引用本文
赵育刚, 薛国强, 黄申硕, 陆占国, 崔江伟, 侯东洋. 瞬变电磁 B场参数测试效果 [J]. 物探与化探, 2016,40(1): 174-178.
ZHAO Yu-Gang, XUE Guo-Qiang, HUANG Shen-Shuo, LU Zhan-Guo, CUI Jiang-Wei, HOU Dong-Yang. Test and analysis of TEM B field parameter [J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 174-178.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.31  
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瞬变电磁 B场参数测试效果
赵育刚1, 薛国强2,3, 黄申硕1, 陆占国1, 崔江伟2,3, 侯东洋2,3
1.北京桔灯地球物理勘探有限公司,北京 102200
2.中国科学院 矿产资源研究重点实验室,北京 100029
3.中国科学院 地质与地球物理研究所,北京 100029

作者简介: 赵育刚(1974-),男,主要从事应用地球物理装备技术推广工作。

收稿日期: 2015-11-07
基金: 国家自然科学基金项目(41474095)
摘要

传统的瞬变电磁信息获取方式大多采用空芯线圈和磁芯线圈形式,用以测量磁场随时间变化率,但是晚期信号往往较弱,不利于分辨异常。笔者开展了直接测量瞬变电磁法磁场参数的模拟和实测效果分析研究。首先通过对 B场和d B/d t参数的响应特性分析,认为 B场参数在晚期探测方面具有一定的优越性;分别采用澳大利亚产SM24瞬变电磁系统(磁通门磁探头,直接测量 B场)和GDP-32仪器(感应线圈,测量感应电压)进行了实测数据的对比,在同样瞬变电磁观测装置情况下,发现采用磁通门传感器所测量 B场数据比采用感应线圈测量的二次感应电压数据效果较好,即:磁通门传感器的特征频率相对较低(往往小于1 kHz),衰减速度慢,磁场 B数据与磁场变化率d B/d t场数据的幅值范围较大,受低阻覆盖层影响程度小,有利于晚期测量。研究结果表明开发和使用磁通门传感器是解决瞬变电磁精细探测的突破方向之一。

关键词: 瞬变电磁; B场; 晚期信号; 磁通门传感器; 精细探测
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0174-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.31
Test and analysis of TEM B field parameter
ZHAO Yu-Gang1, XUE Guo-Qiang2,3, HUANG Shen-Shuo1, LU Zhan-Guo1, CUI Jiang-Wei2,3, HOU Dong-Yang2,3
1.Beijing Orangelamp Geophysical Exploration Co.,Ltd., Beijing 102200
2.Key Laboratory of Mineral Resources,Chinese Academy of Science,Beijing 100029
3.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029
Abstract

In normal TEM sounding,the parameter of secondary induced voltage V signal is collected by using magnetic induced coil;however,the late signal is usually too weak to identify deep buried target.In this paper,direct measuring of B field parameters is used to test its practical effect.Firstly,from the response of B field and d B/d t and numerical calculation of different models,we can see that the B field has superiority in late time detection.Then the SM24 TEM system which is used to measure B field and the GDP-32 system which is adopted to measure induced voltage are compared with each other.With the same observation parameters, B field data are more superior than induced voltage data.The characteristic frequency of fluxgate sensor is relatively low and it decays slow.In addition,the amplitude of B field data is larger than that of d B/d t data.This means is favorable for measurement in late time because the influence of low resistivity covered layer on it is relatively low.The results show that developing and using fluxgate sensor is an important direction to resolve fine TEM exploration.

Keyword: TEM; B field; late signal; fluxgate sensor; fine exploration

瞬变电磁法具有探测低阻体灵敏度高、受体积效应影响小、分辨率较高、施工效率高, 对场地的适应性强等优点, 在矿产资源勘探及相关领域得到了普遍应用[1]。近年来成为引人注目的地球物理勘探方法。但在新一轮“ 攻深找盲” 矿产资源勘探中, 电磁法目前的探测技术还不够成熟与完善, 还需要研究新理论、新方法、新技术、新参数, 建立有效和完善的隐伏矿探测技术[2]。另外, 随着煤矿开采深度的增大, 对引发煤矿地质灾害因素的探查精细程度提出了新的、更高的要求。对水文地质条件的探测精度还不能完全满足煤矿安全、高效生产的需求。需要开展煤矿水害隐患电磁法精细探测装备及应用技术研究。并且, 在工程地质勘查领域, 对地球物理解释精度要求越来越高, 发展对地下目标体精细探测方法、技术和装备显得尤为重要。

