ATEM-4瞬变电磁测量系统

廖水平,李丽,张尧

(1.重庆地质仪器厂,重庆400033;2.重庆大学通讯工程学院,重庆400044)

ATEM-4瞬变电磁测量系统

廖水平1,李丽1,张尧2

(1.重庆地质仪器厂,重庆400033;2.重庆大学通讯工程学院,重庆400044)

本文介绍了重庆地质仪器厂最新推出的ATEM-4瞬变电磁测量系统的主要技术性能和系统组成原理框图,简要介绍了瞬变电磁法(TEM)的基本原理和特点,并阐述了信号叠加原理,双极性同步采样抑制噪声原理,常用装置类型,野外施工技术要求和应用范围等。

瞬变电磁法;烟圈效应;信噪比;抑制噪声

1 基本概念及原理

瞬变电磁法又称时间域电磁法,是近年来发展很快的电法勘探分支方法,在国际上有人称作是电法的“二次革命”。它是以大地中岩(矿)石的导电性和导磁性为物性前提,根据电磁感应原理观测、研究电磁场空间和时间分布规律,以寻找地下良导矿体或解决相关地质问题的一种无损高分辨率电磁探测技术勘查方法。

瞬变电磁法是以不接地回线(大回线,磁偶源)或接地长导线(电偶源)供以双极性脉冲电流产生激发电磁场(图1a),在该电磁场的激励下,导电地质体受感应而产生涡旋电流。由于导电地质体是非线性的,所以脉冲电流从峰值跃变到零,一次磁场立即消失,而涡流并不立即消失,有一个瞬变过程,这个过程的快慢与导体的电性参数有关。地质体的导电性愈好,涡流的热耗损愈小,瞬变过程则愈长。这种涡流瞬变过程,在空间形成相应的瞬变磁场(图1c),脉冲电流关断期间在地面观测瞬变磁场,即观测二次磁场(图1b),就可发现地下异常地质体的存在,从而确定地下导体的电性结构和空间分布形态。

瞬变电磁法又可以“烟圈”效应形象地加以阐明,如图2所示。地表接收的二次电磁场是地下感应涡流产生的,其涡流以等效电流环向下并向外扩散,形如“烟圈”。随着时间的推移,“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响,这样从“烟圈效应”的观点看,可得早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的,反映浅部电性分布;而晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的,反映深部的电性分布。因此,观测和研究大地瞬变电磁场随时间的变化规律,可以探测大地电性的垂向变化,这便是瞬变电磁测深的原理。

图1 瞬变电磁法原理示意图

图2 等效电流环

由于瞬变电磁法测量的是导体内涡流的过渡过程,观测是在脉冲间歇期间进行的,不存在一次场源的干扰,观测参数为纯二次场,是电磁法中唯一可采用同点装置的方法,探测目标耦合最紧,获得的响应最强。磁性源激发,不受接地条件限制。

在金属矿勘查中,瞬变电磁法主要用于寻找良导性的致密块状、团块状、网脉状硫化物矿体。但对于浸染状硫化物矿体的探测效果不佳。

瞬变电磁法具有以下特点:

(1)接收的是纯二次场,不受一次场的影响;

(2)采用高密度时序采样,纵向分辨率较高;

(3)穿透低阻覆盖能力强,勘探深度大;

(4)发射用不接地回线,不受地表接地限制;

(5)一般矿山主要干扰是电场,相对TEM干扰较小。

2 系统组成

2.1 发射机原理框图(图3)

发射机发射二种脉冲信号,如图4所示。在不同的场合,采用不同的发射方式,而在实际应用中,为了压制噪声,一般使用方式1发射双极性方波作为发射激励源。

图3 发射机原理框图

图4 ATEM发射机输出电流波形

2.2 发射机主要技术性能指标

电源:直流4～360V

额定输出功率:10kW

最大输出电压:360V

最大输出电流:50A(连续),70A(脉冲)

频率范围:供电1.25～125Hz(8个频点)

输出波形:两种(图4,方式0和方式1)

关断时间:随负载线圈变化

最小关断时间:1.2μs(纯电阻负载)

同步方式:导线同步

体积:490mm×300mm×310 mm

重量:12kg

2.3 接收机原理框图(图5)

