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物探与化探, 2024, 48(6): 1479-1485 doi: 10.11720/wtyht.2024.0169

“地球物理仪器新技术”专栏（特约专栏主编：邓明）

便携式等值反磁通瞬变电磁系统及试验应用

周胜,1,2,3, 陈兴朋,2, 王俊4, 亓庆新2, 张志清4, 潘纪敏2, 席振铢3, 羊春华1

1.湖南省地球物理地球化学调查所,湖南 长沙 410014

2.湖南五维地质科技有限公司,湖南 长沙 410205

3.中南大学 地球科学与信息物理学院,湖南 长沙 410083

4.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司,云南 昆明 650031

Portable opposing-coils transient electromagnetic system and its application tests

ZHOU Sheng,1,2,3, CHEN Xing-Peng,2, WANG Jun4, QI Qing-Xin2, ZHANG Zhi-Qing4, PAN Ji-Min2, XI Zhen-Zhu3, YANG Chun-Hua1

1. Geophysical and Geochemical Survey Institute of Hunan Province, Changsha 410014, China

2. Hunan 5D Geosciences Co., Ltd., Changsha 410205, China

3. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China

4. POWERCHINA Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650031, China

通讯作者: 陈兴朋(1986-),男,2012年硕士毕业于中南大学,从事电磁法仪器的开发与应用研究工作。Email:bantianfeng@foxmail.com

第一作者: 周胜(1985-),男,2022年博士毕业于中南大学,主要从事电磁法勘探理论与仪器装备研发工作。Email: zhousheng.11@163.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2024-04-15   修回日期: 2024-07-12  

基金资助: 中国电建基础研究项目(DJ-HXGG-2023-16)
湖南省地质院青年骨干项目(HNGSTP202448)

Received: 2024-04-15   Revised: 2024-07-12  

摘要

为改善浅层工程勘查中小回线瞬变电磁系统存在的设备质量过大、收发互感严重及人力需求高等问题,本研究基于等值反磁通瞬变电磁原理,计算了广义等值反磁通天线装置的磁场分布,设计制作了高效、便携天线并配套了相应系统。后续野外试验表明,该便携式等值反磁通瞬变电磁系统在确保勘探精度的同时,有效削弱了收发天线互感现象,显著减轻了人力需求,提高了勘查效率,初步验证了系统的可行性,为小型化浅层勘查设备的发展提供了新的技术路线。

关键词： 瞬变电磁; 等值反磁通瞬变电磁装置; 便携式天线

Abstract

In shallow engineering investigations, the small-loop transient electromagnetic (TEM) system is challenged by limitations such as overweight equipment, significant transmitter-receiver mutual inductance, and high manpower requirements. Hence, this study introduced an improved system. Based on the opposing-coils transient electromagnetic (OCTEM) theory, this study calculated the magnetic field distribution of the generalized opposing-coils antenna device. Furthermore, it designed and developed efficient portable antennas and the supporting system (collectively referred to as the portable OCTEM system). Subsequent field experiments demonstrate that while ensuring exploration accuracy, the portable OCTEM system can enhance the investigation efficiency by effectively mitigating the transmitter-receiver mutual inductance and significantly reducing manpower requirements. This study preliminarily verifies the feasibility of the portable OCTEM system, providing a novel technology route for developing downsized shallow exploration equipment.

Keywords： transient electromagnetic (TEM) system; opposing-coils transient electromagnetic (OCTEM) device; portable antenna

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本文引用格式

周胜, 陈兴朋, 王俊, 亓庆新, 张志清, 潘纪敏, 席振铢, 羊春华. 便携式等值反磁通瞬变电磁系统及试验应用[J]. 物探与化探, 2024, 48(6): 1479-1485 doi:10.11720/wtyht.2024.0169

ZHOU Sheng, CHEN Xing-Peng, WANG Jun, QI Qing-Xin, ZHANG Zhi-Qing, PAN Ji-Min, XI Zhen-Zhu, YANG Chun-Hua. Portable opposing-coils transient electromagnetic system and its application tests[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(6): 1479-1485 doi:10.11720/wtyht.2024.0169

