瞬變電磁探測系統(tǒng)(CASTEM)試驗(yàn)對比
——安徽穎上大王莊鐵礦

武欣， 薛國強(qiáng)， 陳衛(wèi)營， 吳凱， 齊林， 劉富波， 方廣有

1 中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京 100190 2 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029

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瞬變電磁探測系統(tǒng)(CASTEM)試驗(yàn)對比
——安徽穎上大王莊鐵礦

武欣1， 薛國強(qiáng)2*， 陳衛(wèi)營2， 吳凱1， 齊林1， 劉富波1， 方廣有1

1 中國科學(xué)院電磁輻射與探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所， 北京 100190 2 中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029

為推進(jìn)國產(chǎn)電磁勘探設(shè)備的高端化進(jìn)程，自主研發(fā)了CASTEM瞬變電磁系統(tǒng).在前期系統(tǒng)開發(fā)、測試及集成基礎(chǔ)上，開展野外試驗(yàn)研究，以檢驗(yàn)CASTEM系統(tǒng)的穩(wěn)定性及探測能力.選擇已取得顯著勘探成果的安徽穎上縣大王莊鐵礦進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括大功率發(fā)射機(jī)性能、接收系統(tǒng)噪聲性能、實(shí)測響應(yīng)曲線和反演效果，并與國際高端瞬變電磁儀在上述幾方面進(jìn)行了對比.試驗(yàn)結(jié)果表明CASTEM系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)性能穩(wěn)定、可靠，已達(dá)到國際先進(jìn)水平；探測成果與高端瞬變電磁儀器探測成果以及鉆孔資料相吻合，表明CASTEM系統(tǒng)可以用于深部勘探.關(guān)鍵詞 瞬變電磁法； CASTEM系統(tǒng)； 傳感器； 對比試驗(yàn)

1 引言

高分辨率地球物理觀測裝備是實(shí)現(xiàn)精確探測的必要前提(滕吉文，2005).瞬變電磁法作為地球物理勘探方法體系中的一個重要分支，在礦產(chǎn)資源、油氣、工程、環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.在目前我國提出的“攻深探盲、尋找大礦富礦”的戰(zhàn)略引導(dǎo)下，著力開發(fā)大功率、高精度的瞬變電磁探測裝備，對實(shí)現(xiàn)“第二深度空間”內(nèi)的礦產(chǎn)資源探測具有重要的實(shí)際應(yīng)用意義(滕吉文，2010；劉光鼎，2013).

當(dāng)前，廣泛應(yīng)用的瞬變電磁儀器主要包括具有瞬變電磁功能模塊的加拿大Phoenix公司的V8和美國Zonge公司的GDP-32多功能電法工作站，以及專門進(jìn)行瞬變電磁法測量的澳大利亞Alpha公司的Terra TEM、加拿大Geonics公司的PROTEM和澳大利亞EMIT公司的SM24瞬變電磁系統(tǒng)等.這些瞬變電磁儀的性能相對較高、穩(wěn)定性好，對于大部分環(huán)境下的勘探具有良好的適用性.

國內(nèi)從20世紀(jì)70年代就開始了瞬變電磁系統(tǒng)的研制，如地礦部物化探研究所研制的WDC瞬變電磁系統(tǒng)，該儀器吸收了SIROTEM系統(tǒng)和PEM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)；1988年西安物化探研究所采用脈沖壓縮技術(shù)研制成功大功率的LC-1系統(tǒng)并投入生產(chǎn)；1992年長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)智通新技術(shù)研究所與中南工業(yè)大學(xué)合作生產(chǎn)出SD-1型、SD-2型儀器(牛之璉，2007)；重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的適用于淺部勘探的WTEM-2Q和適用于深部的WTEM-2系列瞬變電磁系統(tǒng)；吉林大學(xué)研制的ATEM-II瞬變電磁系統(tǒng)；以及其他多家單位分別研制的適用于航空、礦井等不同應(yīng)用領(lǐng)域的瞬變電磁系統(tǒng)(李文堯等，2012).整體來說，目前國產(chǎn)瞬變電磁儀器的加工工藝以及整體性能穩(wěn)定性等方面仍有較大的提升空間.