图5 接收机原理框图

2.4 接收机主要技术性能指标

采样频率:最快为1μs,可选

动态范围:156dB

叠加次数:1～9999任选

带宽:直流到22kHz

同步方式:导线同步

外形尺寸:360mm×230mm×300mm

重量:7kg(不含电池)

3 接收信号叠加原理

信号的叠加是瞬变电磁系统提高信噪比的主要检测手段之一。假设有用信号fs(t)与噪声信号N (t),则:

如果以tk为起点,每隔T时间对某一特定点取一次样,则第i次的样品应为:

对于周期信号而言,可以认为:

则:

设每次取样噪声电平的有效平均值为￣N(tk),则:

4 双极性同步采样抑制噪声原理

信号叠加的方法对白噪声的抑制是最有效的,而对于变化比较缓慢的噪声,在叠加过程中,可能也引起噪声的叠加。对于这种噪声,一般采用双极性信号采样,软件处理的办法。

瞬变电磁测量的是时域信号,一般情况下信号的频率范围从0Hz到10kHz或更高。但不论频宽或窄,必须保留0Hz即直流信号。所以,在整个放大电路中,不允许加隔直电容。也就是说,前级的失调信号到输出级后会被放大到很大。所以,在所有的瞬变电磁仪器中,发射机都采用双极性发射,在本接收机中,采用软件计算的方法,把正极性的信号与负极性信号相减,即得两次测量之和。而缓慢变化的噪声信号在两次测量中基本上维持不变,相减后即为零。这样,既可消除外部缓慢变化的噪声,也可消除仪器放大回路的直流失调信号对测量的影响。

这种方法的另一个目的是抑制工频50Hz信号及其谐波。

设输入有用信号为εi,工频干扰为ε50,系统直流失调为Δ ε,忽略其它干扰,则有:测量信号

可见,测量信号即为输入的有用信号,工频干扰及系统失调完全被消除。实际应用中,达不到理论上的理想结果,但已大大地减小了这两种噪声。

5 常用装置类型

瞬变电磁法用于找矿勘查能够较准确地确定地质体的倾向、埋深、走向等。野外工作装置形式繁多,并是电磁法中唯一能进行同点发射—接收的方法。根据勘查任务的不同可非常灵活地选用装置,常用的装置组合有以下几种(图6)。

图6 常用测量装置

(1)中心回线组合

这种组合是由感应接收线圈放在发射回线的中心而组成。发射回线和接受线圈在观测剖面上同步移动,观测dBz/dt,也可以同时观测三个分量。无论是在普查阶段还是在详查阶段,该装置都是剖面测量和测深观测的主要装置之一。

(2)重叠回线组合

这种方式是发射线圈和接收线圈为两个大小和形状完全一样的回线在空间上重叠在一起,沿剖面同步移动,观测dBz/dt分量。回线边长通常从几十米到二百米;有时,为了降低超顺磁效应,发射回线和接收回线要分开3米左右,成为偏离回线组合。重叠回线装置,由于接收线圈为一较大的回线,对于浅层局部导体的响应具有“平均”作用。

(3)偶极—偶极组合

这种装置一般发射为一多匝线圈,接收线圈采用多匝线圈或探头,即Slingram组合。接收和发射线圈可以在同一测线上或分别在两条测线上保持一定间隔同步移动,除观测垂直分量外,还可以观测场的水平分量。这种装置轻便灵活,工作效率高,相对探测深度小些,适用于寻找浅部导体的快速普查。

(4)大定源组合

发射线圈边长为几百米或一公里的大回线,一般为600×300m回线,发射线圈固定不移动,用一个小的接收线圈沿测线移动进行观测。发射回线可为矩形或方形回线,可以在回线内测量,也可以在回线外测量。由于发射回线覆盖面积较大,同一发射回线可采用多台接收机观测,一般观测两个分量(z和x分量),也可观测三个分量。在详查工作时,发射回线要布置在对目标物激发有利的位置。该装置主要用于确定地质体的边界和产状。

(5)电偶极—电偶极或回线组合

这种装置由电偶源激发,用接收回线置于远区接收dBz/dt分量或用两接地电极接收电场水平分量;接发极距一般大于3km。该装置主要用于深部构造研究,也可用于寻找隐伏多金属矿。

