矿产地球物理勘探中的智能化测控仪器

郑谭，白彦超

（华北水利水电大学 机械学院，河南郑州 450045）

地球物理在矿产普查与勘探中发挥着不可或缺的重要作用。探测仪器作为地球物理勘探（以下简称“物探”）的主要工具，是采集数据继而经数据处理和解释成功发现探测目标的关键。随着科学技术的进步，地球物理探测仪器日益向着快捷、轻便，高精度、智能化、自动化等方向发展。

在引进智能化测控仪器时，矿产勘探部门需要充分考虑所购置设备的经济性、可行性和扩展性等问题[1]。本文拟在介绍物探相关智能化测控仪器的发展的基础上，分析各类矿产勘探典型仪器的工作原理和实际应用情况，以期为矿产勘探部门的选择提供参考。

1 我国物探智能化测控仪器的发展概况

地球物理勘探仪器种类繁多，按照勘探对象的物理属性分，可大致分为电法、重力、磁法、电磁法、地震勘探等。井中物探由于探测位置的特殊性，故单独作一类别加以讨论；重力勘探和磁法勘探方法本身在固体矿产勘探中存在一定的局限性，本文不作集中讨论。

1.1 电法勘探仪

电法勘探是以研究对象和围岩之间的电性差异为基础，利用物理学原理，通过观测和分析天然及人工电磁场的空间和时间分布规律，查明地质构造和寻找矿产的一种地球物理方法。电法勘探的发展历史并不长，真正利用地电场进行电法勘探的时间大致始于19世纪末、20世纪初。二十世纪七八十年代以来，电法勘探法在资源、工程、环境等多方面的应用得到迅速发展。我国多家科研院所及厂商在这一时期研制出各类电法勘探仪器，例如北京地质仪器厂的DDJ系列多功能电法仪和DWJ型微机激电仪，重庆地质仪器厂的DZD系列多功能直流电法仪、DDC型电阻率仪及DJF型大功率激电仪，重庆奔腾数控技术研究所的WDJD和WDDS系列、WDA型直流激电仪等，中南大学的双频激电和伪随机多频激电法等。另外，北京地质仪器厂、重庆地质仪器厂和吉林大学骄鹏公司等单位各自开发出的高密度电法仪[2-4]，加快了电法勘探向三维成像方向发展。中南大学多频激电远程测控系统使电法仪器在智能测控方面有了长足的进步。

1.2 电磁法勘探仪

感应类电磁法（例如MT/TEM/CSAMT）借助于天然或人工场源，比直流电法具有更大的穿透深度。20世纪60年代，中国科学院兰州地球物理研究所等研制了大地电磁观测仪器。20世纪80年代后，中国科学院地球物理研究所、长春地质学院、中国地质大学（北京）等相继研发出了低频数字大地电磁测深仪、宽频数字大地电磁测深仪和长周期大地电磁测深仪等[5]。原地矿部物化探研究所、原中南工业大学、北京矿产地质研究院等开展了瞬变电磁仪的研发工作[6]。

21世纪初，多家单位及部门研发出了三维分布式探测的可控源及多功能电磁法仪器[7-10]，随后完成了电磁探测技术、装备和性能的全面升级，具体体现在发射功率、探测深度、抗干扰能力、采集参数数量等方面。其中，作为感应类电磁探测技术的核心，高灵敏度、宽频电磁传感器总体已达到或局部超过国外主流仪器的技术指标。同时，我国还研制出了瞬变电磁法电磁传感器、适用于CSAMT/MT的电磁传感器、高灵敏度三轴分离式磁通门传感器等。这些电磁传感器在一致性、稳定性和重复性方面达到国外同类产品水平。

另外，我国在“十二五”期间研制及发展了分布式多参数高密度电磁探测系统、大功率伪随机广域电磁探测系统和长周期分布式大地电磁观测系统等，具有抗干扰能力强、勘探深度大、分辨率高、工作效率高等优点。国外电磁仪器（例如V8、GDP32、EH4、GMS等）垄断的局面正在逐渐被打破。

1.3 地震勘探仪

地震勘探仪为采集以反射地震波资料为主的反射地震仪，但目前国内外均缺乏针对金属矿勘探的地震采集仪器，多数仍使用油气勘探的有缆数字地震采集设备，例如，法国Sercel公司的428系列、美国I/O公司的System系列、加拿大Geo-X公司的ARAM系列等。近年来，我国在数字地震仪器、MEMS检波器、可控震源等方面均取得了突出进展[11-12]。

由于金属矿产勘探具有地质、地形条件复杂、有效信号弱等特点，因此针对金属矿勘探的地震仪需要满足无缆、轻便、多道、大动态范围等多项要求。可喜的是，国内已经研发出多型号的节点地震仪，例如重庆地质仪器厂EPS便携式数字地震仪、CZS一体化宽频数字地震仪，吉林大学地球探测科学与技术学院无缆遥测地震仪，中国科学院地质与地球物理研究所无缆存储式数字地震仪等[13-14]。 我国还自主研制了轻便分布式遥测地震探测系统，实现小型化扫频可控震源，并兼具大型地震采集系统的高分辨、高保真、实时采集和超万道采集能力[15]。

