2022年2022年航空时间域电磁法测量系统_回顾与前瞻 .pdf

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1、第3卷 第4期2006年8月工 程 地 球 物 理 学 报CHIN ESE JOU RNALOF EN GIN EERIN G GEOP H YSICSVol13,No14Aug1,2006文章编号:1672 7940(2006)04 0265 09航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻张昌达作者简介:张昌达(1933),男,教授,湖北武汉市人,主要从事应用地球物理的研究工作。E2mail:ZZX33318 tom1com(中国地质大学地球物理与空间信息学院,武汉 430074)摘 要:本文首先回顾了20世纪70年代参与研究开发中国第一套航空时间域电磁法系统感应脉冲瞬变航电仪(M-1型脉冲式航电

2、仪)的情况。然后比较详细地介绍目前世界上著名的4种固定翼飞机时间域电磁法观测系统和6种直升飞机时间域电磁法观测系统:GEO TEM,M EGA TEM,TEMPEST,SPECTREM;He2li GEO TEM,Explor H EM,N EWTEM,V TEM,SKYTEM,ORA GSTEM。提出了关于研究和开发我国航空时间域电磁法测量系统的建议。关键词:航空时间域电磁法;M-1型脉冲式航电仪;M EGA TEM;SPECTREM;V TEM中图分类号:P631.325文献标识码:A收稿日期:20060526AIRBORNETIMEDOMAINELECTR OMAGNETICSSYSTE

3、M:LOOKBACK AND AHEADZHANG Chang2da(I nstitute ofGeophysics and Geomatics,China University ofGeosciences,Wuhan 430074,China)Abstract:In this paper,before all ot hers,t he auther looked back on participatingin researchand development of fixed 2wing airborne time domain EM systemairborne imp ulse elect

4、 ro2magnetic system of type M1 in China in 1970s.Afterthat,four fixed2wing airborne timedomain electromagnetic systems and six helicopter time domain electromagnetic systems havebeen reviewed in some details,they are GEOTEM,M EGA TEM,TEM PEST,SPECTREM;Heli GEO TEM,Explor H EM,N EW TEM,V TEM,SKYTEM,O

5、RA GSTEM.Lastlyseveralsuggestions on R&D of A EM in China have been made.Key words:airborne time-domain elect romagnetics;airborne impulse electromagnetic systemof type M1;M EGA TEM;SPEC TREM;V TEM1 引 言20 世纪 70 年代作者在黑龙江地质局物探大队工作期间,黑龙江地质局和长春地质学院共同研究和开发了一种航空时间域电磁法系统感应脉冲瞬变航电仪(M1 型脉冲式航电仪)。这种航电仪安装在运5 型(又

6、称安2 型)飞机上。发射磁矩为59 890A?m2(约 6 万安?匝?平方米),基本发射频率13819Hz。接收探头灵敏度为名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -0166 毫伏/纳特,发射脉 冲停 止后从110ms 到316ms 分六道测量二次场。安放有接收线圈和前置放大器的吊舱,在飞行时吊放在飞机的后下方,电缆长度为150m。航电仪在一个已知铅锌磁铁矿床上有明显的异常;在未知区进行了6 000 多测线公里的试验作业测量,发现了20 多处异常(响应的道数不同),经过重复飞行,重现性较好。有一个异常经过打钻验证,在地面下75m 处见到碳质泥岩。1977年11月这

7、种脉冲式航空电测仪与物探研究所研制的补偿式航空电测仪(频率域)同时通过了国家鉴定1。后来这种时间域电磁法系统在湖北和湖南进行了一些飞行测量。参加研究开发工作的地球物理工作者有:曾孝箴、关永清、于蔡春、翟树学等,于成明先生给予了指导和帮助。当时加拿大经过改进的航空感应脉冲瞬变(Induced PUlse Transient,IN PU T)系统,安装在双引擎的双水獭飞机上,发射磁矩由最初的几万提高到 218 105A?m2。在研发工作开展之前,为了选择方案,作者和两位同事曾去河北保定冶金部物探公司和陕西蓝田地质部物探研究所进行调研,这两个单位的同行,热情全面地介绍了有关情况和文献资料,这对于研制

