金屬礦勘探中的物探儀器

電磁法儀和磁力儀是金屬礦物探中常用的儀器。近年來(lái)隨著地震儀制造水平的提高，特別是新的地震數(shù)據(jù)軟件的研發(fā)，地震法在金屬礦探測(cè)中取得了很大進(jìn)展。

1 GMS－07e綜合電磁法儀

GMS－07e大地電磁儀是德國(guó)Metronix公司在過(guò)去30多年在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)地球物理電磁儀器方面所積累經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制開(kāi)發(fā)出的新一代產(chǎn)品，是目前最先進(jìn)的頻率域電磁法勘探儀器之一。具有通頻帶寬、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備輕便、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探、石油天然氣勘探、地下水和熱水資源勘探、地下溶洞和采空區(qū)勘探、工程地質(zhì)勘探、地震前兆監(jiān)測(cè)、深部構(gòu)造探測(cè)等領(lǐng)域。

GMS－07e包 括 主 機(jī) ADU－07e，磁 場(chǎng) 傳 感 器MFS－06e或MFS－07e以及不極化電極等組成?？傊丶s35kg，非常輕便。

圖1

1．1 主機(jī)ADU－07e主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍：直流－256k Hz

道數(shù)：每個(gè)ADU－07e含有10個(gè)通道

帶寬：兩個(gè)頻帶（直流－500 Hz，1Hz～250k Hz）；用戶可根據(jù)自己需要任意設(shè)置頻帶寬度

A／D轉(zhuǎn)換器：每個(gè)通道有兩個(gè)24位A／D轉(zhuǎn)換器，低頻采樣率4000Hz，高頻采樣率600000Hz

動(dòng)態(tài)范圍：＞130d B

系統(tǒng)控制器：32位嵌入式控制器，LINUX

存貯介質(zhì)：8GB閃爍硬盤(pán)（可擴(kuò)充），優(yōu)盤(pán)，USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備

測(cè)試和標(biāo)定：對(duì)所有的重要功能，包括傳感器和儀器指標(biāo)都可自動(dòng)檢測(cè)和標(biāo)定，并建立文檔

輸入阻抗：電道＞10MΩ，磁道20kΩ歐

網(wǎng)絡(luò)連接：標(biāo)準(zhǔn)的100兆雙絞電纜；USB 1．1，2．0；Wi－Fi

接口種類：網(wǎng)絡(luò)，磁傳感器，電極傳感器，電源，GPS天線，USB，Wi－Fi

同步：高精度GPS，±30ns，并確定和存貯測(cè)點(diǎn)位置參數(shù)

外殼：堅(jiān)固的防水聚碳酸酯外殼重量：接近7kg

功耗：3～5W低頻，15W高頻工作溫度：－40～＋70℃

外部尺寸：400×330×170mm

1．2 磁場(chǎng)傳感器技術(shù)指標(biāo)

眾所周知頻率域電磁儀的核心是磁場(chǎng)傳感器。Metronix公司研制的寬頻帶感應(yīng)磁場(chǎng)傳感器MFS－06e和MFS－07e是專門(mén)用于大地電磁（MT）和可控源大地電磁法（CSAMT）的傳感器。它們覆蓋了從0．0001Hz～50k Hz寬廣的頻率范圍，具有杰出的低噪聲特性、極低的溫度漂移以及在整個(gè)溫度范圍和時(shí)間范圍內(nèi)非常穩(wěn)定的傳輸函數(shù)。它們凝聚了Metronix在設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用感應(yīng)磁傳感器方面多年的經(jīng)驗(yàn)。

（1）MFS－06e磁場(chǎng)傳感器技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍：0．0001Hz～10k Hz

