礦產(chǎn)地球物理勘探中的智能化測控儀器

鄭譚，白彥超

（華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院，河南鄭州 450045）

地球物理在礦產(chǎn)普查與勘探中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。探測儀器作為地球物理勘探（以下簡稱“物探”）的主要工具，是采集數(shù)據(jù)繼而經(jīng)數(shù)據(jù)處理和解釋成功發(fā)現(xiàn)探測目標(biāo)的關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，地球物理探測儀器日益向著快捷、輕便，高精度、智能化、自動化等方向發(fā)展。

在引進智能化測控儀器時，礦產(chǎn)勘探部門需要充分考慮所購置設(shè)備的經(jīng)濟性、可行性和擴展性等問題[1]。本文擬在介紹物探相關(guān)智能化測控儀器的發(fā)展的基礎(chǔ)上，分析各類礦產(chǎn)勘探典型儀器的工作原理和實際應(yīng)用情況，以期為礦產(chǎn)勘探部門的選擇提供參考。

1 我國物探智能化測控儀器的發(fā)展概況

地球物理勘探儀器種類繁多，按照勘探對象的物理屬性分，可大致分為電法、重力、磁法、電磁法、地震勘探等。井中物探由于探測位置的特殊性，故單獨作一類別加以討論；重力勘探和磁法勘探方法本身在固體礦產(chǎn)勘探中存在一定的局限性，本文不作集中討論。

1.1 電法勘探儀

電法勘探是以研究對象和圍巖之間的電性差異為基礎(chǔ)，利用物理學(xué)原理，通過觀測和分析天然及人工電磁場的空間和時間分布規(guī)律，查明地質(zhì)構(gòu)造和尋找礦產(chǎn)的一種地球物理方法。電法勘探的發(fā)展歷史并不長，真正利用地電場進行電法勘探的時間大致始于19世紀(jì)末、20世紀(jì)初。二十世紀(jì)七八十年代以來，電法勘探法在資源、工程、環(huán)境等多方面的應(yīng)用得到迅速發(fā)展。我國多家科研院所及廠商在這一時期研制出各類電法勘探儀器，例如北京地質(zhì)儀器廠的DDJ系列多功能電法儀和DWJ型微機激電儀，重慶地質(zhì)儀器廠的DZD系列多功能直流電法儀、DDC型電阻率儀及DJF型大功率激電儀，重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所的WDJD和WDDS系列、WDA型直流激電儀等，中南大學(xué)的雙頻激電和偽隨機多頻激電法等。另外，北京地質(zhì)儀器廠、重慶地質(zhì)儀器廠和吉林大學(xué)驕鵬公司等單位各自開發(fā)出的高密度電法儀[2-4]，加快了電法勘探向三維成像方向發(fā)展。中南大學(xué)多頻激電遠程測控系統(tǒng)使電法儀器在智能測控方面有了長足的進步。

1.2 電磁法勘探儀

感應(yīng)類電磁法（例如MT/TEM/CSAMT）借助于天然或人工場源，比直流電法具有更大的穿透深度。20世紀(jì)60年代，中國科學(xué)院蘭州地球物理研究所等研制了大地電磁觀測儀器。20世紀(jì)80年代后，中國科學(xué)院地球物理研究所、長春地質(zhì)學(xué)院、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）等相繼研發(fā)出了低頻數(shù)字大地電磁測深儀、寬頻數(shù)字大地電磁測深儀和長周期大地電磁測深儀等[5]。原地礦部物化探研究所、原中南工業(yè)大學(xué)、北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院等開展了瞬變電磁儀的研發(fā)工作[6]。

21世紀(jì)初，多家單位及部門研發(fā)出了三維分布式探測的可控源及多功能電磁法儀器[7-10]，隨后完成了電磁探測技術(shù)、裝備和性能的全面升級，具體體現(xiàn)在發(fā)射功率、探測深度、抗干擾能力、采集參數(shù)數(shù)量等方面。其中，作為感應(yīng)類電磁探測技術(shù)的核心，高靈敏度、寬頻電磁傳感器總體已達到或局部超過國外主流儀器的技術(shù)指標(biāo)。同時，我國還研制出了瞬變電磁法電磁傳感器、適用于CSAMT/MT的電磁傳感器、高靈敏度三軸分離式磁通門傳感器等。這些電磁傳感器在一致性、穩(wěn)定性和重復(fù)性方面達到國外同類產(chǎn)品水平。

另外，我國在“十二五”期間研制及發(fā)展了分布式多參數(shù)高密度電磁探測系統(tǒng)、大功率偽隨機廣域電磁探測系統(tǒng)和長周期分布式大地電磁觀測系統(tǒng)等，具有抗干擾能力強、勘探深度大、分辨率高、工作效率高等優(yōu)點。國外電磁儀器（例如V8、GDP32、EH4、GMS等）壟斷的局面正在逐漸被打破。

