2016, Vol. 59
2. 北京工业大学, 北京 100022;
3. 中国科学院电子学研究所, 北京 100190;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
, LEI Da1,4
, WANG Zhong-Xing1, ZHANG Yi-Ming2, WANG Shun3, ZHANG Qi-Mao3, ZHANG Wen-Wei1,4, OUYANG Tao1,4
2. Beijing university of technology, Beijing 100022, China;
3. Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2002年，由英国爱丁堡大学的Ziolkowski、Hobbs和Wright等人提出了一种瞬变电磁探测新技术-多道瞬变电磁法(Multi channel transient electromagnetic method, M-TEM).Wright等(2002)通过分析和处理多道瞬变电磁系统所采集的试验数据，成功地得到了油气藏监测的成果，大大拓宽了瞬变电磁法的应用领域.Ziolkowski (2007)利用多道瞬变电磁探测系统在法国西南部天然气储层进行了实地观测，取得了较好的勘探效果.此后，多道瞬变电磁法被应用于海上油气资源探测，Ziolkowski等(2010)在北海Harding油气田进行了重复性探测试验；2010年在挪威Peon油气田的浅海勘探中，对比了方波和伪随机两种发射信号源的实测数据，结果显示伪随机信号具有更强的分辨能力(Ziolkowski et al., 2011).该系统自第二代产品开始更新为以m序列作为发射波形，观测时同时记录多道电场分量数据和发射波形，采用地震数据处理的方法，即对发射波形和接收信号进行相关处理，以此获得大地冲激响应后再利用拟地震方法进行解释.
2010年以来，中国科学院地质与地球物理研究所在国土资源部深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)中承担了《地面电磁探测(SEP)系统研制》项目的研究，研制了具有可控源音频大地电磁法(CSAMT)、大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)等功能的电磁探测仪.2013年，在国家重大科研装备研制-“深部资源探测核心装备研发”项目中，开始研制“多通道大功率电法勘探仪”.该仪器系统的研制目标为研发出具有伪随机电流编码发射和测量功能的大功率发射机、多通道阵列接收机、高速数传及主控系统、多次信号叠加的电磁成像软件，形成一套完整的能在陆上开展4000 m深度范围电性精细结构探测的新型多通道大功率电法勘探仪器系统.经过多家合作单位的努力，已完成仪器的各部件的研制，现已进入仪器集成调制阶段.本文首先介绍多通道大功率电法勘探仪的系统组成、方法原理和集成方案，然后介绍自主研制的M-TEM系统在张家口市张北县和内蒙古兴和县曹四夭钼矿集成试验的研究结果.
2 M-TEM方法原理及系统组成M-TEM是通过有限长接地导线电流源向地下发送伪随机编码(Pseudo Random Binary Sequence，PRBS)电流信号，在发射源轴向上同时观测电磁场响应与记录发射电流，然后通过反褶积得到大地脉冲响应，并计算视电阻率，以达到探测不同埋深地质目标体的目的.M-TEM系统工作原理见图 1.采用大功率发射机发射伪随机编码电流，进行全波形数据采集；用阵列式接收的方法，实现多次覆盖观测；采用类地震的数据处理技术，有效地提高了分辨率和勘探深度(Wright et al., 2002, 2005；Hobbs et al., 2006).可用于陆地和海洋开展深部资源勘查.
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图 1 M-TEM工作原理 Fig. 1 Schematic diagram showing the principle of the M-TEM method |
在M-TEM中，通常把大地看作线性时不变系统，响应电压v(t)可以表示为发射电流与大地脉冲响应的卷积，公式为
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(1) |
式中s(t)为编码电流、发射系统和收发距离有关的系统响应，包括发射设备电路、接地电极和连接接地电极的电缆等的响应.在数据采集中，s(t)可通过记录源电流的方式或者在发射源附近采集源电压的方式进行采集.g(t)为来自地质目标体的大地脉冲响应，n(t)为噪声.通过反褶积去掉n(t)的影响可求出大地脉冲响应，大地脉冲响应包含了发射机和接收机之间的大地电阻率信息.
对于均匀大地，大地脉冲响应的峰值时刻tpeak, r(Ziolkowski et al., 2007)为
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(2) |
其中，μ是介质的磁导率，r是收发偏移距(m)，ρ是大地电阻率(Ωm).我们可以利用大地脉冲响应的峰值时刻转换为视电阻率ρa，公式为
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(3) |
其记录点位为该收发偏移距的中点，这与传统的偶极-偶极电测深的记录点是一致的，通过发射点在整个剖面的不断移动与供电，由此获得不同偏移距的视电阻率和记录位置，可得到整条剖面的视电阻率拟断面图，基本上反映剖面地下不同深度的地质信息.
