金属矿勘探中的物探仪器

电磁法仪和磁力仪是金属矿物探中常用的仪器。近年来随着地震仪制造水平的提高，特别是新的地震数据软件的研发，地震法在金属矿探测中取得了很大进展。

1 GMS－07e综合电磁法仪

GMS－07e大地电磁仪是德国Metronix公司在过去30多年在设计和生产地球物理电磁仪器方面所积累经验的基础上，研制开发出的新一代产品，是目前最先进的频率域电磁法勘探仪器之一。具有通频带宽、灵敏度高、抗干扰能力强、设备轻便、操作简单等诸多优点，广泛应用于矿产资源勘探、石油天然气勘探、地下水和热水资源勘探、地下溶洞和采空区勘探、工程地质勘探、地震前兆监测、深部构造探测等领域。

GMS－07e包 括 主 机 ADU－07e，磁 场 传 感 器MFS－06e或MFS－07e以及不极化电极等组成。总重约35kg，非常轻便。

图1

1．1 主机ADU－07e主要技术指标

频率范围：直流－256k Hz

道数：每个ADU－07e含有10个通道

带宽：两个频带（直流－500 Hz，1Hz～250k Hz）；用户可根据自己需要任意设置频带宽度

A／D转换器：每个通道有两个24位A／D转换器，低频采样率4000Hz，高频采样率600000Hz

动态范围：＞130d B

系统控制器：32位嵌入式控制器，LINUX

存贮介质：8GB闪烁硬盘（可扩充），优盘，USB大容量存储设备

测试和标定：对所有的重要功能，包括传感器和仪器指标都可自动检测和标定，并建立文档

输入阻抗：电道＞10MΩ，磁道20kΩ欧

网络连接：标准的100兆双绞电缆；USB 1．1，2．0；Wi－Fi

接口种类：网络，磁传感器，电极传感器，电源，GPS天线，USB，Wi－Fi

同步：高精度GPS，±30ns，并确定和存贮测点位置参数

外壳：坚固的防水聚碳酸酯外壳重量：接近7kg

功耗：3～5W低频，15W高频工作温度：－40～＋70℃

外部尺寸：400×330×170mm

1．2 磁场传感器技术指标

众所周知频率域电磁仪的核心是磁场传感器。Metronix公司研制的宽频带感应磁场传感器MFS－06e和MFS－07e是专门用于大地电磁（MT）和可控源大地电磁法（CSAMT）的传感器。它们覆盖了从0．0001Hz～50k Hz宽广的频率范围，具有杰出的低噪声特性、极低的温度漂移以及在整个温度范围和时间范围内非常稳定的传输函数。它们凝聚了Metronix在设计、制造和应用感应磁传感器方面多年的经验。

