多功能电磁探测技术VIP

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,多功能电磁探测技术,林品荣,主要内容,第一章前言第二章国际国内电/电磁方法技术及仪器第三章阵列式多功能电磁探测基本原理第四章阵列式多功能电磁系统仪器介绍第五章阵列式多功能电磁系统试验应用,第一章前言,阵列式多功能电磁探测方法技术系统，是在上级主管部门及物化探研究所的大力支持下，从上世纪90年代初开始，项目组经过将近20年的探索和攻关研究，从最初的单通道有线控制阵列天然场方法技术，发展为多通道GPS同步的阵列天然场与阵列人工场相结合、具有自主知识产权的多功能大探测深度电磁法新方法技术系统。阵列电磁法系统由阵列天然场电磁法和阵列人工场电磁法组成。,阵列天然场电磁法,阵列天然场电磁法主要开展音频大地电磁测深（AMT）工作，实现了天然源场的阵列覆盖、多点同步数据采集，方法技术本身具有轻便、快速、大探测深度和纵横向分辨率高等特点。阵列天然场电磁法在沙漠戈壁滩、中高山区、西南“三江”困难地区、西藏高原、林区、黄土沟壑等地貌条件下，开展了方法技术的试验与应用，取得良好的试验和找矿效果，该方法技术可广泛应用于多金属矿产、地下（热）水和油气等资源的勘查研究。,阵列人工场电磁法,测量功能：CSAMT（可控源音频大地电磁测深),TDIP/FDIP(时间域/频率域激电)，CR(复电阻率)等主要测量功能。技术特点：具有大功率、大深度、多参量、高分辨等特点。阵列人工场电磁法已在多个不同类型的矿区进行了方法技术的有效性试验与应用，取得显著的应用效果。,硬件系统和软件系统,硬件系统：大/中/小功率发射系统，宽带同步接收系统，磁场传感器；软件系统：阵列式数据采集，弱信号同步检测，无线遥测控制，数据处理和资料解释等部分构成。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述自瑞典在1640年采用磁性指南针寻找铁矿以来，地球物理技术用于矿产勘查已有300多年的历史。上世纪50年代前苏联研制出过渡过程法（脉冲瞬变电磁法，即TEM系统）以来，许多不同的频率域和时间域电磁(FEM和TEM)勘探系统先后被开发出来，直到今天这些方法仍在使用，但随着过去20年来电子技术的高速发展，使这些方法具有更高的精度和灵敏度。例如，IP技术从传统时间域方法演变成了如今称为复电阻率或频谱IP的多频IP技术，并可以用于区分蚀变、硫化物类型和人工引起的电磁耦合异常；垂直测深法，如可控源音频大地电磁测深(CSAMT)和瞬变电磁法(TDEM或TEM)可以用来圈定地质结构和块状硫化物矿体。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述电/电磁勘查技术按场的性质划分，可分为天然场法与人工场法，若按类别划分，又可分为时间域法与频率域法，电磁勘查技术包括的方法有：自然电场法、电阻率法、激发极化法、充电法、大地电磁测深法、可控源音频大地电磁测深法、瞬变电磁测深法等等。在矿产资源勘查中，地球物理勘查技术多数情况下是作为间接找矿的手段，但当矿体（床）与围岩之间具备某种地球物理性质差异时，地球物理勘查技术也可作为直接找矿的手段。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述用电磁勘查技术方法获取的数据信息，是地球内部地质体（深部矿床/矿体）综合信息的表述也就是我们通常所说的物探电法异常或电磁异常，根据物探异常和已建立的地质地球物理等找矿模型，研判异常是否为矿致异常，也就是对异常进行定性解释；若认为是矿致异常，经过定量解释后，对矿床或矿体进行定位、定深、定形态，并通过钻探（或其它深部探矿工程）确定深部矿体，这就是直接找矿方式。当矿体的物性、规模和埋深（或与观测点的距离）等条件能满足物探在地表或地下矿体周围测得矿体的异常时，则可以在地表或地下采用物探直接找矿方式进行深部找矿。发现深部矿的异常难，而区分这些目标体的异常是否为矿致异常难度更大，所有这些需要采用综合方法。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述用物探等勘查技术方法取得深部控矿、容矿、含矿地质体或地质现象（岩体、地层、接触带、破碎带、火山机构、褶皱带、沉积盆地等）的信息，经过解释和定量反演，编绘成前述目标地质体（特别是深部目标地质体）的推断立体地质图，根据成矿规律、成矿模式和矿产预测准则，在推断立体地质图上圈出矿床（矿体）可能的部位，通过钻探（或其它深部探矿工程）寻找深部矿体，这就是间接找矿方式。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述当矿体与围岩的物性差异小，不能满足物探直接找矿条件时，或物性虽有差异，但矿体规模小而埋深又大，不能满足物探在地表直接找深部矿的条件时，为了在地表找深部矿，应该采用物探间接找矿方式进行深部找矿。物探间接找矿时的目标地质体深度虽然大，但其体积远大于矿体，因此，发现它们要容易些。物探间接找矿在技术上遇到的难题也只有采用综合方法才能较好解决：是有利于更好地判断所发现的异常是否为矿致异常;是当遇到矿体小且埋深大，使得异常弱或不明显时，还可以在地表按间接找矿方式进行工作，一旦有钻孔后，再及时采用井中物探进行直接找盲矿。