金属矿勘探中的物探仪器

2013-12-11编辑部,刘国栋

地质装备 2013年1期

3 高精度磁力仪

加拿大GEM公司是专门研发和生产磁力仪的专业公司，已有三十多年历史。其生产的磁力仪被公认为磁力仪的标准系列。该公司研发和生产的磁力仪共有7个系列，每个系列中都有多个品种。但在矿产资源勘探中最常用的是GSM－19TV7标准质子磁力仪及梯度仪和GSM－19Overhauser高精度磁力仪及梯度仪。

2004年至2011年，国内有关单位从该公司购买了1000多台标准质子旋进磁力仪和近百台高精度Overhauer磁力仪以及近200台（套）标量磁力仪、钾光泵磁力仪、矢量磁力仪和磁通门磁力仪。

3.1 产品型号

1）GSM－19TV7质子磁力仪

GSM－19T质子磁力仪的应用领域主要包括：磁场填图、矿产资源勘探、石油天然气构造普查、考古、地震预报等。

图27 GSM－19TV7质子磁力仪

GSM－19T质子磁力仪系列产品包括六种型号：

（1）GSM－19T标准质子旋进磁力仪；

（2）GSM－19TW标准质子旋进磁力仪＋步行模式（walkmag）；

（3）GSM－19TV标准质子旋进磁力仪＋甚低频；

（4）GSM－19TG标准质子旋进仪＋梯度模式（gradmag）；

（5）GSM－19TGW 标准质子旋进磁力仪＋梯度模式＋步行模式；

（6）GSM－19TGWV标准质子旋进磁力仪＋梯度模式＋步行模式＋甚低频。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力仪

Overhauer磁力仪是运用GEM公司的独特技术开发出来的高精度磁力仪，它具有比普通磁力仪更多的优点，分辨率和灵敏度和光泵磁力仪相当，但操作更简单、使用更方便，而且价格相对光泵磁力仪更优惠，必将成为未来高精度磁测的主流产品。

Overhauser高精度磁力仪的应用领域主要包括：高精度矿产资源探测、含油气盆地构造探测、工程和环境勘探、地下埋藏物和管线探测、地震和火山前兆观测、考古、对物质磁性的高精度测量等。

GSM－19Overhauser高精度磁力仪系列产品包括九种型号：

（1）GSM－19Overhauser高精度磁力仪；

（2）GSM－19WOverhauser高精度磁力仪＋步行模式；

（3）GSM－19VOverhauser高精度磁力仪＋甚低频；

（4）GSM－19GOverhauser高精度磁力仪＋梯度模式；

（5）GSM－19GV Overhauser高精度磁力仪＋梯度模式＋甚低频；

（6）GSM－19WV Overhauser高精度磁力仪＋步行模式＋甚低频；

（7）GSM－19GW Overhauser高精度磁力仪＋梯度模式＋步行模式；

（8）GSM－19GWV Overhauser高精度磁力仪＋梯度模式＋步行模式＋甚低频；

（9）GSM－19GW4Overhauser 4个探头 Overhauser步行磁力梯度仪。

注：上述型号均可配备内置GPS模块（选件）。

图28 Overhauser高精度磁力仪

3.2 技术指标

1）GSM－19TV7质子磁力仪

灵敏度：0.05nT（1s采样间隔），0.05（4s采样间隔）；

分辨率：0.01nT

绝对精度：±0.2nT

动态范围：20000到120000nT

梯度容差：＞7000nT／m

采样率：日变站时3～60s可选，移动观测等待时间3～10s可选，步行模式0.5～2s可选，快速步行模式0.2～2s可选。

温飘：0.0025nT／℃（环境温度为0～－40℃）；0.0018nT／C（环境温度为0～＋55℃）

工作温度：－40℃～＋55℃

尺寸及重量：

主机：223×69×240mm，重2.1kg；

传感器：170mm（长）×75mm（直径），重2.2kg

工作模式：

流动站：mobile、grad时手动观测（3～10s同步等待，可无等待测量）；walk、walkgrad模式时0.5～2s间隔自动采样（可扩展至0.2s），测量输出点线号、磁场值、信号质量、测量时间、梯度值（梯度模式时）、点位坐标（使用内置GPS时）。

基点站：3～3600s可选，自动读取磁场值，输出磁场值、时间和信号质量。

遥控：可选择RS232接口进行远程控制和实时传输。

输入与输出：RS232接口数字输出或应用6针防水插头（选项）作模拟输出。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力仪