1.3 地震勘探儀

地震勘探儀為采集以反射地震波資料為主的反射地震儀，但目前國內(nèi)外均缺乏針對金屬礦勘探的地震采集儀器，多數(shù)仍使用油氣勘探的有纜數(shù)字地震采集設(shè)備，例如，法國Sercel公司的428系列、美國I/O公司的System系列、加拿大Geo-X公司的ARAM系列等。近年來，我國在數(shù)字地震儀器、MEMS檢波器、可控震源等方面均取得了突出進展[11-12]。

由于金屬礦產(chǎn)勘探具有地質(zhì)、地形條件復(fù)雜、有效信號弱等特點，因此針對金屬礦勘探的地震儀需要滿足無纜、輕便、多道、大動態(tài)范圍等多項要求?？上驳氖牵瑖鴥?nèi)已經(jīng)研發(fā)出多型號的節(jié)點地震儀，例如重慶地質(zhì)儀器廠EPS便攜式數(shù)字地震儀、CZS一體化寬頻數(shù)字地震儀，吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院無纜遙測地震儀，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所無纜存儲式數(shù)字地震儀等[13-14]。 我國還自主研制了輕便分布式遙測地震探測系統(tǒng)，實現(xiàn)小型化掃頻可控震源，并兼具大型地震采集系統(tǒng)的高分辨、高保真、實時采集和超萬道采集能力[15]。

1.4 井中物探與測井儀

20世紀(jì)60年代初，地礦部物化探研究所首臺測井儀器問世。中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所、重慶地質(zhì)儀器廠、北京地質(zhì)儀器廠等多家單位又先后研制出地下電磁波CT、聲波CT、井中磁力儀、井中激電測量儀、井中TEM測量儀等井中物探與測井儀器。目前，雖然我國與國外先進水平仍存在較大差距[16]，但在深孔小口徑研發(fā)、多參數(shù)測量、提高發(fā)射功率和接收靈敏度、采集自動化等諸多方面均已取得了長足地進步。

近年來，我國攻克了井中電磁波層析成像儀器的耐高溫高壓以及大功率發(fā)射、高靈敏度接收等關(guān)鍵技術(shù)，大幅度提高了探測深度和透視距離；突破了井中激電多通道全波形數(shù)據(jù)采集技術(shù)，解決了各通道間串音干擾、多通道同步采集、全波列電法參量提取等技術(shù)難題，極大地提高了儀器抗干擾能力和野外工作效率。

2 幾種典型物探智能測控儀原理及應(yīng)用

基于智能物探儀器及配套設(shè)備在我國礦產(chǎn)勘探實踐中發(fā)揮的重要作用，以下擬列舉幾類典型的物探智能測控儀，對其工作原理及應(yīng)用情況進行分析。

2.1 多頻激電儀遠程測控系統(tǒng)

電法勘探典型儀器以中南大學(xué)研發(fā)的多頻激電儀遠程測控系統(tǒng)（含通信模塊、上位機和下位機）為例進行介紹。

2.1.1 工作原理

該系統(tǒng)是針對多頻激電儀中接收機對發(fā)送機和控制器無法進行智能遠程控制的現(xiàn)狀，基于GPRS進行的研發(fā)。其通信模塊由3塊插入SIM卡的DTU組成，以短信方式完成遠程數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)位機間數(shù)據(jù)通信。上位機為主動站，負(fù)責(zé)發(fā)起連接，對下位機狀態(tài)監(jiān)測和功能控制。下位機則為從動站，接收上位機的連接和執(zhí)行上位機傳來的命令，并具報警功能。該系統(tǒng)降低了勞動強度，大幅提高了工作效率[17]。儀器的進一步發(fā)展可考慮遠程傳輸效率的提高以及數(shù)據(jù)實時處理與解釋，進而控制野外數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和對測量結(jié)果的野外實時反演分析。

2.1.2 應(yīng)用實例

以廣西泗頂鉛鋅礦外圍找礦研究項目為例，該項目根據(jù)地質(zhì)研究，總結(jié)出成礦規(guī)律，并利用測區(qū)鉛鋅礦標(biāo)本具有較好的激電效應(yīng)的特點，采用了大功率雙頻激電法進行了面積性測量。工作人員發(fā)現(xiàn)激電異常后，用偽隨機三頻相位法區(qū)分鉛鋅礦、硫鐵礦和寒武系老地層的異常，最后在礦異常區(qū)進行微分測深確定礦體的埋深和厚度，為后續(xù)工程驗證提供了依據(jù)。該項目水槽模擬實驗中含鉛鋅礦的標(biāo)本采用雙頻激電和偽隨機三頻相位法所測量結(jié)果與實際測量結(jié)果有很好的可比性，幅頻率異常形態(tài)和相位異常特征十分相似。由此判斷該異常是由一個陡傾斜的富鉛鋅礦板狀體引起的，有一定的工業(yè)價值[18]。