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,1、概述如前所述，地面物探直接找矿时，能找的矿一般是规模较大的矿，而地下物探能发现相对较小的矿。此外，地面物探直接找矿发现了异常，在定性解释上可能无误，但在验证孔位和孔斜的建议方面有可能不准，造成首孔未见矿，此时，及时进行井中物探，将发现井旁或井底盲矿，从而可避免与矿“擦肩而过”所造成的遗憾。,2、国际电/电磁方法技术及仪器装备在电阻率法方面，随着现代化的多电极仪器（如：MUCEP系统）和连续测量系统（如：ohmMapper系统，PACES系统）的诞生，传统的电阻率测深或剖面测量模式在某种程度上已逐渐失去了意义。多剖面、高密度同步数据采集使得后续的二维、三维反演的横向分辨率和对模型几何尺寸的确定的准确性大为提升。在激电方面，20世纪90年代，澳大利亚MIM勘探公司开发出了MIMDAS多功能电法系统，采用100个遥测单元组成接收系统（该系统同时还可进行TEM、MT或CSAMT测量），以及美国AGI公司开发的SUPERSTINGR/IP8系统，实现了IP数据的三维采集，高密度、高质量的三维数据，对IP数据的三维反演带来了飞跃。特别是SMART电极出现大大降低了测量成本，并提高了测量效率。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,美国Geometric公司生产的基于电容耦合的OhmMapper电阻率测量仪,阵列MT连续剖面测量技术-澳大利亚BHPMIMDAS系统,2、国际电/电磁方法技术及仪器装备在被动源电磁法方面，上世纪50年代提出频率域大地电磁法，50年代末前苏联出现首个MT仪，它用悬丝式磁场传感器，通过光电倍增管转换成电信号，再通过检流计打印在感光照片上。它频带上限为0.1Hz，记录仪的动态范围约20dB。上世纪60年代美国采用感应式磁场传感器和模拟磁带记录仪，其频带上限达100Hz，最高灵敏度0.01nT，动态范围40dB以上。70年代出现瞬时浮点放大技术和以磁带为记录介质的数字记录仪，动态范围达6080dB。80年代初，德国Metronix公司和加拿大凤凰公司推出车载大地电磁现场实时处理系统，频带范围扩展至384Hz-4096秒，法国推出以超导磁力仪做磁场传感器的MT系统。由于计算机水平的快速提高和新的A/D转换器技术的出现，80年代末车载MT实时处理系统被便携式MT实时处理系统所替代。上世纪90年代由于压制局部噪声的远参考道方法和消除静位移的EMAP方法的提出，以及GPS同步技术的采用，频率域的大地电磁仪由单站系统发展为多台或网络系统，如GMS-06和V5-2000。这使得MT的数据质量和应用效果得到显著提高。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,加拿大凤凰地球物理公司生产的V5-2000系统,德国Metronix公司生产的GMS-06大地电磁测深系统,2、国际电/电磁方法技术及仪器装备在人工源电磁法方面，仪器系统的发展总体体现在信噪比的提升。如加拿大凤凰公司于上世纪80年代中叶，推出了以可控源音频大地电磁测深为主的V-4系统，随后又相继推出V-5、V5-2000、V-6系统，近年又推出了V-8系统。美国Zonge工程与研究组织在1991年推出了GDP-16多功能电磁系统，1994年推出GDP-32系统，近年又推出功能增强型的GDP-32多功能电磁系统。EMI公司在完善MT-1大地电磁系统的同时，于1995年推出了适用于矿产与工程探测的商用EH-4电磁系统。德国METRONIX公司在推出以大地电磁测深为主的GMS-05、GMS-06系统后，新近又推出多功能的GMS-07系统。上述这些仪器系统，在我国多家单位和院校都有引进，在资源勘查及教学实践中发挥作用。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,技术指标1、最大输入功率：30KVA2、最高输出电压：1000V3、最大输出电流：45A4、频率范围8KHz1/64Hz5、发射波形：正负方波/占空比1:1方波6、重量：93Kg,GDP3230KW发射机指标,GDP3230KW发电机指标,技术指标1、功率：30KVA2、输出电压：120/208VAC3、频率：400Hz4、重量：约500Kg,技术指标1、频率范围：8KHz1/64Hz2、通道数：116道可选3、模数转换：每通道一个16位AD4、具有工频陷波5、键盘操作、液晶显示6、可开展IP、SIP、CSAMT及AMT等方法的数据采集工作7、重量：约20Kg,GDP32接收机指标,EH-4技术指标,发射机技术指标1、垂直磁偶源发射2、频率范围500Hz70KHz3、天线尺寸：2个4m2的垂直正交线圈4、最大发射能量：400A-m25、供电电源：12V、60Ah电瓶接收机技术指标1、频率范围10Hz100KHz2、通道数4道（2磁、2电）3、模数转换：18位AD4、高频观测磁偶源发射信号（500Hz70KHz）5、低频观测天然电磁场信号（1000Hz10Hz）开展CSAMT+AMT的测量，获取视电阻率信息,凤凰公司30KW发射机指标,发射机技术指标1、频率范围：DC10KHz2、最高电压：1000V3、发射波形：正负方波/占空比1:1方波4、重量：95Kg,发射机,发电机,凤凰公司推出的V8接收机,技术指标1、频率范围：10KHz1/2000Hz2、通道数：8通道3、模数转换：每通道一个24位AD，最高采样率96KHz4、具有工频陷波5、键盘操作、液晶显示6、可开展IP、SIP、CSAMT及AMT、MT等的测量7、多个接收机利用GPS同步，可组成阵列覆盖观测网络8、功耗：15W9、重量：7Kg,阵列MT+IP测量技术-加拿大TITAN24,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备在我国，1936年丁毅等在安徽当涂铁矿上，杜锡范等在湖南水口山铅锌矿上进行的自然电场法找矿实验，当属国人电法工作的起步。