8、工作的开展很有帮助。最近,许多资深的地球物理学家建议,为了在广大地区快速、有效地开展地质调查、普查矿产和寻找地下水,应该积极研究和开发航空时间域电磁法系统:“在西部地区,固体矿产找矿的主要目标是以铜为主的金属矿床,在地形允许的地区,应尽可能采用航空电法,尤其是航空时域电磁法。”“加速开展我国西北、华北等干旱地区的区域水文物探调查,在平坦地区航电宜采用探测深度大又可进行测深解释的航空时域电磁法”。“近期需进一步完善和改进的方法技术研制探测深度大的航空电法(以时域 TEM 法为好)。”我们曾经研究和开发过航空时间域电磁法系统,一些单位开发了地面时间域电磁法系统,在这方面积累了一些经验和理论认知。在

9、高新技术开发方面,多年以来,北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室和国土资源部地球物理地球化学勘查研究所正在共同研究高温超导量子干涉仪(H TC SQUID)在时间域电磁法(TimeDomainElectroMagnetics,TEM或TDEM)和地球物理勘查中的应用问题,并取得了初步的成果。一方面,地质调查、普查矿产和寻找地下水的迫切需要,另一方面,有了经验积累和理论认知,有关技术有了飞速的发展(GPS、SQUID、电子技术、计算技术等),为航空电法的升级发展提供了可能,因此现在正是积极考虑研究和开发航空时间域电磁法系统的时候了。2固定翼飞机时间域电磁法观测系统发展到空前的高度211 简

10、史航空电磁法问世,将近 60 年了。1948 年加拿大 McPhar 公司首次进行了航空电磁法的飞行,使用频率域电磁法装置。航空时间域电磁法观测系统的发展稍晚,加拿大Selco Exploration公司航空和技术服务部的Ant hony R.Barringer博士于 1958 年申请了一项关于感应脉冲瞬变航空电磁系统的专利,这个系统简称IN PU T(In2ducerd Pulse Transient,IN PU T)。1959 年 SelcoExploration 公司就进行时间域INPU T 固定翼系统的作业飞行。IN PU T 系统发射回线架设在飞机上,接收机安放在吊舱内。这种发射回线

11、和接收机的配置方式,一直沿用到现在。在开始作业飞行后的 20 年间,IN PU T 系统不断改进升级,发展到 IN PU T 型,在加拿大和其他国家进行了大规模的探矿飞行,发现了 20 多个矿床。1968 年至1983年仅在加拿大的魁北克省用INPU T飞行了 3185 105测线公里,发现了 6 个矿床。从1951 年起的 50 年内,在各种航空电磁法系统的直接引导下总共发现了80 多个矿床,价值达101011美元。在地质调查等方面也起了很大的作用 2。在 20 世纪 70 年代,中国(如上所述)和印度也研究开发了类似的系统,但都未在大范围内长期使用。1985 年 Geoterrex 公司(

12、后来并入Fugro 公司)将完全数字化的IN PU T 系统安装在CA2SA212 飞 机 上,取 名GEOTEM,后 又 推 出662 工 程 地 球 物 理 学 报(Chinese Journalof EngineeringGeophysics)第3卷 夏国治,许宝文,孙文河,等,关于新时期物探应用与技术发展的若干建议。孙文河,关于物探方法技术进步的若干思考。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -GEOTEMDEEP和 GEOTEM1000,现在还在继续使用,是著名的A EM系统。1998年Fugro公司采用四引擎的Dash7 飞机作为测量平台,开发了 M

13、 EGA TEM 系统,发射磁矩后来达到220A?m2(M EGA TEM II),飞行高度超过4 500m,创造了 新的记 录。关 于 M EGA TEM,有人 说:“名称告知一切!”(The name says it all)3,4。1993 年澳大利亚WorldGeoscience 公司推出SAL TMA P系统,是固定翼时间域电磁法测量系统,与磁力仪、放射性测量仪和测高仪综合使用,收集风化层的电导率、厚度,基岩地质,土壤和地形等资料,供制定土地管理计划用。SAL T2MA P的发射和接收装置的配置与INPU T 相同,但是发射电流的波形和时间分配与INPU T 有很大的差别。与以下将要

