礦藏勘測(cè)土質(zhì)測(cè)定磁化法儀器儀表專門探討
1現(xiàn)有電磁法儀器在石油、天然氣、環(huán)境地質(zhì)、水文地質(zhì)勘探等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)面對(duì)具體的勘探任務(wù)時(shí)，則顯得儀器本身的普遍性有余，專業(yè)性不強(qiáng)。因此，有必要進(jìn)一步研制更具針對(duì)性的儀器，以適應(yīng)不同領(lǐng)域中的專門需要。這方面，煤炭科學(xué)研究總院西安分院在多年的工程實(shí)踐中已有所認(rèn)識(shí)。現(xiàn)有儀器的一些性能指標(biāo)不能滿足日益增長(zhǎng)的地質(zhì)任務(wù)的需要，尤其是煤田水文地質(zhì)勘探中的特殊情況、特殊問題，需要有相適應(yīng)的勘探儀器。
2煤田水文地質(zhì)勘探的主要任務(wù)
電磁法儀器和勘探方法發(fā)展的初期，在煤田地質(zhì)勘探方面，主要應(yīng)用于構(gòu)造、煤層厚度等探測(cè)。這方面，地震方法取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，電磁法勘探則更擅長(zhǎng)煤田水文地質(zhì)探測(cè)（水文探測(cè)恰是地震方法的弱項(xiàng)）。另一方面，我國(guó)大多數(shù)礦區(qū)，已經(jīng)或者將要進(jìn)入深部開采階段，水文地質(zhì)條件會(huì)更加復(fù)雜和惡化，特別是華北型煤田，煤系直接坐落在奧陶系灰?guī)r上，由陷落柱向上延伸導(dǎo)致的突水事故時(shí)有發(fā)生。
當(dāng)開采進(jìn)行到下組煤時(shí)，奧灰水則直接對(duì)安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。為了從淺部到深部全面、立體地保障安全生產(chǎn)，對(duì)整個(gè)礦區(qū)的水文地質(zhì)情況有前瞻性的把握，各煤礦的探測(cè)任務(wù)往往從第四系、新近系、古近系新地層的下部含水層、煤系砂巖含水層、石炭系太原組灰?guī)r，到奧陶系灰?guī)r進(jìn)行深達(dá)800 1 000 m的探查。在這個(gè)深度范圍內(nèi)，要給出相隔僅幾十、十幾m的富水情況平面分布圖；探明測(cè)區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育延展情況、導(dǎo)含水性；直徑不小于幾十m含水陷落柱的分布位置、形態(tài)、富含水性。這些，都對(duì)現(xiàn)有儀器提出了新的要求。
3對(duì)瞬變電磁場(chǎng)儀的要求
瞬變電磁場(chǎng)（簡(jiǎn)稱TEM）方法由于施工效率高，對(duì)低阻體敏感，對(duì)施工場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為煤田水文物探的首選方法，也取得了很好的效果。
但現(xiàn)有TEM儀器本身的性能還應(yīng)進(jìn)一步提高，以適應(yīng)新的地質(zhì)任務(wù)的需要。這些要求主要體現(xiàn)在高采樣率和大功率兩個(gè)方面。
3. 1高采樣率
要分辨相隔十幾、幾十m地質(zhì)層位的電性差異，首先，使用的儀器要有高的縱向分辨率。對(duì)時(shí)間域儀器來說，要有足夠的時(shí)間道，在此基礎(chǔ)上才能獲得可靠的地質(zhì)解釋結(jié)果。如以煤系為例，對(duì)每一目的層位理想狀況下要有2 3個(gè)時(shí)間道控制，目的層位之間的地層也應(yīng)有同樣數(shù)目的時(shí)間道控制，其上下還要有相當(dāng)?shù)难由钜垣@得背景資料和深度控制。
這樣算來至少需要50多個(gè)時(shí)間道才能滿足要求。
現(xiàn)有的儀器一般時(shí)間道在20 40道之間。要增加時(shí)間道，先要提高采樣率，以及和高采樣率相匹配的高速元器件。之所以要這樣做，是和時(shí)間域測(cè)量性質(zhì)有關(guān)。