此后，在新中国成立前，顾功叙等还在一些铁矿、锡矿、黄铁矿、铜矿、煤矿上开展了少量的自然电场法和电阻率法工作。我国电法/电磁法勘探的开创与国家的命运息息相关，经历了艰苦创业带来的兴业发达，也承受了干扰与挫折。但基于电法/电磁法工作者们的勤奋和坚忍不拔的事业心，无论在基础理论、方法技术、应用领域、应用水平和应用效果等方面都取得了巨大的进展。至今，我国已拥有当今世界上所有的电法/电磁法方法和技术，其中某些方面已达到世界先进水平。在各种矿产资源、油气资源、水文、工程地质、地壳上地幔深部地质结构等研究调查领域，电法/电磁法已成为不可替代的最有效的勘查技术，在考古、环保、地灾、军事等领域，电法/电磁法也是有效的调查技术方法。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备上世纪50年代是新中国电法/电磁法创业阶段，完善和发展了自然电场法，电阻率剖面法和电测深法，在一些矿产资源勘查中很快形成了生产力。自然电场法成为勘查浅埋良导矿的快速经济普查方法；电测深成为煤田等资源勘查的重要方法；对电阻率剖面法的各种装置进行了试验。同时还引进了高频感应法、强度法、直流等位线法、充电法等方法技术和有关仪器设备，其中充电法取得较好效果并得到发展。上世纪50年代中至60年代中，我国引进或开展研究的电法有：倾角法、振幅相位法、虚分量振幅法、小功率瞬变脉冲电磁法、激发极化法等方法和相应仪器。激发极化法具有勘查致密和浸染状金属矿床及区分离子导体、山地电场等干扰的特点，1957年我国开始研究激发极化法，国外对此方法前景尚有争议，方法技术也未解决。1959年推广，成为我国在矿产勘查和水文调查中应用最广、效果最好的方法之一。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备六十年代末我国推出双向短脉冲及短导线激发极化法并率先提出将激发极化法用于水文勘查。七十年代起在引进的基础上，频率域激电在我国迅速发展，对频谱激电法也作了大量研究。七十年代末，我国对引进的磁电阻率法和磁激发极化法作了进一步理论研究和野外实验及应用。我国激电仪种类很多，如DWJ系列微机激电仪、DJS系列微机激电仪、S系列双频和三频激电仪等。我国对激电方法的应用理论基础进行了深入研究，有创新性研究成果。总之，我国在激发极化法理论、技术及应用方面都居世界前列。上世纪60年代中至70年代，除激电法、充电法和各种电阻率法等方法在理论、技术和应用领域等方面有较大提高和发展外，新引进和发展的方法有：电偶源和磁偶源频率测深、大地电磁测深（MT）、音频大地电磁测深（AMT）、甚低频（VLF）和地质雷达等方法和仪器。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备上世纪80年代，除对上述已开展的方法技术进行深入研究外，引进的方法技术有：可控源音频大地电磁测深（CSAMT）、瞬变电磁（TEM）、频谱激电（SIP）等方法及相应的仪器设备（SIROTEM、EM-37、V-4、V-5等）。上世纪90年代，针对隐伏资源探测对大深度探测方法技术的要求，结合我国复杂的地形地质条件，我国开展了分布式天然场电磁法方法技术系统的研究，并于1995年研制成功。在国际上率先实现了天然电磁场的多点同步阵列式观测，随后该系统经多个矿区的试验应用，取得良好的找矿效果，经完善后的方法技术，已形成实用化的勘查系统。在此期间，我国还从国外引进了多功能的电法仪器系统（如GDP16、GDP32等），并在勘查实践中积累经验，取得一系列找矿成果。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,重庆地质仪器厂的时域激电仪,输入电压：220V/50HZ交流电；输出电压：50V、100V、200V、300V、400V、500V、1000V；输出波形：占空比1:1的方波；周期：160秒任选；最大供电电流：7/10A；最大输出功率：5/10KW；工作温度：-10+50。发射机重量：12kg；体积：476309247mm整流电源重量：5kW72kg;10kW90kg,重庆地质仪器厂的时域激电仪,技术参数1.测量电压最大值：3V;2.测量电压分辨率：0.01mV;3.测量电压精度：1%1个字;4.仪器启动一次同时测量，Vp和四个Ms值,其宽度比为1：2：4：8;5.供电周期：4、8、16秒三种;6.极化率测量:Ms3%时，为0.21个字;Ms3%时，为0.11个字7.重复测量次数110任选;8.仪器延迟时间100ms1000ms可任意设置;9.