ATEM-4瞬變電磁測量系統

廖水平,李麗,張堯

(1.重慶地質儀器廠,重慶400033;2.重慶大學通訊工程學院,重慶400044)

ATEM-4瞬變電磁測量系統

廖水平1,李麗1,張堯2

(1.重慶地質儀器廠,重慶400033;2.重慶大學通訊工程學院,重慶400044)

本文介紹了重慶地質儀器廠最新推出的ATEM-4瞬變電磁測量系統的主要技術性能和系統組成原理框圖,簡要介紹了瞬變電磁法(TEM)的基本原理和特點,并闡述了信號疊加原理,雙極性同步采樣抑制噪聲原理,常用裝置類型,野外施工技術要求和應用范圍等。

瞬變電磁法;煙圈效應;信噪比;抑制噪聲

1 基本概念及原理

瞬變電磁法又稱時間域電磁法,是近年來發展很快的電法勘探分支方法,在國際上有人稱作是電法的“二次革命”。它是以大地中巖(礦)石的導電性和導磁性為物性前提,根據電磁感應原理觀測、研究電磁場空間和時間分布規律,以尋找地下良導礦體或解決相關地質問題的一種無損高分辨率電磁探測技術勘查方法。

瞬變電磁法是以不接地回線(大回線,磁偶源)或接地長導線(電偶源)供以雙極性脈沖電流產生激發電磁場(圖1a),在該電磁場的激勵下,導電地質體受感應而產生渦旋電流。由于導電地質體是非線性的,所以脈沖電流從峰值躍變到零,一次磁場立即消失,而渦流并不立即消失,有一個瞬變過程,這個過程的快慢與導體的電性參數有關。地質體的導電性愈好,渦流的熱耗損愈小,瞬變過程則愈長。這種渦流瞬變過程,在空間形成相應的瞬變磁場(圖1c),脈沖電流關斷期間在地面觀測瞬變磁場,即觀測二次磁場(圖1b),就可發現地下異常地質體的存在,從而確定地下導體的電性結構和空間分布形態。

瞬變電磁法又可以“煙圈”效應形象地加以闡明,如圖2所示。地表接收的二次電磁場是地下感應渦流產生的,其渦流以等效電流環向下并向外擴散,形如“煙圈”。隨著時間的推移,“煙圈”的傳播與分布將受到地下介質的影響,這樣從“煙圈效應”的觀點看,可得早期瞬變電磁場是近地表感應電流產生的,反映淺部電性分布;而晚期瞬變電磁場主要是由深部的感應電流產生的,反映深部的電性分布。因此,觀測和研究大地瞬變電磁場隨時間的變化規律,可以探測大地電性的垂向變化,這便是瞬變電磁測深的原理。

圖1 瞬變電磁法原理示意圖

圖2 等效電流環

由于瞬變電磁法測量的是導體內渦流的過渡過程,觀測是在脈沖間歇期間進行的,不存在一次場源的干擾,觀測參數為純二次場,是電磁法中唯一可采用同點裝置的方法,探測目標耦合最緊,獲得的響應最強。磁性源激發,不受接地條件限制。

在金屬礦勘查中,瞬變電磁法主要用于尋找良導性的致密塊狀、團塊狀、網脈狀硫化物礦體。但對于浸染狀硫化物礦體的探測效果不佳。

瞬變電磁法具有以下特點:

(1)接收的是純二次場,不受一次場的影響;

(2)采用高密度時序采樣,縱向分辨率較高;

(3)穿透低阻覆蓋能力強,勘探深度大;

(4)發射用不接地回線,不受地表接地限制;

(5)一般礦山主要干擾是電場,相對TEM干擾較小。

2 系統組成

2.1 發射機原理框圖(圖3)

發射機發射二種脈沖信號,如圖4所示。在不同的場合,采用不同的發射方式,而在實際應用中,為了壓制噪聲,一般使用方式1發射雙極性方波作為發射激勵源。

圖3 發射機原理框圖

圖4 ATEM發射機輸出電流波形

2.2 發射機主要技術性能指標

電源:直流4～360V

額定輸出功率:10kW

最大輸出電壓:360V

最大輸出電流:50A(連續),70A(脈沖)

頻率范圍:供電1.25～125Hz(8個頻點)

輸出波形:兩種(圖4,方式0和方式1)

關斷時間:隨負載線圈變化

最小關斷時間:1.2μs(純電阻負載)

同步方式:導線同步

體積:490mm×300mm×310 mm

重量:12kg

2.3 接收機原理框圖(圖5)

