韋洪蘭，龍 霞，席振銖，陳興朋，王 亮，王 威，薛文韜

(1.湖南五維地質(zhì)科技有限公司； 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院)

引 言

大地電磁法最早是20世紀(jì)50年代初由蘇聯(lián)TIKHONOV A.N.和法國CAGNIRD L.提出的[1]。該方法基于天然源平面電磁波測(cè)深理論，通過觀測(cè)和分析某一頻段的天然交變電磁場(chǎng)，來評(píng)估地下某一深度的電性結(jié)構(gòu)分布。根據(jù)頻率范圍，在傳統(tǒng)大地電磁法基礎(chǔ)上先后發(fā)展出音頻大地電磁、高頻大地電磁和射頻大地電磁[2-3]。這類方法成本低，工作方便，探測(cè)深度淺可達(dá)幾米，深可達(dá)數(shù)百千米，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，因而在探測(cè)金屬礦產(chǎn)資源、地下水資源、地?zé)豳Y源及地質(zhì)災(zāi)害、解決工程地質(zhì)問題等方面都持續(xù)發(fā)揮著巨大的作用[4-14]。

近年來，大地電磁法在中國發(fā)展迅速，高等院校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)大地電磁法儀器的研究方興未艾[15-20]。但是，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐的大地電磁類儀器主要還是依賴于進(jìn)口，如加拿大Phoenix公司的V-8系統(tǒng)，美國EMI公司的EH-4系統(tǒng)和德國Metronix公司的GSM-07系統(tǒng)等[20-22]。引進(jìn)國外先進(jìn)儀器或許可以解決一時(shí)的具體勘探問題，但是不能長久依賴于國外設(shè)備，受制于人。因此，亟需研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大地電磁儀。

多極化大地電磁系統(tǒng)是由湖南五維地質(zhì)科技有限公司和中南大學(xué)合作研制的。該設(shè)備采用一套電磁場(chǎng)傳感器觀測(cè)1～105Hz頻段的天然電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)2 000 m以淺測(cè)量。該系統(tǒng)具有2磁道、3電道，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的大地電磁法矢量或標(biāo)量觀測(cè)，其3電道的設(shè)置便于實(shí)施共點(diǎn)多極化測(cè)量，即針對(duì)1個(gè)測(cè)點(diǎn)在某個(gè)方向上采用3個(gè)不同的電極距觀測(cè)電場(chǎng)，從而獲得不同空間范圍的電場(chǎng)信息，以解決復(fù)雜地形和三維地質(zhì)體電磁測(cè)深引起的靜態(tài)效應(yīng)問題。

1 方法原理

多極化大地電磁系統(tǒng)工作原理與傳統(tǒng)各類大地電磁法一樣，都是基于天然源平面波電磁測(cè)深理論，通過在地表同時(shí)觀測(cè)不同頻率、水平方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并轉(zhuǎn)化為頻率域的卡尼亞視電阻率，根據(jù)不同頻率的趨膚深度不同，來獲得不同深度的電阻率分布信息。

觀測(cè)電場(chǎng)的方式是，先測(cè)量電極M、N之間的電位差，以及二者水平間距，再通過公式計(jì)算求得電極M、N之間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度EMN：

(1)

式中：EMN為電極M、N之間的平均電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)；UMN為電極M、N之間的電位差(V)；LMN為電極M、N之間的水平距離(m)；E為電極M、N之間的點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度(V/m)；l為沿著M、N連線的矢量積分因子。

如果測(cè)點(diǎn)下方大地為水平層狀大地，電極M、N之間各點(diǎn)電場(chǎng)均勻，則測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)與電極M、N的位置無關(guān)。如果測(cè)點(diǎn)下方出現(xiàn)了不均勻?qū)щ婓w，則電極M、N的位置差異對(duì)電場(chǎng)觀測(cè)值將產(chǎn)生差異化影響。因?yàn)樵陔娦苑纸缑嫔蠈a(chǎn)生積累電荷，該積累電荷產(chǎn)生二次電場(chǎng)，對(duì)不同位置的電場(chǎng)影響是不同的。其表達(dá)式如下：

(2)

式中：Es為積累電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)(V/m)；qs為積累的面電荷密度(C/m2)；s為面積微元(m2)；r為積分面元與觀測(cè)點(diǎn)之間的距離(m)；er為沿r方向的單位向量。

歸一化場(chǎng)源條件下，對(duì)于某內(nèi)部電導(dǎo)率均勻的異常體，僅在其與圍巖相接觸的表面存在積累電荷，該面電荷密度(qs)表達(dá)式如下：