14、介绍的SPECTREM一样,采用正、反交替的方波,发射机连续供电,没有断电时间(offtime),就是说在一次磁场存在的条件下同时进行测量,这种系统可以称为全时段系统(100%duty cycle system 或 ontime sys2tem)。而 IN PU T 中采用的发射电流为正、反交替的半正弦波,其间有断电时间,在断电时间内测量二次磁场,这种系统可以称为脉冲系统(Pulsesystem)。可 见,SPECTRM和 SAL TMA P 与IN PU T 系统有很大的不同,是一种方法技术上的突破。SAL TMA P 的另一个特点是基本频率很高,达 495Hz,而 IN TU T 采用 1

15、44Hz(M1 采用138 19Hz)。SAL TMA P是一种典型的用于浅表层地质调查的系统。在 20 世纪 90 年代末,澳大利亚七个单位(包括 WorldGeoscience 公司)联合,经 过 多 年 的 努 力,研 制 成 多 用 途 的 TEM 2PEST 系统和配套的软件。发射电流也是方波,不过与 SAL TMA P 不同,占空率为 50%,通电时间与断 电 时 间 相 等,各 为 10ms。基 本 频 率 为25Hz,适宜于探测导电层覆盖下的良导体。南非的AngloAmericanGroup 公司,1982年开发了一种固定翼时间域数字化宽带电磁法系统,经过改进于1989 年安装

16、在DC3 飞机上,进行作业飞行,取名 SPECTREM。SPECTREM 是一种全时段系统。上述这些航空时间域电磁法系统,还有一些在本文中未提到的同类系统,不仅在普查矿产方面(包括油气),而且在环境地质调查和普查地下水等方面,都起到了很重要的作用。航空时间域电磁法是航空地球物理探测方法中广泛使用、效果良好的方法之一。方法技术还在不断发展提高,特别是直升飞机时间域电磁法系统,在世纪之交的前后各五年中,发展迅速。在新世纪里,固定翼时间域电磁法系统和直升飞机时间域电磁法系统将形成有机的组合,取长补短,成为地质调查工作中广泛使用的有力手段 5。212 GEOTEM 和 M EGA TEM在加拿大,20

17、 世纪 80 年代中,加拿大Geot2errex 公司(现为 FugroAirborneSurveys 公司的一部分)开发了GEOTEM 系统,这个系统的接收机是完全数字化的,而其发射机则是先前在IN2PU T 系统中非常成功地使用过的同样的发射机。GEOTEM 系统安装在双引擎的CASA212 飞机上,发射磁矩为6 19 105A?m2(峰值)。这个系统在不同的地形条件下进行了探矿飞行,发现了一些矿床。CASA212飞机的 安全 飞行高度为2 400M,为了在南美安第斯山地区进行航空探矿工作,要求提升现有的GEOTEM 系统的功能,要求飞机飞得更高,澳大利亚B HP 公司支持将时间域电磁法系

18、统安装在四引擎的de HavillandD HC7(Dash7)飞机上。Dash7 飞机可以安装更重的装备,可以提供更多的电力。后来制成了功率更高的脉冲发生器。经过改进,现在GEOTEM 的发射电流仍为正反交替的半正弦波,基本频率为25,30,75,90,125,150Hz 可选。脉冲宽度1 8ms,断电时间可直到 36ms。接收机测量二次电磁场的3 个分量(两个水平的,一个垂直的),测量磁场B和dB/dt。和 IN PU T 不同,不仅在断电时测量,在通电时也测量。测量结果可以导电率深度断面图等图形显示。用 GEOTEM 在加拿大作业时,曾观测到激发极化现象,值得注意。1998 年下半年的D

19、ash7 试验飞行发现,用三个引擎还可以在4400m 的高度上飞行。改装工作 基 本 上 是 把 GEOTEM 系 统 的 装 置 搬 到Dash7 上。由于 Dash7 比 CASA212 大,发射机线 所 围 的 面 积 为 406m2,比 CASA212的232m2大 75%,发 射电 流 不 变,发 射磁 矩 增 加75%,达到 1175 619 105A?m2=111 106A?m2,由于 Dash7 是一个庞然大物,系统的发射磁矩空前的大,这个系统赢得了M EGA TEM的美名。这个系统在南美和加拿大进行了探矿飞行,取得了良好找矿的效果。2001 年初,将 M EGA TEM 进行