对50Hz工频干扰优于压制80dB;,DJS-8接收机,中南大学的双频激电系统,技术特点1、工作频率为四组，8Hz及8/13Hz、4Hz及4/13Hz2Hz及2/13Hz、1Hz及1/13Hz。2、发射电流：输出电流最小可达0.1mA，电流最大可达1.999A。3、低功耗设计：采用CMOS集成电路，整机功耗小。4、抗干扰设计：采用多级陷波和有源滤波及信号增强技术，抗干扰能力强，测量精度高。,发射机主要性能指标最大输出电压；120V(20A型)；24V(20B型)；最大输出电流；20A(20A型)；10A（20B型）；发射波形：双极性,占空比1:1脉冲宽度：4、10、20、40ms；下降沿时间：300、500、1000S(20A型)20S(20B型)；,IGGETEM-20瞬变电磁系统,发射机,物化探所近年研制的物探仪器,接收机主要性能指标最高采样速率：4s；增益：20倍固定增益4位*4浮点增益；采样窗口：Log10、Log14、Log20；叠加次数：324096,以2的指数幂增档；存储容量：2M（8位字节）；,IGGETEM-20瞬变电磁系统,接收机,物化探所近年研制的物探仪器,阵列接收机,轻便发射机,电磁法阵列观测系统的研制,物化探所近年研制的物探仪器,阵列接收机,电磁法阵列观测系统的研制,物化探所近年研制的物探仪器,电磁法阵列观测系统的研制,物化探所近年研制的物探仪器,轻便发射机,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备新世纪初，我国提出了混场源电磁法探测技术研究，它是利用天然电磁场信号频率丰富资源，以实现大深度探测，利用人工电磁场多参量信息探测潜力实现高分辨探测，特别是利用人工场的激电技术，获取资源勘查中可极化多金属矿（化）体的分布信息。将阵列式的天然电磁场大深度探测技术与人工场的激电技术相结合，实施优势互补，从而整合为混场源的电磁法探测技术，以实现电磁法的多参量大深度探测。整套系统由大功率的发射机、阵列接收机及相应的数据处理资料解释技术所组成。该系统于2005年研制完成，从而填补了我国资源探测大功率（70KW）发射机研制的空白，掌握了大功率发射的关键技术，为我国开发具自主知识产权的国产多功能电法仪器提供了技术保障和经验积累。在十一五的工作中，物化探所开发出了实用的国产多功能电法系统，预计在2011年即可推广应用。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,物化探所近年研制的物探仪器,70KW大功率发射机样机,最高电压1200V最大电流100A满足CSAMT、IP的大功率发射,物化探所近年研制的物探仪器,30KW实用化发射机,最高电压1000V最大电流30A输出功率30KW满足CSAMT、IP的大功率发射,物化探所近年研制的物探仪器,多功能接收机可开展AMT、CSAMT、IP的测量通道数18可选仪器已由重庆地质仪器厂实用化生产,物化探所近年研制的物探仪器,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备1989年1993年，原地矿部院物化探所、长春地质学院都开展了块状高温超导磁强计研制及在大地电磁测深中的应用研究工作，并在野外实验中获得了周期为10000秒的大地电磁信号。1994年以后物化探所开始研制薄膜状的SQUID高温超导磁强计，开展高温超导磁强计在TEM、LOTEM、CSAMT中的应用研究。1994年1998年，德国的Julich研究中心、Jena大学、柏林技术大学与中国的物化探研究所、北京大学、中科院物理所合作共同开展高温超导磁强计在瞬变电磁法中的应用研究工作，在中国廊坊分别做了高温超导磁强计在TEM、LOTEM中应用的野外试验。在2003年-2006年期间，中国地质科学院物化探研究所先后研制成功了用于TEM测量的单分量和三分量高温超导磁强计。应用试验证明它可以显著提升TEM测量的勘探深度。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,TEM高温超导磁测技术,对比曲线,高温超导磁测数据反演电阻率断面,TEM感应线圈测量数据反演电阻率断面,3、国内电/电磁方法技术及仪器装备近年来，我国在电法大功率发射机研究，分布式数据采集技术与多功能电法仪实用化研制等方面取得重大进展，实用化样机已在几个矿区进行了试验，即将进入推广应用阶段。高温超导技术（单分量/三分量探头）已可用于大深度矿床的勘查与评价。总之，我国在电法/电磁法方面基本上拥有了自己独特的一套方法技术，但与国外先进水平相比还有一定差距，不仅需开发出高精度、高稳定性的多参数电法仪器，还要开发高水平实用的商品化的电磁反演解释软件。,二、国际国内电/电磁方法技术及仪器装备,第三章方法技术基本原理,3.1阵列天然场电磁法天然源场阵列电磁法，是利用天然的电磁场来实现对地下目标体的探测。天然源场电磁波频谱丰富，大多情况下可看成是平面波，对大地介质呈垂直入射。因此，波阻抗的计算和获取并不复杂。使用阵列同步观测技术，可获得高质量观测数据，进而可取得更好的地质效果。,3.1.1源场问题,天然电磁场特别是短周期的部分，主要来自于地球外部，源于太阳活动以及太阳活动与地球磁场间的作用。太阳活动对于地球近地空间电磁场的形成和作用，是通过太阳风和电磁辐射对磁层、电离层和大气低层的作用、影响和扰动加以传递来表现和完成的。