2.2 等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)

電磁法勘探典型儀器以湖南五維地質(zhì)科技術(shù)有限公司與中南大學(xué)基于等值反磁通瞬變電磁原理共同研制的HPTEM-08等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)[19]為例進行介紹。

2.2.1 工作原理

區(qū)別于傳統(tǒng)的瞬變電磁法，等值反磁通瞬變電磁接收線圈處于一次場零磁通平面上，因而接收線圈本身不存在電磁振蕩。地質(zhì)體渦流響應(yīng)被儀器接收后，對偶中心耦合裝置減少了煙圈擴散角度，因而提高了渦流橫向聚集，改善了橫向分辨率，提高了信噪比和測量精度。該系統(tǒng)操作不受場地限制，消除了關(guān)斷延遲的電磁耦合效應(yīng)，在儀器穩(wěn)定性、校準(zhǔn)早期二次場測量、快速反演等方面較為先進。該系統(tǒng)下一步的發(fā)展方向可著眼于提升收發(fā)線圈輕便化、增強發(fā)射功率及實現(xiàn)智能化實時反演等方面。

2.2.2 應(yīng)用實例

甘肅有色地質(zhì)調(diào)查院曾將該系統(tǒng)應(yīng)用于甘肅北山地區(qū)。該區(qū)為極旱荒漠地帶，電極接地條件差，不適于電測深法。因此，對由激電中梯掃面成果圈定范圍及走向的淺部礦（化）體進行了瞬變電磁測深，目標(biāo)為探測礦體深部延伸及盲區(qū)礦體。由于探測所得瞬變異常主要由礦體和淺部礦化引起，由此可甄別圍巖和礦體界線及深部延伸等。本次綜合勘探成功查清了該地區(qū)多層礦體傾向、延伸等信息。等值反磁通瞬變電磁法在實際施工中充分體現(xiàn)了其方便快捷的特點，解決了傳統(tǒng)物探裝備繁瑣、施工難度大等難題，取得良好的應(yīng)用效果[20]。

古風(fēng)化殼型沉積鋁土礦床是主要鋁礦資源，但其不具有明顯的電性特征，應(yīng)用傳統(tǒng)的地球物理方法探測鋁土礦不具備明顯的物性條件。然而，根據(jù)鋁土礦富集成礦和地層層序之間的規(guī)律，基于等值反磁通瞬變電磁縱向分辨能力，可建立對應(yīng)地質(zhì)年代地層的電阻率譜系，根據(jù)地層層序電阻率譜系變化規(guī)律探測鋁土礦。山西省沁源縣正義鋁土礦是典型的碳酸鹽古風(fēng)化殼型沉積礦床，地層沉積序列從老到新依次為奧陶系峰峰組灰?guī)r—石炭系本溪組鐵質(zhì)黏土層—石炭系本溪組鋁土礦—石炭系本溪組黏土層—石炭系本溪組灰?guī)r，對應(yīng)的電阻率譜系為高阻—低阻—高阻—低阻—高阻。賴耀發(fā)、席振銖、張峰等采用HPTEM-08等值反磁通瞬變電磁系統(tǒng)，通過比對多條平行剖面的電阻率譜系，確定了鋁土礦空間分布范圍，為鋁土礦勘查提供了一種新的技術(shù)思路[21]。

2.3 輕便分布式多道遙測地震探測系統(tǒng)

國內(nèi)地震勘探領(lǐng)域的智能儀器以驕鵬科技北京有限公司SE863輕便分布式多道遙測地震探測系統(tǒng)為例進行介紹。

2.3.1 工作原理

該系統(tǒng)由采集站、電源站、交叉站和主控站組成，采用新型32位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1282和系列工藝設(shè)計，實現(xiàn)了高保真、高分辨率數(shù)據(jù)采集。智能化電源站可以智能識別主供電電源方向，管理電源輸出，充當(dāng)中繼電源，同時兼容子站通信模式。每個交叉站通過電纜可連接4～384個采集站，負(fù)責(zé)控制采集站的數(shù)據(jù)采集、管理和上傳；同時可自動偵測有線、無線、2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)連接，激活后與主站構(gòu)建主干通信，接收主站指令進行數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)采用差分電纜傳輸技術(shù)，采集鏈路通信采用STM32F103芯片，實現(xiàn)了通信及采集單元無址鏈接；采用獨特的混合遙測通信技術(shù)，單站鏈路電纜通信，交叉站間通過電纜、光纜或無線電通信完成控制指令的發(fā)送和地震數(shù)據(jù)的回收，使系統(tǒng)能以交叉站為單元任意布置，適合復(fù)雜地形條件下采集單元靈活部署。該系統(tǒng)未來發(fā)展可考慮在檢波器頻帶向低頻拓展及傳輸帶寬提高等方面。

