大深度多功能電磁探測技術與系統(tǒng)集成

林品榮，鄭采君，吳文鸝，李建華

（中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000）

大深度多功能電磁探測技術與系統(tǒng)集成

林品榮，鄭采君，吳文鸝，李建華

（中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000）

大深度多功能電磁探測系統(tǒng)，主要由多功能電磁探測儀器、數據采集與處理、電磁二三維正反演模擬等組成。系統(tǒng)研發(fā)中，攻克了多功能電磁分布式接收、大功率發(fā)射、三分量高溫超導磁傳感器所涉及的多項關鍵技術，并研究開發(fā)了配套的數據采集、處理與解釋技術，系統(tǒng)具備AMT／MT、CSAMT、IP等測量功能。對研發(fā)系統(tǒng)進行了與GDP-32Ⅱ的野外對比試驗及典型礦區(qū)的應用，取得顯著的試驗應用效果。

多功能電磁探測儀器；數據處理與解釋；對比試驗與應用

0 引言

多功能電磁探測系統(tǒng)是資源勘查中不可或缺的重要裝備。長期以來，因我國未開發(fā)大功率、多功能電磁探測系統(tǒng)，在深部資源勘查中主要靠引進國外的多功能電法儀來開展工作。為提升我國勘查地球物理方法技術的自主創(chuàng)新能力和裝備水平，在國家科技部和中國地質調查局相關科研項目的支持下，由中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所牽頭，并聯(lián)合中南大學、成都理工大學、吉林大學、重慶地質儀器廠等，研發(fā)出我國自主的大深度多功能電磁探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)經科技部組織的專家驗收認為：在多功能電磁探測儀器研制、數據處理與正反演模擬集成軟件開發(fā)等方面取得了創(chuàng)新性成果，所研發(fā)的大深度多功能電磁探測系統(tǒng)具有自主知識產權，形成了大深度電磁綜合探測技術研發(fā)團隊，所取得的成果具有良好的社會、經濟效益，建議盡快推廣應用。目前該系統(tǒng)在大量試驗應用和實用化開發(fā)的基礎上，已向相關地勘單位推廣近20臺套，在我國隱伏資源的大深度探測中正在發(fā)揮其作用。

1 多功能電磁探測系統(tǒng)儀器開發(fā)

在地球物理方法技術研究的基礎上，基于先進的設計理念，采用高新實用的電子技術，研制出多功能電磁探測儀器［1］，主要包括分布式多功能電磁接收機、大功率電磁發(fā)射機、三分量高溫超導磁傳感器。各儀器主要技術指標如表1、2、3所示。

表1 多功能電磁接收機主要技術指標Tab．1 Technical indicators of them ulti－function receiver

表2 大功率電磁發(fā)射機主要技術指標Tab．2 Technical indicators of the high－power transm itter

表3 三分量高溫超導磁傳感器主要技術指標Tab．3 Technical indicators of the three com ponent high temperature superconducting magnetic sensor

1．1 基于高精度GPS與恒穩(wěn)晶體混合同步的電磁法分布式探測技術

在電磁法的多測站分布式測量中，要求不同儀器間的時鐘嚴格同步，以便保證各測站的數據采集是同時進行和同時完成，因此研發(fā)高精度的同步技術是取得成功的保障［2］。對比現有的幾種同步技術（無線電同步、有線同步、石英鐘同步、GPS同步等），它們都各有特點和不足：無線電同步易受地形等條件影響，不宜用于遠距離同步；有線同步受同步線限制，也不宜用于遠距離同步；GPS同步具有同步精度高，無誤差累積，但易受地形和遮擋的影響；石英鐘同步不受遮擋，但卻存在同步誤差累積的不足。綜合考慮上述同步方式的特點，采用了將GPS同步和恒溫晶體同步有機結合的方式［3］（圖1），形成本系統(tǒng)的同步技術。該技術的基本原理在于，當GPS定位正常時（野外絕大多數都可滿足該條件）自動進入GPS同步狀態(tài)，同時利用GPS秒脈沖實時不間斷標定石英鐘輸出頻率；當GPS出現短暫不定位情況時，將同步方式自動切換到石英鐘同步，以標定所得石英鐘頻率作為輸出頻率，產生相對準確的同步脈沖。