(3)

可見，Es與r2成反比，距離不均勻?qū)щ婓w越近，影響越大，反之影響則越小。

多極化大地電磁正演計(jì)算結(jié)果見圖1。由圖1可知，當(dāng)背景電阻率ρ0=100 Ω·m，測(cè)點(diǎn)正下方5 m深有一個(gè)邊長為10 m、電阻率ρ2=10 Ω·m的立方體不均勻良導(dǎo)體，在地表以測(cè)點(diǎn)為中心，分別用10 m、20 m、40 m極距觀測(cè)電場(chǎng)，計(jì)算電阻率ρa(bǔ)，結(jié)果顯示：40 m、20 m、10 m極距的電阻率與背景電阻率比值分別趨近于0.9，0.7，0.5，相對(duì)背景電阻率的偏差分別約為10 %、30 %、50 %。由此可見，不同極距模擬觀測(cè)得出的電阻率是不同的，極距越大，電阻率越接近背景電阻率；極距越小，相對(duì)偏差越大。如果以相對(duì)偏差15 %作為可靠的異常，那么僅采用40 m極距觀測(cè)時(shí)，可以測(cè)得背景場(chǎng)；而采用10 m和20 m極距觀測(cè)時(shí)，不均勻體的響應(yīng)明顯。

因此，采用傳統(tǒng)的單一極距觀測(cè)電場(chǎng)時(shí)，無法全面評(píng)估電場(chǎng)分布情況，而采用多極距觀測(cè)，獲得多維度電場(chǎng)信息，有助于獲得全方位的信息，同時(shí)獲得局部異常和背景信息，可有效解決復(fù)雜地形條件下三維地質(zhì)體勘探技術(shù)難題。

基于以上理論，提出了多極化大地電磁測(cè)深法，即同時(shí)采用長短不同多組極距來觀測(cè)同一測(cè)點(diǎn)、同一方向上的電場(chǎng)。多極化大地電磁法觀測(cè)裝置見圖2。其在數(shù)據(jù)處理和資料分析時(shí)需綜合多組極距數(shù)據(jù)，表達(dá)式如下：

(4)

(5)

(6)

圖1 多極化大地電磁正演計(jì)算結(jié)果

圖2 多極化大地電磁法觀測(cè)裝置示意圖

2 儀 器

為了適應(yīng)多極化大地電磁測(cè)深的需要，研制了MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)(見圖3)。該系統(tǒng)1臺(tái)主機(jī)配置2磁場(chǎng)、3電場(chǎng)，便于用戶開展多極化觀測(cè)。此外，該儀器能夠滿足傳統(tǒng)大地電磁類測(cè)深方法的需要，可以根據(jù)需要開展單點(diǎn)標(biāo)量、單點(diǎn)矢量觀測(cè)，以及多點(diǎn)同時(shí)標(biāo)量觀測(cè)等。

圖3 MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)

2.1 儀器主機(jī)

儀器主機(jī)技術(shù)參數(shù)如下：

1)頻率范圍：1～105Hz。

2)道數(shù)：含有5個(gè)通道，可采集5個(gè)電磁場(chǎng)信號(hào)。

3)A/D轉(zhuǎn)換器：配有32位A/D轉(zhuǎn)換器。

4)動(dòng)態(tài)范圍：大于 120 dB。

5)系統(tǒng)控制器：32位嵌入式控制器，LINUX。

6)存貯介質(zhì)：32 GB閃存卡。

7)測(cè)試裝置：對(duì)于重要功能，儀器可自動(dòng)檢測(cè)、顯示并建立文檔。

8)輸入阻抗：電道>10 MΩ，磁道20 kΩ。

9)網(wǎng)絡(luò)連接：標(biāo)準(zhǔn)100 M雙絞電纜；Wi-Fi。

10)接口種類：網(wǎng)絡(luò)、磁傳感器、電極傳感器、電源。

11)外殼：堅(jiān)固的防水聚碳酸酯外殼。

12)質(zhì)量：6 kg。

13)外部尺寸：400 mm×330 mm×170 mm。

14)功耗：15 W。

15)工作溫度：-20 ℃～50 ℃。

2.2 磁場(chǎng)傳感器

MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)配置一套磁場(chǎng)傳感器(下稱“磁棒”)，實(shí)現(xiàn)1～105Hz頻段磁場(chǎng)信號(hào)觀測(cè)。磁棒是由感應(yīng)線圈、聚磁磁芯及前置放大電路組成的感應(yīng)式傳感器。一套MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配備2根磁棒，磁棒為長圓柱體，外殼由加筋防水玻璃纖維制成，具有防震、防水及抗壓的性能。