灵敏度：＜0.015nT

分辨率：0.01nT

绝对精度：±0.1nT

动态范围：20000到120000nT

梯度容限：＞10000nT／m

采样率：步行模式 Overhauser：2，1，0.5，0.2s；

基站Overhauser：3～60s

温飘：0.0025nT／℃（环境温度为0到－40℃）；

0018nT／℃（环境温度为0到＋55℃）

工作温度：－40℃～＋55℃

尺寸及重量：

主机：223×69×240mm，重2.1kg

探头：175mm（长）×75mm（直径），重1.0kg

工作模式：

流动站：根据配置选项可实现单点采样或连续采样（配置步行模式时）

基站：每3～3600秒自动存储一次观测值、时间、日期和信号质量

遥控：可选择RS232接口进行遥控测量或数据实时传输

输入与输出：RS232接口数字输出或应用6针防水插头（选项）作模拟输出

3.3 设计原理

1）GSM－19TV7质子磁力仪

GSM－19TV7标准质子磁力仪利用富含质子氢的液体产生旋进信号。它使用的液体可以提供非常高的氢密度，并且在操作时没有危险。

让极化直流电流通过绕在富含质子氢液体探头的线圈上，便会产生100高斯（Gauss）的辅助磁通密度。质子被极化至较强的净磁化强度，与较强的磁通密度达到热平衡。

当辅助磁通终止时，被“极化”的质子即发生旋进而重新恢复为正常的磁通密度状态。根据以下公式，质子的旋进频率f。与磁通密度B（单位为特斯拉Teslas，T）有直接关系：

对质子旋进的测量必须按序进行，即先有一个初始极化，接着进行频率测量，然后这个循环不断重复。这不同于在氢核被极化的同时进行旋进测量的连续测量法。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力仪

当把特殊的含有不成对电子的液体与氢原子结合起来、并在射频（RF）磁场的极化下便产生Over－hauser效应。也即不成对的电子将其自身的极化强度传输给氢原子后，产生了很强的进动信号，这种进动信号对总磁场强度值具有很高的灵敏度，并可用简单的方程式表达。于是通过测量进动信号，便可测出总磁场强度。此种磁力仪称为Overhause磁力仪。

由于产生射频（RF）磁场所需的能量很小，并且其频段处于进动信号频率之外，从而消除了测量噪声，所以Overhauser磁力仪功耗特别低，精度很高。此外，射频磁化过程和进动信号的测量过程可以同步进行，因此观测效率高，可以高速采样。

Overhauser磁力仪探头是专利性创新产品，它是电子学设计和量子磁力化学的最佳结合。在电子学方面，探头内含有反向串联的双拾取线圈，以压制环境噪声干扰，例如大气噪声等。在量子磁力化学方面，探头内充填属于公司专利的溶有自由电子的富氢液体，从而增加了在射频极化磁场作用下所产生的进动信号强度。在材质方面探头尺寸很小，很轻又牢固。探头的所有材质都是经过仔细选择的非磁性物，以最大地提高信噪比。探头方向性很小，在赤道附近也可对磁场进行精确地测量，在野外测量时可以不必注意探头的放置方向。

3.4 主要性能及特点

1）GSM－19TV7质子磁力仪

GSM－19TV7质子旋进磁力仪采用了大量新技术，因而性能及精度远高于其它质子旋进磁力仪。

（1）全方位磁探头，无指北要求，非常有利于野外工作；

（2）灵活设置测线号和测点号；

（3）具有观测质量监控功能，可以及时处理质量不合格的数据；

（4）可在主机屏幕上实时显示观测磁场变化曲线；

（5）通过RS232接口，快速下载或上传观测数据，速率高达115200bps；

（6）分辨率高达0.01nT，灵敏度达0.05nT，绝对精度±0.2nT，在所有质子磁力仪中水平最高；

（7）具有独一无二的编程式（预设）基站观测功能，软件进行日变校正；

（8）使用GSM－19T的 Walking Mag采集模式仪器可以按照预设的时间间隔自动读取磁场值，从而获得近乎连续的观测剖面；

（9）配置GPS时（可选），用户可以在办公室内把设计好的观测点位坐标输入到仪器，在野外就可以实现导航定位功能；

（10）基站观测和野外流动观测之间具有高精度的时间同步，这对于在磁干扰地区和保证高精度的观测结果是非常重要的。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力仪

Overhauser磁力仪把高精度的数据采集，高工作效率和高度稳定性有效地结合在一起，它的观测精度与昂贵的铯光泵一致，但在稳定性和功耗具有独到的优点。

（1）高灵敏度、高分辨率（5m或1m）和高观测精度，操作速度快（每秒可达5个数据）；

（2）超级全方位磁探头；

（3）测量之前无需预热，易于野外操作；

（4）最小采样间隔0.2s，可在测线上获取近乎连续的磁场数据；

（5）32Mb大容量存储器，在移动模式可存1465623个读数；基站模式可存5373，951个读数；步行模式可存2，686975个读数；梯度模式可存1240142个读数；

