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。近年來隨著地震儀制造水平的提高，特別是新的地震數據軟件的研發，地震法在金屬礦探測中取得了很大進展。

1 GMS－07e綜合電磁法儀

GMS－07e大地電磁儀是德國Metronix公司在過去30多年在設計和生產地球物理電磁儀器方面所積累經驗的基礎上，研制開發出的新一代產品，是目前最先進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、設備輕便、操作簡單等諸多優點，廣泛應用于礦產資源勘探、石油天然氣勘探、地下水和熱水資源勘探、地下溶洞和采空區勘探、工程地質勘探、地震前兆監測、深部構造探測等領域。

GMS－07e包 括 主 機 ADU－07e，磁 場 傳 感 器MFS－06e或MFS－07e以及不極化電極等組成。總重約35kg，非常輕便。

圖1

1．1 主機ADU－07e主要技術指標

頻率范圍：直流－256k Hz

道數：每個ADU－07e含有10個通道

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

A／D轉換器：每個通道有兩個24位A／D轉換器，低頻采樣率4000Hz，高頻采樣率600000Hz

動態范圍：＞130d B

系統控制器：32位嵌入式控制器，LINUX

存貯介質：8GB閃爍硬盤（可擴充），優盤，USB大容量存儲設備

測試和標定：對所有的重要功能，包括傳感器和儀器指標都可自動檢測和標定，并建立文檔

輸入阻抗：電道＞10MΩ，磁道20kΩ歐

網絡連接：標準的100兆雙絞電纜；USB 1．1，2．0；Wi－Fi

接口種類：網絡，磁傳感器，電極傳感器，電源，GPS天線，USB，Wi－Fi

同步：高精度GPS，±30ns，并確定和存貯測點位置參數

外殼：堅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 磁場傳感器技術指標

眾所周知頻率域電磁儀的核心是磁場傳感器。Metronix公司研制的寬頻帶感應磁場傳感器MFS－06e和MFS－07e是專門用于大地電磁（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溫度范圍和時間范圍內非常穩定的傳輸函數。它們凝聚了Metronix在設計、制造和應用感應磁傳感器方面多年的經驗。

（1）MFS－06e磁場傳感器技術指標

頻率范圍：0．0001Hz～10k Hz

頻帶：0．0001～500Hz（斬波器開）

10Hz～10k Hz（斬波器關）

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）

輸出靈敏度：0．2V／（n T×Hz）f＜＜4Hz

0．8V／n Tf＞＞4 Hz

精確值請參照有關標定文件。

功能：具有磁場負反饋的感應線圈

插件：8極PT02SE12－10S

標定輸入靈敏度：4n T／V

反饋截斷頻率：4Hz

供電電壓：±12～±15V，經穩定和濾波

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1250mm，直徑75mm

（2）MFS－07e磁場傳感器主要技術指標

頻率范圍：0．001～50k Hz

頻帶：0．001～500Hz（斬波器開）

10Hz～50k Hz（斬波器關）

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）

輸出靈敏度：0．02 V／（n T×Hz）f＜＜32 Hz

0．64 V／n T f＞＞32Hz

精確值請參照隨機的標定文件。

功能：對感應線圈施加反饋磁場

接頭：8極 PT02SE12－10S

標定輸入靈敏度：1．6n T／V

負反饋截斷頻率：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800 mm，直徑75mm

1．3 設計原理

數據采集通道1－10可任意與磁場傳感器和電場傳感器連接。來自磁場傳感器和電場傳感器的模擬信號，首先進入高頻通路HF或低頻通路LF（統稱ADB板）進行放大、濾波、標定、極化電位補償等一系列過程，形成時間序列并存儲。時間序列經24位A／D轉換后變為數字信號，并對其進行一系列計算和處理后，獲得各種功率譜以及反映地下電性結構的各種電性參數和視電阻率及阻抗相位曲線。圖2為ADU－07e設計原理圖。

圖2 ADU－07e設計原理圖

主機ADU－07e由主板CPU控制，它根據預先設置的工作參數，通過USB總線設置AD板的頻帶、增益、系統標定、極化補償、A／D運行、數據計算、處理、存儲、顯示、下載等等。可通過遙控，局域網，優盤等給CPU安裝軟件系統，設置測點的工作參數。

1．4 使用方法

（1）傳感器布置

首先用森林羅盤儀或手持羅盤定出磁南北和磁東西方向，然后將兩個磁場傳感器沿磁東西、磁南北方向埋置地下10～15cm深度，用水平尺調平，用土覆蓋；如果在巖石裸露區，磁場傳感器可放置地面上，調平后用土覆蓋。同樣，沿磁東西方向和磁南北方向各布置一對不極化電極，電極埋置地下10～15cm，周圍用土填實，并沖鹽水；如果在巖石裸露或沙漠地區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主機連接。

