直升機大功率時間域(TEM)航空電磁系統簡介及在勘查多金屬礦床上的應用

盧俊豐，紀福山

(中國冶金地質總局 地球物理勘查院，保定 071051)

0 引言

2013年10月，中國冶金地質總局地球物理勘查院(勘查院)引進了加拿大BECI—勝利勘查公司生產的TS-150型大功率時間域航空電磁系統。在內蒙古阿魯科爾沁旗野外現場順利通過了各項技術指標的驗收，并及時投入了內蒙古敖包吐試驗區和1017高地試驗區多金屬礦1:10 000大比例尺的航空電磁法測量工作。由此，勘查院的航空物探測量能力有了極大的提升，有能力開展大比例尺勘查多金屬硫化物礦床的飛行測量工作，拓寬了航空物探工作的領域，更經濟、更精準、更快速的為礦山勘查服務。利用該套設備，勘查院于2016年和2018年又分別完成了新疆白石頭泉一帶航空TEM測量和安徽懷遠-蒙城一帶航空TEM測量任務，取得了令人滿意的測量效果。

1 TS-150型大功率時間域航空電磁系統簡介

勘查院在內蒙古敖包吐試驗區和1017高地試驗區，采用AS350-B3型小松鼠直升機吊掛裝置進行了生產飛行。吊掛纜繩長55 m，鉀光泵磁力儀吊掛在距飛機下方20 m處，飛行高度平均為80 m～90 m。正常飛行過程中，吊掛纜繩與飛機機身的向下垂直線夾角為15°～20°。飛行速度為80 km/h～100 km/h，即22 m/s～28 m/s。似平面同點偶極裝置的電磁系統的發射線圈、接收線圈距地面30 m～40 m(圖1、圖2)。

圖1 AS350-B3小松鼠直升機吊掛電磁系統測線飛行圖Fig.1 AS350 - B3 the little squirrel helicopter flight figure hanging electromagnetic system of measuring line

圖2 AS350-B3型小松鼠直升機吊掛系統地面全貌圖Fig.2 AS350 - B3 the little squirrel helicopter hanging system ground close-up view

1.1 電磁系統組成及發射波形

TS-150型時間域航空電磁系統由似平面同點偶極裝置[1]的發射線圈、發射機、高壓發生器、發射控制器、發射機控制信號發生器、補償線圈、Z向接收線圈、X向接收線圈、前置放大器、磁、電磁數據處理器、電源分配器、數據收錄系統組成。

系統發射波為雙極性三角波，發射頻率及占空比由發射控制脈沖決定，半周期發射和接收波形如圖3所示。

圖3 半周期波形圖(下半周期相位相反)Fig.3 Half cycle waveform figure (the second half of the cycle of opposite phase)

發射頻率由25 Hz到330 Hz不等，共分12檔可選，在國內常用的三種頻率分別為25 Hz、75 Hz及125 Hz。

1.2 電磁系統的補償方式

由于TS-150型時間域電磁系統的似平面同點偶極裝置接收線圈放置于發射線圈中間，發射時接收線圈可以接收到很強的一次場，強一次場可使前置放大器達到飽和狀態，無法順利的測量斷電后導體產生的二次場，同時也丟失了發射三角波期間的導體二次場的測量，所以必須將接收線圈中所接收到的很強的一次場補償掉，這樣接收到的就只有導體的二次場。

為了實現補償，必須在接收線圈外圍放置一個補償線圈。補償線圈內的電流方向與發射線圈內的電流方向相反，接收線圈接收到的補償線圈產生的電磁場與發射線圈產生的電磁場強度相同。這樣接收線圈所接收到的電磁場就是大小相等，方向相反的二個電磁場的和[2,5]。這個值很小甚至為零，由此達到理想的補償效果。

設u為自由空間的導磁率；R為線圈半徑；N為線圈匝數；I為線圈中電流峰值；dB為線圈中間處的電磁場強度。在自由空間的情況下有：

dB=u*I*N*dt/2R

(1)

設：

dB補=-dB發

(2)

則有：

u*I*N發*dt/2R發=-u*I*N補*dt/2R補

(3)