圖5 接收機原理框圖

2.4 接收機主要技術性能指標

采樣頻率:最快為1μs,可選

動態范圍:156dB

疊加次數:1～9999任選

帶寬:直流到22kHz

同步方式:導線同步

外形尺寸:360mm×230mm×300mm

重量:7kg(不含電池)

3 接收信號疊加原理

信號的疊加是瞬變電磁系統提高信噪比的主要檢測手段之一。假設有用信號fs(t)與噪聲信號N (t),則:

如果以tk為起點,每隔T時間對某一特定點取一次樣,則第i次的樣品應為:

對于周期信號而言,可以認為:

則:

設每次取樣噪聲電平的有效平均值為￣N(tk),則:

4 雙極性同步采樣抑制噪聲原理

信號疊加的方法對白噪聲的抑制是最有效的,而對于變化比較緩慢的噪聲,在疊加過程中,可能也引起噪聲的疊加。對于這種噪聲,一般采用雙極性信號采樣,軟件處理的辦法。

瞬變電磁測量的是時域信號,一般情況下信號的頻率范圍從0Hz到10kHz或更高。但不論頻寬或窄,必須保留0Hz即直流信號。所以,在整個放大電路中,不允許加隔直電容。也就是說,前級的失調信號到輸出級后會被放大到很大。所以,在所有的瞬變電磁儀器中,發射機都采用雙極性發射,在本接收機中,采用軟件計算的方法,把正極性的信號與負極性信號相減,即得兩次測量之和。而緩慢變化的噪聲信號在兩次測量中基本上維持不變,相減后即為零。這樣,既可消除外部緩慢變化的噪聲,也可消除儀器放大回路的直流失調信號對測量的影響。

這種方法的另一個目的是抑制工頻50Hz信號及其諧波。

設輸入有用信號為εi,工頻干擾為ε50,系統直流失調為Δ ε,忽略其它干擾,則有:測量信號

可見,測量信號即為輸入的有用信號,工頻干擾及系統失調完全被消除。實際應用中,達不到理論上的理想結果,但已大大地減小了這兩種噪聲。

5 常用裝置類型

瞬變電磁法用于找礦勘查能夠較準確地確定地質體的傾向、埋深、走向等。野外工作裝置形式繁多,并是電磁法中唯一能進行同點發射—接收的方法。根據勘查任務的不同可非常靈活地選用裝置,常用的裝置組合有以下幾種(圖6)。

圖6 常用測量裝置

(1)中心回線組合

這種組合是由感應接收線圈放在發射回線的中心而組成。發射回線和接受線圈在觀測剖面上同步移動,觀測dBz/dt,也可以同時觀測三個分量。無論是在普查階段還是在詳查階段,該裝置都是剖面測量和測深觀測的主要裝置之一。

(2)重疊回線組合

這種方式是發射線圈和接收線圈為兩個大小和形狀完全一樣的回線在空間上重疊在一起,沿剖面同步移動,觀測dBz/dt分量。回線邊長通常從幾十米到二百米;有時,為了降低超順磁效應,發射回線和接收回線要分開3米左右,成為偏離回線組合。重疊回線裝置,由于接收線圈為一較大的回線,對于淺層局部導體的響應具有“平均”作用。

(3)偶極—偶極組合

這種裝置一般發射為一多匝線圈,接收線圈采用多匝線圈或探頭,即Slingram組合。接收和發射線圈可以在同一測線上或分別在兩條測線上保持一定間隔同步移動,除觀測垂直分量外,還可以觀測場的水平分量。這種裝置輕便靈活,工作效率高,相對探測深度小些,適用于尋找淺部導體的快速普查。

(4)大定源組合

發射線圈邊長為幾百米或一公里的大回線,一般為600×300m回線,發射線圈固定不移動,用一個小的接收線圈沿測線移動進行觀測。發射回線可為矩形或方形回線,可以在回線內測量,也可以在回線外測量。由于發射回線覆蓋面積較大,同一發射回線可采用多臺接收機觀測,一般觀測兩個分量(z和x分量),也可觀測三個分量。在詳查工作時,發射回線要布置在對目標物激發有利的位置。該裝置主要用于確定地質體的邊界和產狀。

(5)電偶極—電偶極或回線組合

這種裝置由電偶源激發,用接收回線置于遠區接收dBz/dt分量或用兩接地電極接收電場水平分量;接發極距一般大于3km。該裝置主要用于深部構造研究,也可用于尋找隱伏多金屬礦。