（1）MFS－06e磁场传感器技术指标

频率范围：0．0001Hz～10k Hz

频带：0．0001～500Hz（斩波器开）

10Hz～10k Hz（斩波器关）

传感器噪声：1×10 n T／√Hz＠0．01Hz

1×10－4n T／√Hz＠1 Hz

5×10－6n T／√Hz＠1000Hz（斩波器关）

输出灵敏度：0．2V／（n T×Hz）f＜＜4Hz

0．8V／n Tf＞＞4 Hz

精确值请参照有关标定文件。

功能：具有磁场负反馈的感应线圈

插件：8极PT02SE12－10S

标定输入灵敏度：4n T／V

反馈截断频率：4Hz

供电电压：±12～±15V，经稳定和滤波

供电电流：±25m A

外壳：牢固和防水玻璃纤维加筋外壳

输出电压范围：±10V

工作温度范围：－25～＋70℃

重量：约8．0kg

外型尺寸：长1250mm，直径75mm

（2）MFS－07e磁场传感器主要技术指标

频率范围：0．001～50k Hz

频带：0．001～500Hz（斩波器开）

10Hz～50k Hz（斩波器关）

传感器噪声：3×10－2n T／√Hz＠0．01Hz

3×10－4n T／√Hz＠1 Hz

5×10－7n T／√Hz＠1000Hz（斩波器关）

输出灵敏度：0．02 V／（n T×Hz）f＜＜32 Hz

0．64 V／n T f＞＞32Hz

精确值请参照随机的标定文件。

功能：对感应线圈施加反馈磁场

接头：8极 PT02SE12－10S

标定输入灵敏度：1．6n T／V

负反馈截断频率：32 Hz

电源电压：±12V～±15V

电流：±25m A

外壳：牢固，防水的玻璃纤维加筋外壳

输出电压范围：±10V

工作温度：－25～＋70℃

重量：接近5．5kg

外部尺寸：长800 mm，直径75mm

1．3 设计原理

数据采集通道1－10可任意与磁场传感器和电场传感器连接。来自磁场传感器和电场传感器的模拟信号，首先进入高频通路HF或低频通路LF（统称ADB板）进行放大、滤波、标定、极化电位补偿等一系列过程，形成时间序列并存储。时间序列经24位A／D转换后变为数字信号，并对其进行一系列计算和处理后，获得各种功率谱以及反映地下电性结构的各种电性参数和视电阻率及阻抗相位曲线。图2为ADU－07e设计原理图。

图2 ADU－07e设计原理图

主机ADU－07e由主板CPU控制，它根据预先设置的工作参数，通过USB总线设置AD板的频带、增益、系统标定、极化补偿、A／D运行、数据计算、处理、存储、显示、下载等等。可通过遥控，局域网，优盘等给CPU安装软件系统，设置测点的工作参数。

1．4 使用方法

（1）传感器布置

首先用森林罗盘仪或手持罗盘定出磁南北和磁东西方向，然后将两个磁场传感器沿磁东西、磁南北方向埋置地下10～15cm深度，用水平尺调平，用土覆盖；如果在岩石裸露区，磁场传感器可放置地面上，调平后用土覆盖。同样，沿磁东西方向和磁南北方向各布置一对不极化电极，电极埋置地下10～15cm，周围用土填实，并冲盐水；如果在岩石裸露或沙漠地区可用湿粘土把电极包住，再置于地表。电极间距通常20～50m。磁传感器和电极埋置后，再将它们用传感器电缆和电极线与ADU－07e主机连接。

（2）主机ADU－07e设置常规方法：

① 在System Status页面下查看系统状态，包括电池状态、存储器使用状况、GPS状态、温度等；

②在Selftest页面下查看所有ADB板状态，确认无误后进入设置参数环节；

③在channels页面下选择所需通道LF或HF，设置通道增益、滤波器类型以及斩波器开关，选择对应的传感器类型，如果是磁传感器则需输入序列号；如果是电极则需要在Sensor Position页面下输入电极距；

④ 最后，在Startpage页面下设置采样率、测量起止时间，发送任务开始测量。

简便方法：

编辑ADU－07Conf．xml和job．xml文件，将当日任务（文件）预置到U盘，到野外操作时将U盘插入ADU－07e主机的USB接口即可按照要求进行测量。

1．5 主要性能及特点

（1）具有10个数据采集通道，可以采集多达10个电磁场信号，所以一台ADU－07e主机可同时完成四个测点观测，如图3所示。工作效率比其他频率域电磁法仪高4倍。

图3

（2）每个通道有两个不同类型的24位A／D转换器。在低频段记录时可以获得高频段信号，反之亦然。不同类型的传感器均可与ADU－07e连接，以记录不同频段的信号。

（3）通频带最宽，从直流－256k Hz，覆盖了所有地球物理电磁场的频率范围。对不同通道可同时设置不同的采样率，因此可以同时采集不同频段的信号。除固定的频带外，还可自由设置频带范围。