我們知道，為抑制噪聲，頻率域儀器可以在每一頻點(diǎn)多次接收信號(hào)，通過平均、剔除等統(tǒng)計(jì)方法取得該頻率的觀測(cè)值。但是在時(shí)間域的測(cè)量中，時(shí)間不可能在某一時(shí)刻停止，因此只能對(duì)這一時(shí)刻前后幾個(gè)時(shí)刻的接收信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，得到與頻率域中類似的效果。以加拿大風(fēng)凰公司的V5及其升級(jí)換代產(chǎn)品V8多功能電磁法儀器為例，它的采樣率隨觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短總保持在3 840個(gè)樣，然后從早期到晚期先少后多地合成為20個(gè)時(shí)間道。顯然， 20道對(duì)完成前面所述的地質(zhì)任務(wù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。要增加時(shí)間道，并不是簡(jiǎn)單地從這3 840個(gè)數(shù)據(jù)中多取就行的。因?yàn)椋ㄟ^統(tǒng)計(jì)的方法壓制干擾要有一定的數(shù)據(jù)量作為基礎(chǔ)。要增加道數(shù)就要提高采樣率，以滿足在統(tǒng)計(jì)規(guī)律前提下給出盡可能多的道數(shù)。
這方面，煤炭科學(xué)研究總院西安分院在科技部專項(xiàng)基金項(xiàng)目建場(chǎng)法多測(cè)站系統(tǒng)24位A D轉(zhuǎn)換儀器的研制中，設(shè)計(jì)采樣間隔10 m，在100 ms的觀測(cè)時(shí)間中，得到了9 000多個(gè)樣，合成60道，不僅得到了較高的縱向分辨率，也提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
當(dāng)然，縱向分辨率并不是隨著采樣率的提高無限制地增加，這就是地球物理勘探中的適度性原則，需要注意。
3. 2大功率
TEM方法是純二次場(chǎng)觀測(cè)，由此也帶來了晚期觀測(cè)的信號(hào)較弱。由于在電流關(guān)斷后的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)不再供電，地下電磁場(chǎng)能量隨著時(shí)間的流逝呈指數(shù)衰減。當(dāng)然，衰減的幅度不僅與時(shí)間有關(guān)，還和地層的電阻率有關(guān)。對(duì)于華北型煤田，在電流關(guān)斷后40 ms，地面觀測(cè)信號(hào)強(qiáng)度衰減4 5個(gè)數(shù)量級(jí)，歸一化感生電動(dòng)勢(shì)（信號(hào)）此時(shí)僅有十幾V.當(dāng)測(cè)區(qū)地表有較厚的低阻覆蓋層時(shí)，需要更長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，信號(hào)的衰減將更多。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人注意到了對(duì)大功率TEM儀器的需求，如西安物化探研究所、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）業(yè)已生產(chǎn)了在單脈沖發(fā)射情況下，供以800 1 000 A電流的儀器。煤炭科學(xué)研究總院西安分院在前述科技部專項(xiàng)基金課題中研制了連續(xù)脈沖大功率儀器，發(fā)射電流100 200 A.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比得到了很大的改善。
4對(duì)可控源音頻大地電磁測(cè)深儀器的要求
該方法（簡(jiǎn)稱CSAMT）探測(cè)深度大，分層定厚能力強(qiáng)；可以獲得比較準(zhǔn)確的基巖和奧灰界面，作為各含水層位的深度標(biāo)識(shí)；能夠克服煤層和太原組灰?guī)r等高阻薄層對(duì)直流電法造成的屏蔽作用。在華北型煤田水文地質(zhì)勘探中， CSAMT與TEM方法配合使用，往往能夠取得比直流電法與TEM配合更可靠的地質(zhì)效果。
4. 1加密頻點(diǎn)
和TEM儀器類似， CSAMT儀器的觀測(cè)頻點(diǎn)也顯得比較稀疏，不能提供較高的縱向分辨率。以CSAMT兩大主要生產(chǎn)廠家加拿大風(fēng)凰公司的V5（及V8）和美國(guó)Zonge公司的GDP32儀器為例，前者為30頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)均以主頻發(fā)射；后者主頻14個(gè)頻點(diǎn)，加上3次諧波頻率共40個(gè)頻點(diǎn)，還有5次、7次諧波等等，可做更多。但在煤田地質(zhì)勘探中，主頻的信噪比最好情況也只能保持在3 5倍左右。試想一下，信號(hào)減少3倍、5倍后將會(huì)是怎樣的情景。
