2016, Vol. 59
2. 中国科学院矿产资源研究重点实验室, 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. Key Laboratory of Mineral Resources, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
高分辨率地球物理观测装备是实现精确探测的必要前提(滕吉文，2005).瞬变电磁法作为地球物理勘探方法体系中的一个重要分支，在矿产资源、油气、工程、环境等领域发挥着重要作用.在目前我国提出的“攻深探盲、寻找大矿富矿”的战略引导下，着力开发大功率、高精度的瞬变电磁探测装备，对实现“第二深度空间”内的矿产资源探测具有重要的实际应用意义(滕吉文，2010；刘光鼎，2013).
当前，广泛应用的瞬变电磁仪器主要包括具有瞬变电磁功能模块的加拿大Phoenix公司的V8和美国Zonge公司的GDP-32多功能电法工作站，以及专门进行瞬变电磁法测量的澳大利亚Alpha公司的Terra TEM、加拿大Geonics公司的PROTEM和澳大利亚EMIT公司的SM24瞬变电磁系统等.这些瞬变电磁仪的性能相对较高、稳定性好，对于大部分环境下的勘探具有良好的适用性.
国内从20世纪70年代就开始了瞬变电磁系统的研制，如地矿部物化探研究所研制的WDC瞬变电磁系统，该仪器吸收了SIROTEM系统和PEM系统的优点；1988年西安物化探研究所采用脉冲压缩技术研制成功大功率的LC-1系统并投入生产；1992年长沙高新技术产业区智通新技术研究所与中南工业大学合作生产出SD-1型、SD-2型仪器(牛之琏，2007)；重庆奔腾数控技术研究所研制的适用于浅部勘探的WTEM-2Q和适用于深部的WTEM-2系列瞬变电磁系统；吉林大学研制的ATEM-II瞬变电磁系统；以及其他多家单位分别研制的适用于航空、矿井等不同应用领域的瞬变电磁系统(李文尧等，2012).整体来说，目前国产瞬变电磁仪器的加工工艺以及整体性能稳定性等方面仍有较大的提升空间.
近些年，随着瞬变电磁法理论与方法技术以及电子计算机和材料学的快速发展，自主研发更加适用于我国具体地质条件的高性能瞬变电磁设备成为可能(滕吉文，2006；陆其鹄等，2007；林君等，2010；黄大年等. 2012；底青云等，2013).其中，为了加快实现深部矿产资源勘探，服务国民经济建设，多家高校、科研院所已开展了相应的研发工作，并取得了显著的成果(何继善，2010；林品荣等，2010；底青云等, 2013, 2015；薛国强等，2015).中国科学院电子学研究所自主研发了CASTEM瞬变电磁系统.该系统具有分辨率高、穿透能力强、系统集成度高等特点，且支持多种同步方式、多种供电方式，适合在不同条件下完成包括矿产资源、地下水、地热资源等方面的勘查工作.为了验证CSATEM系统的实际应用效果，选择具有典型地质特征和显著勘探成果的安徽大王庄铁矿进行试验，试验内容包括大功率发射机性能、接收系统噪声性能、电阻率曲线、反演效果等.试验结果表明：CASTEM系统的测深性能已达到国际顶尖仪器水平，探测结果与钻孔资料吻合，成功探测到地下700 m左右的铁矿体.试验表明自主研发的CASTEM系统可以用于整装勘查，实现较大深度的探测任务.