頻帶：0．0001～500Hz（斬波器開(kāi)）

10Hz～10k Hz（斬波器關(guān)）

傳感器噪聲：1×10 n T／√Hz＠0．01Hz

1×10－4n T／√Hz＠1 Hz

5×10－6n T／√Hz＠1000Hz（斬波器關(guān)）

輸出靈敏度：0．2V／（n T×Hz）f＜＜4Hz

0．8V／n Tf＞＞4 Hz

精確值請(qǐng)參照有關(guān)標(biāo)定文件。

功能：具有磁場(chǎng)負(fù)反饋的感應(yīng)線圈

插件：8極PT02SE12－10S

標(biāo)定輸入靈敏度：4n T／V

反饋截?cái)囝l率：4Hz

供電電壓：±12～±15V，經(jīng)穩(wěn)定和濾波

供電電流：±25m A

外殼：牢固和防水玻璃纖維加筋外殼

輸出電壓范圍：±10V

工作溫度范圍：－25～＋70℃

重量：約8．0kg

外型尺寸：長(zhǎng)1250mm，直徑75mm

（2）MFS－07e磁場(chǎng)傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍：0．001～50k Hz

頻帶：0．001～500Hz（斬波器開(kāi)）

10Hz～50k Hz（斬波器關(guān)）

傳感器噪聲：3×10－2n T／√Hz＠0．01Hz

3×10－4n T／√Hz＠1 Hz

5×10－7n T／√Hz＠1000Hz（斬波器關(guān)）

輸出靈敏度：0．02 V／（n T×Hz）f＜＜32 Hz

0．64 V／n T f＞＞32Hz

精確值請(qǐng)參照隨機(jī)的標(biāo)定文件。

功能：對(duì)感應(yīng)線圈施加反饋磁場(chǎng)

接頭：8極 PT02SE12－10S

標(biāo)定輸入靈敏度：1．6n T／V

負(fù)反饋截?cái)囝l率：32 Hz

電源電壓：±12V～±15V

電流：±25m A

外殼：牢固，防水的玻璃纖維加筋外殼

輸出電壓范圍：±10V

工作溫度：－25～＋70℃

重量：接近5．5kg

外部尺寸：長(zhǎng)800 mm，直徑75mm

1．3 設(shè)計(jì)原理

數(shù)據(jù)采集通道1－10可任意與磁場(chǎng)傳感器和電場(chǎng)傳感器連接。來(lái)自磁場(chǎng)傳感器和電場(chǎng)傳感器的模擬信號(hào)，首先進(jìn)入高頻通路HF或低頻通路LF（統(tǒng)稱ADB板）進(jìn)行放大、濾波、標(biāo)定、極化電位補(bǔ)償?shù)纫幌盗羞^(guò)程，形成時(shí)間序列并存儲(chǔ)。時(shí)間序列經(jīng)24位A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行一系列計(jì)算和處理后，獲得各種功率譜以及反映地下電性結(jié)構(gòu)的各種電性參數(shù)和視電阻率及阻抗相位曲線。圖2為ADU－07e設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 ADU－07e設(shè)計(jì)原理圖

主機(jī)ADU－07e由主板CPU控制，它根據(jù)預(yù)先設(shè)置的工作參數(shù)，通過(guò)USB總線設(shè)置AD板的頻帶、增益、系統(tǒng)標(biāo)定、極化補(bǔ)償、A／D運(yùn)行、數(shù)據(jù)計(jì)算、處理、存儲(chǔ)、顯示、下載等等。可通過(guò)遙控，局域網(wǎng)，優(yōu)盤(pán)等給CPU安裝軟件系統(tǒng)，設(shè)置測(cè)點(diǎn)的工作參數(shù)。

1．4 使用方法

（1）傳感器布置

首先用森林羅盤(pán)儀或手持羅盤(pán)定出磁南北和磁東西方向，然后將兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器沿磁東西、磁南北方向埋置地下10～15cm深度，用水平尺調(diào)平，用土覆蓋；如果在巖石裸露區(qū)，磁場(chǎng)傳感器可放置地面上，調(diào)平后用土覆蓋。同樣，沿磁東西方向和磁南北方向各布置一對(duì)不極化電極，電極埋置地下10～15cm，周圍用土填實(shí)，并沖鹽水；如果在巖石裸露或沙漠地區(qū)可用濕粘土把電極包住，再置于地表。電極間距通常20～50m。磁傳感器和電極埋置后，再將它們用傳感器電纜和電極線與ADU－07e主機(jī)連接。