20、升级,从每762第4期 张昌达:航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -个引擎的AC 发电机总共可以获得40kW 的功率,转换成DC后供给发射机,使发射机的发射磁矩峰值达到212 106A?m2,是 M EGA TEM 的两倍,升级后的M EGA TEM 系统称为M EGA2TEM II。从 2001 年 7 月起,在两年的时间内,利用 M EGA TEM II 系统进行地质调查、普查矿产,已飞行了 1175 105测线千米。在秘鲁和智利作探矿飞行时,飞行高度可达4 575m。应该提醒的是,发射磁距加倍并不意味着探测深度也加倍

21、。因为发射机产生的一次磁场强是按距离的立方反比规律而衰减的。因此,如果一个系统的发射磁矩比另一个系统的大一倍,其探测深度只增加25%。同样,提高接收机的灵敏度或信噪比,也可以增加探测深度,但不是成比例地增加。同 理,如 果 提 高 一 倍,探 测 深 度 增 加25%68。213 TEM PEST在矿业大国澳大利亚,为了给下一阶段矿产资源的发现提供全面的基础资料,联邦科学工业研究组织(CSIRO)正在执行一项长期的研究地壳浅 层 的 庞 大 计 划 透 视 地 球(CLASSEAR TH)。CSIRO G L ASS EARTH 的五个研究和开发领域之一是探测技术,包括:航空重力梯度测量;航空

22、张量磁力梯度测量;先进的电磁方法;矿物 化 学 填 图;钻 探 新 技 术;三 维 地 震。由CSIRO 的勘查与矿业部、两所大学、世界地球科学公司(World Geoscience Corporation Ltd)和另外三个单位组成的澳大利亚矿产勘查技术联合研究中心(CooperativeResearch Centre forAus2tralianMineralExplorationTechnologies,CRCAM ET),经过众多科学家6 年的努力,研制开发成功了一种先进的航空时间域电磁法测量系统。TEM PEST 及 相 应 的 软 件EM Flow。由TEM PEST 测得的数据利

23、用EM Flow 可提供清晰的 3D 地下导电率分布信息,了解近地表的导电率变化并探测深部导体。地球物理解释得到的结果,结合地面地质调查和钻探资料,可以了解风化层的结构和地下地质情况,进而了解地下水和盐的分布状况。TEM PEST 的基本频率是25Hz,发射电流为正反向交替的方波,占空率50%,通电时间与断电时间相等,各为 10ms。发射磁矩 55 800Am2(峰值)。接收机装有三个互相垂直的测量的dB/dt的线圈,接收机每半周采样1 500 次。发射回线与接收机之间的水平距离约为100m,垂直距离约为50m。系统的宽带为25Hz3715k Hz 9,10。214 SPECTREM2000时

24、间域电磁法观测系统可以分为脉冲系统(Pulse Sytem)和全时段(On Time System)系统。GEOTEM和M EGA TEM是 脉 冲 系 统,以M EGA TEM 为例,当以基本频率90Hz 工作时,在一个周期内,按顺序先向发射回线供给正向正弦形电流,时间约为212ms(ontime),然后间歇约 312ms(offtime),再供给反向正弦形电流,时间也约为 212ms,然后再间歇约312ms,一个周期就结束了,测量大地的脉冲响应。过去一般在间歇时间内测量二次磁场随时间的变化率dB/dt或/和测量二次磁场B 本身。现在许多系统在通电时间和断电时间都测量二次磁场B和 dB/dt

25、。南非 AngloAmericanCorp 公司的子公司Spectrem Air,研制开发了SPECTREM2000固定翼飞机时间域电磁法系统。SPECTREM 系统属于全时段系统。全时段系统在工作时,连续不断地向发射回线供给正反向一定形状的电流(SPECTREM2000采用方波),其间没有间歇时间。SPECTREM 系统是测量大地的阶跃响应,是在一次磁场存在的情况下观测二次磁场或其随时间的变化率的,这与频率域电磁法的观测方法类似。SPECTREM系 统 的 发 射 磁 矩 为412 105Am2,方波上升时间为160s。基本频率25,30,3715,45,60,75,90 Hz。系统的宽带为