1.4 井中物探与测井仪

20世纪60年代初，地矿部物化探研究所首台测井仪器问世。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所、重庆地质仪器厂、北京地质仪器厂等多家单位又先后研制出地下电磁波CT、声波CT、井中磁力仪、井中激电测量仪、井中TEM测量仪等井中物探与测井仪器。目前，虽然我国与国外先进水平仍存在较大差距[16]，但在深孔小口径研发、多参数测量、提高发射功率和接收灵敏度、采集自动化等诸多方面均已取得了长足地进步。

近年来，我国攻克了井中电磁波层析成像仪器的耐高温高压以及大功率发射、高灵敏度接收等关键技术，大幅度提高了探测深度和透视距离；突破了井中激电多通道全波形数据采集技术，解决了各通道间串音干扰、多通道同步采集、全波列电法参量提取等技术难题，极大地提高了仪器抗干扰能力和野外工作效率。

2 几种典型物探智能测控仪原理及应用

基于智能物探仪器及配套设备在我国矿产勘探实践中发挥的重要作用，以下拟列举几类典型的物探智能测控仪，对其工作原理及应用情况进行分析。

2.1 多频激电仪远程测控系统

电法勘探典型仪器以中南大学研发的多频激电仪远程测控系统（含通信模块、上位机和下位机）为例进行介绍。

2.1.1 工作原理

该系统是针对多频激电仪中接收机对发送机和控制器无法进行智能远程控制的现状，基于GPRS进行的研发。其通信模块由3块插入SIM卡的DTU组成，以短信方式完成远程数据传输，实现位机间数据通信。上位机为主动站，负责发起连接，对下位机状态监测和功能控制。下位机则为从动站，接收上位机的连接和执行上位机传来的命令，并具报警功能。该系统降低了劳动强度，大幅提高了工作效率[17]。仪器的进一步发展可考虑远程传输效率的提高以及数据实时处理与解释，进而控制野外数据的采集质量和对测量结果的野外实时反演分析。

2.1.2 应用实例

以广西泗顶铅锌矿外围找矿研究项目为例，该项目根据地质研究，总结出成矿规律，并利用测区铅锌矿标本具有较好的激电效应的特点，采用了大功率双频激电法进行了面积性测量。工作人员发现激电异常后，用伪随机三频相位法区分铅锌矿、硫铁矿和寒武系老地层的异常，最后在矿异常区进行微分测深确定矿体的埋深和厚度，为后续工程验证提供了依据。该项目水槽模拟实验中含铅锌矿的标本采用双频激电和伪随机三频相位法所测量结果与实际测量结果有很好的可比性，幅频率异常形态和相位异常特征十分相似。由此判断该异常是由一个陡倾斜的富铅锌矿板状体引起的，有一定的工业价值[18]。

2.2 等值反磁通瞬变电磁系统

电磁法勘探典型仪器以湖南五维地质科技术有限公司与中南大学基于等值反磁通瞬变电磁原理共同研制的HPTEM-08等值反磁通瞬变电磁系统[19]为例进行介绍。

2.2.1 工作原理

区别于传统的瞬变电磁法，等值反磁通瞬变电磁接收线圈处于一次场零磁通平面上，因而接收线圈本身不存在电磁振荡。地质体涡流响应被仪器接收后，对偶中心耦合装置减少了烟圈扩散角度，因而提高了涡流横向聚集，改善了横向分辨率，提高了信噪比和测量精度。该系统操作不受场地限制，消除了关断延迟的电磁耦合效应，在仪器稳定性、校准早期二次场测量、快速反演等方面较为先进。该系统下一步的发展方向可着眼于提升收发线圈轻便化、增强发射功率及实现智能化实时反演等方面。

2.2.2 应用实例

甘肃有色地质调查院曾将该系统应用于甘肃北山地区。该区为极旱荒漠地带，电极接地条件差，不适于电测深法。因此，对由激电中梯扫面成果圈定范围及走向的浅部矿（化）体进行了瞬变电磁测深，目标为探测矿体深部延伸及盲区矿体。由于探测所得瞬变异常主要由矿体和浅部矿化引起，由此可甄别围岩和矿体界线及深部延伸等。本次综合勘探成功查清了该地区多层矿体倾向、延伸等信息。等值反磁通瞬变电磁法在实际施工中充分体现了其方便快捷的特点，解决了传统物探装备繁琐、施工难度大等难题，取得良好的应用效果[20]。

古风化壳型沉积铝土矿床是主要铝矿资源，但其不具有明显的电性特征，应用传统的地球物理方法探测铝土矿不具备明显的物性条件。然而，根据铝土矿富集成矿和地层层序之间的规律，基于等值反磁通瞬变电磁纵向分辨能力，可建立对应地质年代地层的电阻率谱系，根据地层层序电阻率谱系变化规律探测铝土矿。山西省沁源县正义铝土矿是典型的碳酸盐古风化壳型沉积矿床，地层沉积序列从老到新依次为奥陶系峰峰组灰岩—石炭系本溪组铁质黏土层—石炭系本溪组铝土矿—石炭系本溪组黏土层—石炭系本溪组灰岩，对应的电阻率谱系为高阻—低阻—高阻—低阻—高阻。赖耀发、席振铢、张峰等采用HPTEM-08等值反磁通瞬变电磁系统，通过比对多条平行剖面的电阻率谱系，确定了铝土矿空间分布范围，为铝土矿勘查提供了一种新的技术思路[21]。

