直升機(jī)大功率時(shí)間域(TEM)航空電磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介及在勘查多金屬礦床上的應(yīng)用

盧俊豐，紀(jì)福山

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局 地球物理勘查院，保定 071051)

0 引言

2013年10月，中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院(勘查院)引進(jìn)了加拿大BECI—?jiǎng)倮辈楣旧a(chǎn)的TS-150型大功率時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)。在內(nèi)蒙古阿魯科爾沁旗野外現(xiàn)場(chǎng)順利通過了各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)收，并及時(shí)投入了內(nèi)蒙古敖包吐試驗(yàn)區(qū)和1017高地試驗(yàn)區(qū)多金屬礦1:10 000大比例尺的航空電磁法測(cè)量工作。由此，勘查院的航空物探測(cè)量能力有了極大的提升，有能力開展大比例尺勘查多金屬硫化物礦床的飛行測(cè)量工作，拓寬了航空物探工作的領(lǐng)域，更經(jīng)濟(jì)、更精準(zhǔn)、更快速的為礦山勘查服務(wù)。利用該套設(shè)備，勘查院于2016年和2018年又分別完成了新疆白石頭泉一帶航空TEM測(cè)量和安徽懷遠(yuǎn)-蒙城一帶航空TEM測(cè)量任務(wù)，取得了令人滿意的測(cè)量效果。

1 TS-150型大功率時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)簡(jiǎn)介

勘查院在內(nèi)蒙古敖包吐試驗(yàn)區(qū)和1017高地試驗(yàn)區(qū)，采用AS350-B3型小松鼠直升機(jī)吊掛裝置進(jìn)行了生產(chǎn)飛行。吊掛纜繩長(zhǎng)55 m，鉀光泵磁力儀吊掛在距飛機(jī)下方20 m處，飛行高度平均為80 m～90 m。正常飛行過程中，吊掛纜繩與飛機(jī)機(jī)身的向下垂直線夾角為15°～20°。飛行速度為80 km/h～100 km/h，即22 m/s～28 m/s。似平面同點(diǎn)偶極裝置的電磁系統(tǒng)的發(fā)射線圈、接收線圈距地面30 m～40 m(圖1、圖2)。

圖1 AS350-B3小松鼠直升機(jī)吊掛電磁系統(tǒng)測(cè)線飛行圖Fig.1 AS350 - B3 the little squirrel helicopter flight figure hanging electromagnetic system of measuring line

圖2 AS350-B3型小松鼠直升機(jī)吊掛系統(tǒng)地面全貌圖Fig.2 AS350 - B3 the little squirrel helicopter hanging system ground close-up view

1.1 電磁系統(tǒng)組成及發(fā)射波形

TS-150型時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)由似平面同點(diǎn)偶極裝置[1]的發(fā)射線圈、發(fā)射機(jī)、高壓發(fā)生器、發(fā)射控制器、發(fā)射機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器、補(bǔ)償線圈、Z向接收線圈、X向接收線圈、前置放大器、磁、電磁數(shù)據(jù)處理器、電源分配器、數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)發(fā)射波為雙極性三角波，發(fā)射頻率及占空比由發(fā)射控制脈沖決定，半周期發(fā)射和接收波形如圖3所示。

圖3 半周期波形圖(下半周期相位相反)Fig.3 Half cycle waveform figure (the second half of the cycle of opposite phase)