0 引言

1933年美国科学家Blau[1]提出了利用电偶源时间域电磁场进行石油地质勘探。20世纪30年代末,苏联专家Кpaев A Π提出利用瞬变电磁信号解决地质构造测深问题[2],Тихонов A H等论证了建立远场测试法的可能性[3]。20世纪30~50年代期间,受制于第二次世界大战,世界经济严重衰退,用于地质勘探的瞬变电磁法的发展一度停滞不前。直至战后50年代,世界经济的发展对金属矿及石油需求急剧增大,才促使瞬变电磁法重新回到了地球物理学家的视野。1951年Wait J R基于在示波器屏幕上观测到的由快速增长(或减小)的磁场激发导体形成的涡流场衰变电压[4],提出了利用瞬变电磁场法寻找良导矿体的概念,奠定了现代瞬变电磁观测发展的物理基础。20世纪50年代后,Cидоров等[5]建立了近区建场测深方法,Куфманн[6]建设性的完成了瞬变电磁的一维正反演工作,完善了瞬变电磁解释理论,建立了野外工作方法,促使瞬变电磁法走向了勘探地球物理的前台。20世纪60年代~70年代,瞬变电磁法的发展处于边使用边摸索的阶段,该时期前苏联运用瞬变电磁法在奥伦堡发现了大油田,进一步推进了瞬变电磁的快速进步。基于计算机技术的不断发展,20世纪90年代中期,随着单片机及嵌入式系统的应用,国际上通用瞬变电磁仪不断更新,具有代表性的设备有加拿大Geonics公司的EM47、EM57、EM67,美国Zonge公司的GDP32-NanoTEM系统,加拿大Phoenix公司V8多功能电法工作站的瞬变电磁系统,澳大利亚CSIRO公司的SIROTEM系统以及TerraTEM瞬变电磁系统[6⇓-8]。

自20世纪70年代开始,国内通过学习苏联、加拿大和澳大利亚的瞬变电磁理论和技术,开展了瞬变电磁理论、应用研究以及仪器研制工作。吉林大学(原长春地质学院)、中南大学(原中南工业大学)、中国地质大学(北京)、长安大学、中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(物化探所)、中国有色金属工业总公司矿产地质研究院、煤炭科院研究院西安研究院等国内一批研究型应用单位开展了瞬变电磁方法的理论研究、正演计算、试验研究等工作,多数研究单位通过学科交叉,研制了瞬变电磁仪器,代表性的设备有物化探所研制的WDC-1、WDC-2和IGGETEM-20系统,中南工业大学产学研成果SD-1、SD-2和MSD-1系统,吉林大学研制的ATEM瞬变电磁系统,北京矿产地质研究所研制的TEMS-3S系统,重庆奔腾数控技术研究所研制的WTEM瞬变电磁系统等。

2000年以后,很多学者致力于瞬变电磁小线框的发展,并进行了大量的研究[9⇓⇓⇓-13],多次提到了瞬变电磁过渡过程、磁滞效应,尤其是关断时间[14⇓-16]会影响瞬变电磁的浅部分辨率[17],接收天线的阻尼状态直接影响了瞬变电磁衰减曲线[18]。2010年后,国内学者席振铢教授提出了等值反磁通瞬变电磁法[19⇓-21],付志红教授提出了跨环消耦技术[22],削弱了发射天线与接收天线之间的互感,获取瞬变电磁纯二次场,解决了浅层勘探盲区问题[23],两个科研团队经过近十年的研究,分别向市场推出了等值反磁通瞬变电磁系统产品(HPTEM-18等)和高分辨瞬变电磁系统FCTEM系列产品。

面对浅层工程勘查现有的小线圈瞬变电磁系统比较笨重,需要3~4人同时作业等问题,本文给出了一种新型等值反磁通瞬变电磁天线设计,研制了成套的便携式等值反磁通瞬变电磁系统,该系统巧妙的削弱了收发天线的互感,通过系统集成,基本满足单人作业的需求,大大提高了工作效率。