26、75Hz-46k Hz。接收机测量3 个分量。SPECTREM系统于1989 年投入使用。SPEC TREM2000的设计者认为,全时段采用方波方式供电,可以把更多的能量送入地下,因而二次场的幅度更大,这种系统的输出是阶跃响应,频带特别宽可以同时探测浅 部 和 深 部。有 几 家 矿 业 公 司 利 用 Spec2trem2000 在南非西海岸寻找金刚石,已经发现一些新的远景区和新的目标 11,12。3直升飞机时间域电磁法系统近期迅速发展311概况直升飞机电磁法始于1955 年,也是从频率域方法开始的。到目前为止,直升飞机频率域电磁法系统,总共出现过将近30 种型号。直升飞机时862 工 程

27、地 球 物 理 学 报(Chinese Journalof EngineeringGeophysics)第3卷 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -间域电磁法系统开发稍晚。1968 年到 1971 年苏联开 发 过 名 为AM PP-2型 的A EM,情 况 不详 4。顺便提一句,据说目前俄罗期有一种Im2pulsA2 型的直升飞机时间域电磁法系统已投入常规作业,但是情况也不详 8。后来在 1982 年,加拿大地球物理学家将IN2PU T 系统装上直升飞机取名HeliIN PU T,这种系统在直升飞机机舱底部安装一个井字形的水平支架,发射回线挂在支架的8个端

28、点上。以后经过十几年的停顿,突然从 1997 年至今,直升飞机时间域电磁法系统的研究与开发,进入了新的、十分活跃的时期。从 1968 年到现在,先后共有14个型号的直升飞机时间域电磁法系统出现(不算派生出 来的型 号),其 中 11 种型 号 是 1997 到2005 年问世的,可见当今这种航空地球物理方法发展的强劲势头。直升飞机时间域电磁法系统的技术,或者来自固定翼时间域电磁法系统,或者来自地面时间域电磁法系统,加以适当的改装。最近开发的直升飞机时间域电磁法系统,除了个别的,都是将发射机线框和接收机一起吊放在直升飞机下方,电缆长约60m。可以说是把一个固定翼时间域电磁法系统的发射机和回线与接

29、收机拼装在一起,或者把一个地面时间域电磁法系统整个用直升飞机吊将起来,在飞行中进行测量。近十年来问世的直升飞机时间域电磁法系统计有:南非 Spectrem Air 的 Explor H EM(1997);H E2L ITEM(1997);加拿大Aerodat的H ELIQU ESTEM(1997);加 拿 大 T.H.E.M.Geophysics Inc.的TH EM(1998);美 国 New2mont MiningCorporation 的 NEW TEN(1998);澳大利亚NormandyExploration的 HO ISTEM(1998);加拿大AeroquestInternati

30、onal的 Aer2oTEM(1999);加拿大McPharGeophysics Pty;Lt d 的 SCORPION(2002);加拿大Fugro 的 H E2L IGEO TEM(2005);美国橡树岭国家实验室的ORA GSTEM(2003)。有几种系统(如 V TEM)已经商品化了 3。以下简单介绍几种具有特色的系统。312 Heli GEOTEM2005 年 Fugro 公司首次推出该公司第一个宽带、大功率的直升飞机时间域电磁法系统 Heli GEO TEM,这 种 系 统 采 用 了GEOTEM/M EGA TEM 许多成熟的技术,直升飞机电磁法系 统 作 业 灵 活 机 动,水

31、 平 分 辨 力 高。Heli2GEO TEM 的配置与GEOTEM/M EGA TEM 大不相同。从直升飞机到发射机的电缆长60m,用作电源的发电机和发射脉冲发生器安装在回线中央。回 线 直 径 11m,2 匝。发 射 磁 矩 213 105Am2,发射电流的波形为半正弦波,宽度 4ms,基本频率 30Hz。接收机(还有磁力仪)在直升飞机 之 下 20m,在 发 射 回 线 之 前 约 20m。用GEOTEM 的多分量接收机测量二次异常响应的三个分量X、Y、Z在通电和断电时间内测量dB/dt和B。在 Heli GEOTEM 系统中,接收机与发射回线中心之间的水平距离约20m,相比之下,GEO

