多极化大地电磁系统及其在金属矿勘探中的应用

韦洪兰，龙 霞，席振铢，陈兴朋，王 亮，王 威，薛文韬

(1.湖南五维地质科技有限公司； 2.中南大学地球科学与信息物理学院)

引 言

大地电磁法最早是20世纪50年代初由苏联TIKHONOV A.N.和法国CAGNIRD L.提出的[1]。该方法基于天然源平面电磁波测深理论，通过观测和分析某一频段的天然交变电磁场，来评估地下某一深度的电性结构分布。根据频率范围，在传统大地电磁法基础上先后发展出音频大地电磁、高频大地电磁和射频大地电磁[2-3]。这类方法成本低，工作方便，探测深度浅可达几米，深可达数百千米，具有不可替代的优势，因而在探测金属矿产资源、地下水资源、地热资源及地质灾害、解决工程地质问题等方面都持续发挥着巨大的作用[4-14]。

近年来，大地电磁法在中国发展迅速，高等院校和科研机构对大地电磁法仪器的研究方兴未艾[15-20]。但是，应用于生产实践的大地电磁类仪器主要还是依赖于进口，如加拿大Phoenix公司的V-8系统，美国EMI公司的EH-4系统和德国Metronix公司的GSM-07系统等[20-22]。引进国外先进仪器或许可以解决一时的具体勘探问题，但是不能长久依赖于国外设备，受制于人。因此，亟需研制出具有自主知识产权的大地电磁仪。

多极化大地电磁系统是由湖南五维地质科技有限公司和中南大学合作研制的。该设备采用一套电磁场传感器观测1～105Hz频段的天然电磁场，实现2 000 m以浅测量。该系统具有2磁道、3电道，可实现传统的大地电磁法矢量或标量观测，其3电道的设置便于实施共点多极化测量，即针对1个测点在某个方向上采用3个不同的电极距观测电场，从而获得不同空间范围的电场信息，以解决复杂地形和三维地质体电磁测深引起的静态效应问题。

1 方法原理

多极化大地电磁系统工作原理与传统各类大地电磁法一样，都是基于天然源平面波电磁测深理论，通过在地表同时观测不同频率、水平方向的电场和磁场，并转化为频率域的卡尼亚视电阻率，根据不同频率的趋肤深度不同，来获得不同深度的电阻率分布信息。

观测电场的方式是，先测量电极M、N之间的电位差，以及二者水平间距，再通过公式计算求得电极M、N之间的平均电场强度EMN：

(1)

式中：EMN为电极M、N之间的平均电场强度(V/m)；UMN为电极M、N之间的电位差(V)；LMN为电极M、N之间的水平距离(m)；E为电极M、N之间的点电场强度(V/m)；l为沿着M、N连线的矢量积分因子。

如果测点下方大地为水平层状大地，电极M、N之间各点电场均匀，则测点的电场与电极M、N的位置无关。如果测点下方出现了不均匀导电体，则电极M、N的位置差异对电场观测值将产生差异化影响。因为在电性分界面上将产生积累电荷，该积累电荷产生二次电场，对不同位置的电场影响是不同的。其表达式如下：

(2)

式中：Es为积累电荷产生的电场(V/m)；qs为积累的面电荷密度(C/m2)；s为面积微元(m2)；r为积分面元与观测点之间的距离(m)；er为沿r方向的单位向量。

归一化场源条件下，对于某内部电导率均匀的异常体，仅在其与围岩相接触的表面存在积累电荷，该面电荷密度(qs)表达式如下：

(3)

可见，Es与r2成反比，距离不均匀导电体越近，影响越大，反之影响则越小。

多极化大地电磁正演计算结果见图1。由图1可知，当背景电阻率ρ0=100 Ω·m，测点正下方5 m深有一个边长为10 m、电阻率ρ2=10 Ω·m的立方体不均匀良导体，在地表以测点为中心，分别用10 m、20 m、40 m极距观测电场，计算电阻率ρa，结果显示：40 m、20 m、10 m极距的电阻率与背景电阻率比值分别趋近于0.9，0.7，0.5，相对背景电阻率的偏差分别约为10 %、30 %、50 %。由此可见，不同极距模拟观测得出的电阻率是不同的，极距越大，电阻率越接近背景电阻率；极距越小，相对偏差越大。如果以相对偏差15 %作为可靠的异常，那么仅采用40 m极距观测时，可以测得背景场；而采用10 m和20 m极距观测时，不均匀体的响应明显。