电磁法仪器大多采用空芯线圈和有芯线圈形式获取磁场信息, 用以测量与磁场随时间变化率dB/dt成正比的二次感应电压归一化参数V(t)/I, 并由此推算出二次感应磁场值随时间变化的微分量[3]。但是, 由于dB/dt场数据衰减较快(其幅值随时间以t-5/2衰减), 在曲线的首支和尾支存在一定程度的失真, 不利于高分辨深部探测; B场数据衰减相对较慢(其幅值随时间以t-3/2衰减), B场数据有利于对良导体探测。其次, 感应式磁探头常常通过采用高性能磁芯材料和增加匝线的办法来改善接收信号的灵敏度和信号幅值, 但对信噪比改善较小。并且, 感应式磁探头对磁场的响应与信号的频率有关, 具有“ 频率依赖性” , 随着信号频率的降低, 探头的灵敏度大大下降。

获得并利用瞬变电磁磁场B参数, 是提高方法探测精度的重要途径之一。 Levy于1984年介绍了一种对dB/dt数据进行积分获得B场数据的方法[4]。随后Mc Cracken等通过间接方式, 即对所观测的感应电压转换成dB/dt场数据, 并对其进行积分, 从而得到转换后的B场数据, 并以B场数据为参数进行解释工作[5, 6, 7]。在20世纪末Smith等将这一技术应用于航空瞬变电磁测量和解释中[8, 9]。

随着高温超导磁传感器(SQUIDS)探测系统的研发, 在地面瞬变电磁测量法中, 直接测量B场分量的传感器得到了进一步的发展[10]。在澳大利亚、德国、加拿大、日本、中国等地区进行了一系列的野外测量工作[11, 12, 13, 14]。James等将高温超导磁传感器用在航空TEM测量中, 取得了较好的应用效果[12]。国内学者王赤军、陈晓东等也进行了相应的研发工作, 并取得了不错的成果[13, 14], 但是, 在晚期SQUID测得的响应数据变成了负值, 因此并没有在市场上得到很好的推广应用。

由澳大利亚生产的磁通门装置与其生产的SM24瞬变电磁仪器配置在一起, 是一个三轴磁通门探头, 安装在一个固定的非磁平台上, 直接观测磁通量密度B, 响应速度快, 对低阻体响应反映更好, 小巧轻便, 可以进行三分量观测。可测量从DC~4 000 Hz频率范围内的磁场。从理论分析和实际测量对比结果可知:在同样瞬变电磁观测装置情况下, 采用磁通门传感器所测量B场数据比采用感应线圈测量的二次感应电压数据具有一定优势, 使用或者开发B场磁传感器是一种很好的发展方向。

1 B场响应与模拟计算分析

传统的瞬变电磁信息获取方式大多采用空芯线圈和磁芯线圈形式, 用以测量与磁场随时间变化率dB/dt成正比的二次感应电压参数, 均匀大地表面上大回线源在地表所产生的感应电动势为[15]

V(t)=3I0ρ1qa3ϕ(u)-2πu1+u23e-u2/2=dBdtq, (1)

其中:u=2π a/τ ; ϕ (u)为概率积分; a为发射源回线的半径; I0为发送电流; q为接收线圈的有效面积;

ϕ(u)=2π∫0u(t)e-t2/2dt。

而磁场参数与时间的关系为

Bz(t)=u0I02a1-1-3u2ϕ(u)-2π3ue-u2/2, (2)

其中:u0为自由空间磁导率。

按照式(1)、式(2)分别计算均匀半空间情况下(ρ =100 Ω · m)大回线源在地表所产生的dB/dt响应和B场参数响应, 如图1所示。

图1 均匀半空间B场数据与dB/dt场数据响应对比分析

从图1中可以看出直接测量的磁场B参数比传统方法中测量磁场的变化率参数(dB/dt)具有一定的优越性:

1) B场数据比dB/dt场数据衰减慢, 有利于对良导体探测。

2) B场数据变化范围比dB/dt场数据小, 所要求的动态范围窄, 在硬件设计上易于实现。

3) B场数据特征点比dB/dt的特征点约早3倍。导电特征响应B比dB/dt强, 在衰减曲线上发现较早, 探测的概率也相应提高。

2 实测数据分析
2.1 装备与仪器

采用的发射机为SMARTx4型发射机, 该发射机是EMIT新一代高质量电磁发射系统, 操作可靠、高效、安全, 是一套完整的电磁发射系统, 包含内置GPS同步, 可以匹配任何发电机, 输出高达3.6 kW, 最大持续操作电流40 A, 最大持续操作电压180 V。

