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我所瞬变电磁仪研究最近动态(第十九届国际地球电磁感应学术研讨会发表文章)

2008-12-30 12:05:55
           西安强源物探研究所研制的新一代瞬变电磁仪于20081023在北京小汤山召开的“第十九届国际地球电磁感应学术讨论会”上参加展出,以下为展板内容:         
           用我所的科研成果和专利技术,为国家提出的《危机矿山接替资源找矿》和《国土资源大调查》的重大任务,尽我所一份力量!
       西安强源物探研究所成立二十多年来主要从事电法仪器的研制。当然也进行一些必要的理论研究,以适应仪器的自主创新和更新换代的需要,最终还是为了提高勘探的地质效果。
一、TEM无初参自动定量解释——真电阻率分层定厚。
      为了对用户负责,我所每研制一代仪器之后,都要做例行的野外实验。除常规的仪器性能实验外,最重要的就是在已知平稳地层上进行地质效果实验。在这过程中发现了当时使我们感到非常困惑的一些问题。
1、用书刊上所能看到的公式,对改变供电I,改变装置在已知点所测的原始数据进行定性解释,求出的视电阻率ρτ,误差太大且相互之间无可比性,特别是ρτ 的剖面曲线没有地层的模样,反而都呈“面条”状,故无法使用。
2、一维反演解释更成问题,首先必须要有比较准的测区地电参数以便反演解释时做初参使用,而取得较准确的初始参数是用户感到非常困难的工作。
3即使我们的已知测区有直流电测深,地震、测井等详细的资料,但一维反演的结果虽然没有“面条”状剖面,解释的误差也无法接受,但这与设备无关。
      六十年代TEM的应用在有些方面比直流电法优越些,于是西方学者称:“如果说IP是五十年代电法一枝花的话,那么现在TEM的应用,便是电法的二次革命。”这些赞许的话,当时只是一种乐观的看法。但是进入八十年代,工业的发展对地球物理勘探要求越来越高,而TEM可越来越满足不了这种发展的需求。于是又有一些西方的学者开始抱怨说:“.....电磁测深法在地质构造测深中的定量使用还远远落后在直流测深法和大地电磁测深法的后面。我们认为,电磁法之所以进展缓慢,并不反映它的勘探能力较差,而是因为它对用户的知识要求更高,包括仪器的基础理论方面的知识.....”。
      而另一位学者则直截了当的说明了反演解释有问题,他说:“显而易见的一个问题是反演结果有多大的可信度,不经过钻探我们就不能最终验证反演结果......”当然还有一些其它看法。不过,所有的看法都和正反演应用有些关联
      我们感觉到了问题的严重性,我所研制TEM仪器那是强项,而理论研究却是我们的弱项,但是反演没有“可信度”,仪器再好有什么用?这样我们准备了多年,最终下决心从2003年6月10日起正式立项,主攻研究的题目是:《TEM无初参自动定量解释》——真电阻率分层定厚。
      首先我们要查阅已有书刊的理论公式,然后要用野外的实测结果验证之,正如周光照教授在北大的一次校庆学术报告会上所说:“......量子物理学中的一些理论和公式还没有得到实验结果支持的,就不能说它是完全正确的。”
     地球物理勘探是应用物理学的一种,它的理论和公式正确与否,同样要野外的实测数据来支持,否则也不是完全正确的。
      我们通过长时间的野外数据采集和室内的理论研究,发现除了反演解释没有“可信度”外,正演的曲线和实测曲线也存在问题,特别是改变装置大小时两曲线更是对不上,同时我们的很多用户也有所发现。例如重叠回线线圈面积大四倍,则正演计算的响应值早期到晚期均大16倍,而中心回线则大4倍有如下列公式;
公式中M为磁距,a为供圈半径,q为收圈面积。
      我所多年在不同时期,不同测区,用不同装置所测得野外实测数据,不是理论的16倍和4倍的关系。而是重叠线圈面积大4倍则测量的响应值大约2倍,而不是计算的16倍。中心装置的供圈面积大4时,则响应值小约2倍,而不是计算的大4倍。
      当然还有很多这类的一维正演公式将响应值计算成16倍的数学表达式,这显然是没能正确的反映真实的地层断面,所以上述那位专家说“......对用户的知识要求更高 ......”实际并非如此。正是因为拟出正演数字模型的那些专家没有很好的向物探队的工程师们请教,看看他们是在什么地层、什么技术条件如何取得千变万化的各种TEM响应曲线,而这些理论研究人员又应该怎样选取现代的数理手段,用以算出的正演曲线能够尽量与实测曲线逼近,如果很逼近,就有“可信度了”,就能够找到矿了。