近些年，隨著瞬變電磁法理論與方法技術(shù)以及電子計(jì)算機(jī)和材料學(xué)的快速發(fā)展，自主研發(fā)更加適用于我國具體地質(zhì)條件的高性能瞬變電磁設(shè)備成為可能(滕吉文，2006；陸其鵠等，2007；林君等，2010；黃大年等. 2012；底青云等，2013).其中，為了加快實(shí)現(xiàn)深部礦產(chǎn)資源勘探，服務(wù)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，多家高校、科研院所已開展了相應(yīng)的研發(fā)工作，并取得了顯著的成果(何繼善，2010；林品榮等，2010；底青云等，2013，2015；薛國強(qiáng)等，2015).中國科學(xué)院電子學(xué)研究所自主研發(fā)了CASTEM瞬變電磁系統(tǒng).該系統(tǒng)具有分辨率高、穿透能力強(qiáng)、系統(tǒng)集成度高等特點(diǎn)，且支持多種同步方式、多種供電方式，適合在不同條件下完成包括礦產(chǎn)資源、地下水、地?zé)豳Y源等方面的勘查工作.為了驗(yàn)證CSATEM系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇具有典型地質(zhì)特征和顯著勘探成果的安徽大王莊鐵礦進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括大功率發(fā)射機(jī)性能、接收系統(tǒng)噪聲性能、電阻率曲線、反演效果等.試驗(yàn)結(jié)果表明：CASTEM系統(tǒng)的測深性能已達(dá)到國際頂尖儀器水平，探測結(jié)果與鉆孔資料吻合，成功探測到地下700 m左右的鐵礦體.試驗(yàn)表明自主研發(fā)的CASTEM系統(tǒng)可以用于整裝勘查，實(shí)現(xiàn)較大深度的探測任務(wù).

2 CSATEM系統(tǒng)介紹

圖1 CASTEM系統(tǒng)(a)發(fā)射機(jī)、(b)接收機(jī)、(c)磁傳感器實(shí)物Fig.1 CASTEM system (a) transmitter, (b) receiver and (c) sensor

典型關(guān)斷時(shí)間14μs@10A,100m×100m輸出參數(shù)AC輸入(220V/50Hz)DC輸入18V～100V連續(xù)可調(diào)12～150Vmax.36Amax.50Amax.2kWmax.10kW同步方式線同步、GPS同步、外置同步模塊尺寸重量11.1kg,43cm×24.4cm×34.1cm

表2 CASTEM與TerraTEM發(fā)射機(jī)參數(shù)對比

表3 CASTEM與TerraTEM接收機(jī)參數(shù)對比

表4 CASTEM-S1磁場傳感器參數(shù)

3 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)與地球物理特征

3.1 地質(zhì)特征

大王莊鐵礦地處潁上縣城北西方向14.5 km處，南距霍邱周集鐵礦30 km(圖2).礦區(qū)位于霍邱鐵礦周集倒轉(zhuǎn)向斜向北延伸部分的南東翼，走向穩(wěn)定為北東53°左右，本礦區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為向南東傾斜的單斜層，傾向南東，傾角一般為45°至70°.礦床全部為第四系所覆蓋，其下分布為新太古界霍邱群.第四系松散地層總厚度變化不大且較穩(wěn)定，鉆孔揭示：其最薄379.9 m，最厚401.0 m，北東部大于南西部，平均厚度395.7 m.已有鉆孔資料證實(shí)，區(qū)內(nèi)鐵礦體主要產(chǎn)于新太古宙霍邱群古老變質(zhì)巖系中，為受變質(zhì)鐵硅建造礦床，礦石主要有磁鐵礦礦石和鏡鐵礦石兩種類型.區(qū)內(nèi)主要礦床的礦體多屬陡傾斜(陸三明等，2014; Yang et al., 2014).

圖2 試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)圖(據(jù)陸三明等(2014)修改)Fig.2 Geological map of test area (modified from Lu et al., 2014)

3.2 地球物理特征

3.2.1 區(qū)域磁場特征

據(jù)1∶50萬航磁(ΔT)資料，區(qū)域磁異常帶呈東西向展布.在霍邱鐵礦區(qū)范圍內(nèi)呈近南北向展布，北部呈向東偏轉(zhuǎn)的弧形磁異常帶，磁異常帶與布伽重力異常成對應(yīng)關(guān)系，反映出基底變質(zhì)巖系的分布特征和地臺蓋層及中、新生界構(gòu)造特征.其中正磁異常帶反映了變質(zhì)巖系的分布范圍和構(gòu)造方向，正磁異常較高，同時(shí)有負(fù)磁異常伴生的異常帶多是由磁性(鐵礦)體引起(楊明慧等，2009).