,电磁脉动在时空领域的存在是比较普遍的，包括稳定型脉动和不规则型脉动，这时接收到的电磁波场的频带宽度可由几赫兹到十几分钟，可以持续较长的时间。高于几赫兹频率的电磁波场主要来源于低层大气的放电现象雷暴和闪电，如极低频的ELF、甚低频的VLF，可以覆盖nHz-30KHz的频率范围。,利用太阳行星际磁场磁层电离层大气低层的电磁耦合、电磁传递、电磁激发、电磁扰动等物理效应进行的探测工作已屡见不鲜，如AMT、MT和ELF、VLF等方法。阵列天然场电磁法的源场机理与上述相同。,3.1.2地电断面结构及表征参量的获取,表征参量和地电断面结构，是地学探测过程中要获取构建的基本资料，也是阵列电磁法核心要素。判断地下情况形成地学断面、锁定探测目标，要建立在表征参量和地电结构断面的基础上。阵列电磁法可以一次覆盖一个观测排列，由若干观测点构成的观测排列，是构成地电地质结构断面的基本单元。如果构成观测排列的点有一定的数量（如，20个点以上），大体上就可以构成一条地电地质结构断面，覆盖和包容一定的断面空间范围。,3.1.2地电断面结构及表征参量的获取(续),观测时接收电磁场电场分量的电极排列方向与观测线方向相同；水平磁场分量则与观测线方向垂直。电磁场传播时，电场和磁场分量相互垂直地同时振荡（磁场相对于电场存在时差），观测时要求接收的电场、磁场方向要相互垂直，并且要同步数据采集。在探测目标有一定走向延展的情况时，电极分布沿测线方向，磁场沿探测目标走向方向的观测方式，称为TM极化模式或称H极化模式。,3.1.2地电断面结构及表征参量的获取(续),TM观测方式，在实际工作中是很常见的简捷的方式，也是比较有效的，具有明确的物理意义。沿电性不均匀体走向方向的磁场分量在较大或一定范围内是稳定的，而横向流过或绕过以及聚流或散射电性不均体走向方向的电场分量，则发生灵敏的变化，这种电场变化为发现作为探测目标体的电性不均匀结构提供物理依据。从而也在一定情况下回避了理论上的张量阻抗及其计算问题。实际表明，对于大多的金属矿藏探测而言，这种约简模式是适用可行的。,3.1.2地电断面结构及表征参量的获取(续),利用所观测采集的电场分量和磁场分量数据，可以定义地下趋肤深度范围内的具有平均含义的波阻抗、阻抗相位、视电阻率（在大地电性均匀的情况下，视电阻率和电阻率是等价的），表达式可利用法国学者Cagniard给出的视电阻率公式加上脚标而来表示，即：,其中，为波阻抗；Ex为电场水平分量，单位mv/km；Hy为磁场水平分量与Ex方向正交，单位nT；波动周期，单位s；视电阻率，单位m；阻抗相位，单位rad。,3.1.2地电断面结构及表征参量的获取(续),这里，Caniard在大地是均匀半空间情况下，有二点约定，一是地下的位移电流是可以忽略的；另外，大地中的水平电流层流是均匀的。这相当于电磁波波长较长和平面电磁波垂直入射大地。Cagniard电阻率的定义，具有普遍的意义和重要的利用价值。这是因为在所运用频率的趋肤深度范围内，平均的多层电性介质电阻率，相当于用平均值表征的均一的电性介质电阻率。只要满足约定，Cagniard电阻率的计算和反演相对简便。,3.1.3反演技术,到目前为止，我们已开发出一维连续介质反演技术和带地形的二维正反演技术。A.一维连续介质反演,图为层状介质正演曲线及模型和一维连续介质反演地电结构模型。从图中可看出一维连续介质反演所得地电结构模型能清楚地反应出地层电性的相对变化，以及低阻的深度位置。,B.带地形二维反演,a、水平地形基于二维模型正演数据，开发了BOSTICK反演及二维反演，分别得到BOSTICK电阻率断面图及二维反演电阻率断面图，效果如下。图件表明：BOSTICK电阻率断面图难以反映出低阻不均匀体的分布，而在二维反演电阻率断面图上，能较清楚地反映出不均匀体的空间分布以及与围岩的电性差异。,模型及BOSTICK电阻率断面图模型及二维反演电阻率断面图（初始反演模型给为500欧姆米的半空间）,BOSTICK电阻率断面图难以反映出低阻不均匀体的分布；而二维反演电阻率断面能较清楚反映出不均匀体的空间分布以及与围岩的电性差异。,b、起伏地形,开发了起伏地形条件下的反演技术，下图为由模型正演数据进行反演所得到的电阻率断面效果。图件清楚地显示出三个低阻不均匀体的空间形态和位置。,起伏地形,上图为起伏地形下，由模型正演数据进行反演所得到的电阻率断面图，能清楚地显示出三个低阻不均匀体的空间形态和位置。,2阵列多频相位激电法,3.2.1方法简介阵列多频相位激电法是在常规时域激电法基础上发展起来的一种频率域激电方法，它利用不同排列的电极装置，在超低频段上（n102n10-2Hz）作单频或多频视复电阻率测量；该方法的观测仪器采用高精度GPS同步技术、大动态24位A/D转换技术、FPGA&CPLD高集成技术、高精度数字PWM稳流技术及低功耗PC104控制技术等，实现了仪器的轻便化和高精度测量.一次供电、多个仪器同步接收，实现多频、多深度的同步观测，获取绝对相位及视电阻率等频率域激电信息，是一种适宜于金属矿勘查的地球物理新方法新技术。,阵列多频相位激电法,阵列多频相位激电法测量的是交流电场作用下，岩、矿石的电化学极化效应导致测量电极间总场电位差相对于供电电流所产生的相位移，即复电阻率的相位角（称视相位），视相位与电磁耦合效应和激电效应有关。