（2）主機(jī)ADU－07e設(shè)置常規(guī)方法：

① 在System Status頁(yè)面下查看系統(tǒng)狀態(tài)，包括電池狀態(tài)、存儲(chǔ)器使用狀況、GPS狀態(tài)、溫度等；

②在Selftest頁(yè)面下查看所有ADB板狀態(tài)，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)入設(shè)置參數(shù)環(huán)節(jié)；

③在channels頁(yè)面下選擇所需通道LF或HF，設(shè)置通道增益、濾波器類型以及斬波器開(kāi)關(guān)，選擇對(duì)應(yīng)的傳感器類型，如果是磁傳感器則需輸入序列號(hào)；如果是電極則需要在Sensor Position頁(yè)面下輸入電極距；

④ 最后，在Startpage頁(yè)面下設(shè)置采樣率、測(cè)量起止時(shí)間，發(fā)送任務(wù)開(kāi)始測(cè)量。

簡(jiǎn)便方法：

編輯ADU－07Conf．xml和job．xml文件，將當(dāng)日任務(wù)（文件）預(yù)置到U盤(pán)，到野外操作時(shí)將U盤(pán)插入ADU－07e主機(jī)的USB接口即可按照要求進(jìn)行測(cè)量。

1．5 主要性能及特點(diǎn)

（1）具有10個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，可以采集多達(dá)10個(gè)電磁場(chǎng)信號(hào)，所以一臺(tái)ADU－07e主機(jī)可同時(shí)完成四個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，如圖3所示。工作效率比其他頻率域電磁法儀高4倍。

圖3

（2）每個(gè)通道有兩個(gè)不同類型的24位A／D轉(zhuǎn)換器。在低頻段記錄時(shí)可以獲得高頻段信號(hào)，反之亦然。不同類型的傳感器均可與ADU－07e連接，以記錄不同頻段的信號(hào)。

（3）通頻帶最寬，從直流－256k Hz，覆蓋了所有地球物理電磁場(chǎng)的頻率范圍。對(duì)不同通道可同時(shí)設(shè)置不同的采樣率，因此可以同時(shí)采集不同頻段的信號(hào)。除固定的頻帶外，還可自由設(shè)置頻帶范圍。

（4）可通過(guò)下列手段對(duì)儀器進(jìn)行控制或下載數(shù)據(jù)：

① 通過(guò)以太網(wǎng)；

② 通過(guò)局域網(wǎng)；

③ 通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)PDA；

④通過(guò)裝有預(yù)置程序的U盤(pán)；

⑤ 通過(guò)筆記本電腦；

⑥ 通過(guò)Internet網(wǎng)（固定站模式）；

⑦ 通過(guò)手機(jī)上網(wǎng)控制。

（5）可以作為獨(dú)立系統(tǒng)工作，也可以多至32個(gè)ADU－07e同步記錄組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（6）在多道和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中由高精度的、內(nèi)置GPS同步。

（7）自動(dòng)補(bǔ)償電極極化電位，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理觀測(cè)數(shù)據(jù)。

（8）實(shí)時(shí)自檢和包括傳感器在內(nèi)的自行標(biāo)定；實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)，自動(dòng)檢索儀器故障。