      这并不是抱怨以往的理论研究人员,正是他们的努力TEM才能发展到今天.所以我们想从现在起把各种看法放下,从事理论的研究人员和基层物探人员一起协作,来解决这个半个世纪没有解决的问题。
      我所没有力量(人力、物力)来从根本上解决这样重大的问题,可是目前还必须要有TEM好用的定量解释手段,否则TEM发展更缓慢了,于是我所立项研究。研究的详细内容可能以后会在网上发表。
     目前我所的研究成果即将达到可以应用的程度,当然野外所测的数据越多,则取得某些标定系数就越准确,解释的精度就越高。
二、强场源的应用与便携式设备的研制。
      强场源的应用是工业发展到一定阶段时对人工电法勘探的必然要求,应用强场源的文章很多,故不再重复。1956年原北京地院已故电法专家付良魁教授在专业课上讲到:“人工电法勘探要想取得好的地质效果,“最笨”但也就是最好的办法就是加强供电场源。”(这就是强源物探研究所“强源”二字的由来)。实际上从电法勘探应用以来,人们就不断地增加供电电流,用以压制干扰和提高勘探精度与增加勘探深度。
      为此,我所秉承付先生强场源的指导思想。一直在研究强场源的轻便设备。于是我所用1978年11月9日《脉冲压缩技术在电法勘探中的应用》的科研成果,于1989年2月18日研制成功我所的第一代含TEM功能的LC型电法勘探系统(专利)。然后不断更新改进,一直到目前的第六代EMRS-3型仪器与P-1型电磁勘探仪。供电电流分别为2000A和12000A。付先生说的那种“笨”的大型发电设备和所有的(供测)系统,我所将它全部“压缩”在一支仪器箱内,勘探人员可以携带它在地形恶劣的山区进行工作。这种便携式、强场源的设备才是我们的专利,而强电流不是我所的发明。
      其实,早在1980年美国就在冰岛火山活动区和内华达洲西北的实验中,就已用过1000A—2000A的供电设备。只是当时要用大型920KVA柴油发电机。前苏联早年也用过大型发电机供电2000A,不过当年上述供电所使用的TEM装置都是电场源。
      我们认为强场源的应用谁先谁后并不重要,重要的是我们要利用好强场源,使得在TEM勘探中发挥其独特的作用,在实际工作中取得更好的地质效果,为国家提出的重大找矿任务做出我们应有的贡献。
三、TEM工作方法的实验研究
1、重叠、中心、分离、大回线的圈内、圈外、圈大、圈小的对比实验研究及装置与参数最佳选择。
    大回线在地形不好的地区无法施工;分离回线的场源能量利用率太低;中心回线异常反映在二次曲线的晚期,故都不可取。至于重叠装置,我所实验过400m×400m至1.5m×1.5m的装置,最终根据响应值的动态范围,异常值的“衬度”,给定电流的信躁比以及线圈携带的轻便程度等,最终选择框架式结构和可折叠的3m×3m重叠回线。在山区工作可抬平或照准某一个角度,由于携带方便故勘探效率很高,勘探成本很低,实测证明在山区工作也同样取得很好的地质效果。
2、单、双向供电以及最佳叠加次数的实验;
     较早时期,国外也有单向脉冲供电的设备,后来因为噪声干扰越来越大,特别是“慢变化”的干扰,于是采取双向叠加供电,用以增加滤波性能,故近20年来很少使用单向脉冲供电者,但是双向供电带来的不利因素严重的影响了勘探深度,因为由双向供电波形的富氏变换得知它的频谱是不含直流分量的线谱,故勘探浅。而单向供电的频谱为含有直流分量的连续谱,故勘探的深,频率测深方法将低频段设计的很低就是这个原理。单向供电滤波与平滑性差些,可利用增强供电电流给以弥补。
    人工电法多次供电叠加是原始数据处理的有效手段,但是实验结果说明次数决不能太多,我们在已知矿上交替采用约10A几百次供电时,测出的曲线比叠加几次的曲线是要光滑得多,但是叠加次数太多就把比较弱的异常(低阻)“叠平”了,用1200A以上的大电流供电叠加8—32次足够。有关叠加次数问题在误差理论书刊中早有论述。
3、供电电流的选择