6 應用范圍

瞬變電磁法在礦產資源勘探、地質構造研究、煤田、油氣田以及地熱田勘查、水文工程地質及工程地質勘查、尋找地下管道及地下人文遺址、環境調查與監測以及考古等都得到廣泛應用。

7 野外施工技術要求

7.1 欲測對象與周圍介質存在一定的電性差異(1)發射站應設在便于與接收站聯系的地方; (2)接收機應避免靠近強干擾源以及金屬干擾源的地方;

(3)不得在上萬伏高壓線下布設發射機和接收機;

(4)發射機、接收機應配備測量傘,陰雨濕度大以及雷雨天氣不宜工作;

(5)應將剩余的導線呈S形鋪于地面,布線時允許在方向線左右有所擺動,但擺動幅度不得大于回線邊長的5%,點位誤差小于5%;

(6)導線連接處應接觸良好,嚴禁漏電,野外所用的電線應定期檢查絕緣性,絕緣電阻大于2MΩ以上,供電導線的總電阻值應能保證回線的供電電流的設計要求。

(7)當導線通過水田、池塘、河溝時,應予架空防止漏電,當導線橫過公路時,應架空或埋于地下以防碾斷或壓壞,導線應拉緊防止隨風擺動。

7.2 普查觀測的選擇

(1)回線邊長對異常響應是一個比較復雜的函數關系。回線邊長一般依據被測對象的規模,埋深及電性選定,一般選擇原則是回線邊長與探測對象的埋深大致相同。因為回線邊長的增大對局部導體的分辨能力差,且受旁側地質體的干擾增大。

(2)剖面點距一般選回線邊長或邊長的一半。

(3)在沒有地電斷面資料的情況下,可在適當的地點做瞬變電磁測深。測深用內—回線裝置接收方式,而發射回線邊長可以用100m,計算假定的半空間電阻率,用反演程序對資料進行反演。

(4)欲探測目的物的尺寸較小,則回線的尺寸也應相應的減小。

7.3 詳查觀測

(1)優先采用移動接收線圈,有時采用分離回線組合裝置,回線中心之間距離大約等于目的物的埋深時,圈定陡傾斜巖脈更好些。

(2)象普查一樣,要研究測區已知的地質和地球物理數據,以計算最佳的延時,估計極限探測深度以及發射回線的大小。

(3)測網要比較密,重疊回線組合裝置,鋪設剖面點距一般選等于回線邊長的四分之一或重疊10%為宜。用移動線圈組合點距要5～10m。

(4)如果選擇中心回線組合裝置,接收信號一般多采用磁探頭效果很理想,對于中深部瞬變電磁測量:可以選擇TEM-SB-70K,f0=70kHz(諧振頻率為70kHz),有效面積S=2000m2的磁探頭,該磁探頭適合中,深勘探。對于淺部瞬變電磁測量:可以選擇TEM-SB-250K,f0=250kHz(諧振頻率為250kHz),有效面積S=200m2的磁探頭,該磁探頭適合淺部勘探,由于諧振頻率高,適合解決中,淺部地質問題,在礦產地質,水文地質,工程地質中均可應用,在普查和詳查觀測中,利用磁探頭更適合大定源裝置。