（9）與Metronix生產(chǎn)的所有類型電、磁傳感器兼容。

（10）在線實(shí)時(shí)處、實(shí)時(shí)顯示時(shí)間系列和各種MT參數(shù)。

（11）12V電瓶供電，功耗3～5瓦（低頻）。

（12）牢固、防水，特別輕便，易攜帶。

（13）工作溫度，從－40～＋70℃。

特別指出的是ADU－07e具有很強(qiáng)的抗干擾能力：ADU－07e輸入端設(shè)有無(wú)線電頻率濾波器，內(nèi)部設(shè)有去干擾濾波器，頻率可調(diào)，能有效的抑制人文噪聲干擾。輸出端采用磁耦合，以隔斷數(shù)字電路噪聲通過(guò)接地串繞至前面的模擬線路之中。由于ADU－07e的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)130dB以上，因此它對(duì)大幅度的電磁場(chǎng)干擾具有很強(qiáng)的抵御能力。例如高壓和超高壓輸電網(wǎng)散射的50 Hz電磁波強(qiáng)度往往比大地電磁場(chǎng)的有效信號(hào)高出數(shù)十倍，甚至百倍，但只要輸電網(wǎng)的頻率和電壓是穩(wěn)定的，大地電磁場(chǎng)的有效信號(hào)仍能從極強(qiáng)的50 Hz干擾背景提取出來(lái)。

1．6 觀測(cè)功能

GMS－07e可實(shí)現(xiàn)下列觀測(cè)功能：

（1）單臺(tái)MT和AMT觀測(cè)；

（2）遠(yuǎn)參數(shù)道觀測(cè)；

（3）EMAP觀測(cè)和網(wǎng)絡(luò)式觀測(cè)；

（4）CSAMT觀測(cè)和CSEMM觀測(cè)，此時(shí)應(yīng)配置Metronix研發(fā)的TXM－22發(fā)射系統(tǒng)，其技術(shù)指標(biāo)如下：

輸出功率：22k W

輸出電壓：560V

輸出電流：40A

發(fā)射頻率：10k Hz～0．001Hz

電源：3相50 Hz發(fā)電機(jī)

高精度GPS同步

發(fā)射機(jī)由TXM－01控制箱控制

發(fā)射波形：正弦波，脈沖，隨機(jī)波形

發(fā)射機(jī)尺寸：509×350×485mm，重40kg

控制箱尺寸：400×300×170mm，重8kg

TXM－22發(fā)射系統(tǒng)采用獨(dú)特的三個(gè)接地電極依次向地下供給不同頻率的發(fā)射電流，因此其發(fā)射的電磁場(chǎng)具有不同的極化特點(diǎn)，所以可求解地下張量阻抗值，適應(yīng)二維和三維構(gòu)造探測(cè)。其他CSAMT的觀測(cè)裝置只有兩個(gè)接地電極，只能發(fā)射線性極化場(chǎng)，所以只適合一維構(gòu)造探測(cè)。

1．7 軟件

ADU－07e內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，其所有設(shè)置都由網(wǎng)絡(luò)界面控制，任何網(wǎng)絡(luò)瀏覽器均可進(jìn)入其中。MAPROS軟件采用Robust算法對(duì)記錄的時(shí)間序列進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或遠(yuǎn)程處理。MAPROS軟件含有多種去噪聲功能。

圖4

1．8 適應(yīng)范圍

當(dāng)與MFS－07e磁場(chǎng)傳感器連接時(shí)（頻帶1000s～50k Hz），其勘探深度為0～30km，可應(yīng)用于：

① 石油、天然氣資源勘探；

② 礦產(chǎn)資源勘探；

③ 工程和環(huán)境勘探；

④ 地下水和地?zé)豳Y源勘探；

⑤ 地下溶洞和采空區(qū)勘探；

⑥ 監(jiān)視地下電阻率變化、地震預(yù)報(bào)和深部構(gòu)造探測(cè)。

當(dāng)與MFS－06e磁場(chǎng)傳感器連接時(shí)（頻帶10000s～10k Hz），其勘探深度為20m至上地幔軟流圈內(nèi)部，主要應(yīng)用于上述①、②、④、⑤和⑥。

當(dāng)與三分量超高頻磁場(chǎng)傳感器SHFT－02連接時(shí)（頻帶1～300k Hz），其勘探深度0～40m左右，主要應(yīng)用于淺層和超淺層勘探。