1 便携式瞬变电磁天线设计

等值反磁通瞬变电磁法(opposing-coils transient electromagnetics,OCTEM)采用上下两个平行共轴的反向串联磁性源做为发射源,接收天线位于上下磁性源共轴的水平面上(见图1),上下两个磁性源在接收水平面上产生的磁场具有等值反磁通特性,这种消除收发天线互感的聚焦瞬变电磁测深方法被称为等值反磁通瞬变电磁法[19]。面向瞬变电磁勘探市场,该装置已经有了非常成熟的产品,即HPTEM-18系统(图2),并且在铁路、公路、水电、煤炭、地矿、地调等勘探单位广泛应用,已经取得了良好的效果。该系统直径60 cm,重量17 kg,面对超浅层快速瞬变电磁勘探,难以单人操作实现快速勘探的效果。

图1

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图1   等值反磁通瞬变电磁装置示意

Fig.1   Schematic diagram of the opposing-coils transient electromagnetic system


图2

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图2   等值反磁通瞬变电磁HPTEM-18系统

Fig.2   The opposing-coils transient electromagnetic system of HPTEM-18


为了解决等值反磁通瞬变电磁缺乏便携和小型化的问题,本文提出了广义等值反磁通瞬变电磁的装置,该装置采用上下两个平行共轴的反向串联磁性源为发射源,通过磁场计算,将接收天线位于上下磁性源共轴的一次场零磁通面上。广义等值反磁通瞬变电磁装置除包含现有的等值反磁通装置外,还存在另外两种结构:其一,发射线圈Tx+与反磁线圈Tx-面积等大,Tx-的匝数少于Tx+,定义这种结构为广义等值反磁通瞬变电磁α装置(图3a),简称广义α装置;其二,Tx-的面积小于Tx+,两者之间的匝数不同,但是为了保证Tx+发射一次场的能量更强,Tx-的匝数应少于Tx+,定义这种结构为广义等值反磁通瞬变电磁β装置,简称广义β装置(图3b)。

图3

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图3   广义等值反磁通瞬变电磁α装置(a)和β装置(b)

Fig.3   Generalized opposing-coils transient electromagnetic α device (a) and β device (b)


从圆形载流线圈的矢量势出发,通过求取圆形载流线圈在另一个接收平面产生的磁通量,来分析收发线圈之间的互感。如图4所示,以半径a、电流I的圆形载流线圈中心为原点,建立柱坐标系,单位向量为: uρ、uθ、uz,其中r’为坐标原点O到场源点P'(ρ',θ',z')的位置矢量OP'⇀,r为坐标原点到任意空间位置点P(ρ,θ,z)位置矢量OP⇀。

图4

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图4   圆形载流线圈磁场计算柱坐标系

Fig.4   Coordinate system of the circular current-carrying coil magnetic field calculation column


在磁导率为μ0,介电常数为ε0,电导率σ0=0的自由全空间范围内,圆形载流线圈产生的矢量势A为[24]:

Ar=∫VJr'Gr,r'dV',

经推导,自由空间中瞬变电磁发射电流平台期直流线圈的矢量势为:

A=Aθuθ=I4aρ　4πρ2−q2Κq−2Εqquθ。

通过矢量叠加原理可计算得到广义α、β装置Bz的平面和垂直轴线分布,从而获得上下两个零磁通面(图5、图6)。

图5

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图5   广义α装置轴线切面磁场Bz=0分布(a)和轴线磁场Bz分量(b)

Fig.5   Bz component of the magnetic field on the axis (a)and magnetic field Bz=0 on the axial plane (b) of the generalized α device


图6

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图6   广义β装置轴线切面磁场Bz=0分布(a)和轴线磁场Bz分量(b)

Fig.6   Bz component of the magnetic field on the axis (a)and magnetic field Bz=0 on the axial plane (b) of the generalized β device