發(fā)射頻率由25 Hz到330 Hz不等，共分12檔可選，在國(guó)內(nèi)常用的三種頻率分別為25 Hz、75 Hz及125 Hz。

1.2 電磁系統(tǒng)的補(bǔ)償方式

由于TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)的似平面同點(diǎn)偶極裝置接收線圈放置于發(fā)射線圈中間，發(fā)射時(shí)接收線圈可以接收到很強(qiáng)的一次場(chǎng)，強(qiáng)一次場(chǎng)可使前置放大器達(dá)到飽和狀態(tài)，無法順利的測(cè)量斷電后導(dǎo)體產(chǎn)生的二次場(chǎng)，同時(shí)也丟失了發(fā)射三角波期間的導(dǎo)體二次場(chǎng)的測(cè)量，所以必須將接收線圈中所接收到的很強(qiáng)的一次場(chǎng)補(bǔ)償?shù)簦@樣接收到的就只有導(dǎo)體的二次場(chǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，必須在接收線圈外圍放置一個(gè)補(bǔ)償線圈。補(bǔ)償線圈內(nèi)的電流方向與發(fā)射線圈內(nèi)的電流方向相反，接收線圈接收到的補(bǔ)償線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與發(fā)射線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度相同。這樣接收線圈所接收到的電磁場(chǎng)就是大小相等，方向相反的二個(gè)電磁場(chǎng)的和[2,5]。這個(gè)值很小甚至為零，由此達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。

設(shè)u為自由空間的導(dǎo)磁率；R為線圈半徑；N為線圈匝數(shù)；I為線圈中電流峰值；dB為線圈中間處的電磁場(chǎng)強(qiáng)度。在自由空間的情況下有：

dB=u*I*N*dt/2R

(1)

設(shè)：

dB補(bǔ)=-dB發(fā)

(2)

則有：

u*I*N發(fā)*dt/2R發(fā)=-u*I*N補(bǔ)*dt/2R補(bǔ)

(3)

式中：N發(fā)為發(fā)射線圈的匝數(shù)；N補(bǔ)為補(bǔ)償線圈的匝數(shù)；R發(fā)為發(fā)射線圈的半徑；R補(bǔ)為補(bǔ)償線圈的半徑。我們?nèi)⊙a(bǔ)償線圈匝數(shù)為“1”，使發(fā)射線圈中的電流峰值與補(bǔ)償線圈中的峰值相同，則公式(3)經(jīng)整理后有：TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)發(fā)射線圈和補(bǔ)償線圈為同一根電纜繞成，只是在發(fā)射線圈3.5圈處繞出一個(gè)半徑為0.57 m，方向相反的一匝補(bǔ)償線圈。所以它們中的電流峰值、波形、頻率都是一樣的。

R補(bǔ)=R發(fā)/N發(fā)

(4)

TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)發(fā)射線圈半徑為4 m，匝數(shù)為7匝，補(bǔ)償線圈為1匝，則：

R補(bǔ)=4/7=0.57 m

(5)

1.3 電磁系統(tǒng)測(cè)量的道數(shù)與取樣率

TS-150型時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)發(fā)射波為雙極性三角波，在三角波發(fā)射期間為on-time，三角波結(jié)束期間為off-time，即發(fā)射開時(shí)間和發(fā)射關(guān)時(shí)間[3]。在發(fā)射開時(shí)間和發(fā)射關(guān)時(shí)間內(nèi)均分為24個(gè)取樣道。在發(fā)射開時(shí)間內(nèi)每道取一個(gè)樣，在發(fā)射關(guān)時(shí)間內(nèi)每道取樣數(shù)不同，即前12道為每道取一個(gè)樣，第13道取5個(gè)樣，第14道～19道每道取6個(gè)樣，第20道取8個(gè)樣，第21道取12個(gè)樣，第22道取16個(gè)樣，第23道取20個(gè)樣，第24道取28個(gè)樣。圖4為發(fā)射開時(shí)間和發(fā)射關(guān)時(shí)間的取樣道數(shù)與每道取樣個(gè)數(shù)示意圖。

圖4 TS-150型大功率時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)發(fā)射開、關(guān)時(shí)間的取樣道數(shù)與每道取樣個(gè)數(shù)示意圖Fig.4 TS-150 type high power airborne electromagneticlaunch system in time domain,time of sampling number and number of each sample

半個(gè)周期內(nèi)共計(jì)48個(gè)取樣道，取200個(gè)樣。一個(gè)周期內(nèi)取400個(gè)樣。由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將反向的下半周期變化為正向，所以一個(gè)周期400個(gè)取樣全為正數(shù)。

TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)取樣率為10次/s，即0.1 s一個(gè)讀數(shù),則頻率為25 Hz時(shí)，一個(gè)讀數(shù)為1 000個(gè)樣的平均值；75 Hz時(shí)，一個(gè)讀數(shù)為3 000個(gè)樣的平均值；125 Hz時(shí)，一個(gè)讀數(shù)為5 000個(gè)樣的平均值。