式中：N發為發射線圈的匝數；N補為補償線圈的匝數；R發為發射線圈的半徑；R補為補償線圈的半徑。我們取補償線圈匝數為“1”，使發射線圈中的電流峰值與補償線圈中的峰值相同，則公式(3)經整理后有：TS-150型時間域電磁系統發射線圈和補償線圈為同一根電纜繞成，只是在發射線圈3.5圈處繞出一個半徑為0.57 m，方向相反的一匝補償線圈。所以它們中的電流峰值、波形、頻率都是一樣的。

R補=R發/N發

(4)

TS-150型時間域電磁系統發射線圈半徑為4 m，匝數為7匝，補償線圈為1匝，則：

R補=4/7=0.57 m

(5)

1.3 電磁系統測量的道數與取樣率

TS-150型時間域航空電磁系統發射波為雙極性三角波，在三角波發射期間為on-time，三角波結束期間為off-time，即發射開時間和發射關時間[3]。在發射開時間和發射關時間內均分為24個取樣道。在發射開時間內每道取一個樣，在發射關時間內每道取樣數不同，即前12道為每道取一個樣，第13道取5個樣，第14道～19道每道取6個樣，第20道取8個樣，第21道取12個樣，第22道取16個樣，第23道取20個樣，第24道取28個樣。圖4為發射開時間和發射關時間的取樣道數與每道取樣個數示意圖。

圖4 TS-150型大功率時間域航空電磁系統發射開、關時間的取樣道數與每道取樣個數示意圖Fig.4 TS-150 type high power airborne electromagneticlaunch system in time domain,time of sampling number and number of each sample

半個周期內共計48個取樣道，取200個樣。一個周期內取400個樣。由數據處理系統將反向的下半周期變化為正向，所以一個周期400個取樣全為正數。

TS-150型時間域電磁系統取樣率為10次/s，即0.1 s一個讀數,則頻率為25 Hz時，一個讀數為1 000個樣的平均值；75 Hz時，一個讀數為3 000個樣的平均值；125 Hz時，一個讀數為5 000個樣的平均值。

1.4 TS-150時間域電磁系統記錄單位

TS-150型時間域電磁系統記錄單位以電磁場強度與時間的比值即nT/s為單位(nT為伏特×10-9，s為秒)。接收線圈的有效面積為10，前置放大器放大倍數為150[4]，則總的有效面積(m2) 就等于1 500 m2。即接收線圈內有1.5 μV的信號時，再乘以103/1.5×103等于1 nT/s，有1.5 mV的信號時，再乘以106/1.5×103等于1 000 nT/s ,有1.5 V的信號時，再乘以109/1.5×103等于1 000 000 nT/s。

2 應用分析

內蒙古敖包吐試驗區共飛121條測線，每條測線平均長度為7.5 km，7條切割線，每條平均長度為12 km，測區總面積為90 km2。重復線3條，飛行測量比例尺為1：10 000。即線距為100 m。發射頻率為75 Hz。

測區飛行測量時，平均飛行高度(本文所標高度都為飛機飛行高度，吊艙高度應減去飛機與吊艙的垂直高度)為80 m～90 m，測量裝置距地面30 m～40 m，飛行速度為22 m/s～28 m/s，即每小時80 km～100 km。飛行航偏平均值小于±10 m。各項指標均達到了航空電磁法的設計要求。

2.1 測線飛行

測線飛行測量完畢后，繪制了第1道至24道發射關時間Z線圈的nT/s色階平面圖24張。第1道、第5道、第15道、第20道的四張平面色階圖如圖5～圖8所示。

圖5 第1道nT/s數據平面色階圖Fig.5 Figure 1 nT/s data flat face order

圖6 第5道nT/s數據平面色階圖Fig.6 Figure 5 nT/s data flat face order

圖7 第15道nT/s數據平面色階圖Fig.7 Figure 15 nT/s data flat face order

圖8 第20道nT/s數據平面色階圖Fig.8 Figure 20 nT/s data flat face order

對比圖5～圖8可以看出，測區中間有一條北西—南東走向的低阻異常，它的衰減時間常數大，電磁信號衰減的較慢。在圖6(第5道數據視導電率平面色階圖)中顯示的更為突出,一直到圖7(第15道數據視導電率平面色階圖)還有明顯地反映，到圖8(第20道數據視導電率平面色階圖)才基本沒有反映了。