对于工作频率较低的阵列相位激电法，由于电磁耦合效应可以忽略，因此，工作中观测的复电阻率相位主要反映激电效应，而复电阻率振幅主要反映介质的导电效应。对于相位而言：工作频率一定时，激电效应越强，负相位移的绝对值越大；反之，激电效应越弱，负相位移的绝对值越小。因此，在适当的频率上作复电阻率振幅和相位观测，就能反映观测范围内的电阻率和激电效应。,3.2.2岩、矿石的激发极化现象,几块矿石标本上测得的频率特性曲线(a)幅频曲线；(b)相频曲线；1黄铁矿；,右图中：虽然各种岩、矿石的幅频和相频曲线的基本状态都是一样的，但不同的岩、矿石具有不同的频率特征。在时间域中充、放电较快的岩、矿石，在频率域中便具有高频特征在比较高的频率上总场幅值快速衰减，并取得相位极值；反之，在时间域中充、放电较慢的岩、矿石，在频率域中则具有低频特征总场幅值的迅速衰减和相位极值出现在较低的频率上。,物化探研究所,3.2.3阵列激电工作方法,(一)野外观测技术1.工作装置,阵列式多极距观测方式的特点,偶极与其他装置相比，受电磁耦合效应的干扰最小；偶极装置还具有较高的横向分辨力，对覆盖层的穿透能力较强；采用多极距的偶极测深，能很好的获得异常体的空间展布形态；只需一次供电，就可获得多个深度的信息，从而达到探测不同深度目标体的目的；探测一条断面不用多次往返，因此功率电源的利用率和工作效率较高。,2、工作频率的选择电磁耦合对相位观测的影响电磁耦合是指供电回路和测量回路间的电容耦合和电感耦合。研究表明，电磁耦合效应对于相位激电测量结果所形成的干扰程度，随频率升高、或地下电阻率降低、或极距加大而增大。另外，电磁耦合还与装置类型有关，偶极装置所受干扰最小，三级装置次之，中梯和对称四极装置最大。,消除电磁耦合效应方法简介国外自20世纪50年代起便开始研究在各种典型情况下（如均匀大地、层状介质）激电工作中遇到的电磁耦合的基本规律。研究校正电磁耦合的方法则是20世纪70年代以来的热门课题。有代表性的校正方法如K.L.Zonge和W.H.Pelton等提出的方法。Zonge使用了两种方法，第一种是认为激电效应和电磁效应分别满足不同的随频率变化规律，高频激电效应弱而电磁效应强，低频则相反，利用多频率测量进行校正。这方面较典型的方法有多项式拟合校正法、定指数幂函数校正法和变指数幂函数校正法等。,另一类方法是将野外实测数据减去层状介质的电磁感应耦合的理论值进行改正，同时将改正的差值作为激电效应加以利用。Pelton则将感应耦合近似的作为的Cole-Cole模型，从实际值中减去。国内罗延钟、王继伦、刘菘等人都作了大量的研究工作，获得了一些成果。这些方法中均隐含着下面的假设，即认为激电效应和电磁效应在总效应中是简单的代数叠加关系。,频率的选择开展剖面及面积性工作前，需根据工作程度较高的已知剖面上的方法技术有效性试验，来选择合适的工作频率(64Hz,1Hz,1/64Hz)，依据试验效果，从中选取三个或五个频率组合(如4Hz、1Hz、1/4Hz，1Hz、1/2Hz、1/4Hz或4Hz、2Hz、1Hz、1/2Hz、1/4Hz)来开展多极距阵列相位激电工作。选择多个频率的相位激电工作，主要出于以下考虑：利用多频相位激电观测结果可用于区分异常源性质的研究工作；对于相对低阻地区，可采用一些成熟的去耦公式对视相位数据进行去耦处理，从而得到激电相位信息。,2.2.4阵列多频相位激电反演技术,1、反演软件介绍阵列多频相位激电采用的反演软件为马来西亚Dr.M.H.Loke所编写的商业化软件，版本为Res2dinv3.4，该程序可对阵列相位激电的视电阻率及相位数据进行反演。相位反演依据，是根据VanVoorhis等人（1973）在斑岩型铜矿上的幅值及相位谱测量中所提出的公式予以换算后进行反演：,其中，K为常量，b是IP效应（00.1），这就是所谓的常量相位模型（Weller等人，1996）。通过该模型，可导出不同IP测量单位与b参数的相互关系，即：,由此可导出相位测量与充电率间的关系，借此关系可对实测相位数据进行反演。,2、模型验证为检验程序的正确性，我们设计了四种正演模型，将正演的充电率数据通过上述关系转换成相位后，再利用该软件进行反演，其反演结果与正演模型基本一致。模型验证结果表明，该程序可用于实测相位激电数据的反演解释。,物化探研究所,正演模型及反演断面（高阻围岩）,物化探研究所,正演模型及反演断面（低阻围岩）,物化探研究所,正演模型及反演断面（浅部为高阻覆盖）,物化探研究所,正演模型及反演断面（浅部为低阻覆盖）,第三节阵列可控源音频大地电磁测深法,3.3.1方法简介可控源音频大地电磁法是上世纪70年代才逐渐发展起来的一种人工源电磁测深法，它利用适当极距的接地电极或回线、发射不同频率的交流信号，并采用天然场音频大地电磁测深的接收装置，在离开发射源的适当距离处接收人工供电产生的音频电磁场。由于所观测电磁场的频率、场强和方向可由人工控制，其观测方式与音频大地电磁测深（AMT）相同，因此称之为可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）。,阵列电磁法采用分布式多道同步观测技术，大功率发射技术、同步宽带接收技术，实现了一次发射即可在多点/多线进行阵列式覆盖观测，并可实现面积性的三维覆盖观测，有利于提高观测数据的质量和野外工作效率。SAMT所采用的源有两种，一种是不接地回线供电的磁性源，另一种是利用长导线接地供电的电性源。