（2）主機ADU－07e設置常規方法：

① 在System Status頁面下查看系統狀態，包括電池狀態、存儲器使用狀況、GPS狀態、溫度等；

②在Selftest頁面下查看所有ADB板狀態，確認無誤后進入設置參數環節；

③在channels頁面下選擇所需通道LF或HF，設置通道增益、濾波器類型以及斬波器開關，選擇對應的傳感器類型，如果是磁傳感器則需輸入序列號；如果是電極則需要在Sensor Position頁面下輸入電極距；

④ 最后，在Startpage頁面下設置采樣率、測量起止時間，發送任務開始測量。

簡便方法：

編輯ADU－07Conf．xml和job．xml文件，將當日任務（文件）預置到U盤，到野外操作時將U盤插入ADU－07e主機的USB接口即可按照要求進行測量。

1．5 主要性能及特點

（1）具有10個數據采集通道，可以采集多達10個電磁場信號，所以一臺ADU－07e主機可同時完成四個測點觀測，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）每個通道有兩個不同類型的24位A／D轉換器。在低頻段記錄時可以獲得高頻段信號，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。

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

（4）可通過下列手段對儀器進行控制或下載數據：

① 通過以太網；

② 通過局域網；

③ 通過藍牙技術PDA；

④通過裝有預置程序的U盤；

⑤ 通過筆記本電腦；

⑥ 通過Internet網（固定站模式）；

⑦ 通過手機上網控制。

（5）可以作為獨立系統工作，也可以多至32個ADU－07e同步記錄組成網絡系統。

（6）在多道和網絡系統中由高精度的、內置GPS同步。

（7）自動補償電極極化電位，現場實時處理觀測數據。

（8）實時自檢和包括傳感器在內的自行標定；實時顯示工作狀態，自動檢索儀器故障。

（9）與Metronix生產的所有類型電、磁傳感器兼容。

（10）在線實時處、實時顯示時間系列和各種MT參數。

（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具有很強的抗干擾能力：ADU－07e輸入端設有無線電頻率濾波器，內部設有去干擾濾波器，頻率可調，能有效的抑制人文噪聲干擾。輸出端采用磁耦合，以隔斷數字電路噪聲通過接地串繞至前面的模擬線路之中。由于ADU－07e的動態范圍高達130dB以上，因此它對大幅度的電磁場干擾具有很強的抵御能力。例如高壓和超高壓輸電網散射的50 Hz電磁波強度往往比大地電磁場的有效信號高出數十倍，甚至百倍，但只要輸電網的頻率和電壓是穩定的，大地電磁場的有效信號仍能從極強的50 Hz干擾背景提取出來。

1．6 觀測功能

GMS－07e可實現下列觀測功能：

（1）單臺MT和AMT觀測；

（2）遠參數道觀測；

（3）EMAP觀測和網絡式觀測；

（4）CSAMT觀測和CSEMM觀測，此時應配置Metronix研發的TXM－22發射系統，其技術指標如下：

輸出功率：22k W

輸出電壓：560V

輸出電流：40A

發射頻率：10k Hz～0．001Hz

電源：3相50 Hz發電機

高精度GPS同步

發射機由TXM－01控制箱控制

發射波形：正弦波，脈沖，隨機波形

發射機尺寸：509×350×485mm，重40kg

控制箱尺寸：400×300×170mm，重8kg

TXM－22發射系統采用獨特的三個接地電極依次向地下供給不同頻率的發射電流，因此其發射的電磁場具有不同的極化特點，所以可求解地下張量阻抗值，適應二維和三維構造探測。其他CSAMT的觀測裝置只有兩個接地電極，只能發射線性極化場，所以只適合一維構造探測。

1．7 軟件

ADU－07e內置網絡服務器，其所有設置都由網絡界面控制，任何網絡瀏覽器均可進入其中。MAPROS軟件采用Robust算法對記錄的時間序列進行實時處理或遠程處理。MAPROS軟件含有多種去噪聲功能。