（6）具有独一无二的编程式（预设）基站观测功能；

（7）最高支持115200bps快速数据传输；

（8）可搭配内置高精度GPS（DGPS），实现实时导航、定位功能，定位精度可达1m以上。

（9）温度范围宽（标准型从－40℃～＋55℃；可选型从－55℃～60℃），可在极端的气候条件下使用；

（10）牢固的硬件的设计，使用寿命长，适应性强；

（11）几乎无需保养，确保了更低的使用成本。

3.5 使用方法

在确认探头与主机连接良好后，按下前面板键盘的B键开机接通电源，在主菜单中按A键选择调查模式，一种为移动，一种为基站。选择好模式后再进行菜单的设置，基值可根据所处地区的地球基本磁场值（查表）进行设置，设置好后按A键开始观测。观测完成后，把主机与电脑连接，按1键进行数据传输，传输速率自行选择，传输完毕后，此过程完毕。日变校正方法：打开采集软件选择工具，选中日变校正后，分别导入基站文件和移动站文件，按确认日变校正键即完成。

注意事项：磁力仪内置电池为12V2.2Ah可充电蓄电池在长时间不使用的情况下也要定期充电，否则会大大减少蓄电池的使用寿命。在充电时先要把充电器与主机连接好再接通交流电源。

3.6 应用实例

图29为利用GSM－19T质子磁力仪和梯度仪对河北某铅锌矿区进行磁法扫描的总场异常（左）和梯度异常（右）平面图，图中黑色实线为地质界线，本区覆盖层为张家口组火山岩，局部有太古代老地层和斑岩岩体出露，测区南部为一古代火山口，并有两条北东向断裂穿过测区。根据标本物性测定结果，张家口组火山岩层磁化率高而乱的特征，斑岩岩体和太古代老地层岩石这磁化率较低。

从总场磁异常图中可以看出，其异常特征基本反应出了该区地质特征：测区西南绿色和浅蓝色区域和斑岩岩体对应，北侧的弱磁异常（蓝绿色或青色部分）为太古代老地层出露区或第四系覆盖区，测区中部和东南部测线边缘的红色区域（高磁异常）则对应于张家口组火山岩出露区，西南部突出部分红色区域为破碎火山口异常，中南部北东向绿色区域则和一穿过测区的北东向断裂对应。但是从图中也可以看出，异常梯度变化带（红色和绿色交界区域）和已知地质界线并非完全对应，该变化带相对已知地质界线整体向南平移了（这是北半球磁异常的一般特征）。因此我们对该区进行了梯度测量（右图），从图中可以看出所有地质界线和梯度异常变化完全对应，取得了非常好的地质解释结果。

图29

4 SummitⅡplus地震仪

多数金属矿床产于岩浆岩和变质岩环境下，它们往往没有明显的波阻抗差；同时多数金属矿床，在山区，地形复杂不便施工，常规地震数据处理方法效果不佳，因此在金属矿床勘探中很少使用地震方法。

近年来随着超轻便型地震仪的研制成功，以及地震数据处理方法的提高，在金属矿勘探中地震方法逐渐引起人们的重视。

4.1 金属矿地震数据处理方法

北京浓特森公司薛爱民博士开发了多项金属矿地震勘探数据处理技术并在金属勘探中获得很好效果。

4.1.1 无拉伸动校正技术和叠加成像技术

图30为无拉伸动校正道集，右图为常规的动校正道集。可见常规动校正经过拉伸切除浅部数据后，所剩数据很少。无拉伸动校正保留了大部分数据，没有降低叠加次数，降低了噪声。

4.1.2 无射线层析静校正技术

在山区，地表条件不好，不仅地形起伏大，最主要是基岩裸露，静校正问题严重。一般的折射波静校正和射线层析静校正方法不能有效获取静校正量。无射线层析成像静校正为山区地震勘探提供了有效的工具。图31说明了常规层析静校正在求取速度结构时引起的射线阴影区问题，图中椭圆体代表地表不均匀或基岩裸露区，地震射线在此被偏转，导致静校正错误，影响速度求取。无射线层析静校正应用有限差分法对速度结构进行计算，从而避免了此类问题，提高了静校正的精度。