2 CSATEM系统介绍
CASTEM系统主要包括发射机、接收机、感应式磁场传感器等(图 1)，其中，图 1a为CASTEM发射机，其发射电流大小、占空比、发射频率等均可调，恒压钳位技术保证电流下降沿高速线性关断.发射机具有直流、交流两种供电模式，最大功率可达10 kW，最大输出电流可达50 A (表 1).在交流供电模式下，可与附加功率模块组合工作.CASTEM发射机与接收机间具有GPS及线同步两种同步方式.此外，通过外置同步模块，CASTEM发射机可与目前大多主流TEM接收机实现同步(表 2).图 1b为CASTEM接收机，其嵌入了专用模拟电路+数字滤波算法等技术，具有高分辨率、大动态范围、参数设置灵活、人机交互友好等优点.采用时变增益技术，有效扩展系统的动态范围.开放采样时窗配置文件，用户可根据需要自行设计采样时窗：早期信号信噪比高，可以设置相对密集的采样时窗，以增强系统对浅部的分辨精细度；晚期信号信噪比低，要求更长的累加时间，设置相对稀疏的采样时窗，以增大系统的最大可探测深度(表 3).此外，CASTEM接收机具有外置同步模块，可与目前大多数主流TEM发射机实现同步.图 1c为CASTEM感应式磁场传感器，目前已经系列化，以面向不同的应用领域.通用型号CASTEM-S1传感器带宽30 kHz，具有低噪声(3 nV/ 
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图 1 CASTEM系统(a)发射机、(b)接收机、(c)磁传感器实物 Fig. 1 CASTEM system (a) transmitter, (b) receiver and (c) sensor |
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表 1 CASTEM发射机参数 Table 1 Parameters of transmitter |
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表 2 CASTEM与TerraTEM发射机参数对比 Table 2 Comparison of CASTEM and TerraTEM transmitter parameter |
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表 3 CASTEM与TerraTEM接收机参数对比 Table 3 Comparison of CASTEM and TerraTEM receiver parameter |
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表 4 CASTEM-S1磁场传感器参数 Table 4 Parameters of sensor S-1 |
大王庄铁矿地处颍上县城北西方向14.5 km处，南距霍邱周集铁矿30 km (图 2).矿区位于霍邱铁矿周集倒转向斜向北延伸部分的南东翼，走向稳定为北东53°左右，本矿区内主要表现为向南东倾斜的单斜层，倾向南东，倾角一般为45°至70°.矿床全部为第四系所覆盖，其下分布为新太古界霍邱群.第四系松散地层总厚度变化不大且较稳定，钻孔揭示：其最薄379.9 m，最厚401.0 m，北东部大于南西部，平均厚度395.7 m.已有钻孔资料证实，区内铁矿体主要产于新太古宙霍邱群古老变质岩系中，为受变质铁硅建造矿床，矿石主要有磁铁矿矿石和镜铁矿石两种类型.区内主要矿床的矿体多属陡倾斜(陆三明等，2014; Yang et al., 2014).
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图 2 试验区地质图(据陆三明等(2014)修改) Fig. 2 Geological map of test area (modified from Lu et al., 2014) |
据1 : 50万航磁(ΔT)资料，区域磁异常带呈东西向展布.在霍邱铁矿区范围内呈近南北向展布，北部呈向东偏转的弧形磁异常带，磁异常带与布伽重力异常成对应关系，反映出基底变质岩系的分布特征和地台盖层及中、新生界构造特征.其中正磁异常带反映了变质岩系的分布范围和构造方向，正磁异常较高，同时有负磁异常伴生的异常带多是由磁性(铁矿)体引起(杨明慧等，2009).
根据安徽省地质矿产勘查局实施的1 : 5000地面高精度资料显示，矿区背景场为大面积平缓正~弱负异常，异常波动小，磁场相对平静，局部异常少，如图 3所示.在这样的区域背景中叠加了大王庄椭圆形局部异常，该异常与背景场差异明显，界线清楚.大王庄铁矿局部异常整体表现为规则椭圆形，北东向展布，异常强度中等.霍邱铁矿区各类铁矿具有高密度，强磁性的特征，和其他岩石有明显的物性差异.它们是本区主要的磁异常场源，当它们具有较大规模时，能产生明显的重、磁异常.一些以近矿围岩及夹层形式出现的变质岩，如：含磁铁大理岩、含磁铁矿片岩等岩石含有一定的磁铁矿，所以也具有较强的磁性和较高的密度，但它产生的异常和矿异常叠加在一起，对找矿干扰不大.由于这类岩石位于含矿层位上，所以它所引起的弱磁异常是追索岩层分布的重要线索.