最终选用广义β装置实现便携式等值反磁通瞬变电磁设计,其中Tx+的直径为24 cm,线圈匝数为35;Tx-的直径为12 cm,匝数为17;接收天线Rx的直径为6 cm,分4段绕制,每段400匝,接收总面积7.5 m2;通过11倍前放实现信号放大,最终接收有效面积为82.5 m2,谐振频率为140 kHz(图7)。

图7

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图7   基于广义β装置的便携瞬变电磁天线

Fig.7   Portable transient electromagnetic antenna base on generalized β device


2 系统组成及主要参数

便携式等值反磁通瞬变电磁系统由便携式等值反磁通瞬变电磁天线和主机两部分组成,通过Wifi可以连接PC电脑,Phone手机或Pad平板电脑进行数据采集(图8)。

图8

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图8   便携式等值反磁通瞬变电磁系统结构

Fig.8   Structure diagram of the portable opposing-coils transient electromagnetic system


其主要参数如下:

天线类型:广义等值反磁通瞬变电磁天线,具备零互感特性;

接收等效面积:82.5 m2;

谐振频率:140 kHz;

质量:1.75 kg;

体积:直径24 cm,高18 cm;

发送波形:占空比50%的双极性方波;

发送电流: 15A@12V;

发送频率:2.5~250 Hz;

关断时间:0.5 μs@阻性负载;

接收分辨率:24位;

接收机噪声:10 nV/Hz;

接收采样率:625 kHz;

最早采集时间:1.6 μs;

时间道:最大1 250时间道;

工作温度:-30~+50 ℃。

3 试验应用

拟建场为某输电线路塔基,位于广西壮族自治区钦州市灵山县青塘镇,塔基地形平坦,丛林密布,第四系覆盖层主要为黏土,下伏基岩为岩屑砂岩、泥质粉砂岩、页岩。采用便携式等值反磁通瞬变电磁系统(图9)对某塔基区域进行地球物理探测工作,结合地质条件,查明地下50 m深度范围内为采空区、岩石破碎富水区等不良地质体,为后期塔基施工提供基础资料。此次试验应用,具体施工现场如图10a所示,采用定点测量方式,在塔基范围内布设3条平行间隔6 m的测线(如图10b),点距2 m,发射频率25 Hz,叠加次数500次,重复观测2次。图10c为L0线38 m点的衰减曲线,两次观测数据高度重合,误差小于3%。

图9

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图9   便携式等值反磁通瞬变电磁系统实物

Fig.9   Physical diagram of the portable opposing-coils transient electromagnetic system


图10

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图10   便携式等值反磁通瞬变电磁系统野外试验应用

a—现场试验应用;b—某输电塔基测线布置及异常投影;c—L0线38 m测点观测数据;d—探测断面L0;e—探测断面L6;f—探测断面L12

Fig.10   The application of portable opposing-coils transient electromagnetic system

a—field test application;b—layout of measurement lines and abnormal projection diagram for a certain transmission tower foundation;c—observation data of L0 line 38 m measuring point;d—section diagram of L0;e—section diagram of L6;f—section diagram of L12


如图10d所示,便携式等值反磁通瞬变电磁反演电阻率断面显示,浅部电阻率普遍较低,推测为覆盖层(黏土)的反映,图中洋红色线条推测为土石界线;覆盖层以下,电阻率等值线出现扰动、扭曲、相对低阻团块,结合地质调查,推测低阻凹陷、低阻团块为采空区、岩石破碎富水区域。

4 结论

本文设计了便携式的等值反磁通瞬变电磁天线,实现了小型化和单人操作模式,通过野外实际测量,采集数据方便快捷,采集的数据反演效果良好,大大节省了人力、物力,证明了便携式瞬变电磁系统的试制初步成功。后续课题组将进一步优化主机和天线总体便携设计,增强系统的单人操作性,通过大量野外应用来验证系统的可靠性,并寄希望该系统能在浅层勘探中发挥重要作用。

致谢

感谢中国地质大学(北京)王猛教授给予的建议和鼓励。

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