圖1 GPS和恒溫石英鐘混合同步電路原理圖Fig．1 GPS and quartzmixed synchronous circuit diagram

1．2 基于中繼和雙24位AD大動態(tài)轉換的無線遙測與高靈敏度數據采集技術

無線數據傳輸和控制是實現多測站組網工作和數據實時處理的基礎，而無線數據傳輸和控制極易受地形、植被等條件的影響，難于實現遠距離通信。為此，開發(fā)了基于中繼和AX.25協(xié)議的無線數據傳輸與控制技術［3］，較好地解決了數據校驗遠距離接力傳輸等技術難題。通過各測站中繼接力方式實現了在主機通訊范圍以外的測站與主機的傳輸控制，使得原來需要最遠傳輸3 000 m距離的要求降低到只需可靠傳輸100 m即可，因此大大降低了地形對系統(tǒng)無線通訊的影響，實現了可靠的數據傳輸與控制。

多功能電磁法接收機，涉及的工作方法多（AMT、CSAMT、IP、SIP等），接收信號的動態(tài)范圍大，有用信號強度從微伏到伏，涵蓋6個量級超過120 dB；頻率范圍寬，從32 kHz到近直流。因此對接收系統(tǒng)的動態(tài)范圍和頻帶寬度提出了很高要求。為了保證在全頻帶范圍內實現大動態(tài)信號數字化，開發(fā)了雙24位AD分頻段數字化加數據緩存技術［3-4］（圖2），這樣既保證了系統(tǒng)有足夠的通帶，又保證了系統(tǒng)能夠實現高靈敏度數據采集。

圖2 大動態(tài)信號數字化電路原理圖Fig．2 Large dynam ic signal digitization circuit diagram

1.3 基于勵磁調壓的大功率穩(wěn)流供電技術

將發(fā)電機勵磁調壓技術引入電磁法發(fā)射系統(tǒng)［5-6］，在不采用調壓變壓器的條件下，可大范圍調節(jié)供電電壓，通過調節(jié)勵磁實現穩(wěn)壓供電或穩(wěn)流供電，由于避開了笨重的變壓器，大功率電源利用率高、設備較輕便。其組成包括大功率發(fā)射機、勵磁調壓發(fā)電機、整流單元、電流傳感器、模數轉換器、勵磁調節(jié)器和大功率負載。工作過程為：勵磁調壓發(fā)電機在大功率發(fā)射機的控制下，輸出0～1 000 V的三相交流電壓；整流單元將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，并加載到大功率負載上；電流傳感器對供電電流進行隔離檢測；模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號；勵磁調節(jié)器控制勵磁調壓發(fā)電機的輸出電壓，使整個系統(tǒng)的供電電流保持在設定的電流值。高壓勵磁恒流供電技術的電路原理如圖3所示。

圖3 高壓勵磁恒流供電電路原理圖Fig．3 H igh voltage excitation constant current power supplying circuit diagram

1.4 適宜于弱磁信號檢測的三分量高溫超導磁傳感器技術

在地球物理電磁法的變化磁場測量中，通常采用感應線圈作為測磁傳感器。由于感應線圈的靈敏度隨接收信號的頻率而變化，在低頻段靈敏度很低，而低頻段恰恰是反映地球深部的信息，因此傳統(tǒng)感應線圈法測量的低頻信號信噪比低。而高溫超導弱磁測量傳感器用高溫超導量子干涉器作為磁場強度傳感器，對磁場非常敏感，它的靈敏度高而且頻帶寬，在各頻段靈敏度恒定，低頻響應好［7］。在地球物理電磁法弱磁信號測量中，可提高低頻信號的信噪比，使測量更準確，以提高勘探深度。我們采用寬帶低噪小信號的高頻放大技術、高頻信號的傳輸與屏蔽技術、光電隔離與自動補償等技術，開發(fā)出具弱磁信號檢測的三分量高溫超導磁傳感器。其硬件主要由高溫超導器件和鎖相閉環(huán)電路組成，鎖相閉環(huán)電路由定向耦合器、高頻放大器、混頻器、低頻放大器、高頻振蕩器、射頻信號衰減器、積分器、反饋電路組成。工作原理為：高溫超導器件的輸出經定向耦合器送至高頻放大器；高頻放大器、混頻器、低頻放大器、積分器依次串聯(lián)連接；高頻振蕩器的輸出分為兩路，一路接混頻器的輸入，另一路經射頻信號衰減器衰減后接定向耦合器；積分器的輸出經反饋電路反饋至定向耦合器（圖4）。