1.4 TS-150時(shí)間域電磁系統(tǒng)記錄單位

TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)記錄單位以電磁場(chǎng)強(qiáng)度與時(shí)間的比值即nT/s為單位(nT為伏特×10-9，s為秒)。接收線圈的有效面積為10，前置放大器放大倍數(shù)為150[4]，則總的有效面積(m2) 就等于1 500 m2。即接收線圈內(nèi)有1.5 μV的信號(hào)時(shí)，再乘以103/1.5×103等于1 nT/s，有1.5 mV的信號(hào)時(shí)，再乘以106/1.5×103等于1 000 nT/s ,有1.5 V的信號(hào)時(shí)，再乘以109/1.5×103等于1 000 000 nT/s。

2 應(yīng)用分析

內(nèi)蒙古敖包吐試驗(yàn)區(qū)共飛121條測(cè)線，每條測(cè)線平均長(zhǎng)度為7.5 km，7條切割線，每條平均長(zhǎng)度為12 km，測(cè)區(qū)總面積為90 km2。重復(fù)線3條，飛行測(cè)量比例尺為1：10 000。即線距為100 m。發(fā)射頻率為75 Hz。

測(cè)區(qū)飛行測(cè)量時(shí)，平均飛行高度(本文所標(biāo)高度都為飛機(jī)飛行高度，吊艙高度應(yīng)減去飛機(jī)與吊艙的垂直高度)為80 m～90 m，測(cè)量裝置距地面30 m～40 m，飛行速度為22 m/s～28 m/s，即每小時(shí)80 km～100 km。飛行航偏平均值小于±10 m。各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了航空電磁法的設(shè)計(jì)要求。

2.1 測(cè)線飛行

測(cè)線飛行測(cè)量完畢后，繪制了第1道至24道發(fā)射關(guān)時(shí)間Z線圈的nT/s色階平面圖24張。第1道、第5道、第15道、第20道的四張平面色階圖如圖5～圖8所示。

圖5 第1道nT/s數(shù)據(jù)平面色階圖Fig.5 Figure 1 nT/s data flat face order

圖6 第5道nT/s數(shù)據(jù)平面色階圖Fig.6 Figure 5 nT/s data flat face order

圖7 第15道nT/s數(shù)據(jù)平面色階圖Fig.7 Figure 15 nT/s data flat face order

圖8 第20道nT/s數(shù)據(jù)平面色階圖Fig.8 Figure 20 nT/s data flat face order

對(duì)比圖5～圖8可以看出，測(cè)區(qū)中間有一條北西—南東走向的低阻異常，它的衰減時(shí)間常數(shù)大，電磁信號(hào)衰減的較慢。在圖6(第5道數(shù)據(jù)視導(dǎo)電率平面色階圖)中顯示的更為突出,一直到圖7(第15道數(shù)據(jù)視導(dǎo)電率平面色階圖)還有明顯地反映，到圖8(第20道數(shù)據(jù)視導(dǎo)電率平面色階圖)才基本沒有反映了。

研究相對(duì)應(yīng)的這一低阻帶上的Z線圈發(fā)射關(guān)時(shí)間的nT/s異常剖面圖。530測(cè)線、540測(cè)線、560測(cè)線及610測(cè)線24道nT/s異常剖面圖(圖9～圖12)。由圖9～圖12可以看出，異常峰值非常明顯，異常衰減較慢，直到15道異常仍然明顯存在。飛機(jī)在這幾條測(cè)線異常峰值點(diǎn)上，飛行的相對(duì)高度為86 m～93 m。電磁法測(cè)量裝置距地面為36 m～43 m。圖9～圖12可以清楚地看到在電磁異常處沒有磁異常反映。推斷此異常為無磁性的低阻帶，屬于高導(dǎo)電率的多金屬礦帶。

圖9 530線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.9 530 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖10 540線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.10 540 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖11 560線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.11 560 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖12 610線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.12 610 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