當(dāng)與TXM－22發(fā)射機(jī)配合時(shí)，可實(shí)現(xiàn)CSAMT勘探。

當(dāng)與FGS－03磁通門(mén)磁力儀連接時(shí)，可實(shí)現(xiàn)20秒至20萬(wàn)秒的超低頻觀測(cè)，用于研究地殼和上地幔軟流圈內(nèi)部的電性結(jié)構(gòu)。

1．9 注意事項(xiàng)

（1）觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離220千伏以上的超高壓線500m以上，至少也要遠(yuǎn)離200m以上。

（2）磁傳感器電纜線和電極線最好用土壓住，以免風(fēng)吹擺動(dòng)切割地磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾信號(hào)。

（3）在電磁干擾非常嚴(yán)重的地區(qū)，最好采用遠(yuǎn)參道觀測(cè)方法。

（4）如果采用CSAMT觀測(cè)方式，最小偏移距應(yīng)大于3倍的勘探深度。

（5）在起伏很大的山區(qū)或表層很不均勻的地區(qū)觀測(cè)時(shí)，應(yīng)采用EMAP觀測(cè)方式，例如一臺(tái)主機(jī)同時(shí)觀測(cè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，以消除靜位移效應(yīng)。

1．10 常見(jiàn)故障及排除方法

磁傳感器不會(huì)發(fā)生任何故障，ADU－07e主機(jī)也極少出現(xiàn)故障，如果用戶操作失誤錯(cuò)接電源時(shí)，例如把12V電源接到24V電源上，可能導(dǎo)致電源輸出板器件損壞。此時(shí)應(yīng)返回北京維修中心修理。

1．11 應(yīng)用實(shí)例

（1）金礦探測(cè)實(shí)例

實(shí)例1：

廊坊市大山地質(zhì)礦業(yè)公司利用GMS－07綜合電磁法儀于2009年10月在山東沂水縣開(kāi)展金礦區(qū)深部找礦工作。該礦區(qū)位于沂沭大斷裂帶中段，其兩側(cè)發(fā)育有多條次級(jí)斷裂，已知金礦受沂水一湯頭次級(jí)斷裂控制，為蝕變巖型金礦。為了探明金礦在深部的蘊(yùn)藏遠(yuǎn)景，必須探明次級(jí)斷裂帶的延深情況、形態(tài)和產(chǎn)狀等。為此在該區(qū)布置了10條探測(cè)剖面，圖5為第100線剖面的二維反演結(jié)果。

圖5 100線二維反演電阻率剖面圖

向右傾的高阻體是被巖漿巖充填的主斷裂帶，即沂沭斷裂帶。表層0～20m的低阻層為表土層，表土層下面發(fā)育有多條次級(jí)斷裂（紅線標(biāo)示）。已發(fā)現(xiàn)的金礦受主斷裂帶兩側(cè)和次級(jí)斷裂控制，因此可以推測(cè)沿這些次級(jí)斷裂和主斷裂兩側(cè)都可能是金礦蘊(yùn)藏的地帶。

根據(jù)上述探測(cè)結(jié)果，山東天業(yè)礦業(yè)公司布置了兩個(gè)鉆孔，均發(fā)現(xiàn)金礦帶。

實(shí)例2：

北京歐華聯(lián)科技有限責(zé)任公司應(yīng)安徽省312地質(zhì)隊(duì)要求，于2010年4月在安徽風(fēng)陽(yáng)地區(qū)利用GMS－07e綜合電磁法儀對(duì)己知的含金礦體進(jìn)行試驗(yàn)性探測(cè)，沿NW—SE方向共布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6、7、8。