磁性源产生的电磁场随距离衰减较快，为保持较强的观测信号，观测点离场源的距离较小，其探测深度较浅，难以实现大深度探测，目前一般应用较少。电性源是通过较长接地导线来发射电磁场，根据发射功率的不同，电性源CSAMT的收发距可从几公里到十几公里，其探测深度较大，可用于深部资源的探测研究。,3.3.2CSAMT表征参量的获取,在CSAMT测量中，一般按照标量方式进行观测，即在距离发射源适当距离处，观测平行于发射源方向的电场，并观测垂直于电场方向的磁场。利用采集的电场分量、磁场分量数据，用Cagniard给出的视电阻率公式来定义：,国内外学者提出了一些近场校正方法，如加拿大凤凰地球物理公司提出的过度三角法，我国学者利用迭代法和数值逼近法所建立的近场校正法等，这些校正方法对在均匀大地条件下可得到满意的结果。可控源音频大地电磁测深的解释技术，除对观测数据进行近场校正、再利用波区观测的AMT反演技术进行解释外，还开发了双极源CSAMT的一维正反演算法、带源三维模型的正演算法等。预期在不久的将来，还可研究出起伏地形条件下带源的CSAMT三维正反演实用软件。这将对CSAMT探测技术的发展、处理解决复杂地质问题能力的提高起巨大作用。,第四章阵列式多功能电磁系统仪器介绍,4.1阵列式天然场电磁法系统,接收系统主要技术指标接收带宽：16kHz0.1Hz采样率：62.5KHz通道数：2通道模数转换：高频（16KHz500Hz）16位A/D低频（1KHz0.001Hz）24位A/D功耗：8w系统重量：3磁传感器主要技术指标频带宽度：20KHz1Hz灵敏度：300mv/nT重量：3观测参数视电阻率、阻抗相位、自然电位；反演深度电阻率断面结构,阵列天然场电磁法同步覆盖观测到的电磁场时间序列,阵列天然场电磁法处理结果与常规激电的对比,4.2阵列式大功率多功能电磁法系统,（1）DEM-T30大功率多功能发射系统,功能特点大功率恒流恒压供电最高电压：1000V最大电流：30A多功能：TDIP/FDIP，CSAMT全自动扫频供电：按设定的工作频点自动切换供电，无需人工干预单频和多频供电：实现多参量测量，提高工作效率高精度GPS恒温晶体同步技术：无时间漂移积累，实现全天候精确同步供电基于CPLD控制技术：支持软、硬件在系统升级,主要技术指标频率范围：8000Hz1/128Hz高密度频点：每频率数量级20个频点最高电压：1000V最大电流：30A最大功率：30kW供电波形：多频，单频工作模式：自动或手动保护功能：过压,过流,过热,短路同步精度：UTC20nS功率电源：柴油发电机组,（2）DEM-R5阵列多功能接收系统,功能特点多功能：AMT，TDIP/FDIP，CSAMT所有方法均具有自动测量功能，减少人工操作强度，提高工作效益即可独立工作，也可以阵列方式无线组网工作18通道可扩展高精度GPS恒温晶体同步技术：无时间漂移积累，实现全天候精确同步测量真24位ADC：每通道高速和低速ADC各一套基于FPGA技术，支持软、硬件在系统升级,主要技术指标频率范围：32kHz1/128Hz通道数：18道可选ADC：真24位A/D，每道一套控制器：PC-104，586MPU存储介质：电子盘(512M2GB可选)显示器：日光下可读LCD同步精度：UTC20nS通道增益：1256,自动量程控制方式：就地控制或无线控制,（3）大功率多功能发射系统DEM-T30与国外同类仪器指标对比,（4）多功能接收系统DEM-R5与国外同类仪器指标对比,4.3单功能专用仪器,（1）3kW中功率激电发射系统功能特点：功能：TDIP,FDIP高精度数字PWM技术：实现恒流恒压供电全自动扫频供电：按设定的工作频率自动切换供电，无需人工干预单频和多频供电：实现多参量测量，大幅提高工作效率快速关断时间：30uS高精度GPS同步：无时间漂移积累基于CPLD控制技术：支持软、硬件在系统升级,主要技术指标频率范围：128Hz1/128Hz多种占空比：25%，33%，50%，100%工作方式：自动，手动稳流方式：数字式PWM稳流精度：3最高供电电压：700V(中功率)最大供电电流：5A(中功率)最大功率：3.5kW(中功率),(2)IP专用接收机功能特点功能：TDIP,FDIP所有方法均具有自动测量功能，减少人工操作强度，提高工作效益高精度GPS：无时间漂移积累，实现全天候精确同步测量真24位ADC：每通道高速和低速ADC各一套基于FPGA技术，支持软、硬件在系统升级,主要技术指标频率范围：128Hz1/128Hz通道数：12道可选ADC：真24位A/D，每道一套控制器：PC-104，586MPU存储介质：电子盘(512M2GB可选)显示器：日光下可读LCD同步精度：UTC20nS通道增益：1256,自动量程,(3)SIP-T04小功率激电发射机,功能特点:功能：TDIP,FDIP，SIP高精度数字PWM技术：实现恒流恒压供电全自动扫频供电：按设定的工作频率自动切换供电，无需人工干预单频和多频供电：实现多参量测量，大幅提高工作效率快速关断时间：30uS高精度GPS同步：无时间漂移积累基于CPLD控制技术：支持软、硬件在系统升级,主要技术指标频率范围：128Hz1/128Hz多种占空比：25%，33%，50%，100%工作方式：自动，手动稳流方式：数字式PWM稳流精度：1最高供电电压：600V(中功率)最大供电电流：1.5A(中功率)最大功率：900W(中功率),3.6阵列多功能电磁工作方法,(1)天然场AMT工作方法,(2)TDIP/FDIP工作方法,偶极偶极阵列方式及记录点,CSAMT工作方法,第五章阵列式多功能电磁系统试验应用,5.1阵列天然场电磁法的试验应用阵列天然场电磁法已在多个试验区开展了试验和应用工作，取得了显著的应用效果。