32、TEM 系统的相应距离约130m,因而Heli 2GEO TEM 的水平分辨力较高。直升飞机速率50-60 节(约 9215-111km/h),在正常飞行时,发射回线距地表40m,接收机距地表80m 14。313 Explor H EMExplor H EM 是由南非Spectrem Air 公司于1997 年研制成功的直升飞机时间域电磁法系统。使用方便,直升飞机只需给计算机供电,发射机/接收机和系统的供电电源(NiM H 电池)组成机外吊放部分,悬挂在直升飞机下方。发射回线架设在一个方框上,方框沿对角线方向固定在一个根管上,接收机在管子的一端,同时连续测量三个分量。发射电流240A(峰 峰值

33、),方波上升时间210ms,占空率 10%(no offtime)。发射磁矩 15500Am2(RMS 值)。用 NiM H 电池供电。基本频率 25,30,37,5,45,60,75,90 Hz,系统带宽2546k Hz 15。314 New TEM/Hoist EM美国的 NewmontMiningCorporation 公司,在 1950 年就开发了航空电磁法系统,在 19751989 年间,该公司开发并应用地面大功率,探测深度大的时间域电磁法系统。在 1998 年,开发了一种 直 升 飞 机 时 间 域 时 间 域 系 统 N EW2TEM。N EW TEM 的发射电流为方波,基本频率

34、30Hz,通 电 时 间 与 断 电 时 间 相 等,关 断 时 间011ms。回线直径20m,发射磁矩80 000Am2。100k Hz 快速取样,在断电时间内测量,测量 X 和Z 分量。用作在良导和不良导的环境下找矿和其他地质调查工作。这种航空电磁系统已在一些很严酷的条件下作业。在秘鲁安第斯山海拔超过4200m,测线上地形起伏超过1 500m 的高山地区成功地进行了探矿飞行 16,17。澳大利亚Normandy 公司与 NewmontMin 2962第4期 张昌达:航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -ing Corpo

35、ration 公司共同研究开发了New TEM/Hoist EM 直 升 飞 机 电 磁 法 系 统。澳 大 利 亚 的Hoist EM 性能与N EWTEM 相近,可用于工程、地下水、环境调查和海洋测深 18。315 V TEMGeotech Lt d.的 V TEM 是通用时间域电磁法(VersatileTimeDomainElectroMagnetics,V TEM)系统的简称。它的特点是发射磁矩大。该公司声称V TEM探测深度可达500m。目前有8 个系统在世界各地作业,另有 2 个系统正在开发。主要特点:基本频率从25Hz 到 200Hz 可选择,基本频率低可使穿透深度大一些。采用梯

36、形脉冲,宽度 110ms 可选择。发射磁矩可达715105Am2,可选择。接收线圈和发射回线是同心的,相对位置固定,可以避免异常的变形。由直升飞机供电,不需要发电机。采样率可达200k Hz,可选择。系统带宽达20k Hz,重量 350kg。GPS 导航系统的GPS接收机可以在飞行中提供导航控制,定位精度(圆误差概率,CEP)为118m。还配备有雷达测高仪,测量距地面高度的精度约为1m。由于采用精确的GPS定位以及正确确定目标产状的解释方法,可以依据V TEM 测量结果直接钻探,试验结果表明,效果不错。而固定翼飞机时间域电磁法观测系统,如 M EGA TEM 却作不到这一点。因此用直升飞机EM

37、 可以代替地面 EMD,费 用只 有进行 地面 工作 所 需 费用 的15%。Geotech Lt d 已制造了8 套 V TEM 在南、北美洲、欧洲、非洲和澳洲进行作业飞行,从 2000 年到现在,已经完成了116 105测线千米。该公司计划在 2006 年上半年以前,再制造 2 套 V TEM,以满足需求 1921。316 SKYTEMSky TEM 是丹麦 Aarhus 大学水文地球物理小组设计开发的,用作地下水和环境调查工作中近地表地质填图,可以代替地面时间域电磁法快速开展工作。Sky TEM 是一个独立的系统,除了直升飞机驾驶员,机上不需要操作员操作仪器设备。发射机和接收机,供电电源