圖6 在鳳陽(yáng)地區(qū)記錄的原始數(shù)據(jù)范例（時(shí)間序列）

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理的視電阻率曲線

圖8 鳳陽(yáng)地區(qū)剖面二維反演結(jié)果

從圖8的二維反演結(jié)果可見(jiàn)：

① 在距離80m，深約50m處，剖面兩側(cè)電阻率發(fā)生急劇變化，推測(cè)可能有深斷裂帶存在，此斷裂帶傾向NW陡傾。

② 斷裂帶以西，50～100m為中阻帶，可能為碎裂帶，100～150m為低阻帶，可能是破碎帶主體。該碎裂帶向西北延伸，向東北方向終止在深斷裂帶附近。

據(jù)安徽省312地質(zhì)隊(duì)信息，在剖面左端第一個(gè)測(cè)點(diǎn)深50m處鉆探結(jié)果見(jiàn)到金礦，該金礦位于產(chǎn)狀近水平的破碎帶內(nèi)。在剖面右側(cè)有NE向的深斷裂通過(guò)，可見(jiàn)探測(cè)結(jié)果與已知信息基本一致。

（2）銅鎳礦探測(cè)實(shí)例

新疆圖拉而根銅鎳礦是個(gè)巖礦化超鎂鐵質(zhì)巖漿硫化物型銅鎳礦，為查明含巖礦體向深部的延伸情況在礦區(qū)進(jìn)行了兩次大地電磁剖面勘探。圖9是兩條MT剖面的解釋結(jié)果。圖A中部連續(xù)的低阻異常和圖B中部?jī)蓚€(gè)規(guī)模較小的低阻異常，是銅鎳礦在深部的展布情況，并得到鉆探證實(shí)。

（3）熱田探測(cè)實(shí)例

中科院地質(zhì)與地球物理研究所在黑龍江省海倫市用GMS－07探測(cè)地?zé)崽?。共布設(shè)6條剖面，但其中317，318和329測(cè)點(diǎn)組成的剖面未納入解釋。從探測(cè)結(jié)果（圖10）可見(jiàn)淺部為低阻體，1000～2500m為高阻體，但高阻體形態(tài)比較復(fù)雜：在測(cè)區(qū)西北規(guī)模較大，向西南傾斜；側(cè)區(qū)東北規(guī)模次之，向東北傾斜。測(cè)區(qū)中部未見(jiàn)高阻體。從東西剖面的探測(cè)結(jié)果（圖11）可見(jiàn)，在剖面中部為低阻凹陷。根據(jù)已知資料，上述高阻體為巖漿侵入體，地?zé)崽镂挥趲r體下方。

（4）溶洞水探測(cè)實(shí)例

圖9 圖拉而根銅鎳礦在深部分布情況，低阻區(qū)為銅鎳礦的可能蘊(yùn)藏區(qū)

圖10 測(cè)區(qū)縱向剖面電阻率——深度等值線（五條北東向剖面）

圖11 測(cè)區(qū)東西向二維反演電阻率一深度等值線

圖12 北京順義二十里長(zhǎng)山——平谷盆地的MT剖面圖

在北京順義縣二十里長(zhǎng)山——平谷盆地布置75個(gè)MT測(cè)點(diǎn)探測(cè)基底灰?guī)r中的含水溶洞，圖12是其中的3條探測(cè)剖面?？梢?jiàn)淺部低阻層從左到右變厚至400～500m，為第四季水平層狀沉積，普通含水；下覆地層為高阻震系，被多條斷裂切成塊體，較大規(guī)模的含水溶洞往往發(fā)育在斷裂的下盤(pán)，如監(jiān)色所標(biāo)A、B、C、D、E，并被鉆孔證實(shí)。

（5）石油勘探實(shí)例

GMS－07對(duì)某盆地的含油遠(yuǎn)景進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖13是不同深度的電阻率水平切片圖?？梢?jiàn)，在2000～4000m深度上，在水平切面的右側(cè)中部都有低阻層分布，應(yīng)是沉積盆地的中心，也可能是含油遠(yuǎn)景區(qū)。

圖13 某盆地電阻率水平切片圖

（待續(xù)）

注：本文為編輯部根據(jù)北京歐華聯(lián)科技有限責(zé)任公司提供的資料整理，原作者：劉國(guó)棟。