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图 3 大王庄铁矿地磁ΔT异常平面等值线(1 : 5000) Fig. 3 Contours of geomagnetic anomalies ΔT in Dawangzhuang iron mine |
区内已实施的可控源音频大地电磁法(CSAMT)和短偏移距电性源瞬变电磁法(SOTEM)探测(Xue et al., 2014)，对矿区内深度1500 m范围内的地层电性参数进行了揭示.结果显示地表第四系覆盖层呈明显的低阻特性，下伏霍邱群变质岩顶板深度约为500 m左右，呈高阻反映.区内实施的多处钻探岩心物性测量结果表明，第四系松散覆盖层电阻约10 Ωm，基底变质岩电阻率约为1000 Ωm；区内含磁铁矿岩石电阻率约为0.1 Ωm.
4 试验设计根据试验区内前期多种物探成果以及钻孔资料，已基本查明区内矿体的赋存形态.矿体走向的方向呈北北东向，倾向东南.在垂直于矿体走向的方向(北北西向)布置三条测线，并依次编号Ⅰ线、Ⅱ线和Ⅲ线，其中Ⅲ线经过钻孔ZK33、ZK32和ZK31.每条测线长度均为600 m，测线间距50 m，测点间距10 m (图 4).试验过程分两部分：首先在磁屏蔽间进行系统噪声性能对比试验，之后进行核心部件对比试验，包括：大功率发射机性能试验，整系统实际工作能力对比试验，最后对试验数据进行分析，给出反演结果.
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图 4 试验测线与BIF地面投影及钻孔的位置 Fig. 4 Locations of test lines, ground projection of BIFs and drilling holes |
试验采用的工作装置为大定回线源装置，回线源尺寸为400 m×400 m，每布设一次发射源在其中心1/3范围内(120 m)逐点进行观测.完成所有仪器的观测后，再整体移动发射源进行下一部分的观测(图 5).在进行工作前先由高到低依次试验了不同发射基频的电流，在保证晚期信号质量的前提下最终选择最低的2.5 Hz为工作电流基频，发送电流大小为11.7 A.
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图 5 TEM施工流程 Fig. 5 Sketch of survey geometry of TEM |
首先验证CASTEM接收系统(含接收机与传感器)的噪声性能：将接收机短接后放置于磁屏蔽间进行正常数据采集，观测时长为5 min，输出原始数据(未经抽道、叠加)；之后将传感器与接收机连接置于磁屏蔽间中，选择不同增益档进行5 min正常数据采集并输出原始数据.图 6为相应测试的噪声功率谱，可见：当接收机短接时(未接传感器时)，功率谱值较小，说明接收系统的噪声主要来源于传感器，进一步分析知传感器系统的主要噪声来源于其电路部分；接收机使用100倍以上增益观测得到的传感器噪声谱基本不再发生变化，因此可认为此条件下噪声功率谱可反映传感器的真实噪声水平.
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图 6 CASTEM接收系统噪声功率谱测试 Fig. 6 Power spectrum test of noise of CASTEM receiving system |
通过前述实验可知接收机噪声水平远小于传感器噪声水平，因此可利用接收机分别连接CASTEM传感器与TerraTEM传感器TRC-1进行噪声测试.TRC-1传感器带宽约21 kHz，有效面积1000 m2 -基本参数与CASTEM传感器相当.在1000倍增益档进行噪声观测，利用原始数据计算功率谱(图 7).由图 7可见，CASTEM传感器噪声水平完全处于TRC-1下方.