天然電磁場(chǎng)信號(hào)較弱，特別是1～104Hz頻段水平磁場(chǎng)分量信號(hào)十分微弱，出現(xiàn)死頻帶，因此要求磁場(chǎng)傳感器具有高靈敏度、低噪聲性能。MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)配置的磁棒噪聲水平比磁平靜日天然大地電磁場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)幅度低近一個(gè)數(shù)量級(jí)(見圖4)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該頻段范圍天然弱磁場(chǎng)的觀測(cè)。

圖4 磁棒噪聲水平

磁棒的輸入輸出傳輸函數(shù)見圖5。由圖5可知，傳輸函數(shù)的分段線性特征，有利于對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，獲得真實(shí)的輸入磁場(chǎng)信號(hào)。

圖5 磁場(chǎng)傳感器的輸入輸出傳輸函數(shù)

磁棒其他技術(shù)參數(shù)如下：

1)輸出靈敏度：0.15 V/(nT·Hz)。

2)輸出電壓范圍：[-10 V,10 V]。

3)功能：具有磁場(chǎng)負(fù)反饋的感應(yīng)線圈。

4)插件：8極PT02E12-8S。

5)供電電壓：[-15 V,-12 V]，[12 V,15 V]，經(jīng)穩(wěn)定和濾波。

6)供電電流：[-15 mA,15 mA]。

7)外殼：牢固和防水玻璃纖維加筋外殼。

8)質(zhì)量：約2.5 kg。

9)外型尺寸：長780 mm，直徑50 mm。

10)工作溫度：-40 ℃～70 ℃。

2.3 電場(chǎng)傳感器

針對(duì)1～105Hz頻段的電場(chǎng)觀測(cè)，MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)配置的電場(chǎng)傳感器包括不銹鋼電極，低噪聲前置放大電路和帶連接器的屏蔽電纜。電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)見圖6。由圖6可知，不銹鋼電極和低噪聲電纜驅(qū)動(dòng)電路固定在一起，與帶有連接器的屏蔽電纜相連。低噪聲前置放大電路由低噪聲放大器、高通濾波器和高頻驅(qū)動(dòng)電路組成。低噪聲放大器用于放大不銹鋼電極檢測(cè)的微弱電場(chǎng)信號(hào)，高通濾波器濾除低于0.8 Hz的低頻信號(hào)和不銹鋼電極的直流極化電位差，高頻驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)屏蔽電纜，減小高頻信號(hào)的衰減。

圖6 電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

3 軟 件

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件

MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)通過安裝有Windows操作系統(tǒng)的筆記本電腦實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集及管理等。數(shù)據(jù)采集軟件包含3個(gè)頁面，分別為工程管理、參數(shù)設(shè)置及采集任務(wù)。工程管理頁面執(zhí)行工程任務(wù)的新建、打開或關(guān)閉。參數(shù)設(shè)置頁面執(zhí)行傳感器設(shè)置、測(cè)點(diǎn)步長設(shè)置及內(nèi)存管理等。采集任務(wù)頁面(見圖7)執(zhí)行采集任務(wù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、保存、顯示、導(dǎo)出等功能。

圖7 數(shù)據(jù)采集軟件的采集任務(wù)頁面

MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)可以在線或離線采集信號(hào)。在線采集信號(hào)可以實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量，離線采集信號(hào)利于低功耗、長周期數(shù)據(jù)采集。采用分頻多道采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同波段電磁場(chǎng)信號(hào)的保真采樣。高頻段采樣頻率2.777 8×105Hz，中頻段采樣頻率4 000 Hz，低頻段采樣頻率250 Hz，分別對(duì)應(yīng)采集1～105Hz、10～2×103Hz、1～100 Hz目標(biāo)頻段的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理軟件

MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)的配套數(shù)據(jù)處理軟件MPMT_5DGeo可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列分析、頻譜分析、阻抗分析、帶地形反演等功能。配套數(shù)據(jù)處理軟件MPMT_5DGeo界面見圖8。該軟件界面友好，內(nèi)容豐富，數(shù)據(jù)處理過程中，可自定義選擇對(duì)比不同參數(shù)獲得最佳結(jié)果。例如，可通過自定義設(shè)置目標(biāo)頻率，獲得不同密度的目標(biāo)頻率視電阻率數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到不同深度分辨率的測(cè)深數(shù)據(jù)。