2.2 地面工作驗(yàn)證

為驗(yàn)證航測(cè)資料的準(zhǔn)確性，地面驗(yàn)證人員選取了560線異常相應(yīng)位置布設(shè)了地面檢查線，進(jìn)行了地面瞬變電磁法測(cè)量、激電測(cè)量。對(duì)照情況見圖13。由圖13可以看出，地面瞬變電磁測(cè)量結(jié)果與航電Zoff曲線變化趨勢(shì)相同，可以證明TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。

圖13 560線航電異常地面檢查剖面圖Fig.13 560 line AEM anomaly ground checks profile(a)激電中梯Ps、Ms剖面曲線圖;(b)瞬變電磁dB/dt剖面曲線圖

后期地面鉆孔和航電資料反演的結(jié)果見圖14，礦體位置與反演低阻體基本一致，鉆孔資料顯示該低阻帶為鉛、鋅、銀多金屬礦帶[6]，證實(shí)了此前的推斷。

圖14 560線航電異常推斷解釋與鉆孔位置圖Fig.14 560 line inversion results and drilling locations(a)560線Zoff8-20道實(shí)測(cè)曲線圖;(b)560線Xoff8-20道實(shí)測(cè)曲線圖；(c)反演礦體位置圖

反演結(jié)果顯示，該低阻體深部仍可能有延伸。

2.3 重復(fù)線飛行

重復(fù)線飛行是驗(yàn)證電磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性的一種技術(shù)手段。圖15、圖16為內(nèi)蒙古敖包吐試驗(yàn)區(qū)測(cè)區(qū)600線、660線的重復(fù)線。

圖15 600線Z線圈發(fā)射關(guān)時(shí)間第5道重復(fù)測(cè)量對(duì)比曲線圖Fig.15 600 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

圖16 660線Z線圈發(fā)射關(guān)時(shí)間第5道重復(fù)測(cè)量對(duì)比曲線圖Fig.16 660 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

由對(duì)比曲線可以看出，系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量一致性很好。這說明TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)有著良好的穩(wěn)定性及可靠性。

2.4 測(cè)量噪聲

系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的噪聲，反映系統(tǒng)的分辨能力、測(cè)得信息的可靠程度[7]，所以系統(tǒng)測(cè)量時(shí)的噪聲水平也是衡量系統(tǒng)好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。按設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，接收線圈Z的噪聲應(yīng)控制在40 nT/s以內(nèi)，X線圈噪聲應(yīng)控制在160 nT/s以內(nèi)。

TS-150型時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)在發(fā)射頻率為75 Hz、不同的飛行高度，接收線圈測(cè)量時(shí)的噪聲對(duì)比如表1所示。

表1 噪聲對(duì)比表Tab.1 The noise contrast table

由于受當(dāng)時(shí)外界條件的影響，高度的噪聲數(shù)據(jù)不降反略升，分析是高高度時(shí)線圈受到了高空風(fēng)的影響，吊纜發(fā)生抖動(dòng)，導(dǎo)致噪聲偏大，但總體噪聲都在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，也能反映噪聲的變化趨勢(shì)，可以進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。

從表1中可見，TS-150型時(shí)間域電磁系統(tǒng)的噪聲是很低的，遠(yuǎn)低于野外飛行測(cè)量時(shí)的要求值。

3 電磁系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)

通過內(nèi)蒙古敖包吐試驗(yàn)區(qū)多金屬硫化物礦區(qū)的飛行勘測(cè)工作，我們認(rèn)為，TS-150型大功率時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)在勘查多金屬硫化物礦床方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)良導(dǎo)體低阻帶。在多金屬硫化物礦帶上有明顯的異常反映，并能在礦體上部有低阻層覆蓋的情況下，突出礦體異常。此系統(tǒng)的分辨率高，穩(wěn)定性好、重復(fù)性好，測(cè)量噪聲低，是航空物探勘查低阻無磁類礦床及多金屬硫化物礦床的不可缺少的極好手段，彌補(bǔ)了航空磁測(cè)的不足。相信將來TS-150型大功率時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)在深部礦產(chǎn)資源勘查、環(huán)境工程和地下水勘查等領(lǐng)域也會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。同時(shí)也必須看到，此系統(tǒng)沒有航空磁測(cè)、航空放射性測(cè)量系統(tǒng)那樣輕便、靈活，并且對(duì)測(cè)區(qū)地形及飛行技術(shù)要求較高。