2.3 轻便分布式多道遥测地震探测系统

国内地震勘探领域的智能仪器以骄鹏科技北京有限公司SE863轻便分布式多道遥测地震探测系统为例进行介绍。

2.3.1 工作原理

该系统由采集站、电源站、交叉站和主控站组成，采用新型32位模/数转换器ADS1282和系列工艺设计，实现了高保真、高分辨率数据采集。智能化电源站可以智能识别主供电电源方向，管理电源输出，充当中继电源，同时兼容子站通信模式。每个交叉站通过电缆可连接4～384个采集站，负责控制采集站的数据采集、管理和上传；同时可自动侦测有线、无线、2G/3G/4G网络连接，激活后与主站构建主干通信，接收主站指令进行数据采集。该系统采用差分电缆传输技术，采集链路通信采用STM32F103芯片，实现了通信及采集单元无址链接；采用独特的混合遥测通信技术，单站链路电缆通信，交叉站间通过电缆、光缆或无线电通信完成控制指令的发送和地震数据的回收，使系统能以交叉站为单元任意布置，适合复杂地形条件下采集单元灵活部署。该系统未来发展可考虑在检波器频带向低频拓展及传输带宽提高等方面。

2.3.2 应用实例

金属矿区地质构造复杂，因此金属矿勘查中的地震探测技术尚处于早期探索阶段，但在利用地震方法探测控矿构造、寻找与隐伏金属矿有关的局部不均匀体等方面已经取得了一些明显的效果，包括：利用反射波地震方法探测沉积层控矿床和控矿构造；利用散射波地震方法探测与矿体有关的地下局部不均匀体，进而确定隐伏矿体的位置[22]等。例如，江西九江—瑞昌地区采用地震方法开展了寻找隐伏火成岩（矿）体的工作。火成岩体是该区隐伏岩体形成的必要条件。该项目采用适合山区工作的SE系列轻便数字地震仪和浅层地震工作站为寻找铜、金、钴等隐伏侵入岩（矿）体提供深部地层和构造资料。地震勘探的目标是探明火成岩岩体规模、空间位置、埋藏深度以及与围岩的接触关系。项目通过采用反射波多次叠加、浅孔小药量震源激发、根据地形情况灵活布设测线等工作方法获得探测数据，与钻探揭示结果有较好的吻合[23]。

2.4 大功率地下电磁波层析成像系统

物探测井仪器以中国地质科学院地球物理地球化学研究所研制出JW-8大功率地下电磁波层析成像系统为例进行介绍。

2.4.1 工作原理

大功率地下电磁波层析成像系统包括有井中电磁波发射机、井中电磁波接收机、地面收录控制器、天线及附属设备等。其中，井中发射机由宽频带功率合成器、可程控频率合成器、输出电压采样/保持、单片机控制器及电源等部分组成；井中接收机由低噪声宽带高频放大器、可程控频率合成器、高增益中频放大器、单片机控制器及电源等部分组成；地面数据收录控制器是电磁波层析成像系统的重要组成部分，主要包括数据采集驱动板、工业控制计算机、液晶显示触摸屏、井下探管驱动控制接口、光码盘深度计数模块等[2]。该系统实现了深井条件下大功率脉冲调制发射（发射机输出功率15 W），耐温、耐压分别达到85℃、25 MPa，最大跨孔透视距离达500 m，探测深度可达2 000 m，最高探测精度可达厘米级。

2.4.2 应用实例

地下电磁波层析成像系统可广泛应用于矿产勘查、地质灾害调查以及工程与水文地质等领域。 如高文利、邱礼泉、李洋等将该系统应用于西藏曲松县罗布莎及康金拉矿区铬铁矿坑道及钻孔间电磁波CT，查明了矿体的形体特征及矿体间空间展布关系，发现了盲矿体；将其应用于安徽池州马头铜钼矿，发现了黄铜矿化异常，确定了其延伸[24]。实践表明，该系统性能稳定，能取得探测距离大于500 m的透视资料，为深部找矿和环境与灾害地质勘查提供了高分辨率技术设备和方法。

3 结语

综上所述，智能化测控仪器在矿产地球物理勘探中发挥着重要作用。在进行物探过程中，应根据探测对象的物性特征，灵活选用适宜的地球物理勘探仪器，在取得良好的地质勘探效果的基础上，力求获得高质量的采集数据，达到较高的工作效率，降低野外劳动强度和勘探成本，这也是勘探成败的关键因素。自主研发出具有独立知识产权的、技术先进的高精度智能仪器及配套设备，打破国外产品的垄断局面，依旧是亟需我国地球物理勘探行业解决的问题。