根據(jù)安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局實(shí)施的1∶5000地面高精度資料顯示，礦區(qū)背景場為大面積平緩正～弱負(fù)異常，異常波動小，磁場相對平靜，局部異常少，如圖3所示.在這樣的區(qū)域背景中疊加了大王莊橢圓形局部異常，該異常與背景場差異明顯，界線清楚.大王莊鐵礦局部異常整體表現(xiàn)為規(guī)則橢圓形，北東向展布，異常強(qiáng)度中等.霍邱鐵礦區(qū)各類鐵礦具有高密度，強(qiáng)磁性的特征，和其他巖石有明顯的物性差異.它們是本區(qū)主要的磁異常場源，當(dāng)它們具有較大規(guī)模時(shí)，能產(chǎn)生明顯的重、磁異常.一些以近礦圍巖及夾層形式出現(xiàn)的變質(zhì)巖，如：含磁鐵大理巖、含磁鐵礦片巖等巖石含有一定的磁鐵礦，所以也具有較強(qiáng)的磁性和較高的密度，但它產(chǎn)生的異常和礦異常疊加在一起，對找礦干擾不大.由于這類巖石位于含礦層位上，所以它所引起的弱磁異常是追索巖層分布的重要線索.

圖3 大王莊鐵礦地磁ΔT異常平面等值線(1∶5000)Fig.3 Contours of geomagnetic anomalies ΔT in Dawangzhuang iron mine

3.2.2 電性特征

區(qū)內(nèi)已實(shí)施的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)和短偏移距電性源瞬變電磁法(SOTEM)探測(Xue et al., 2014)，對礦區(qū)內(nèi)深度1500 m范圍內(nèi)的地層電性參數(shù)進(jìn)行了揭示.結(jié)果顯示地表第四系覆蓋層呈明顯的低阻特性，下伏霍邱群變質(zhì)巖頂板深度約為500 m左右，呈高阻反映.區(qū)內(nèi)實(shí)施的多處鉆探巖心物性測量結(jié)果表明，第四系松散覆蓋層電阻約10 Ωm，基底變質(zhì)巖電阻率約為1000 Ωm；區(qū)內(nèi)含磁鐵礦巖石電阻率約為0.1 Ωm.

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)前期多種物探成果以及鉆孔資料，已基本查明區(qū)內(nèi)礦體的賦存形態(tài).礦體走向的方向呈北北東向，傾向東南.在垂直于礦體走向的方向(北北西向)布置三條測線，并依次編號Ⅰ線、Ⅱ線和Ⅲ線，其中Ⅲ線經(jīng)過鉆孔ZK33、ZK32和ZK31.每條測線長度均為600 m，測線間距50 m，測點(diǎn)間距10 m(圖4).試驗(yàn)過程分兩部分：首先在磁屏蔽間進(jìn)行系統(tǒng)噪聲性能對比試驗(yàn)，之后進(jìn)行核心部件對比試驗(yàn)，包括：大功率發(fā)射機(jī)性能試驗(yàn)，整系統(tǒng)實(shí)際工作能力對比試驗(yàn)，最后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出反演結(jié)果.

試驗(yàn)采用的工作裝置為大定回線源裝置，回線源尺寸為400 m×400 m，每布設(shè)一次發(fā)射源在其中心1/3范圍內(nèi)(120 m)逐點(diǎn)進(jìn)行觀測.完成所有儀器的觀測后，再整體移動發(fā)射源進(jìn)行下一部分的觀測(圖5).

圖4 試驗(yàn)測線與BIF地面投影及鉆孔的位置Fig.4 Locations of test lines, ground projection of BIFs and drilling holes

在進(jìn)行工作前先由高到低依次試驗(yàn)了不同發(fā)射基頻的電流，在保證晚期信號質(zhì)量的前提下最終選擇最低的2.5 Hz為工作電流基頻，發(fā)送電流大小為11.7 A.

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)噪聲性能試驗(yàn)結(jié)果分析

首先驗(yàn)證CASTEM接收系統(tǒng)(含接收機(jī)與傳感器)的噪聲性能：將接收機(jī)短接后放置于磁屏蔽間進(jìn)行正常數(shù)據(jù)采集，觀測時(shí)長為5 min，輸出原始數(shù)據(jù)(未經(jīng)抽道、疊加)；之后將傳感器與接收機(jī)連接置于磁屏蔽間中，選擇不同增益檔進(jìn)行5 min正常數(shù)據(jù)采集并輸出原始數(shù)據(jù).圖6為相應(yīng)測試的噪聲功率譜，可見：當(dāng)接收機(jī)短接時(shí)(未接傳感器時(shí))，功率譜值較小，說明接收系統(tǒng)的噪聲主要來源于傳感器，進(jìn)一步分析知傳感器系統(tǒng)的主要噪聲來源于其電路部分；接收機(jī)使用100倍以上增益觀測得到的傳感器噪聲譜基本不再發(fā)生變化，因此可認(rèn)為此條件下噪聲功率譜可反映傳感器的真實(shí)噪聲水平.