（4）可通过下列手段对仪器进行控制或下载数据：

① 通过以太网；

② 通过局域网；

③ 通过蓝牙技术PDA；

④通过装有预置程序的U盘；

⑤ 通过笔记本电脑；

⑥ 通过Internet网（固定站模式）；

⑦ 通过手机上网控制。

（5）可以作为独立系统工作，也可以多至32个ADU－07e同步记录组成网络系统。

（6）在多道和网络系统中由高精度的、内置GPS同步。

（7）自动补偿电极极化电位，现场实时处理观测数据。

（8）实时自检和包括传感器在内的自行标定；实时显示工作状态，自动检索仪器故障。

（9）与Metronix生产的所有类型电、磁传感器兼容。

（10）在线实时处、实时显示时间系列和各种MT参数。

（11）12V电瓶供电，功耗3～5瓦（低频）。

（12）牢固、防水，特别轻便，易携带。

（13）工作温度，从－40～＋70℃。

特别指出的是ADU－07e具有很强的抗干扰能力：ADU－07e输入端设有无线电频率滤波器，内部设有去干扰滤波器，频率可调，能有效的抑制人文噪声干扰。输出端采用磁耦合，以隔断数字电路噪声通过接地串绕至前面的模拟线路之中。由于ADU－07e的动态范围高达130dB以上，因此它对大幅度的电磁场干扰具有很强的抵御能力。例如高压和超高压输电网散射的50 Hz电磁波强度往往比大地电磁场的有效信号高出数十倍，甚至百倍，但只要输电网的频率和电压是稳定的，大地电磁场的有效信号仍能从极强的50 Hz干扰背景提取出来。

1．6 观测功能

GMS－07e可实现下列观测功能：

（1）单台MT和AMT观测；

（2）远参数道观测；

（3）EMAP观测和网络式观测；

（4）CSAMT观测和CSEMM观测，此时应配置Metronix研发的TXM－22发射系统，其技术指标如下：

输出功率：22k W

输出电压：560V

输出电流：40A

发射频率：10k Hz～0．001Hz

电源：3相50 Hz发电机

高精度GPS同步

发射机由TXM－01控制箱控制

发射波形：正弦波，脉冲，随机波形

发射机尺寸：509×350×485mm，重40kg

控制箱尺寸：400×300×170mm，重8kg

TXM－22发射系统采用独特的三个接地电极依次向地下供给不同频率的发射电流，因此其发射的电磁场具有不同的极化特点，所以可求解地下张量阻抗值，适应二维和三维构造探测。其他CSAMT的观测装置只有两个接地电极，只能发射线性极化场，所以只适合一维构造探测。

1．7 软件

ADU－07e内置网络服务器，其所有设置都由网络界面控制，任何网络浏览器均可进入其中。MAPROS软件采用Robust算法对记录的时间序列进行实时处理或远程处理。MAPROS软件含有多种去噪声功能。

图4

1．8 适应范围

当与MFS－07e磁场传感器连接时（频带1000s～50k Hz），其勘探深度为0～30km，可应用于：

① 石油、天然气资源勘探；

② 矿产资源勘探；

③ 工程和环境勘探；

④ 地下水和地热资源勘探；

⑤ 地下溶洞和采空区勘探；

⑥ 监视地下电阻率变化、地震预报和深部构造探测。

当与MFS－06e磁场传感器连接时（频带10000s～10k Hz），其勘探深度为20m至上地幔软流圈内部，主要应用于上述①、②、④、⑤和⑥。

当与三分量超高频磁场传感器SHFT－02连接时（频带1～300k Hz），其勘探深度0～40m左右，主要应用于浅层和超浅层勘探。

当与TXM－22发射机配合时，可实现CSAMT勘探。

当与FGS－03磁通门磁力仪连接时，可实现20秒至20万秒的超低频观测，用于研究地壳和上地幔软流圈内部的电性结构。

1．9 注意事项

（1）观测点应远离220千伏以上的超高压线500m以上，至少也要远离200m以上。

（2）磁传感器电缆线和电极线最好用土压住，以免风吹摆动切割地磁场产生干扰信号。

（3）在电磁干扰非常严重的地区，最好采用远参道观测方法。

（4）如果采用CSAMT观测方式，最小偏移距应大于3倍的勘探深度。

（5）在起伏很大的山区或表层很不均匀的地区观测时，应采用EMAP观测方式，例如一台主机同时观测4个测点，以消除静位移效应。

1．10 常见故障及排除方法

磁传感器不会发生任何故障，ADU－07e主机也极少出现故障，如果用户操作失误错接电源时，例如把12V电源接到24V电源上，可能导致电源输出板器件损坏。此时应返回北京维修中心修理。