圖4 三分量高溫超導傳感器原理圖Fig．4 Three com ponent high tem perature superconducting sensor circuit diagram

2 電磁多參數數據采集、處理與解釋技術研究

2.1 基于全波形采樣的數據采集技術

根據天然電磁場與人工發(fā)射電磁場的理論，結合多功能電磁探測儀器（DEM-V）的特點，研究了適合于分布式同步測量的數據采集方案。在AMT／MT、CSAMT、IP、SIP等各種方法的數據采集中，均采集全波形的原始時間域數據，為后期的數據處理提供全面的原始數據采樣信息。圖5為野外采集的一組陣列同步觀測的天然電磁場時間域曲線。

圖5 陣列同步觀測的天然電磁場時間域曲線Fig．5 Tim e domain curve of natural electromagnetic field in array

2.2 基于抗干擾數據處理的電磁多參量信息提取技術

圖6 CSAMT接收電場和磁場的電壓波形處理前后的變化圖Fig．6 Voltage waveform changes for electric and magnetic fields of CSAMT through filtering and superposition

在采集的電磁法原始數據中，既有所需要的有用信息，同時也不可避免地包含環(huán)境電磁干擾、儀器本底噪聲等信息，如何壓制干擾、提取有用信息，是數據處理的關鍵。在對天然場電磁信號、人工電磁場發(fā)射信號、環(huán)境電磁干擾、接收系統(tǒng)噪聲的觀測分析基礎上，采用同步疊加、數字濾波、陷波、相關選頻等技術［8-9］，研究開發(fā)了適宜于多功能電磁系統(tǒng)的電磁多參量數據信息獲取與處理技術。圖6展示了大功率多功能探測儀器測量的CSAMT時間域數據處理前后的變化。

2.3 基于二、三維正反演模擬的可視化解釋技術集成

對地形條件下電磁法（AMT／MT、CSAMT、SIP）二、三維正反演模擬方法進行了研究［10-14］，編制出相關程序，并通過對程序相關接口、界面、數據成圖的開發(fā)［15］，分別形成了AMT／MT法、SIP法和CSAMT法正反演3個方法的軟件子系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)的構建考慮了電磁勘探各方法的特性和共性，根據前者，將3種電法（AMT／MT、CSAMT和SIP）的功能軟件集成在相對獨立的3個子系統(tǒng)中；根據后者，在每一個子系統(tǒng)中將程序劃分為專用功能軟件模塊和共用功能軟件模塊兩大部分。專用功能軟件模塊包括各方法的數據處理和正反演模塊，共用功能模塊包括數據的圖示、人機交互建模等模塊。多功能電磁法數據處理與解釋軟件系統(tǒng)結構如圖7所示。

圖7 多功能電磁法數據處理與解釋軟件系統(tǒng)結構圖Fig．7 Data processing and interpretation software structure diagram of themulti－function electromagnetic system

3 系統(tǒng)對比試驗與應用

3.1 對比試驗

對研制的大功率多功能電磁探測樣機系統(tǒng)，經測試合格后，在內蒙古某礦區(qū)開展了與國外同類系統(tǒng)（GDP-32Ⅱ）的同發(fā)射源、同測線、同測點的CSAMT對比試驗工作［16］。從獲取的原始視電阻率和阻抗相位的同測點對比數據（圖8）可見，兩套系統(tǒng)獲取的相同參數其數值大小相近、曲線形態(tài)一致且均光滑連續(xù)。

圖8 多功能電磁法儀器與GDP－32Ⅱ同測點實測CSAMT數據對比Fig．8 Comparison of CSAMT results between DEM and GDP－32Ⅱ