圖5 TEM施工流程Fig.5 Sketch of survey geometry of TEM

圖6 CASTEM接收系統(tǒng)噪聲功率譜測試Fig.6 Power spectrum test of noise of CASTEM receiving system

通過前述實(shí)驗(yàn)可知接收機(jī)噪聲水平遠(yuǎn)小于傳感器噪聲水平，因此可利用接收機(jī)分別連接CASTEM傳感器與TerraTEM傳感器TRC-1進(jìn)行噪聲測試.TRC-1傳感器帶寬約21 kHz，有效面積1000 m2—基本參數(shù)與CASTEM傳感器相當(dāng).在1000倍增益檔進(jìn)行噪聲觀測，利用原始數(shù)據(jù)計(jì)算功率譜(圖7).由圖7 可見，CASTEM傳感器噪聲水平完全處于TRC-1下方.

5.2 系統(tǒng)發(fā)射性能試驗(yàn)結(jié)果分析

在進(jìn)行野外探測實(shí)驗(yàn)前，對系統(tǒng)進(jìn)行了最大發(fā)射能力實(shí)驗(yàn)測試.發(fā)射機(jī)采用多節(jié)電池串聯(lián)提供直流電，布設(shè)單匝100 m×100 m發(fā)射回線，實(shí)測等效電感L=0.6 mH，等效電阻R=1.2 Ω，鉗位電壓500 V.實(shí)測波形(示波器截圖)如圖8所示，發(fā)射脈沖頻率為25 Hz，最大發(fā)射電流可以超過50 A.電流正峰值電流為51.20 A，負(fù)峰值電流為-50.80 A.從波形圖可以看出，由于CASTEM發(fā)射機(jī)采用饋能恒壓鉗位高速關(guān)斷技術(shù)，能夠?qū)﹄娏飨陆笛剡M(jìn)行有效整形，實(shí)現(xiàn)電流下降沿快速、線性關(guān)斷.

圖7 CASTEM與TRC-1傳感器噪聲水平對比Fig.7 Comparison of sensor noise levels between CASTEM and TRC-1

圖8 最大發(fā)射能力試驗(yàn)Fig.8 Test of maximum transmitting capability

如圖9所示，測試條件基本與圖8相同，圖中藍(lán)線為發(fā)射電流曲線，紅線為鉗位電壓曲線，發(fā)射電流為45 A，此時(shí)測得下降沿關(guān)斷時(shí)間為56 μs.由圖9可見，電流在關(guān)斷后的下降過程，其線性度良好.

5.3 原始衰減曲線對比

在野外實(shí)際工作中，使用TerraTEM沿測線II進(jìn)行了獨(dú)立工作，并將兩個測點(diǎn)位置(320號測點(diǎn)，480號測點(diǎn))上得到的衰減曲線數(shù)據(jù)與CASTEM數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.圖10a和圖10b分別是320號測點(diǎn)和480號測點(diǎn)位置的對比曲線，從曲線對比可以看出：CASTEM由于其良好的噪聲性能，晚期衰減曲線更加平滑，有利于提取更大深度的地電信息.

5.4 探測結(jié)果對比分析

圖11為利用CASTEM以及TerraTEM采集數(shù)據(jù)得到的Ⅱ線一維反演結(jié)果，反演方法采用Occam法，反演最大深度取800 m.可以看出，基于CASTEM和TerraTEM數(shù)據(jù)得到的反演結(jié)果具有很好的一致性，表明兩種儀器具備大致相當(dāng)?shù)奶綔y能力.反演結(jié)果整體上將地層劃分為三個電性層，第一層深度范圍為0～100 m，視電阻率約為30 Ωm，對應(yīng)著地表的浮土層；第二層深度范圍在100～500 m，視電阻率為約10 Ωm，對應(yīng)著含水的第四系覆蓋層；第三層深度范圍在500～800 m，視電阻率約為80 Ωm，對應(yīng)著下伏的霍邱群變質(zhì)巖.上述地層劃分結(jié)果與圖12所示的地質(zhì)剖面圖基本吻合，并且對于各層厚度的刻畫也與實(shí)際鉆孔資料大致吻合.在兩條測線反演結(jié)果的基巖層中都存在兩處明顯的低阻條帶區(qū)域，一處位于點(diǎn)號320 m處，一處位于460 m處.根據(jù)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)BIF礦體的物理特性，可以認(rèn)為這兩處低阻異常就是由BIF引起.將該結(jié)果與鉆孔資料對比，認(rèn)為上述兩處異常分別對應(yīng)于圖12中的ZK32和ZK33所揭示的BIF礦體.探測結(jié)果表明，CASTEM系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，在足夠的信噪比條件下可以實(shí)現(xiàn)大深度隱伏金屬礦體的探測.