多通道大功率电法勘探仪分为发射机系统、分布式电磁数据采集站、主控单元、数据传输与传感器子系统和数据处理软件平台，其总设计框图及其相互关系见图 2.发射机系统包括发电机、不可控整流桥、脉宽调制DC/DC全桥变换器、H逆变桥，以及用于产生伪随机编码(PRBS)发射波形的码型发生器(包括逆变桥的驱动器).M-TEM分布式电磁数据采集与主控单元子系统分主控单元和分布式电磁数据采集站两个部分.主控单元是系统控制的核心，由嵌入式微处理器和其他控制与处理单元构成.主控单元通过嵌入式微处理器系统实现多节点、分布式控制与质量监控，可配置多样化数据通信接口、高速数据存储接口和人机控制接口.分布式多通道电磁数据采集站采用低噪声场效应管放大电路提高接收通道的灵敏度，通过差分放大抑制采集站与大地之间耦合产生的共模干扰；采用采样率可调的24bit Delta Sigma A/D转换器，自适应程序增益控制，实现了高精度、宽频带、大动态范围的数据采集；采用高性能FPGA控制系统的时序逻辑、数据帧生成及数据传输；设计可编程控制开关阵列电路，实现灵活的通道切换和通道扩展；配置无线和有线网络等多种数据传输方式，以适应不同施工环境的需求；采集站采用智能电源管理系统降低系统功耗，适应野外作业需要.
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图 2 总设计框图 Fig. 2 General design frame |
由于河北张家口市张北县交通便利、地形平坦、电磁干扰小，是近年来各种新仪器、新方法试验的首选场地.2015年6月，M-TEM系统在河北省张北县对发射机子系统、电磁数据采集与主控单元进行了调试与集成试验.
野外试验接地电阻稳定在45~60 Ω，发射电流最大达到20 A，最小11 A.输出电压精度为0.83%~2.3%，保证了发射机稳定运行.
野外集成试验投入接收机11台，其中1台(编号为1312)用于发射端波形记录，其余10台(编号依次为1301~1310)用于沿剖面的数据接收.每2台设备分为一组，共5组同时工作，其中每组编号为奇数的接收机同时接入4对电极，编号为偶数的接收机同时接入2对电极和1根磁棒.每对电极间距为60 m，每组接收机(2台)覆盖360 m距离，5组共覆盖1800 m距离，由于接收机数量有限，为覆盖3600 m测线，进行了几个不同收发偏移距供电与观测波形的测试试验，其中最大偏收发移距离rmax为3600 m.
图 3为实测的电流、电压波形，图中上面两个图分别为码型发生器的电压和电流波形，下面两图分别为实测的电压和电流波形，M-TEM野外试验表明，码型发生器产生的编码信号及发射的伪随机信号准确，发射时间与GPS时间同步；发射机附近的码型测量单元的采集时间与接收机采集时间同步，采集精度和采样率(16 KHz)与接收机相同.
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图 3 码型测量单元实测发射电流电压波形 图中四个结果从上到下以次为：码型发生器的电压波形、码型发生器的电流波形、实测的电压波形、实测的电流波形. Fig. 3 Measured source waveforms and full waveform response From top to bottom: source voltage, source current, measured voltage, measured current. |
图 4为在距发射源不同偏移距r(620~3600 m)处接收的电场信号.图最下方为发射的伪随机电压波形；偏移距r为620 m电场信号的波形脉宽基本与发射的伪随机波形相对应，在1140 m处的电场波形与所发射的波形有很好的相关性，但随着偏移距的加大，接收的发射信号也随着减弱，当偏移距r在大于1620 m时，由于受到50 Hz的电磁干扰，发射的波形基本叠加在50 Hz干扰信号之上，此时观测的信号以50 Hz的电磁干扰为主；在偏移距大于2100 m时，与发射相关的电场信号基本被50 Hz干扰所淹没，观测的电场信号基本为较强的50 Hz波形.
