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——《大深度三维电磁探测技术工程化开发》项目实施纪略

来源:中国自然资源报作者:高慧丽 王路阔发布时间:2019-04-10阅读次数:

野外试验现场

工欲善其事,必先利其器。向地球深部进军,急需探向地球深部、揭开深部奥秘的“武器”。地球物理探测技术装备就是其中之一。

地球物理探测,即通过观测和研究各种地球物理场及其变化来探测地层岩性、地质构造等,是“透视”地球内部的重要手段。长期以来,我国大型地球物理探测装备和核心软件几乎全部依赖进口。自然资源部中国地质调查局地球物理地球化学勘查研究所(以下简称“物化探所”)牵头实施的国家重大科学仪器设备开发专项《大深度三维电磁探测技术工程化开发》项目,通过5年努力,提交了一整套工程化的大深度三维电磁探测技术系统,不仅使我国地球物理探测实现了由二维测量向三维测量的跨越,而且推动了我国大深度电磁探测设备的自主化、实用化和产业化进程。

打破国外技术装备垄断,研发具有自主知识产权的国产化仪器

三维电磁探测系统的研发和应用,不仅在我国基本为空白,在国外同样也处于起步阶段。针对我国电磁法勘查技术在探测深度、抗干扰能力和测量精度等方面落后的现状,同时也为适应复杂地质条件下地下目标体大深度、多参数、三维精细探测的需求,以物化探所为牵头单位,联合重庆地质仪器厂、成都理工大学、中国科学技术大学、吉林大学,中国地质调查局西安地调中心、南京地调中心,安徽省勘查技术院等单位,实施了《大深度三维电磁探测技术工程化开发》项目,旨在打破国外垄断,实现装备国产化,更好地服务国家能源资源勘查工作。

对电磁探测技术的研发,物化探所有着多年的技术积累与成果基础。《大深度三维电磁探测技术工程化开发》项目负责人、物化探所教授级高级工程师林品荣介绍,物化探所在1995年实现了音频大地电磁测深的分布式测量,在国际上率先实现了天然电磁场的多点同步阵列式观测。步入新世纪,将阵列式的天然电磁场大深度探测技术与人工场的激电技术相结合,优势互补,从而形成混场源的电磁法探测技术,以实现多参量大深度探测。该系统于2005年研制成功,填补了我国资源探测大功率(70KW)发射与接收研制的空白,为我国开发具有自主知识产权的国产多功能电法仪器提供了技术保障和经验积累。

在国内没有先例可借鉴的情况下,从2006年起,在地质调查项目和国家863重点项目的支持下,物化探所启动了国产大功率多功能电法系统的研制。经过科技人员的持续攻关,在多频同步供电波形合成、密集频点供电、大功率逆变与保护、宽带大动态范围接收、无线数据通讯、数据处理与解释等技术方面取得突破,研制出了具有可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、激发极化法(IP)供电功能的70KW大功率电磁法发射系统,以及具有音频大地电磁测深(AMT)、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、激发极化法(IP)测量功能的接收系统,并于2010年生产出了样机,2011年实现了这一技术的实用化及应用。

为适应深部找矿、三维立体填图和深部结构探测的需求,2011年,《大深度三维电磁探测技术工程化开发》项目获批为国家重大科学仪器设备开发专项首批支持的项目,总体目标是实现大地电磁测深(AMT/MT)、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、时间域频率域激电(TDIP/FDIP)、磁性源瞬变电磁测深(TEM)等二维/三维测量技术及三维测量仪器的工程化开发。同时,开展野外工作应用试验及三维电磁探测技术应用示范,促进我国三维电磁探测技术的发展。

由二维测量向三维测量转变,由样机研制迈向工程化研发

要实现三维电磁探测,需要将传统的一维、二维的电磁测量方法发展为三维测量方法。“简单讲,就是由原来的单点或单线测量,革新为多点、多测线的面积性同步测量,从而获取高质量的三维观测数据和地下地质体更为全面的信息。”林品荣说。

为此,项目组根据天然电磁场和人工电磁场的传播特点,结合地球物理电磁法仪器发展和大深度精细勘查的需求,研究设计了5种电法的三维分布式探测方法技术,包括大地电磁测深(AMT/MT)、可控音频大地电磁测深(CSAMT)、时间域激电(TDIP)、频谱激电(SIP)、磁性源瞬变电磁测深(TEM)。同时,采用高精度GPS和恒温晶体的混合同步技术,实现了多测站、多分量、全天候的阵列式同步测量。

在样机的开发过程中,物化探所创新研发思路和发展模式,邀请负责样机工程化的中地装重庆地质仪器有限公司技术人员提前介入,按实用化要求,配合科研人员对三维电磁探测仪器进行设计开发,形成了大深度三维电磁探测仪器的加工工艺、生产流程、检测方法等。

样机研发出来了,但要实现仪器的工程化开发,仍有大量工作要做。负责分布式接收机开发的物化探所教授级高级工程师郑采君介绍说,样机是工程化研发的第一步,关键是实现探测功能,主要体现“能用”;而工程化研发,要在样机的基础上不仅实现技术指标,而且还要注重仪器的稳定性、可靠性及实用性,让仪器不仅“能用”,而且要“好用”“实用”“耐用”,还要操作便捷、外观美观。比如:由于各地的射频干扰不尽相同,就需要不断对仪器的射频抑制电路进行调整、试验,再调整、再试验,直到仪器在不同地区都比较适用。再比如:稳定性方面,三维探测要求多台站同步测量,往往是几十台甚至上百台仪器同时启动开始工作。而仪器数量的增加,工作时间的拉长,都使得仪器的故障率成几何级数增长。因此,每一台仪器的稳定性和可靠性都至关重要。