38、,激光测高仪,全球定位系统GPS,电子设备和数据记录器,全部吊放在直升飞机下方。发射回线绕在木质1215m12,5m 的方框上,共 4 匝。使用小磁矩工作时,用 1 匝,电流 30A,关断时间约4 s;使用大磁矩工作时,用 4 匝,电流 50A,关断时间约80 s。最大发射磁矩2 万 A?m2。接收线圈固定在方框的一个角上,高出 115m。系统总重量280kg。野外作业时,在测区内设一个重复观测的基站,大约每 115h 当直升飞机加油时,在基站上进行重复观测,以监控系统的稳定性。丹麦科学家打算进一步改进SkyTEM。在仪器方面,增大发射磁矩(要求达到6 1048 104A?m2),要求接收机在

39、发射电流切断后10 s即开始测量,提升直升飞机的飞行高度;在解释方面,研究开发合适的数据处理方法以降低噪声和耦合效应,研究反演方法 2224。317 ORA GS-TEM美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge NationalLaboratory,ORNL)为了探测U XO 以及工程和环境调查等方面的需要,研制了三套航空地球物理系统:测量地磁场总磁场强度的箭头系统(OR2A GSArrowheadsystem);测量地磁场垂直梯度的系统(ORA GSV G system);直升飞机时间域电磁法系统(ORA GSTEM),ORA GS 发射是橡树岭航空地球物理系统Oak Ridge Air 2

40、borne GeophysicalSystem 的缩写。ORA GSTEM 发射回线的架设方式与HeliN TU T 相似,在直升飞机下面紧贴机舱架设一个矩形框架,左右宽 13m 前后长3m,发射回线敷设在框架上。Heli IN TU T 的发射磁矩与固定翼INPU T 的差不多,接收机也是用电缆吊放在直升飞机下方。与 Heli IN TU 不同,OR GSTEM 的接收线圈不是吊放在直升飞机下方,而是安装在框架上,因此直升飞机可在距地面12m 的高度上飞行,探测的分辨率很高。ORA GSTEM的主要指标如下。发射机:电流 30A(峰值),正反交替方波,通、断电时间相等,切断时间110230s

41、(根据回线而定)。基本频率 30、45、75、90、135、270Hz,发射回线为矩形1310m310m,也可采用对称旁瓣 310 m 310m 和反对称旁瓣310m 310m 的方式,匝数 4,最大发射磁矩4680Am2。接收机:采样率 1018k Hz,第一个采样窗口在切断电流后093 s,试验型道数为2 道,生产型道数为8道,接收线圈可用大线圈217m 217m,或用多匝小线圈 23cm 60cm(还可排列成梯度时)。此外还有高度计,定位和导航用的GPS/D GP 以及测量姿态的仪器。电源 28VDC30A 2527。072 工 程 地 球 物 理 学 报(Chinese Journal

42、of EngineeringGeophysics)第3卷 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -4 总讨与讨论411 总结1)无论固定翼飞机TDEM 系统,还是直升飞机 TDEM 系统,发射磁矩都很大,基本频率降低并可调,而且发射电流采用方波波形,因此系统频带很宽。另一方面,由于采集、存储、处理(数字)数据的能力有了很大的提高,可记录叠加之前的大量数据,经过适当的处理,信噪比提高很多,因此系统的探测深度可达300500m。2)在 IN PU T 等系统中,为了避免干扰,一般在切断发射电流的情况下(offtime)测量二次场。现在有的系统既在切断发射电流时,又在

43、通电时(ontime)测量二次场,这是时间域航空电磁法观测方法的一个飞跃进步。利用数字一次场补偿算法,可将测得的数据转换成标准一次场波形激励下二次场的数据,进而计算并绘制导电率深度图,用作地质解释。3)以往只测量R x、dB/dt,现在测量多分量X、Y、Z,不仅测量dB/dt,而且还测量B(由 dB/dt得来或利用SQU ID 和 fluxgate实测),测量吊舱(bird)的位置变化,使解释更准确,可根据直升飞机 EM 探测结果直接钻探,航空 EM 方法可望代替地面EM 方法。有的地球物理学家设想将来的系统,取了一个名字EXTRE,其特点是:低速、宽带、大功率、三维、多个基本频率,全时段数据