圖10 測線II測點(diǎn)320與測點(diǎn)480上衰減曲線對比

圖11 Ⅱ線CASTEM和TerraTEM觀測數(shù)據(jù)一維反演結(jié)果(a) Ⅱ線CASTEM數(shù)據(jù)一維反演結(jié)果； (b) Ⅱ線TerraTEM數(shù)據(jù)一維反演結(jié)果.Fig.11 Results of 1D inversions of CASTEM and TerraTEM data on line II(a) CASTEM data； (b) TerraTEM data.

圖12 II線地質(zhì)剖面Fig.12 Geological cross section of line II

6 結(jié)論

為了驗(yàn)證自主研發(fā)的CASTEM系統(tǒng)的整體性能及實(shí)際探測效果，在已知資料安徽大王莊鐵礦進(jìn)行了對比與探測試驗(yàn).試驗(yàn)中，選取合適的剖面進(jìn)行了系統(tǒng)噪聲性能、系統(tǒng)發(fā)射性能、傳感器性能及實(shí)際探測等多方面的試驗(yàn).通過本次試驗(yàn)，得到了以下幾方面有意義的結(jié)論:

(1) 自主研制的傳感器的噪聲水平優(yōu)于某國際高端瞬變電磁儀系統(tǒng)的傳感器.

(2) 由于CASTEM系統(tǒng)良好的噪聲特性，可獲取更加光滑的晚期數(shù)據(jù)，為深部信息的提取提供了可能.

(3) 將CASTEM系統(tǒng)用于深部鐵礦體的探測并取得了良好的效果，表明CASTEM系統(tǒng)可用于深部勘探，實(shí)現(xiàn)大深度目標(biāo)體的勘探.

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(本文編輯 張正峰)

Contrast test of the transient electromagnetic system (CASTEM) at the Dawangzhuang iron mine in Anhui province

WU Xin1, XUE Guo-Qiang2*, CHEN Wei-Ying2, WU Kai1, QI Lin1, LIU Fu-Bo1， FANG Guang-You1

1KeyLaboratoryofElectromagneticRadiationandDetectionTechnology，InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2KeyLaboratoryofMineralResources,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

In order to accelerate the high-level oriented process of homemade electromagnetic prospecting instruments, the transient electromagnetic system (CASTEM) was developed independently. A field experiment was implemented to test the stability and the maximum detecting depth of the CASTEM system after a lot of efforts on subsystem development, testing and system integration. The location of field test was chosen at the Dawangzhuang iron mine in Anhui Province, where the geological characters are typical and significant productions of prospecting have been conducted. The content of the field test included the performance of high-power transmitting, noise performance of the receiving system (sensor and receiver), observed decay curves and the effect of inversion in contrast with the top import TEM instrument. The results of the field test agreed with the drilling data available in this mine.

Transient electromagnetic method； CASTEM system； Sensor； Contrast test

10.6038/cjg20161207.

國家重大科研裝備研制項(xiàng)目“深部資源探測核心裝備研發(fā)”子項(xiàng)目“航空瞬變電磁勘探儀”(ZDYZ2012-1-03),國家自然科學(xué)基金(41474095) ,中國科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題,國土資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題聯(lián)合資助.作者簡介 武欣，男，1982年生，助理研究員，主要從事電磁法裝備與方法應(yīng)用研究.E-mail: wu_xin18@mail.ie.ac.cn.com

10.6038/cjg20161207

P631

2015-12-02，2016-10-20收修定稿

武欣， 薛國強(qiáng)， 陳衛(wèi)營等. 瞬變電磁探測系統(tǒng)(CASTEM)試驗(yàn)對比——安徽穎上大王莊鐵礦. 地球物理學(xué)報(bào)，59(12):4448-4456,

Wu X, Xue G Q, Chen W Y, et al. 2016. Contrast test of the transient electromagnetic system (CASTEM) at the Dawangzhuang iron mine in Anhui province.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(12):4448-4456,doi:10.6038/cjg20161207.

*通訊作者 薛國強(qiáng)，男，1966年生，研究員，主要從事瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究.E-mail: ppxueguoqiang@163.com