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图 7 CASTEM与TRC-1传感器噪声水平对比 Fig. 7 Comparison of sensor noise levels between CASTEM and TRC-1 |
在进行野外探测实验前，对系统进行了最大发射能力实验测试.发射机采用多节电池串联提供直流电，布设单匝100 m×100 m发射回线，实测等效电感L=0.6 mH，等效电阻R=1.2 Ω，钳位电压500 V.实测波形(示波器截图)如图 8所示，发射脉冲频率为25 Hz，最大发射电流可以超过50 A.电流正峰值电流为51.20 A，负峰值电流为-50.80 A.从波形图可以看出，由于CASTEM发射机采用馈能恒压钳位高速关断技术，能够对电流下降沿进行有效整形，实现电流下降沿快速、线性关断.
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图 8 最大发射能力试验 Fig. 8 Test of maximum transmitting capability |
如图 9所示，测试条件基本与图 8相同，图中蓝线为发射电流曲线，红线为钳位电压曲线，发射电流为45 A，此时测得下降沿关断时间为56 μs.由图 9可见，电流在关断后的下降过程，其线性度良好.
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图 9 大电流关断时间测试 Fig. 9 Test of switch off time with big current |
在野外实际工作中，使用TerraTEM沿测线II进行了独立工作，并将两个测点位置(320号测点，480号测点)上得到的衰减曲线数据与CASTEM数据进行对比.图 10a和图 10b分别是320号测点和480号测点位置的对比曲线，从曲线对比可以看出：CASTEM由于其良好的噪声性能，晚期衰减曲线更加平滑，有利于提取更大深度的地电信息.
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图 10 测线II测点320与测点480上衰减曲线对比 (a) 320号测点位置的对比曲线；(b) 480号测点位置的对比曲线. Fig. 10 Comparison of decay curves at measurement sites 320 and 480 (a) Site 320;(b) Site 480. |
图 11为利用CASTEM以及TerraTEM采集数据得到的Ⅱ线一维反演结果，反演方法采用Occam法，反演最大深度取800 m.可以看出，基于CASTEM和TerraTEM数据得到的反演结果具有很好的一致性，表明两种仪器具备大致相当的探测能力.反演结果整体上将地层划分为三个电性层，第一层深度范围为0~100 m，视电阻率约为30 Ωm，对应着地表的浮土层；第二层深度范围在100~500 m，视电阻率为约10 Ωm，对应着含水的第四系覆盖层；第三层深度范围在500~800 m，视电阻率约为80 Ωm，对应着下伏的霍邱群变质岩.上述地层划分结果与图 12所示的地质剖面图基本吻合，并且对于各层厚度的刻画也与实际钻孔资料大致吻合.在两条测线反演结果的基岩层中都存在两处明显的低阻条带区域，一处位于点号320 m处，一处位于460 m处.根据试验区内BIF矿体的物理特性，可以认为这两处低阻异常就是由BIF引起.将该结果与钻孔资料对比，认为上述两处异常分别对应于图 12中的ZK32和ZK33所揭示的BIF矿体.探测结果表明，CASTEM系统稳定、可靠，在足够的信噪比条件下可以实现大深度隐伏金属矿体的探测.
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图 11 Ⅱ线CASTEM和TerraTEM观测数据一维反演结果 (a) Ⅱ线CASTEM数据一维反演结果；(b) Ⅱ线TerraTEM数据一维反演结果. Fig. 11 Results of 1D inversions of CASTEM and TerraTEM data on line II (a) CASTEM data; (b) TerraTEM data. |
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图 12 II线地质剖面 Fig. 12 Geological cross section of line II |
为了验证自主研发的CASTEM系统的整体性能及实际探测效果，在已知资料安徽大王庄铁矿进行了对比与探测试验.试验中，选取合适的剖面进行了系统噪声性能、系统发射性能、传感器性能及实际探测等多方面的试验.通过本次试验，得到了以下几方面有意义的结论:
(1)自主研制的传感器的噪声水平优于某国际高端瞬变电磁仪系统的传感器.
(2)由于CASTEM系统良好的噪声特性，可获取更加光滑的晚期数据，为深部信息的提取提供了可能.
(3)将CASTEM系统用于深部铁矿体的探测并取得了良好的效果，表明CASTEM系统可用于深部勘探，实现大深度目标体的勘探.
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