接收系统为SMARTem24(如图2), 可以有效地提供最高质量的数据, 是一款坚固、便携、拥有16(8/4可选)通道、基于PC机的电磁系统, 已经成为下一代地球物理电法测量系统的标杆。它支持GPS、石英钟同步, 具有体积小、电池寿命长等优点。

图2 SMARTem24接收机和频率控制器

接收B场参数的探头为SMART磁通门探头(如图3), 可直接观测三分量磁通量密度, 可测量从DC~4 kHz频率范围内的磁场。输入电压为± 12 V ~± 17 V, 输出阻抗为10 Ω 。线性误差< 0.0 015%, 频率响应在0~1 kHz最平, 超过1 kHz最多± 5%。校准误差为± 0.5%, 带宽为0~3 kHz, 对准误差(z轴与参考面之间)< 0.1° 。测量方向是z方向测量, 重量为160 g, 工作温度在-40℃~+70℃之间, 测量范围为± 70 μ T。

图3 SMART磁通门探头

作为对比, 所使用的接收感应电动势的仪器为GDP-32Ⅱ , 探头为GDP-32Ⅱ 配套探头。GDP-32Ⅱ 属美国Zonge工程公司的第四代可控源和天然场源电法和电磁法探测多通道接收机。其设计目的在于采集任何类型的电磁或电场数据, 其设计强调软件的灵活性、最佳的数据质量以及恶劣野外条件下的坚固性。它几乎具有全部中、低频段的电测功能, 可广泛用于固体矿产勘探、工程物探和油气勘探等方面。用于测量感应电动势的探头有效面积为10 000 m2。

2.2 实测曲线分析

在河北某弱干扰地区使用上述仪器装备, 采用磁偶源中心回线装置, 发射线框为200 m× 200 m, 发射电流为15 A, 发射频率为5 Hz, 测量点距为20 m。测量结果如图4所示。

图4 弱干扰地区B场参数与感应电动势实测数据对比分析

从图中可以看出, B场数据衰减比较缓慢, 更有利于对良导体的探测。并且B场数据变化范围只是从0 pT/A变化到110 pT/A左右, 而与dB/dt场数据成正比的感应电动势数据变化范围为-200 μ V到50 000 uV, 这说明B场数据响应的动态变化范围比dB/dt场数据所要求的动态范围窄。

分别采用SM24和GDP32仪器(回线装置), 在该地区的强干扰地区进行探测, 利用SM24的磁通门探测的B场数据, 利用GDP32的磁探头测量的dB/dt场数据。其探测结果如图5所示。

从图5a中可以看出利用磁通门探测的B场数据在整个时间序列内都是比较光滑的, 而利用磁探头测量的与dB/dt场数据(图b)成正比的感应电动势数据在晚期呈锯齿状, 这说明在噪声干扰严重地区, 晚期的dB/dt场数据更容易被噪声淹没, 不利于深部目标体的探测。而晚期的B场数据仍有较高的信噪比, 更利于深部目标体的探测。

图5 强干扰地区B场参数与感应电动势实测数据对比分析

3 结论

传统的瞬变电磁法大多采用磁感应线圈测量二次感应电压参数, 然后再把感应电压参数转换成dB/dt参数进行解释, 导致异常信号较弱, 不利于高分辨探测低阻矿体。笔者开展了瞬变电磁磁场参数的测试分析与应用示范研究。为了实现瞬变电磁法对地下目标体的精细探测, 研究瞬变电磁新装备、新参数、新技术是一种必然的发展趋势。

1)磁通门传感器直接测量B场参数, 而传统的瞬变电磁感应线圈测量二次感应电压来得到磁场的变化率(dB/dt)参数; 磁通门得到的B场数据衰减缓慢, 利于对良导体的探测。

2)与dB/dt场数据相比, 磁通门传感器的特征频率相对较低(往往小于1 kHz), 衰减速度慢, 磁场B数据与磁场变化率dB/dt场数据的幅值范围较大, 受低阻覆盖层影响程度小, 有利于晚期测量。

3)在噪声干扰严重地区, 晚期的dB/dt场数据更容易被噪声淹没, 不利于深部目标体的探测。而晚期的B场数据仍有较高的信噪比, 更利于深部目标体的探测。

目前, 国内对直接测量瞬变电磁B场研究相对较少, 这种传感器的商用化, 为进一步深入研究瞬变电磁法磁场参数特性以及装备国产化提供便利条件。同时, 多道瞬变电磁仪器装备的研发, 为瞬变电磁法磁场参数测定分析研究提供了新的契机。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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