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(guò)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(guò)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(wú)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)?，這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(wú)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(shuō)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(guò)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(wú)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(lái)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。