圖8 配套數(shù)據(jù)處理軟件MPMT_5DGeo界面

4 性能測(cè)試

4.1 各通道一致性

可以通過平行試驗(yàn)驗(yàn)證儀器各通道的一致性，平行試驗(yàn)裝置見圖9。要求3組正負(fù)電極對(duì)并排平行布置，2組水平磁場(chǎng)通道的磁場(chǎng)傳感器并排平行放置，與電極對(duì)連線垂直，間距至少5 m。平行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖10。由圖10可知，除了在高頻105Hz附近相位有差異，其他結(jié)果趨于一致，且一致性良好。

圖9 平行試驗(yàn)裝置示意圖

圖10 平行試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.2 多儀器一致性

通過同一測(cè)點(diǎn)對(duì)比不同MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果(見圖11)，顯示儀器之間的一致性良好。

圖11 不同儀器間測(cè)試一致性結(jié)果

4.3 與國外儀器對(duì)比

與當(dāng)前市場(chǎng)上2款國外主流的儀器探測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖12。3款儀器數(shù)據(jù)趨勢(shì)整體一致，表明MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果可靠。

圖12 對(duì)比國外儀器測(cè)試結(jié)果

5 應(yīng)用案例

2020年8月，采用MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)在某礦山鐵礦區(qū)試驗(yàn)剖面開展了多極化大地電磁法有效性試驗(yàn)，其反演剖面見圖13。由圖13可知：該反演剖面整體從淺到深的電性結(jié)果具有高阻→低阻→高阻特征。淺層高阻層為花崗巖超覆體，但局部有低阻異常，推測(cè)是覆蓋黃土、不均勻風(fēng)化體或斷裂；深部高阻層推測(cè)是含有石英、云母的變質(zhì)片巖或基性巖體侵入；淺層高阻層和深部高阻層之間夾有低阻層，展布方向?yàn)?27°(即小里程方向)，出露地表，并以47°方向(大里程方向)、50°～70°傾角向深部延伸，延伸深度達(dá)到2 000 m。0～1 000 m段，鉆孔CK2003、CK2001、CK2004、ZK2006、ZK2009、ZK2008及ZK2004揭露結(jié)果表明，低阻異常是磁鐵礦體的反映(見圖13)，以此推斷1 000～4 000 m段為低阻異常,也可能是磁鐵礦體向深部的延伸，低阻層中夾有高阻體，推測(cè)高阻體為巖脈。

1—推測(cè)地層分界線 2—鉆孔揭露礦脈 3—推測(cè)延伸礦脈 4—推測(cè)斷裂 5—推測(cè)巖體邊界圖13 MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)反演剖面

由此可見，MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)能夠清晰反演磁鐵礦體及其圍巖的電性結(jié)構(gòu)，特別是在磁化方向反向負(fù)磁異常區(qū)、礦體埋深大于500 m，以及磁法探測(cè)能力不足時(shí)或沒有磁法異常的情況，采用多極化大地電磁系統(tǒng)具有探測(cè)深部電性結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，拓展深部找礦空間，為深邊部找礦提供依據(jù)。

6 結(jié) 論

1)多極化大地電磁系統(tǒng)通過采用多組不同的極距觀測(cè)電場(chǎng)，獲得不同空間范圍的電場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常場(chǎng)和背景場(chǎng)的綜合評(píng)判，提升探測(cè)效果。

2)MPMT-18多極化大地電磁系統(tǒng)配置2磁道、3電道，既可以實(shí)現(xiàn)多極化大地電磁觀測(cè)，也可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的大地電磁法矢量觀測(cè)或標(biāo)量觀測(cè)。該系統(tǒng)采用一套電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳感器實(shí)現(xiàn)1～105Hz頻段的大地電磁探測(cè)，裝備輕便，適用于2 000 m以淺深度范圍的電性探測(cè)。

3)配套的數(shù)據(jù)采集軟件和數(shù)據(jù)處理軟件界面友好，功能齊全，操作方便。各通道之間及不同儀器之間的一致性良好，與當(dāng)前市場(chǎng)上國外2款主流儀器測(cè)試結(jié)果一致，證明儀器質(zhì)量可靠。通過在某金屬礦勘查中的成功應(yīng)用，表明該系統(tǒng)具備良好應(yīng)用前景，可推廣使用。