3.2 典型礦區(qū)應用

選擇內蒙古阿巴嘎旗某礦區(qū)，開展了研制的多功能電磁法系統(tǒng)面積性試驗與應用工作。該礦區(qū)礦床為巖漿多期侵入的脈狀銀鉛鋅礦，容礦的似斑狀花崗巖和粉砂質板巖與圍巖具有電性差異［17］。在該區(qū)開展了10 km2的TDIP掃面和CSAMT剖面測深，并在部分剖面開展了RPIP測深。TDIP測量中，采用中間梯度裝置，技術參數為供電極距2 500 m、接收極距40 m、點距40 m、供電周期16 s、占空比1∶1、延時100 ms。CSAMT測深中，采用標量測量方式，技術參數為收發(fā)距≥9 000 m，發(fā)射極距3 000 m，頻率范圍8 000～1／3.2 Hz，接收極距40 m，點距40 m。RPIP測深中，采用偶極-偶極裝置，技術參數為工作頻率5個（4 Hz、2 Hz、1 Hz、2 s、4 s）、供電極距80 m、接收極距80 m、點距40 m、隔離系數n＝1～12。

圖9 －1 多功能電磁法儀器在某測線上獲取的綜合異常Fig．9 －1 Com prehensive anomaly ofmulti－function electromagnetic instrument

圖9 －2 多功能電磁法儀器在某測線上獲取的綜合異常Fig．9 －2 Com prehensive anom aly ofmu lti－function electrom agnetic instrument

通過多種電磁法的應用工作，獲取了礦區(qū)的多功能電法綜合異常，其異常除與已知礦體相對應外，還發(fā)現了新的找礦線索，為礦區(qū)的進一步地質勘查、鉆孔布設和找礦突破提供了地球物理依據。圖9顯示了該區(qū)某測線的多種方法測量結果，包括TDIP的視電阻率與視極化率剖面曲線、RPIP測深的反演電阻率與相位斷面、CSAMT的反演電阻率斷面，以及鉆孔驗證的見礦情況。經對比可見，自主研制的多功能電法儀器在測線上500號點獲得明顯的多功能電法綜合異常，與礦體相對應，其電性表現為低阻高極化高相位的異常特征。同時在470號點附近還發(fā)現良好的多功能電法綜合異常，異常特征為低阻中高極化中高相位。

4 結論

大深度多功能電磁探測系統(tǒng)，是在攻克電磁法的分布式多功能接收、大功率發(fā)射、數據采集與處理、正反演模擬等關鍵技術基礎上，通過試驗應用和實用化開發(fā)，形成了我國自主的可供推廣應用的多功能電磁法系統(tǒng)。該系統(tǒng)的成功研發(fā)和推廣應用，不僅填補了國內空白、實現了產業(yè)化突破，而且為我國深部資源調查提供了自主的方法技術支撐。

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Techniques and System s for Large-depth and M ulti-function Electromagnetic Survey

LIN Pin-rong，ZHENG Cai-jun，WUWen-li，LIJian-hua
（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，Chinese Academy of Geological Sciences，Langfang 065000，China）

The large-depth，multi-function electromagnetic survey system is composed of the multi-function electromagnetic detection equipment，the techniques for data acquisition and processing and the software for electromagnetic two or three dimensional positive inversion simulation.Based on a study of its corresponding key technologies，a distributed multi-function receiver prototype is developed.Accordingly，the high-power multi-function intelligent transmitting prototype and the three component high temperature superconductingmagnetic sensor are also designed and developed.As a result，thematched data acquisition，processing，and interpreting technology of themulti-function electromagnetic system have been successfully resolved.The system has themeasurement function of AMT，MT，CSAMT and IP.A number of good results have achieved in comparative trail between the self-developed system and the GDP-32Ⅱsystem，and the application of typicalmine areas.

：multi-function electromagnetic instrument；data processing and interpreting technique；comparative trail and application

P631；O441.5

：A

：2095-8706（2015）08-0060-07

（責任編輯：劉永權）

2015-07-23；

2015-10-31。

國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）課題（編號：2007AA060601）和中國地質調查局“大深度高分辨電磁測量技術與多動能電法儀器研制（編號：1212010660301）”、“云南省保山西邑鉛鋅隱伏礦成礦理論及物化探找礦技術研究與應用（編號：1212011310150）”項目聯(lián)合資助。

林品榮（1963—），男，教授級高級工程師，從事電磁法研究。Email：linpinrong＠igge.cn。