因此，采用传统的单一极距观测电场时，无法全面评估电场分布情况，而采用多极距观测，获得多维度电场信息，有助于获得全方位的信息，同时获得局部异常和背景信息，可有效解决复杂地形条件下三维地质体勘探技术难题。

基于以上理论，提出了多极化大地电磁测深法，即同时采用长短不同多组极距来观测同一测点、同一方向上的电场。多极化大地电磁法观测装置见图2。其在数据处理和资料分析时需综合多组极距数据，表达式如下：

(4)

(5)

(6)

图1 多极化大地电磁正演计算结果

图2 多极化大地电磁法观测装置示意图

2 仪 器

为了适应多极化大地电磁测深的需要，研制了MPMT-18多极化大地电磁系统(见图3)。该系统1台主机配置2磁场、3电场，便于用户开展多极化观测。此外，该仪器能够满足传统大地电磁类测深方法的需要，可以根据需要开展单点标量、单点矢量观测，以及多点同时标量观测等。

图3 MPMT-18多极化大地电磁系统

2.1 仪器主机

仪器主机技术参数如下：

1)频率范围：1～105Hz。

2)道数：含有5个通道，可采集5个电磁场信号。

3)A/D转换器：配有32位A/D转换器。

4)动态范围：大于 120 dB。

5)系统控制器：32位嵌入式控制器，LINUX。

6)存贮介质：32 GB闪存卡。

7)测试装置：对于重要功能，仪器可自动检测、显示并建立文档。

8)输入阻抗：电道>10 MΩ，磁道20 kΩ。

9)网络连接：标准100 M双绞电缆；Wi-Fi。

10)接口种类：网络、磁传感器、电极传感器、电源。

11)外壳：坚固的防水聚碳酸酯外壳。

12)质量：6 kg。

13)外部尺寸：400 mm×330 mm×170 mm。

14)功耗：15 W。

15)工作温度：-20 ℃～50 ℃。

2.2 磁场传感器

MPMT-18多极化大地电磁系统配置一套磁场传感器(下称“磁棒”)，实现1～105Hz频段磁场信号观测。磁棒是由感应线圈、聚磁磁芯及前置放大电路组成的感应式传感器。一套MPMT-18多极化大地电磁系统标准配备2根磁棒，磁棒为长圆柱体，外壳由加筋防水玻璃纤维制成，具有防震、防水及抗压的性能。

天然电磁场信号较弱，特别是1～104Hz频段水平磁场分量信号十分微弱，出现死频带，因此要求磁场传感器具有高灵敏度、低噪声性能。MPMT-18多极化大地电磁系统配置的磁棒噪声水平比磁平静日天然大地电磁场实测信号幅度低近一个数量级(见图4)，能够实现对该频段范围天然弱磁场的观测。

图4 磁棒噪声水平

磁棒的输入输出传输函数见图5。由图5可知，传输函数的分段线性特征，有利于对观测信号进行标定，获得真实的输入磁场信号。

图5 磁场传感器的输入输出传输函数

磁棒其他技术参数如下：

1)输出灵敏度：0.15 V/(nT·Hz)。

2)输出电压范围：[-10 V,10 V]。

3)功能：具有磁场负反馈的感应线圈。

4)插件：8极PT02E12-8S。

5)供电电压：[-15 V,-12 V]，[12 V,15 V]，经稳定和滤波。

6)供电电流：[-15 mA,15 mA]。

7)外壳：牢固和防水玻璃纤维加筋外壳。

8)质量：约2.5 kg。

9)外型尺寸：长780 mm，直径50 mm。

10)工作温度：-40 ℃～70 ℃。

2.3 电场传感器

针对1～105Hz频段的电场观测，MPMT-18多极化大地电磁系统配置的电场传感器包括不锈钢电极，低噪声前置放大电路和带连接器的屏蔽电缆。电场传感器结构见图6。由图6可知，不锈钢电极和低噪声电缆驱动电路固定在一起，与带有连接器的屏蔽电缆相连。低噪声前置放大电路由低噪声放大器、高通滤波器和高频驱动电路组成。低噪声放大器用于放大不锈钢电极检测的微弱电场信号，高通滤波器滤除低于0.8 Hz的低频信号和不锈钢电极的直流极化电位差，高频驱动电路用于驱动屏蔽电缆，减小高频信号的衰减。

图6 电场传感器结构示意图

3 软 件

3.1 数据采集软件

MPMT-18多极化大地电磁系统通过安装有Windows操作系统的笔记本电脑实现野外数据采集及管理等。数据采集软件包含3个页面，分别为工程管理、参数设置及采集任务。工程管理页面执行工程任务的新建、打开或关闭。参数设置页面执行传感器设置、测点步长设置及内存管理等。采集任务页面(见图7)执行采集任务设置、数据采集、保存、显示、导出等功能。