6 应用范围

瞬变电磁法在矿产资源勘探、地质构造研究、煤田、油气田以及地热田勘查、水文工程地质及工程地质勘查、寻找地下管道及地下人文遗址、环境调查与监测以及考古等都得到广泛应用。

7 野外施工技术要求

7.1 欲测对象与周围介质存在一定的电性差异(1)发射站应设在便于与接收站联系的地方; (2)接收机应避免靠近强干扰源以及金属干扰源的地方;

(3)不得在上万伏高压线下布设发射机和接收机;

(4)发射机、接收机应配备测量伞,阴雨湿度大以及雷雨天气不宜工作;

(5)应将剩余的导线呈S形铺于地面,布线时允许在方向线左右有所摆动,但摆动幅度不得大于回线边长的5%,点位误差小于5%;

(6)导线连接处应接触良好,严禁漏电,野外所用的电线应定期检查绝缘性,绝缘电阻大于2MΩ以上,供电导线的总电阻值应能保证回线的供电电流的设计要求。

(7)当导线通过水田、池塘、河沟时,应予架空防止漏电,当导线横过公路时,应架空或埋于地下以防碾断或压坏,导线应拉紧防止随风摆动。

7.2 普查观测的选择

(1)回线边长对异常响应是一个比较复杂的函数关系。回线边长一般依据被测对象的规模,埋深及电性选定,一般选择原则是回线边长与探测对象的埋深大致相同。因为回线边长的增大对局部导体的分辨能力差,且受旁侧地质体的干扰增大。

(2)剖面点距一般选回线边长或边长的一半。

(3)在没有地电断面资料的情况下,可在适当的地点做瞬变电磁测深。测深用内—回线装置接收方式,而发射回线边长可以用100m,计算假定的半空间电阻率,用反演程序对资料进行反演。

(4)欲探测目的物的尺寸较小,则回线的尺寸也应相应的减小。

7.3 详查观测

(1)优先采用移动接收线圈,有时采用分离回线组合装置,回线中心之间距离大约等于目的物的埋深时,圈定陡倾斜岩脉更好些。

(2)象普查一样,要研究测区已知的地质和地球物理数据,以计算最佳的延时,估计极限探测深度以及发射回线的大小。

(3)测网要比较密,重叠回线组合装置,铺设剖面点距一般选等于回线边长的四分之一或重叠10%为宜。用移动线圈组合点距要5～10m。

(4)如果选择中心回线组合装置,接收信号一般多采用磁探头效果很理想,对于中深部瞬变电磁测量:可以选择TEM-SB-70K,f0=70kHz(谐振频率为70kHz),有效面积S=2000m2的磁探头,该磁探头适合中,深勘探。对于浅部瞬变电磁测量:可以选择TEM-SB-250K,f0=250kHz(谐振频率为250kHz),有效面积S=200m2的磁探头,该磁探头适合浅部勘探,由于谐振频率高,适合解决中,浅部地质问题,在矿产地质,水文地质,工程地质中均可应用,在普查和详查观测中,利用磁探头更适合大定源装置。