7.4 關于極性的考慮

(1)發射線框的方向,按右手螺旋法則,發射垂直向下磁場,發射線框中的電流必須按著順時針方向流動,本測量系統中A接線柱為正極,B接線柱為負極。

(2)接收線框的方向,M與A的方向一致即可,對于磁探頭要調水平。

7.5 頻率選擇

如表1:常用觀測頻率6.25Hz、25Hz。

表1 發射頻率對照表

7.6 阻尼電阻的最佳選擇

阻尼電阻是回線的尺寸大小和被測面積上電阻率的復合函數。表2是對不同尺寸的發射回線提供阻尼電阻值的評估。

表2

7.7 關斷時間

對淺層瞬變電磁測量要求快速關斷和快速采樣,其目的是為了獲得最佳的淺部信號,為了快速關斷,對于5×5m回線,可用12V電源供電,發射電流3～4A即可。

7.8 布線的原則

(1)野外布線時,測線方向應選擇與可能的構造走向垂直,盡量遠離鐵路,地下管道和電力線等地電干擾大的地方。

(2)嚴禁將剩余導線殘留在線架上,并應將其呈“S”型鋪于地面。

(3)回線裝置的形狀可以不必太嚴格,只要保證有足夠大的發射磁矩就行。

7.9 干擾電平的觀測

各個觀測點的干擾電平并不完全一致,為了確定各觀測點晚期觀測值的觀測精度,一般要求在每個觀測點上或相同幾個測點上實測干擾電平。

7.10 疊加次數和觀測時間及背景場的選擇

儀器的疊加次數和常用頻率范圍的選擇主要取決于測區的信噪比和靈敏度。在干擾電平不太大的情況下疊加次數取256或512次時,既能保證觀測質量又能保證觀測速度,能夠取得較好的效果。發射—接收采用重疊回線裝置,此重疊回線組合裝置的幾何形狀與同一回線組合一樣,只是發射回線和接收回線是兩個獨立的回線,兩者空間上重疊在一起。優質雙絞線(質量要好,要耐拉耐磨,柔軟),用于重疊回線組合最合適,因為發射和接收所用的兩條線可以在一起一次鋪好。有時為了降低超順磁效應,發射回線和接收回線要分開3m左右,這稱為偏離回線組合。

7.11 GPS同步模式

適合于開闊地區。徑3.5m,最大鉆孔深度達120m,其最大輸出扭矩為460kN·m,填補了國內大型旋挖鉆機生產的空白。同時,雙大三角結構、動力頭多檔控制、加壓系統多檔控制等技術,使SR460實現了超強入巖、超大直徑、超大鉆深施工,同時保證了鉆機高穩定、高效率的運行,提升了施工的便捷性。

隨著國內基礎建設熱潮的興起,大型工程項目陸續開工建設,施工工藝不斷成熟,施工機械大型化、扭矩更大、鉆孔更深,成為旋挖鉆機施工需求發展的新方向。在這一背景下,北京三一相繼推出大型樁工機械,搶占了行業結構調整的先機,并陸續推出第二代旋挖鉆機,構建起了涵蓋小型、中型、大型、入巖、長螺旋鉆機等五大系列產品的完整鉆機型譜,成長為中國乃至世界最大、產品線最全的樁工機械制造企業。

據悉,大型旋挖鉆機的研發,主要針對國內高鐵、高速公路、快軌、特大橋等大型工程建設項目的市場需求。目前國內還沒有符合大型工程施工需求的樁工機械,SR460等大型旋挖鉆機的銷售市場潛力巨大。

勘探所自主研發的大型非開挖鉆機交付使用

【本刊訊】由中國地質調查局勘探技術研究所非開挖中心自主研發的GBS-240/320型鋪管鉆機不久前下線并交付客戶使用。

據了解,GBS-240/320鋪管鉆機滿足了長距離大口徑管道鋪設的需求,是我國大型非開挖裝備自主創新設計取得的一項重要成果,推動了勘探所由中小型設備研發向大型設備研發的進程。

2010年,勘探所非開挖中心結合行業發展需求,加快產業化調整,針對設備制造應用可行性、設備結構選型、技術條件制定等方面開展了大量調研,并研發出GBS-60/90、GBS-240/320兩款非開挖裝備。這兩種型號鉆機采用先進的PLC集成控制技術及邏輯閥組,具有結構緊湊、動力強勁、高速高效的特點,經過工程試驗,無論動力、操縱還是效率,均取得了驕人的成績,為我國大型油氣、供水、排水工程等重要領域提供了裝備支撐。

《地下水資源調查評價技術方法》出版

【本刊訊】中國地質科學院水文地質環境地質研究所王貴玲研究員主編的《地下水資源調查評價技術方法匯編》一書不久前正式出版。

據悉,該書的出版是《全國地下水資源及其環境問題調查評價》項目的一部分。《全國地下水資源及其環境問題調查評價》項目的調查評價區域包括了我國北方地區的準噶爾盆地、河西走廊、柴達木盆地、銀川平原、山西六大盆地、華北平原、松嫩平原、西遼河平原等八大主要盆地。為使項目實施和成果集成的規范化、標準化,該項目專門設立了《全國地下水資源及其環境問題調查評價技術要求系列》研究專題。

王貴玲研究員等通過幾年的科研實踐,在系統總結我國不同時期制定的相關技術標準的基礎上,借鑒國外相關標準,吸收地下水資源和環境調查的新技術,匯編了地下水資源及其環境問題調查評價的主要技術方法,涵蓋了資料搜集與整理、參數獲取方法、各類樣品采集與送檢、地下水數值模擬、地下水資源評價、水文地質概念模型、地下水系統劃分等方面的內容。

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P631.23

A

1009-282X(2011)03-0026-04

2011-01-05

廖水平(1967-),男,高工,1988年畢業于原長春地質學院儀器系(現吉林大學),從事物探儀器及方法研究20多年,Tel:13983351316,E-mail:lsphx@163.com。