研发团队研究解决了仪器间的精确同步,仪器性能参数的自标定,仪器的一致性、稳定性与可靠性,以及超大功率场源系统的建立等一系列技术难题,实现了大地电磁测深(AMT/MT)、可控音频大地电磁测深(CSAMT)、时间域频率域激电(TDIP/FDIP)、磁性源瞬变电磁测深(TEM)等方法的三维测量仪器的工程化开发,生产出160kW、30kW、5kW系列多功能电磁法(CSAMT、TDIP/FDIP)发射机、分布式多功能电磁法(AMT/MT、CSAMT、TDIP/FDIP)接收机、频率域感应式磁传感器、10kW瞬变电磁发射机、瞬变电磁三分量接收机、三分量高温超导磁强计、三分量时间域感应式磁传感器等。

系统软件的开发与集成,则涉及了数据处理方法研究、数据管理、可视化等多个方面。物化探所教授级高级工程师吴文鹂介绍说,物化探所数据处理研究团队联合吉林大学、成都理工大学、中国科学技术大学等相关科研人员,开展了正确快速计算、压制地形影响、获取可靠三维电性参数、构建基于三维电磁数据的三维地质解释和地质模型等一系列研究。由于采集的数据来源于多种探测方法,如何从中提取有用信号,如何进行处理,最终如何形成可视化的三维地质模型,其中涉及大量、复杂的计算过程和方法。各研发小组分任务从单方法入手,从一维反演、二维反演再到三维反演,最后再进行多方法的集成,最终形成了集5种电法方法数据管理、人机交互建模、数据成图、数据预处理与正反演为一体的三维电磁探测软件系统。该系统不仅可方便快捷地浏览数据与输出测深曲线、剖面曲线、平剖图、三维切片等图形图像,而且实现了在windows操作系统和linux操作系统间的跨平台运行。

接受野外勘查实践检验,与国外同类商品化产品探测能力相当

仪器生产出来后,是否真正具备三维探测的能力,各项技术指标能否达到预期要求,都需要接受野外勘查实践的检验。为此,物化探所联合西安地质调查中心、南京地质调查中心、安徽省勘查技术院等单位开展了大深度三维电磁探测系统的试验应用研究。

试验测试包括对软硬件的性能测试和与国外主流的先进仪器进行对比。据负责这项工作的物化探所教授级高级工程师杨亚斌介绍,对仪器性能指标的测试,不仅针对多种电磁探测技术方法和软件系统,而且还涉及仪器装备的按钮、电池、重量、结构、数据显示等诸多小指标。为了测试仪器的适应温度,测试工作组分别在新疆哈密零下20多摄氏度和新疆克拉玛依地面温度高于50摄氏度的条件下对仪器进行了测试。此外,工作组还选择甘肃极干旱地区、内蒙古东部草原和南方阴雨潮湿地区进行了探测环境测试;在甘肃柳园特别颠簸的地段开展了震动测试;从河北到内蒙古、甘肃、新疆进行了上万公里的运输测试,最终提出了上百条改进意见。

通过野外场地功能试验,并与国外商品化仪器的对比试验,三维电磁探测工作方法得以进一步完善,仪器与软件性能得以进一步提升。利用完善后的探测仪器,项目组分别开展了矿产勘查、三维立体地质填图及深部结构探测3个层次的应用示范。在甘肃柳园、安徽庐江、江苏宁芜、新疆哈密的4个矿区进行的矿产勘查示范,取得了良好的勘查效果,其中在甘肃柳园圈定了3处找矿靶区,在安徽庐江黄屯硫铁矿区发现240米厚的铜金矿体。在新疆克拉玛依和甘肃柳园开展的三维立体地质填图示范,结果显示,方法技术系统对深大断裂和重要的隐伏岩体均有较准确的反应。在内蒙古扎鲁特盆地开展的深部探测试验,利用取得的电性参数,结合已有的钻孔资料,详细刻画了油气目的层及盆地基底的形态。试验结果同时显示,激电探测和瞬变电磁探测深度都达到近800米,可控源电磁法探测深度超过1500米,在雄安新区的探测深度达到了3000米。

一系列的试验示范应用结果表明,自主开发的大深度三维电磁探测技术方法、仪器软件完全可以胜任野外勘查研究,而且与国外同类商品化产品相比,探测能力相当,并有部分指标优于国外同类商品化产品。有了这套探测系统,我国真正实现了电法勘探由二维测量向三维测量的跨越,同时推动了我国大深度电磁探测装备的自主化。与国外同类设备相比,国产化设备价格仅是国外的50%~60%,而且销售方还可以在方法培训和设备维护、软件升级等方面提供便捷服务。

科技发展永无止境。目前,我国的三维电磁探测技术研究与国外相比仍处于跟跑或并跑阶段,在三维电磁探测仪器轻便化、网络化,电磁干扰识别和数据处理智能化,三维电磁多参数联合精细反演等多个方面都亟待进一步探索和研究。同时,急需对工程化样机进行产品化开发,并实现产品化仪器的应用。

可喜的是,物化探所目前已得到国家重点研发计划项目课题的资助,在解决大功率精细电流采样等关键技术基础上,将着手开展产品标定、试验、批量生产线等产业化条件建设,加快批量生产和应用,从而为深地探测提供先进、实用的国产化地面电磁探测利器。

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