利用软件陷井与指令冗余措施.通过这两个措施来保证设计在程序跑乱满天飞的时候能使仪器自动复位，回到正常状态；同时对接收到的信号采用多次叠加平均的办法，将冲击干扰信号的影响降低，在程序中采用4次叠加取平均值. 3 实际对比情况

天然场选频仪设计完成后，为了实验该方法的有效性及仪器的整机性能，先后在河南某铝土矿、福建某铅锌、某金矿等多处矿区及工程勘查中进行了方法有效性试验，对比实验结果均得了后期的钻探结果证实.(何继善，1998；陈儒军等，2004)这里分别用两个不同地区，不同类型矿区对比结果进行论述.

3.1 在铝土矿区的应用效果

试验区选在河南某铝土矿床.根据有关地质资料表明，华北地台铝土矿区地层有如下地质特征：铝土矿下伏基岩为奥陶系灰岩，在铝土矿与奥陶系灰岩之间可能有沉积型铁矿.而铝土矿的上覆岩层分别为上二叠系煤层、上石炭统灰岩、砂岩，粘土岩及第四系黄土.有的矿区可能会缺失一些地层.

根据室内小四极实验结果，矿区各岩层的电阻率物性实验统计特征由表 1所示.

表 1(Table 1)

表 1 铝土矿区岩层电参数统计表 Table 1 Statistics of electrical parameter of the rock samples 岩性 奥陶系 灰岩 铝土矿 上石炭统 灰岩 煤 砂岩 粘土岩 电阻率(Ωm) 700～2000 70～100 300～500 60～100 100～200 小于100 电性特征 最大 小 较大 小 中等 较小

表 1 铝土矿区岩层电参数统计表 Table 1 Statistics of electrical parameter of the rock samples

从表 1中表明奥陶系灰岩与其它岩性的电阻率差异较大，可达1～2个数量级.而铝土矿作为奥陶系灰岩的上覆地层.这一电性差异是应用电法或电磁法进行探测的物性条件.由于铝土矿是沉积在奥陶(寒武)灰岩的岩溶洼区，因此如果能查明奥陶(寒武)系灰岩的基岩顶面深度及基岩起伏形态，就可以根据矿床的形成特征进行间接找矿.

图 2A是该铝土矿区64线使用EH-4电导率成像系统的高频大地电磁测深二维反演断面图.由图可见高频大地电磁测深电阻率反演所得的电阻率低阻值与高阻值的分界线基本反映了灰岩顶界面起伏形态.

图 2

Fig. 2

图 2 河南某矿区EH-4结果与天然场选频仪对比结果剖面图Fig. 2 Contrast result profile between EH-4 and Audio frequency natural electric field instrument in Henan province

图 2B是使用天然场选频仪进行天然电场法在该矿区64线上的观测结果图，使用的仪器为TX-1型天然场选频仪.由于铝土矿埋深浅，从图 2B可以看出，天然电场法电阻值的电场异常的形态与图 2A基本相似，同样反映了灰岩的顶界面，该型仪器由于观测各个频点的电场振幅值，成图时无法加入高程，但可以作为另一种勘探方法的有益补充.

通过这两种方法判断的地质异常经过钻探结果得以证实.说明了该方法的有效性和仪器设计中的各项指标符合设计要求. 3.2 在热液型金矿上的应用效果

福建某金矿外围，该金矿为低温热液型金矿，矿体严格受构造控制，产状较陡.围岩为侏罗系南园组地层，是一套海陆交互相的火山—正常沉积岩层，产状平缓北倾，主要岩性为互层状流纹质晶屑凝灰岩、沉凝灰岩和含砾凝灰质石英砂岩.

根据室内小四极对标本测量结果，矿区各岩层的电阻率物性实验统计特征由表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 矿区岩层电参数统计表 Table 2 Statistics of electrical parameter of the rock samples 岩性 含砾凝灰质石英砂岩 流纹质晶屑凝灰岩 沉凝灰岩 构造碎裂岩 电阻率(Ωm) 2800 1800 1360 430 电性特征 最大 中等 偏小 最小

表 2 矿区岩层电参数统计表 Table 2 Statistics of electrical parameter of the rock samples

图 3A为双频道激电仪偶极-偶极装置视电阻率反演解释断面图，图中63-70号点之间出现明显的一处低阻带，但产状无法判断；为此，利用TX-1天然大地电场选频仪在同剖面线上进行了测量工作，即：图 3B为TX-1天然大地电场选频仪断面等值线图，由于该图的纵轴为频点，是个无纲量单位，在无深度概念的前提下无法加入高程值，在此只能辅助其他方法进行对比判断，为突出陡产状成矿构造，对各频率天然电场实测值进行了归一化处理，处理后的电场归一化值在63—70号点之间明显地出现了一条产状北倾的低值带，与电阻率测深解释结果相吻合，判定为破碎带，山脊部分高阻主要由硅化蚀变和地下水不发育所致，上述结论经槽坑探工程和钻探后得以验证.图 3C为推断地质剖面图.

图 3

Fig. 3

图 3 福建某矿区双频激电仪与天然场选频仪对比结果剖面图Fig. 3 Contrast result profile between Dual-frequency IP instrument and Audio frequency natural electric field instrument in Fujian province

通过实际工作例子的对比情况，我们可以得出如下结论：对天然场源大地电场观测资料进行拟大地电磁测深反演可以定性的了解一定深度范围内的电性分布.可以用来进行矿产普查和水资源调查，由于它只观测8个频率的电场，因而具有轻便、快速、高效的特点，减轻了物探人员野外工作时的负荷量，是在高山、丛林等地形条件差的地区开展物探工作的一种非常好的选择. 4 结论与展望 4.2 结论

设仪器设备经过试制，经过不同日期、不同操作者分别在不同的矿区与电磁法、电阻率法仪器进行对比实验工作，根据对比结果，可以得出以下几个结论：

1)该仪器由于没有测量磁分量，不能用大地电磁理论进行深度分析，但由它测到的水平方向上电场信号，也能反映一定的地电信息，可以用来进行定性分析.

2)由于不测磁分量，使整个系统在工作时装置简单，轻便，快捷与高率，可以进行区域大面积的快速扫面工作，确定详查区，提高工作效率有着较独特的优势.

3)读数与观测上采用增加叠加次数，通过叠加多次来减少由于外界的随机干扰引起的误差和由于只有采样没有叠加带来的随机不确定性，并读取通过叠加后的最后数据为观测数据. 4.2 展望

1)在系统数据采集量方面可以加密低频频点，增大信息的获取量来保证数据的可靠性与数据的说服力.

2)在硬件设计中使用先进的电子元器件，可以使仪器分辨率更高，速度更快，存储量更大.

3)在改进电子器件的基础上，在软件编写时可以用同样的时间内使仪器采集叠加次数更多，这样对防止冲击信号的干扰的意义更大.