一方面是方法技术本身的先进和实用性所决定，另一方面是在数据处理及资料解释中采用了符合实际需要的先进技术。,5.1.1找矿试验,某矿区阵列天然场电磁法结果与已有资料对比图,该图为阵列天然场电磁法在西部某矿区所取得的实测数据，并经数据处理和反演解释后得到的电阻率断面与已有资料的对比情况。从图中可见，反演解释结果与已有地质资料相吻合，并建议钻孔ZK704。经验证在深度203至241m打到主矿体，厚约60m，Cu平均品位1%以上。,5.1.2新方法技术比武,图为阵列电磁法系统参加中国地质调查局组织的电法新方法技术大比武中,获得的某矿区三条剖面的电阻率断面图。经地调局专家评议，阵列电磁法探测结果与矿区已知资料吻合最好。,5.1.3地下水勘查试验,阵列天然场电磁法在西部某干旱缺水地区开展找水试验的工作成果，根据观测资料的反演结果，结合已有地质资料进行了地质推断，划分出第四、第三系沉积物的埋藏深度及奥灰岩中的断裂展布，推测奥灰岩中的断裂为含水构造并建议予以钻孔验证。,经当地水文地质队的进一步工作及钻探验证，日出水量达5000吨。,5.1.4困难复杂地区试验,阵列电磁法在西部高原某已知矿区所取得的实际数据，经数据处理和反演解释后得到的电阻率与地质资料对比的断面图。,图中，反演解释结果与已有地质资料相对应，反应出矿化及含矿异常体的空间分布。,5.1.5找矿示范,阵列天然场电磁法在内蒙古某矿区开展了方法技术的示范性工作，取得良好效果。图件所示为阻抗相位归一化异常断面图，根据阵列天然场电磁法工作成果的建议，在建议钻孔位置（3线148号点）获得找矿突破，在310米350米间连续见金矿体40米，最高品位25g/T，平均品位4g/T，并在400米600米间见多个薄层高品位金矿。,物化探研究所,内蒙古某矿区0线阵列电磁法异常及建议钻孔位置,在建议钻孔位置（3线148号点）获得找矿突破，在310米350米间连续见金矿体40米，最高品位25g/T，平均品位4g/T，并在400米600米间见多个薄层高品位金矿。,物化探研究所,内蒙古某矿区3线阵列电磁法异常及建议钻孔位置,5.2阵列多频相位激电法的试验应用,5.2.1方法有效性试验在2000年初，作为地调局新方法技术大比武场的石槽铜矿，曾有国内外多种电磁法技术参加了试验工作。经专家评议，物化探所的阵列天然场电磁法所取得的资料与矿区钻探控制资料吻合最好。北京延庆石槽铜矿区已知资料齐全，有利于试验工作的对比。但由于石槽铜矿区地形条件复杂，地表植被覆盖多，试验时其主、副矿体正在进行打硐开矿施工，工业干扰强，这对方法技术试验工作是一个严峻考验。就是在这种条件下，方法技术有效性试验，也取得如下成果：,1、在延庆石槽铜矿复杂地形及强工业干扰条件下，人工场谱激电之相位激电方法技术试验仍取得可靠的数据及良好的效果。表明仪器具有观测精度高、抗干扰能力强、方法技术先进、轻便实用等特点。2、人工场谱激电之相位激电技术采用多信息数据采集，既可提供频率域激电信息，也可提供时间域激电信息。实测的多参量信息包括有视绝对相位、视电阻率、视极化率、半衰时等，多参量数据的获得及其反演结果，为探测目标体物质属性的判断提供了多信息依据。3、人工场激电法与天然场电磁法相结合，可实现多信息、大深度探测的轻便技术方法组合，提高解决复杂地质问题的能力，可满足复杂地形条件下的资源勘查工作需要。,延庆石槽铜矿区勘探线已知资料,1大理岩2石英闪长岩3铜矿4钻孔编号,北京延庆石槽铜矿区勘查线相位激电测深反演电阻率断面图,北京延庆石槽铜矿区勘查线相位激电测深反演相位断面图,高程（米）,北京延庆石槽铜矿区勘查线偶极激电测深反演极化率断面图,5.2.2西藏朱诺斑岩型铜矿区的应用,朱诺斑岩型铜矿位于西藏昂仁县境内，为西藏地调院在2003年的工作中所发现，该矿区已开展1:5万水系沉积物、1:1万土壤地球化学测量，以及常规激电中梯工作。,该矿区所开展的常规激电中梯工作，发现存在高极化率异常，在地表也揭露出较好的铜矿（化）体，并推测矿（化）体向深部有较大延展和富集，西藏地调院拟布设钻孔查证。为此，我们选择该矿区进行了相位激电测深及天然场AMT测深的轻便阵列技术组合试验。一是检验特殊景观条件下方法技术的有效性和实用性，同时为查证钻孔的布设提供地球物理依据。,西藏朱诺矿区0线相位激电测深反演相位断面图,西藏朱诺矿区0线AMT测深反演电阻率断面图,图为0勘查线的阵列工作成果。0线的相位激电测深提供了中浅部（150米内）的激电断面信息，天然场AMT测深提供了中深部的电阻率断面信息，两种观测手段所提供的信息互为补充与综合，为矿区的钻探查证提供了依据。,平硐PD1在230米后见原生铜矿，相当于相位激电测深工作反演断面图的高相位分布位置。可见阵列相位激电测深法对该矿区的工作效果明显。与此同时，在220号点附近的深部还发现明显的高相位异常，结合阵列天然场AMT测深工作的低阻分布形态，提出建议钻孔ZK001、ZK002、ZK003、ZK004。四个钻孔有3个钻孔见到铜矿（化）体。由此可见，轻便的综合