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图 4 不同偏移距(r)发射电压与接收电场波形 Fig. 4 Emitted and recorded signals of different offsets |
从以上试验结果可以得出，在偏移距较小时，接收电场信号波形与发射波形对应很好，随着偏移距的加大，接收的发射信号也随着减弱，在大偏移距(r=1620 m)情况下，尽管存在50 Hz电磁干扰，也能获得与发射波形相关的波形曲线，验证了仪器系统的正确性和稳定性.表明本次试验的发射系统和接收系统调试与集成工作正常，可以进入下期剖面试验.
3.2 内蒙古兴和县曹四夭钼矿区M-TEM实测试验 3.2.1 地质概况试验区在内蒙古自治区乌兰察布市兴和县境内，位于古兴和县的城关镇东南方4 km处，其地理坐标为东经113°52′37″，北纬40°49′30″.该矿床的钼资源量大于200万吨，平均品位大于0.03%(李香资等, 2012；聂凤军等，2012)，已控制矿体为东西长1900 m，南北宽1400 m，单孔最大见矿厚度大于900 m，估算钼金属储量为200万吨，成为中国第一、世界第二的大型钼矿.
试验区位于华北地台北缘的内蒙古台隆凉城断隆的东部，处于北东向大同至尚义构造与北西向商都至蔚县构造带交汇部位的西南侧；断裂构造主要有北西向、北东向、北北东向及近南北向断裂，大断裂的次级断裂束是燕山期花岗岩熔浆向外侵入的主要通道，以外接触带形式形成岩枝或微小岩株(王卫东等，2014).
区域内主要岩石为太古宙麻粒岩相结晶基底和沉积盖层，图 5示出了出露地层主要为：新近系中新统老梁底组、汉诺坝组，新生界古近系渐新统呼尔井组和乌兰戈楚组，上新统宝格达乌拉组，中生界侏罗系中统长汉沟组，中太古界集宁岩群黄土窑岩组(李香资等，2012).
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图 5 曹四夭钼矿地质图(李香资等，2012) 1.第四系的冲洪积砂、砾石松散堆积、风积黄土状亚粘土、亚砂土；2.第三系的砂质粘土砂砾石夹泥灰岩、橄榄玄武岩夹砂砾石、粘土薄层、粉砂岩；3.中太古界黄土窑组石榴石浅粒岩夹石榴斜长石英岩和矽线石榴正常片麻岩；4.浅肉红色少斑花岗斑岩和灰白色多斑花岗斑岩；5.少斑花岗斑岩脉和花岗细晶岩脉；6.辉绿岩脉；7.主要钼矿体分布范围. Fig. 5 Geological map of the molybdenum deposit (Li et al., 2012) 1. Alluvial sand, gravel loose piled, wind carried subclay and subsand of Quaternary; 2. Sandy clay and granulite sandwich marl and olivine basalt sandwich granulite, clay thin band and siltstone of Tertiary system; 3. Garnet leucogranulitite sandwich garnet plagio-quartzite and sillimanite garnet-gneiss of loess kiln group of mesoarchaean group; 4. Light red minor spot granite porphyry and gray spot granite porphyry; 5. Minor spot granite porphyry vein and granite aplite dike; 6. Diabase vein; 7. Distrbution of main ore bodies. |
区域岩浆活动频繁，形成了大量的中、新太古代变质深成体和中生代晚侏罗世中细粒似斑状花岗岩，以及少量的早白垩世花岗斑岩，其中早白垩世的花岗斑岩为成矿母岩(王卫东等，2014)，也是地质找矿的标志岩性.
总之，区域内断裂构造发育，岩浆活动频繁，成矿地质条件有利.
3.2.2 试验区的电性特征由李香资等人(2012)在矿区的激电工作结果表明：试验区内的少斑花岗岩和多斑花岗岩的电阻率均为高阻，其值均大于800 Ωm；在矿区上表现为高极化率和低电阻率，视幅频率(FS值)均大于1.5%, 最高值达14.75%, 视电阻率值为50~400 Ωm, 最高值达500 Ωm，这一电性特征与钼矿体产出的有利地段有着很好的对应关系, 揭示了地下钼矿体的存在.
综上所述，曹四夭矿区具有良好的地球物理前提，适合进行M-TEM试验.