圖4

1．8 適應范圍

當與MFS－07e磁場傳感器連接時（頻帶1000s～50k Hz），其勘探深度為0～30km，可應用于：

① 石油、天然氣資源勘探；

② 礦產資源勘探；

③ 工程和環境勘探；

④ 地下水和地熱資源勘探；

⑤ 地下溶洞和采空區勘探；

⑥ 監視地下電阻率變化、地震預報和深部構造探測。

當與MFS－06e磁場傳感器連接時（頻帶10000s～10k Hz），其勘探深度為20m至上地幔軟流圈內部，主要應用于上述①、②、④、⑤和⑥。

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

當與TXM－22發射機配合時，可實現CSAMT勘探。

當與FGS－03磁通門磁力儀連接時，可實現20秒至20萬秒的超低頻觀測，用于研究地殼和上地幔軟流圈內部的電性結構。

1．9 注意事項

（1）觀測點應遠離220千伏以上的超高壓線500m以上，至少也要遠離200m以上。

（2）磁傳感器電纜線和電極線最好用土壓住，以免風吹擺動切割地磁場產生干擾信號。

（3）在電磁干擾非常嚴重的地區，最好采用遠參道觀測方法。

（4）如果采用CSAMT觀測方式，最小偏移距應大于3倍的勘探深度。

（5）在起伏很大的山區或表層很不均勻的地區觀測時，應采用EMAP觀測方式，例如一臺主機同時觀測4個測點，以消除靜位移效應。

1．10 常見故障及排除方法

磁傳感器不會發生任何故障，ADU－07e主機也極少出現故障，如果用戶操作失誤錯接電源時，例如把12V電源接到24V電源上，可能導致電源輸出板器件損壞。此時應返回北京維修中心修理。

1．11 應用實例

（1）金礦探測實例

實例1：

廊坊市大山地質礦業公司利用GMS－07綜合電磁法儀于2009年10月在山東沂水縣開展金礦區深部找礦工作。該礦區位于沂沭大斷裂帶中段，其兩側發育有多條次級斷裂，已知金礦受沂水一湯頭次級斷裂控制，為蝕變巖型金礦。為了探明金礦在深部的蘊藏遠景，必須探明次級斷裂帶的延深情況、形態和產狀等。為此在該區布置了10條探測剖面，圖5為第100線剖面的二維反演結果。

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，表土層下面發育有多條次級斷裂（紅線標示）。已發現的金礦受主斷裂帶兩側和次級斷裂控制，因此可以推測沿這些次級斷裂和主斷裂兩側都可能是金礦蘊藏的地帶。

根據上述探測結果，山東天業礦業公司布置了兩個鉆孔，均發現金礦帶。

實例2：

北京歐華聯科技有限責任公司應安徽省312地質隊要求，于2010年4月在安徽風陽地區利用GMS－07e綜合電磁法儀對己知的含金礦體進行試驗性探測，沿NW—SE方向共布置4個測點，其試驗結果見圖6、7、8。

圖6 在鳳陽地區記錄的原始數據范例（時間序列）

圖7 現場實時處理的視電阻率曲線

圖8 鳳陽地區剖面二維反演結果

從圖8的二維反演結果可見：

① 在距離80m，深約50m處，剖面兩側電阻率發生急劇變化，推測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。

據安徽省312地質隊信息，在剖面左端第一個測點深50m處鉆探結果見到金礦，該金礦位于產狀近水平的破碎帶內。在剖面右側有NE向的深斷裂通過，可見探測結果與已知信息基本一致。

（2）銅鎳礦探測實例

新疆圖拉而根銅鎳礦是個巖礦化超鎂鐵質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進行了兩次大地電磁剖面勘探。圖9是兩條MT剖面的解釋結果。圖A中部連續的低阻異常和圖B中部兩個規模較小的低阻異常，是銅鎳礦在深部的展布情況，并得到鉆探證實。

（3）熱田探測實例

中科院地質與地球物理研究所在黑龍江省海倫市用GMS－07探測地熱田。共布設6條剖面，但其中317，318和329測點組成的剖面未納入解釋。從探測結果（圖10）可見淺部為低阻體，1000～2500m為高阻體，但高阻體形態比較復雜：在測區西北規模較大，向西南傾斜；側區東北規模次之，向東北傾斜。測區中部未見高阻體。從東西剖面的探測結果（圖11）可見，在剖面中部為低阻凹陷。根據已知資料，上述高阻體為巖漿侵入體，地熱田位于巖體下方。

（4）溶洞水探測實例

圖9 圖拉而根銅鎳礦在深部分布情況，低阻區為銅鎳礦的可能蘊藏區

圖10 測區縱向剖面電阻率——深度等值線（五條北東向剖面）

圖11 測區東西向二維反演電阻率一深度等值線

圖12 北京順義二十里長山——平谷盆地的MT剖面圖

在北京順義縣二十里長山——平谷盆地布置75個MT測點探測基底灰巖中的含水溶洞，圖12是其中的3條探測剖面。可見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，較大規模的含水溶洞往往發育在斷裂的下盤，如監色所標A、B、C、D、E，并被鉆孔證實。

（5）石油勘探實例

GMS－07對某盆地的含油遠景進行預測。圖13是不同深度的電阻率水平切片圖。可見，在2000～4000m深度上，在水平切面的右側中部都有低阻層分布，應是沉積盆地的中心，也可能是含油遠景區。

圖13 某盆地電阻率水平切片圖

（待續）

注：本文為編輯部根據北京歐華聯科技有限責任公司提供的資料整理，原作者：劉國棟。