4.1.3 起伏地表叠前偏移技术

图32（上）是计算模型，包括地地表起伏和复杂的浅邮构造。

图32（中）是常规的叠加前偏移技术，可见地表起伏影响很大，浅部构造成像失真。

图30

图31 常规层析成像校正方法中遇到浅层不均匀体引起的阴影区问题

图32（下）是起伏地表叠加前偏移技术，可见成像结果真实的反映构造特点。

图32

4.2 地震法在金属勘探中的应用实例

4.2.1 圈定与成矿有关的岩体

由于岩体内部不存在波阻抗差，所以没有反射信号出现，在反射剖面上是透明的，见图33。图中断裂是根据反射波组的相位差圈定的。

图33 某地矿体与侵入岩密切相关，地震剖面可见到非常好的岩体反映。

4.2.2 探测岩体接触带的矿体赋存部位

该区浅层有较好的反射界面存在，呈似弧形分布，但深层没有反射信息，图34浅层似弧形反射带是岩体与围岩的接触带，矿体分布在接触带内，深部反射透明体是岩浆侵入体。

图34 低频剖面，可见到矿体基本轮廓

4.2.3 圈定矿体赋存地带

爱尔兰的Navan铅锌矿赋存于深650m的灰岩之中，为探测深至1000m的控矿构造和矿产发育情况，采用Summit地震仪进行了详细的反射法地震勘探。地震反射剖面如图35a所示，结合钻井资料解释后的地质断面如图35b所示。可见矿体在深部呈层状展布并被次级断裂切割。

图35

4.3 SummitⅡplus地震仪

SummitⅡplus地震仪是德国DMT公司研发的最新一代地震数据采集系统。DMT公司位于德国埃森高技术园区，它已有150多年历史，其营业范围包括物探仪器研发和生产，承包和咨询物探测量任务以及资料处理和解释，矿山和工程设计，安全开采，煤炭综合利用等众多领域。

SummitⅡplus地震仪的前身是Summit地震仪。Summit地震仪自1997年进入中国市场，共有用户48家，总道数约12000道。它们分布在煤田勘探，石油勘探，中国地震局系统，地矿系统，水利系统，高等院校和研究单位。Summit地震仪在中国的8年应用中获得了用户的好评，同时用户也对使用中的问题提出了很多宝贵意见。德国DMT公司针对这些意见和世界上地震仪的发展趋势，2006年初推出了新一代“SummitⅡplus地震仪”，至2011年，SummitⅡplus地震仪在中国已拥有用户33家。使用表明，SummitⅡplus非常稳定，几乎无故障，操作方便，生产效率高。

图36 SummitⅡplus地震仪

4.3.1 技术指标

采样率：1／48，1／32，1／16，1／8，1／4，1／2，1，2，4，8ms

道记录长度：0.5K，1.0K，1.5K……

120K动态模式；

40K动态模式，包括叠加；

60K可控震源模式；

30K可控震源模式；包括叠加

采集站道数：2

前放增益：0dB，20dB or 40dB

分辨率：24位

最大输入信号：2.0Vpp，5.6Vpp

输入阻抗（差分方式）：20kΩ

瞬时动态范围；≥120dB

等效输入噪声：＜0.2μv＠2ms

道间串音抑制：≥112dB道间

全谐波畸变：≤0.0005%

共模抑制：≥100dB

增益精度：1% （所有道之间）

时间精度：5ppm（所有道之间）

模拟去假频率波器：7，2kHz，6dB／频程

低切滤波器：1Hz，6dB／频程

重量及尺寸：1.2kg，190×160×80mm

工作温度：－30℃～＋80℃

电源电压：9～36V

数字去假频滤波器：19.2KHz＠1／48ms；12.8KHz＠1／32ms；6.4KHz＠1／16MS；3.2KHz＠1／8MS；1.6KHz＠1／4MS；800Hz＠1／2MS；400Hz＠1ms；200Hz＠2ms；100Hz＠4ms；50Hz＠8ms

带通波纹：＋／－0.05dB

内置测试功能：正弦波、脉冲、仪器噪声、检波器节跃、扫描信号传输、自相关

系统检测：电池电压、等效输入噪声、畸变、瞬时动态范围、共模抑制比、道间串音、时间精度

检波器检测：阻抗、自然频率、噪声、阻尼

功耗：平均0.7W

4.3.2 设计原理

从图37可见，来自检波器的信号通过模拟开关（控制测试功能）后，可由变增益前放放大，再由山双24位A／D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后由高性能信号处理器DSP按程序菜单进行各种控制和数据处理，例如地震数据采集参数设置，各种功能和技术参数（包括检波器参数）测试，垂直叠加处理，叠加相关和替加相关以及随机相关处理等等。可编程存储器和程序存储器负责负责程序修改和存储，数据存储器负责地震数据的临时存储，数据传输负责将地震数据传输给主机。图37右半部分是电源设计原理，电源由微控制器控制，保证±5V的稳定输出。