    我所多年来用几代TEM设备在不同地区、不同勘探对象、不同的勘探深度进行了实验。主要是想要在一定的的干扰背景下,并能取得有效精度的响应值时,所需要的最小供电电流。实验结果得知,在金属矿勘探深度500米测量时,供电电流不可能小于800A,而国家提出的“攻深探盲”任务不得小于1200A,超过1000米的分层定厚,必须要供1800A。原石油部第三普查大队在陕西渭河断陷盆地上用几安电流做过大极距电测深,结果曲线光滑,解释深度可达2600米和地震与钻井资料都很吻合。不过这不是现在,那是四十年前的事。
四、实验中发现的问题
1、当电流大到一定时 △V/I 不是常数,对低电阻率的反映比直流电法要强,所以低电阻率地层解释结果往往电阻率更低。
2、“衬度”的提出:衬度实验我们在几个多金属矿区用不同的装置,不同的供电电流进行实验,发现供电电流增大时“衬度”加大,举例:用重叠3*3米的在陕西眉县铜峪铜矿上实验,在正常场和异常场两测点分别用300A和1200A测量异常的响应值显示300A为C=3%,而1200A为C=11%,这对“危机矿山”中的小矿、盲矿的勘探特别有利,简而言之,300A找不到的矿,1200A可以找到。另外大小线框的选定也和衬度有关。
3、左右手供电实验过程中,发现有些构造带在强电流激发下,其原始的二次曲线中有频率为1KHZ的震荡现象,当离开测点100米时正常了,而这点和地震资料对应的很准,我们给这种震荡命名为“f。曲线”,但是如果采取双向供电,小电流多次叠加平均,则看不到这种现象。
在破碎带上,反向供电时二次曲线完全和常规的衰减曲线不同,而是成W形态。我们称之为“W曲线”,这种曲线在双向供电的仪器中被平均掉了,故不能出现。
4、2001年8月14日在安徽庐山龙桥铁矿,由地矿部发展研究中心主持的实验中,我所应邀参加并使用我所的第三代仪器进行勘探,其它仪器因为地形不好无法开展工作故放弃。实验结果和已知矿对应的非常好,
      在实验过程中,我们有另一大收获,就是发现了单向供电叠加若干次之后响应值减小,停供几分钟后或反供电几次则响应值既行恢复,而将设备移至山下、无矿地区实验时,一切正常无以上现象。这样一来单向供电在磁铁矿体上将产生“磁滞”现象,后来在马鞍山姑山铁矿实验中也发现与此相同的现象。这种现象对勘探磁铁矿时,对区分磁异常非常有用。
(附):欢迎来所进行TEM讨论、调研、与仪器实验。
       我所欢迎你单位来所一起探讨与TEM有关的理论解释、仪器设备、工作方法等问题。查阅我所和使用我所仪器的单位所做的野外实例,特别是强场源实例。
       如果贵单位想进一步了解或有意向购买我所研制的新一代TEM设备,最好来人亲自测试各项仪器指标,亲自在野外的已知点上进行实际操作,用以考核仪器的各种性能及轻便设备的工作效率,特别是在强工业电流干扰的矿区、地形恶劣的山区以及“危矿”要求勘探的深矿和小矿。在这种特定困难条件下,考核我所强场源TEM设备(I>1800A),用哪些方法克服了上述困难的条件,取得了好的地质效果。
总结有三:
1、用供电I大于1800A的强场源,压制强大的工业电流干扰,如果三十年前供电18A,可以测到500米深度的响应值,当今电工业迅猛发展,工业电流干扰是所有的电法勘探方法受到了极大的“挑战”,所以信噪比减小了近100倍,那就必须如付良魁老师所说:“必须增大供电场源”否则V2曲线只测到2~3ms,这样找不到500m以下的矿。
2、“危矿”办要求找的矿不是三十年前长江中下游的大矿而是“危矿”找的深矿、小矿,这就要求设备有很高的横向分辨率,所以大极距、大线框这类装置势必将深矿、小矿漏掉。如前所述,我所经过了多年实验,采用了3*3米的重叠线圈比较适用。
3、 现在见到的解释方法一般是指一维TEM ρτ剖面图,如前所述无法使用。定量解释由于公式中供圈参数有误,也不能使用,我所用大量的野外数据校正了公式中有误的部分,而仍用其有效部分,这样使得原正反演公式,经过标定后,可以做定量解释,同时近一步研究了“无初参TEM自动定量解释”。
4、如果你单位能够承接较大的TEM勘探项目,例如“危矿办”提出的重大项目,但勘探难度大,工业电流干扰大,勘探目标深,地形恶劣,工期要求紧迫,你单位因各种原因不能够独立完成时,我所能提供多套仪器和经验丰富的TEM工程技术人员协助你单位进行工作。
单位:西安强源物探研究所
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