44、(on timeoff time),接收机与发射回线固定在一起(x yz三个线圈,xyz三个 SQU IDs),或者置于 吊 舱 中(也 是xyz三 个 线 圈,x yz三 个SQU IDs)28。4)IP 方法是很有效的找矿方法,但是地面IP工作效率低。现在时间域航空EM 已触及到了激发极化现象,当然还需要深入研究 29,30。频率域 EM 方法也可能触及到激发极化现象,要用很低的频率,观察电阻率随测量频率的变化 3134。通过不断的研究,EM 和 IP 两种方法可能衔接起来。5)应用范围广泛,可用于普查矿产、浅层油气、地下水、进行地质填图、风化层填图、盐碱地调查,进行工程基础调查,寻找U

45、XO等。412 结 语笔者认为,航空磁测、航空重力测量和航空电磁测量(特别是时间域电磁法系统)是地质调查、矿产普查和国土资源调查工作中的三件法宝。我国航空磁测应用广泛、成效很大、技术比较成熟,但与世界先进水平相比,还有很大的差距,仍须努力提高。应用于地球物理调查的航空重力测量,在我国还是一片空白,亟待研究开发,笔者已经写了两篇文章,发表了议论,发出了呼吁。至于航空电磁方法,无论时间域的还是频率域的,在我国都有了开端,频率域方法工作做得多一些。国际上航空电磁方法发展迅速,科学家们及时采用各个学科的最新成就,使航空电磁方法不断向前发展,测量方法、数据处理和解释方法日趋完善。关于时间域航空电磁法,我

46、们看到,固定翼飞机飞得高,发射磁矩可以达到很大,适宜于在高原、高山地区进行大面积普查;直升飞机方案很多,发射磁矩也不小,适用于比较崎岖的地形,在局部地区进行探测,可代替地面工作,有利于环境保护。我国地域辽阔,地质、地形、自然景观,地电条件,调查对象和目的,有很大的差别,任务有轻重缓急。发展 A EM 要有全面的发展规划,全盘考虑长远、短期、目前;究竟是租赁、引进还是自主研制,应该有明确的政策,笔者认为应该以自主开发研制为主。可考虑分三步走:首先研究开发直升飞机 TDEM 系统,一个可以考虑的方案是将现有的地面TDEM系统经过改进升级,发展为直升飞机 TDEM 系统;研究开发中型飞机TDEM 系

47、统;预研大型飞机TDEM 系统。参考文献:1 关永清.感应脉冲瞬变航电仪 M.北京:地质出版社,197811101 2 Ken Witherly1The quest forthe HolyGrail in mininggeophysics:Areview of the developmentand applica2tionofairborneEMsystemsoverthelast50years1T he LeadingEdge,2000,19(3):270274.3DavidFountain1Airborneelectromagneticsystem-50years ofdevelopmen

48、t J 1Ex plorationGeophysics,1998,29:111.4 DavidFountain,RichardSmith1March8,2003,55Years ofAem;50Years ofKegs!http:/.au/resources/download/KEGSSym2posiumA EM.pdf.5SN Sheard,T J Ritchie,Karen R.Christopherson,etal.,Mining,Environmental,Petroleum,andEngineer2ingIindustryApplicationsofElectromagneticTe

49、ch2niques inGeophysicsJ 1Surveys in Geophysics,2005,172第4期 张昌达:航空时间域电磁法测量系统:回顾与前瞻名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -26:653659.6DavidKFountain(Speaker,FugroAirborneSurveys).J anuary30,2002.RecentAem Developments.:Mega2tem.Development,Applications,Success.http:/.au/resources/download/AEMdev.pdf.7Rich

50、ardSmith,David Fountain,MichelAllard.TheM EGATEM fixed2wing transientEM systemappliedtomineralexploration:adiscoverycase historyJ1Fi rst Break,2003,21:p.71-75.8MisacNNabighian,J amesCMacnae1ElectricalandEM methods,1980-2005.The LeadingEdge;2005,24:4245.9RichardLane,Andy Green,Chris G olding,et al.1A