2.3.2 應(yīng)用實例

金屬礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，因此金屬礦勘查中的地震探測技術(shù)尚處于早期探索階段，但在利用地震方法探測控礦構(gòu)造、尋找與隱伏金屬礦有關(guān)的局部不均勻體等方面已經(jīng)取得了一些明顯的效果，包括：利用反射波地震方法探測沉積層控礦床和控礦構(gòu)造；利用散射波地震方法探測與礦體有關(guān)的地下局部不均勻體，進而確定隱伏礦體的位置[22]等。例如，江西九江—瑞昌地區(qū)采用地震方法開展了尋找隱伏火成巖（礦）體的工作?；鸪蓭r體是該區(qū)隱伏巖體形成的必要條件。該項目采用適合山區(qū)工作的SE系列輕便數(shù)字地震儀和淺層地震工作站為尋找銅、金、鈷等隱伏侵入巖（礦）體提供深部地層和構(gòu)造資料。地震勘探的目標(biāo)是探明火成巖巖體規(guī)模、空間位置、埋藏深度以及與圍巖的接觸關(guān)系。項目通過采用反射波多次疊加、淺孔小藥量震源激發(fā)、根據(jù)地形情況靈活布設(shè)測線等工作方法獲得探測數(shù)據(jù)，與鉆探揭示結(jié)果有較好的吻合[23]。

2.4 大功率地下電磁波層析成像系統(tǒng)

物探測井儀器以中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)研究所研制出JW-8大功率地下電磁波層析成像系統(tǒng)為例進行介紹。

2.4.1 工作原理

大功率地下電磁波層析成像系統(tǒng)包括有井中電磁波發(fā)射機、井中電磁波接收機、地面收錄控制器、天線及附屬設(shè)備等。其中，井中發(fā)射機由寬頻帶功率合成器、可程控頻率合成器、輸出電壓采樣/保持、單片機控制器及電源等部分組成；井中接收機由低噪聲寬帶高頻放大器、可程控頻率合成器、高增益中頻放大器、單片機控制器及電源等部分組成；地面數(shù)據(jù)收錄控制器是電磁波層析成像系統(tǒng)的重要組成部分，主要包括數(shù)據(jù)采集驅(qū)動板、工業(yè)控制計算機、液晶顯示觸摸屏、井下探管驅(qū)動控制接口、光碼盤深度計數(shù)模塊等[2]。該系統(tǒng)實現(xiàn)了深井條件下大功率脈沖調(diào)制發(fā)射（發(fā)射機輸出功率15 W），耐溫、耐壓分別達到85℃、25 MPa，最大跨孔透視距離達500 m，探測深度可達2 000 m，最高探測精度可達厘米級。

2.4.2 應(yīng)用實例

地下電磁波層析成像系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查以及工程與水文地質(zhì)等領(lǐng)域。 如高文利、邱禮泉、李洋等將該系統(tǒng)應(yīng)用于西藏曲松縣羅布莎及康金拉礦區(qū)鉻鐵礦坑道及鉆孔間電磁波CT，查明了礦體的形體特征及礦體間空間展布關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了盲礦體；將其應(yīng)用于安徽池州馬頭銅鉬礦，發(fā)現(xiàn)了黃銅礦化異常，確定了其延伸[24]。實踐表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能取得探測距離大于500 m的透視資料，為深部找礦和環(huán)境與災(zāi)害地質(zhì)勘查提供了高分辨率技術(shù)設(shè)備和方法。

3 結(jié)語

綜上所述，智能化測控儀器在礦產(chǎn)地球物理勘探中發(fā)揮著重要作用。在進行物探過程中，應(yīng)根據(jù)探測對象的物性特征，靈活選用適宜的地球物理勘探儀器，在取得良好的地質(zhì)勘探效果的基礎(chǔ)上，力求獲得高質(zhì)量的采集數(shù)據(jù)，達到較高的工作效率，降低野外勞動強度和勘探成本，這也是勘探成敗的關(guān)鍵因素。自主研發(fā)出具有獨立知識產(chǎn)權(quán)的、技術(shù)先進的高精度智能儀器及配套設(shè)備，打破國外產(chǎn)品的壟斷局面，依舊是亟需我國地球物理勘探行業(yè)解決的問題。