研究相對應的這一低阻帶上的Z線圈發射關時間的nT/s異常剖面圖。530測線、540測線、560測線及610測線24道nT/s異常剖面圖(圖9～圖12)。由圖9～圖12可以看出，異常峰值非常明顯，異常衰減較慢，直到15道異常仍然明顯存在。飛機在這幾條測線異常峰值點上，飛行的相對高度為86 m～93 m。電磁法測量裝置距地面為36 m～43 m。圖9～圖12可以清楚地看到在電磁異常處沒有磁異常反映。推斷此異常為無磁性的低阻帶，屬于高導電率的多金屬礦帶。

圖9 530線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.9 530 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖10 540線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.10 540 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖11 560線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.11 560 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

圖12 610線nT/s異常剖面圖及異常在平面圖中的位置圖Fig.12 610 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

2.2 地面工作驗證

為驗證航測資料的準確性，地面驗證人員選取了560線異常相應位置布設了地面檢查線，進行了地面瞬變電磁法測量、激電測量。對照情況見圖13。由圖13可以看出，地面瞬變電磁測量結果與航電Zoff曲線變化趨勢相同，可以證明TS-150型時間域電磁系統的測量數據是真實可靠的。

圖13 560線航電異常地面檢查剖面圖Fig.13 560 line AEM anomaly ground checks profile(a)激電中梯Ps、Ms剖面曲線圖;(b)瞬變電磁dB/dt剖面曲線圖

后期地面鉆孔和航電資料反演的結果見圖14，礦體位置與反演低阻體基本一致，鉆孔資料顯示該低阻帶為鉛、鋅、銀多金屬礦帶[6]，證實了此前的推斷。

圖14 560線航電異常推斷解釋與鉆孔位置圖Fig.14 560 line inversion results and drilling locations(a)560線Zoff8-20道實測曲線圖;(b)560線Xoff8-20道實測曲線圖；(c)反演礦體位置圖

反演結果顯示，該低阻體深部仍可能有延伸。

2.3 重復線飛行

重復線飛行是驗證電磁系統的穩定性、可靠性的一種技術手段。圖15、圖16為內蒙古敖包吐試驗區測區600線、660線的重復線。

圖15 600線Z線圈發射關時間第5道重復測量對比曲線圖Fig.15 600 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

圖16 660線Z線圈發射關時間第5道重復測量對比曲線圖Fig.16 660 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

由對比曲線可以看出，系統的重復測量一致性很好。這說明TS-150型時間域電磁系統有著良好的穩定性及可靠性。

2.4 測量噪聲

系統測量時的噪聲，反映系統的分辨能力、測得信息的可靠程度[7]，所以系統測量時的噪聲水平也是衡量系統好壞的一個標準。按設計要求，系統測量時，接收線圈Z的噪聲應控制在40 nT/s以內，X線圈噪聲應控制在160 nT/s以內。

TS-150型時間域航空電磁系統在發射頻率為75 Hz、不同的飛行高度，接收線圈測量時的噪聲對比如表1所示。

表1 噪聲對比表Tab.1 The noise contrast table

由于受當時外界條件的影響，高度的噪聲數據不降反略升，分析是高高度時線圈受到了高空風的影響，吊纜發生抖動，導致噪聲偏大，但總體噪聲都在設計要求范圍之內，也能反映噪聲的變化趨勢，可以進行生產作業。

從表1中可見，TS-150型時間域電磁系統的噪聲是很低的，遠低于野外飛行測量時的要求值。

3 電磁系統的認識

通過內蒙古敖包吐試驗區多金屬硫化物礦區的飛行勘測工作，我們認為，TS-150型大功率時間域航空電磁系統在勘查多金屬硫化物礦床方面有著獨特的優勢，能準確地發現良導體低阻帶。在多金屬硫化物礦帶上有明顯的異常反映，并能在礦體上部有低阻層覆蓋的情況下，突出礦體異常。此系統的分辨率高，穩定性好、重復性好，測量噪聲低，是航空物探勘查低阻無磁類礦床及多金屬硫化物礦床的不可缺少的極好手段，彌補了航空磁測的不足。相信將來TS-150型大功率時間域航空電磁系統在深部礦產資源勘查、環境工程和地下水勘查等領域也會有更廣泛的應用。同時也必須看到，此系統沒有航空磁測、航空放射性測量系統那樣輕便、靈活，并且對測區地形及飛行技術要求較高。