3.2.3 M-TEM试验数据采集2015年7月在试验测区布设了1条测线L2，如图 6中的红色直线，黄色线圈定区域为钼矿控制范围，L2剖面方位角近北西40°，剖面长度4.8 km，测线的1600点和3100点分别为钼矿北侧和南侧边界.
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图 6 曹四夭野外试验测线位置 黄色线圈定的是钼矿在地表的投影范围，红色直线为M-TEM集成试验的测线. Fig. 6 location of the survey line in the field at Caisiyao Red line is the survey line and the yellow trap is the range of the molybdenum deposit. |
试验采用接地电极对向地下发射码元频率为512 Hz的12阶PRBS电流码型，重复发射30个周期.由于在试验中仅投入10台接收机进行剖面观测，布设10台仪器可观测30个点，点距、电极距均为40 m，可控制剖面长度1200 m，故此将长度4800 m的剖面分为4段，当每段1200 m处布设好10台接收机时，以240 m长度的发射电偶极子从0号点向大号点依次进行供电，至到最后的接收点，至此完成当前接收剖面的数据采集后，移动整体10台接收机到下一个1200 m地段，发射电偶极子返回到0号点继续以上一次的顺序开展工作，至到完成整条剖面的数据采集.
观测系统如图 7所示，地面红色倒三角形表示发射偶极的中心位置，蓝点表示接收偶极的中心位置，图中每一个黑点对应一个大地脉冲响应，横坐标为发射偶极中心和接收偶极中心的中心位置，纵坐标是发射偶极中心和接收偶极中心之间距离的一半.本次试验目的在于仪器系统集成与剖面测量试验，探测深度不大于2000 m，后续试验的探测深度将达4000 m.
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图 7 曹四夭野外试验观测系统及地质目标 Fig. 7 Sketch showing relationship between the target and the data coverage |
接收机在测线的各测点记录电场信号的时候，有1台和接收端一样的接收机在发射电偶极中心处同时观测电场信号，在数据处理时，将对应同一时间的在发射源中心接收的电场信号和接收区的电场信号做反褶积，求得大地脉冲响应.图 8是以600 m点为发射源时，在距发射源不同偏移距r(600~4500 m)处接收到的电场信号，r=0 m时接收的波形是在发射电偶源中心处观测电场信号，图最下方为发射的伪随机电压波形.偏移距r从400 m至4500 m，接收的电场信号由强逐渐减弱，偏移距r从400 m至540 m的电场信号基本为与发射的伪随机信号一致，1100m处的电场信号与所发射的波形基本相同，但从1900 m至3860 m处的电场信号基本为50 Hz电磁干扰信号，从4150 m和4500 m处的电场信号表现为较强的脉冲干扰.
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图 8 发射源在600 m发射输出电压波形和不同偏移距(r)接收电场波形 Fig. 8 Transmitted & recorded signal of different offsets with the source position 600 m |
通过对发射源中心接收的电场信号与接收电场信号的反褶积，求得大地脉冲响应，图 9是偏移距从60 m至4500 m的大地脉冲响应计算结果，响应曲线的峰值时刻由小逐渐变大，由此可以根据公式(3)计算其响应的视电阻率.
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图 9 以600 m点为发射源的不同偏移距(r)的大地脉冲响应曲线 Fig. 9 Recovered impulse response of different offsets with the source position 600 m |
由每个大地脉冲响应的峰值转换的视电阻率可以绘制视电阻率拟断面图，如图 10所示.视电阻率反映为两层地电断面，浅部的低阻为风化的中太古界黄土窑岩组，深部的高阻为花岗岩的反映，与当地的地质情况相吻合.
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图 10 视电阻率拟断面 Fig. 10 Pseudosection of apparent resistivity |
对获取的视电阻率采用美国Zonge公司的Ts2dip.exe软件进行二维电阻率反演，其结果如图 11所示.浅部厚度约为50 m的电性层(小于100 Ωm)对应着浅表第四系地层，其下伏小于2200 Ωm的高阻电性层均为花岗斑岩和花岗岩的反映.
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图 11 二维反演电阻率断面 Fig. 11 Section of resistivity by 2D inversion |
本文介绍了M-TEM法的方法原理和研制的M-TEM系统集成的野外试验.通过试验初步验证了发射机发出的伪随机编码的准确性，验证了M-TEM采集站接收机实施方案的可行性，为后续接收机的量产奠定了基础；M-TEM系统的野外集成试验，获取了可靠地野外数据，通过室内数据预处理和反演工作的开展，已实现了M-TEM从野外数据采集到数据处理、反演和解释的整个工作流程；集成试验中及时发现了现有系统和数据处理软件中存在的不足，为整体系统的进一步改进和完善提供了依据.
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