1．11 应用实例

（1）金矿探测实例

实例1：

廊坊市大山地质矿业公司利用GMS－07综合电磁法仪于2009年10月在山东沂水县开展金矿区深部找矿工作。该矿区位于沂沭大断裂带中段，其两侧发育有多条次级断裂，已知金矿受沂水一汤头次级断裂控制，为蚀变岩型金矿。为了探明金矿在深部的蕴藏远景，必须探明次级断裂带的延深情况、形态和产状等。为此在该区布置了10条探测剖面，图5为第100线剖面的二维反演结果。

图5 100线二维反演电阻率剖面图

向右倾的高阻体是被岩浆岩充填的主断裂带，即沂沭断裂带。表层0～20m的低阻层为表土层，表土层下面发育有多条次级断裂（红线标示）。已发现的金矿受主断裂带两侧和次级断裂控制，因此可以推测沿这些次级断裂和主断裂两侧都可能是金矿蕴藏的地带。

根据上述探测结果，山东天业矿业公司布置了两个钻孔，均发现金矿带。

实例2：

北京欧华联科技有限责任公司应安徽省312地质队要求，于2010年4月在安徽风阳地区利用GMS－07e综合电磁法仪对己知的含金矿体进行试验性探测，沿NW—SE方向共布置4个测点，其试验结果见图6、7、8。

图6 在凤阳地区记录的原始数据范例（时间序列）

图7 现场实时处理的视电阻率曲线

图8 凤阳地区剖面二维反演结果

从图8的二维反演结果可见：

① 在距离80m，深约50m处，剖面两侧电阻率发生急剧变化，推测可能有深断裂带存在，此断裂带倾向NW陡倾。

② 断裂带以西，50～100m为中阻带，可能为碎裂带，100～150m为低阻带，可能是破碎带主体。该碎裂带向西北延伸，向东北方向终止在深断裂带附近。

据安徽省312地质队信息，在剖面左端第一个测点深50m处钻探结果见到金矿，该金矿位于产状近水平的破碎带内。在剖面右侧有NE向的深断裂通过，可见探测结果与已知信息基本一致。

（2）铜镍矿探测实例

新疆图拉而根铜镍矿是个岩矿化超镁铁质岩浆硫化物型铜镍矿，为查明含岩矿体向深部的延伸情况在矿区进行了两次大地电磁剖面勘探。图9是两条MT剖面的解释结果。图A中部连续的低阻异常和图B中部两个规模较小的低阻异常，是铜镍矿在深部的展布情况，并得到钻探证实。

（3）热田探测实例

中科院地质与地球物理研究所在黑龙江省海伦市用GMS－07探测地热田。共布设6条剖面，但其中317，318和329测点组成的剖面未纳入解释。从探测结果（图10）可见浅部为低阻体，1000～2500m为高阻体，但高阻体形态比较复杂：在测区西北规模较大，向西南倾斜；侧区东北规模次之，向东北倾斜。测区中部未见高阻体。从东西剖面的探测结果（图11）可见，在剖面中部为低阻凹陷。根据已知资料，上述高阻体为岩浆侵入体，地热田位于岩体下方。

（4）溶洞水探测实例

图9 图拉而根铜镍矿在深部分布情况，低阻区为铜镍矿的可能蕴藏区

图10 测区纵向剖面电阻率——深度等值线（五条北东向剖面）

图11 测区东西向二维反演电阻率一深度等值线

图12 北京顺义二十里长山——平谷盆地的MT剖面图

在北京顺义县二十里长山——平谷盆地布置75个MT测点探测基底灰岩中的含水溶洞，图12是其中的3条探测剖面。可见浅部低阻层从左到右变厚至400～500m，为第四季水平层状沉积，普通含水；下覆地层为高阻震系，被多条断裂切成块体，较大规模的含水溶洞往往发育在断裂的下盘，如监色所标A、B、C、D、E，并被钻孔证实。

（5）石油勘探实例

GMS－07对某盆地的含油远景进行预测。图13是不同深度的电阻率水平切片图。可见，在2000～4000m深度上，在水平切面的右侧中部都有低阻层分布，应是沉积盆地的中心，也可能是含油远景区。

图13 某盆地电阻率水平切片图

（待续）

注：本文为编辑部根据北京欧华联科技有限责任公司提供的资料整理，原作者：刘国栋。