图7 数据采集软件的采集任务页面

MPMT-18多极化大地电磁系统可以在线或离线采集信号。在线采集信号可以实时显示监控数据质量，离线采集信号利于低功耗、长周期数据采集。采用分频多道采样技术实现不同波段电磁场信号的保真采样。高频段采样频率2.777 8×105Hz，中频段采样频率4 000 Hz，低频段采样频率250 Hz，分别对应采集1～105Hz、10～2×103Hz、1～100 Hz目标频段的数据。

3.2 数据处理软件

MPMT-18多极化大地电磁系统的配套数据处理软件MPMT_5DGeo可以实现时间序列分析、频谱分析、阻抗分析、带地形反演等功能。配套数据处理软件MPMT_5DGeo界面见图8。该软件界面友好，内容丰富，数据处理过程中，可自定义选择对比不同参数获得最佳结果。例如，可通过自定义设置目标频率，获得不同密度的目标频率视电阻率数据，进而得到不同深度分辨率的测深数据。

图8 配套数据处理软件MPMT_5DGeo界面

4 性能测试

4.1 各通道一致性

可以通过平行试验验证仪器各通道的一致性，平行试验装置见图9。要求3组正负电极对并排平行布置，2组水平磁场通道的磁场传感器并排平行放置，与电极对连线垂直，间距至少5 m。平行试验测试结果见图10。由图10可知，除了在高频105Hz附近相位有差异，其他结果趋于一致，且一致性良好。

图9 平行试验装置示意图

图10 平行试验测试结果

4.2 多仪器一致性

通过同一测点对比不同MPMT-18多极化大地电磁系统的测试结果(见图11)，显示仪器之间的一致性良好。

图11 不同仪器间测试一致性结果

4.3 与国外仪器对比

与当前市场上2款国外主流的仪器探测结果进行比较，结果见图12。3款仪器数据趋势整体一致，表明MPMT-18多极化大地电磁系统测量结果可靠。

图12 对比国外仪器测试结果

5 应用案例

2020年8月，采用MPMT-18多极化大地电磁系统在某矿山铁矿区试验剖面开展了多极化大地电磁法有效性试验，其反演剖面见图13。由图13可知：该反演剖面整体从浅到深的电性结果具有高阻→低阻→高阻特征。浅层高阻层为花岗岩超覆体，但局部有低阻异常，推测是覆盖黄土、不均匀风化体或断裂；深部高阻层推测是含有石英、云母的变质片岩或基性岩体侵入；浅层高阻层和深部高阻层之间夹有低阻层，展布方向为227°(即小里程方向)，出露地表，并以47°方向(大里程方向)、50°～70°倾角向深部延伸，延伸深度达到2 000 m。0～1 000 m段，钻孔CK2003、CK2001、CK2004、ZK2006、ZK2009、ZK2008及ZK2004揭露结果表明，低阻异常是磁铁矿体的反映(见图13)，以此推断1 000～4 000 m段为低阻异常,也可能是磁铁矿体向深部的延伸，低阻层中夹有高阻体，推测高阻体为岩脉。

1—推测地层分界线 2—钻孔揭露矿脉 3—推测延伸矿脉 4—推测断裂 5—推测岩体边界图13 MPMT-18多极化大地电磁系统反演剖面

由此可见，MPMT-18多极化大地电磁系统能够清晰反演磁铁矿体及其围岩的电性结构，特别是在磁化方向反向负磁异常区、矿体埋深大于500 m，以及磁法探测能力不足时或没有磁法异常的情况，采用多极化大地电磁系统具有探测深部电性结构的优势，拓展深部找矿空间，为深边部找矿提供依据。

6 结 论

1)多极化大地电磁系统通过采用多组不同的极距观测电场，获得不同空间范围的电场信息，实现对异常场和背景场的综合评判，提升探测效果。

2)MPMT-18多极化大地电磁系统配置2磁道、3电道，既可以实现多极化大地电磁观测，也可以实现传统的大地电磁法矢量观测或标量观测。该系统采用一套电场和磁场传感器实现1～105Hz频段的大地电磁探测，装备轻便，适用于2 000 m以浅深度范围的电性探测。

3)配套的数据采集软件和数据处理软件界面友好，功能齐全，操作方便。各通道之间及不同仪器之间的一致性良好，与当前市场上国外2款主流仪器测试结果一致，证明仪器质量可靠。通过在某金属矿勘查中的成功应用，表明该系统具备良好应用前景，可推广使用。