7.4 关于极性的考虑

(1)发射线框的方向,按右手螺旋法则,发射垂直向下磁场,发射线框中的电流必须按着顺时针方向流动,本测量系统中A接线柱为正极,B接线柱为负极。

(2)接收线框的方向,M与A的方向一致即可,对于磁探头要调水平。

7.5 频率选择

如表1:常用观测频率6.25Hz、25Hz。

表1 发射频率对照表

7.6 阻尼电阻的最佳选择

阻尼电阻是回线的尺寸大小和被测面积上电阻率的复合函数。表2是对不同尺寸的发射回线提供阻尼电阻值的评估。

表2

7.7 关断时间

对浅层瞬变电磁测量要求快速关断和快速采样,其目的是为了获得最佳的浅部信号,为了快速关断,对于5×5m回线,可用12V电源供电,发射电流3～4A即可。

7.8 布线的原则

(1)野外布线时,测线方向应选择与可能的构造走向垂直,尽量远离铁路,地下管道和电力线等地电干扰大的地方。

(2)严禁将剩余导线残留在线架上,并应将其呈“S”型铺于地面。

(3)回线装置的形状可以不必太严格,只要保证有足够大的发射磁矩就行。

7.9 干扰电平的观测

各个观测点的干扰电平并不完全一致,为了确定各观测点晚期观测值的观测精度,一般要求在每个观测点上或相同几个测点上实测干扰电平。

7.10 叠加次数和观测时间及背景场的选择

仪器的叠加次数和常用频率范围的选择主要取决于测区的信噪比和灵敏度。在干扰电平不太大的情况下叠加次数取256或512次时,既能保证观测质量又能保证观测速度,能够取得较好的效果。发射—接收采用重叠回线装置,此重叠回线组合装置的几何形状与同一回线组合一样,只是发射回线和接收回线是两个独立的回线,两者空间上重叠在一起。优质双绞线(质量要好,要耐拉耐磨,柔软),用于重叠回线组合最合适,因为发射和接收所用的两条线可以在一起一次铺好。有时为了降低超顺磁效应,发射回线和接收回线要分开3m左右,这称为偏离回线组合。

7.11 GPS同步模式

适合于开阔地区。径3.5m,最大钻孔深度达120m,其最大输出扭矩为460kN·m,填补了国内大型旋挖钻机生产的空白。同时,双大三角结构、动力头多档控制、加压系统多档控制等技术,使SR460实现了超强入岩、超大直径、超大钻深施工,同时保证了钻机高稳定、高效率的运行,提升了施工的便捷性。

随着国内基础建设热潮的兴起,大型工程项目陆续开工建设,施工工艺不断成熟,施工机械大型化、扭矩更大、钻孔更深,成为旋挖钻机施工需求发展的新方向。在这一背景下,北京三一相继推出大型桩工机械,抢占了行业结构调整的先机,并陆续推出第二代旋挖钻机,构建起了涵盖小型、中型、大型、入岩、长螺旋钻机等五大系列产品的完整钻机型谱,成长为中国乃至世界最大、产品线最全的桩工机械制造企业。

据悉,大型旋挖钻机的研发,主要针对国内高铁、高速公路、快轨、特大桥等大型工程建设项目的市场需求。目前国内还没有符合大型工程施工需求的桩工机械,SR460等大型旋挖钻机的销售市场潜力巨大。

勘探所自主研发的大型非开挖钻机交付使用

【本刊讯】由中国地质调查局勘探技术研究所非开挖中心自主研发的GBS-240/320型铺管钻机不久前下线并交付客户使用。

据了解,GBS-240/320铺管钻机满足了长距离大口径管道铺设的需求,是我国大型非开挖装备自主创新设计取得的一项重要成果,推动了勘探所由中小型设备研发向大型设备研发的进程。

2010年,勘探所非开挖中心结合行业发展需求,加快产业化调整,针对设备制造应用可行性、设备结构选型、技术条件制定等方面开展了大量调研,并研发出GBS-60/90、GBS-240/320两款非开挖装备。这两种型号钻机采用先进的PLC集成控制技术及逻辑阀组,具有结构紧凑、动力强劲、高速高效的特点,经过工程试验,无论动力、操纵还是效率,均取得了骄人的成绩,为我国大型油气、供水、排水工程等重要领域提供了装备支撑。

《地下水资源调查评价技术方法》出版

【本刊讯】中国地质科学院水文地质环境地质研究所王贵玲研究员主编的《地下水资源调查评价技术方法汇编》一书不久前正式出版。

据悉,该书的出版是《全国地下水资源及其环境问题调查评价》项目的一部分。《全国地下水资源及其环境问题调查评价》项目的调查评价区域包括了我国北方地区的准噶尔盆地、河西走廊、柴达木盆地、银川平原、山西六大盆地、华北平原、松嫩平原、西辽河平原等八大主要盆地。为使项目实施和成果集成的规范化、标准化,该项目专门设立了《全国地下水资源及其环境问题调查评价技术要求系列》研究专题。

王贵玲研究员等通过几年的科研实践,在系统总结我国不同时期制定的相关技术标准的基础上,借鉴国外相关标准,吸收地下水资源和环境调查的新技术,汇编了地下水资源及其环境问题调查评价的主要技术方法,涵盖了资料搜集与整理、参数获取方法、各类样品采集与送检、地下水数值模拟、地下水资源评价、水文地质概念模型、地下水系统划分等方面的内容。

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