多次的實(shí)際勘探工程（包括石油天然氣勘探） ， 3次諧波的信/噪比即已顯得不夠， 5次以上的高次諧波則完全不能使用了，實(shí)際能用的頻點(diǎn)只有14個(gè)。因此現(xiàn)有CSAMT儀器的頻點(diǎn)需要加密。
頻點(diǎn)的設(shè)置不僅要增多，還要注意頻點(diǎn)分布要疏密得當(dāng)。從下組煤到奧灰這一段還應(yīng)有較多的頻點(diǎn)控制，這要廣泛搜集我國(guó)大多數(shù)煤礦的地層電性資料，得出規(guī)律性的東西，以便合理地確定頻率范圍、頻點(diǎn)加密段，更進(jìn)一步地研制頻率范圍和頻點(diǎn)設(shè)置任意可調(diào)的儀器。和TEM時(shí)間道類似， CSAMT頻點(diǎn)設(shè)置，同樣要遵循適度性原則。
4. 2多測(cè)站觀測(cè)
CSAMT的施工效率高于直流電法，但遠(yuǎn)低于TEM.如取1 000次迭加，以主頻發(fā)射并觀測(cè)30個(gè)頻點(diǎn)，一個(gè)測(cè)點(diǎn)耗時(shí)僅45分鐘，這也是TEM方法近年來迅速推廣的重要原因。但是， CSAMT對(duì)地層層位深度的把握、特別是奧灰頂界面的探測(cè)精度都是TEM方法不能替代的。因此CSAMT儀器又有了主頻加諧波方式。主頻加諧波確實(shí)提高了效率，如迭加1 000次，觀測(cè)40個(gè)頻點(diǎn)只需完全主頻時(shí)間的一半，但信噪比迅速降低。因此，提高CSAMT觀測(cè)效率的出路不應(yīng)采用諧波的方案，最根本的技術(shù)路線還應(yīng)采用多觀測(cè)道的方案。
現(xiàn)在國(guó)外的兩大CSAMT制造商已經(jīng)采用了6或8道觀測(cè)，但我們認(rèn)為還沒有考慮到國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，一是道數(shù)較少，二是有線連接。道數(shù)少是因?yàn)槎嗟烙^測(cè)主要是為EMAP施工方法設(shè)計(jì)的，并未過多地考慮高速施工問題。以8 h野外作業(yè)時(shí)間計(jì)算，連同搬站、布點(diǎn)，觀測(cè)，要達(dá)到TEM的觀測(cè)效率最多應(yīng)能同時(shí)觀測(cè)20道為佳。然而，如果將這20道共40根線與接收機(jī)相連，則布點(diǎn)時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)，甚至抵消多道觀測(cè)節(jié)約的時(shí)間。因此，無線聯(lián)機(jī)是必須的。這樣做，技術(shù)上有難度，但也并不是不能實(shí)現(xiàn)的。如風(fēng)凰公司的V2000，為大地電磁測(cè)深方法制造，接收的信號(hào)可以通過通信衛(wèi)星直接傳給室內(nèi)解釋人員。技術(shù)上是可以借鑒的，但更重要的是，應(yīng)該有設(shè)想，有要求，在儀器制造上有新的理念，要根據(jù)需要去開發(fā)研制。
5結(jié)束
煤田水文地質(zhì)勘探的需要，引發(fā)了對(duì)普遍適用的電磁法勘探儀器的特殊要求。當(dāng)前提高煤田水文地質(zhì)電磁勘探方法、探測(cè)精度的研究正在進(jìn)行，如低阻屏蔽層問題、更好的視電阻率定義與計(jì)算方法、陰影和場(chǎng)源復(fù)印效應(yīng)、場(chǎng)區(qū)和記錄點(diǎn)等問題。理論的發(fā)展離不開工程的實(shí)踐與檢驗(yàn)，電磁法儀器則構(gòu)成了實(shí)踐的基礎(chǔ)。從當(dāng)前及今后很長(zhǎng)一段時(shí)間的勘探重點(diǎn)來看， TEM儀器高采樣率、大功率，CSAMT儀器加密頻點(diǎn)、多測(cè)站觀測(cè)將是提高電磁法探測(cè)精度的關(guān)鍵。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電磁法勘探儀器有了很大的發(fā)展，國(guó)外的物探儀器在這方面尤為突出。我國(guó)物探儀器的生產(chǎn)，經(jīng)歷了仿制、自主研發(fā)，購(gòu)買、引進(jìn)的道路。比如對(duì)電磁法儀器從研制到直接購(gòu)買，縮短了我國(guó)各勘探單位在儀器裝備上與世界先進(jìn)水平的差距，增強(qiáng)了勘探能力。但自主研發(fā)要立足于我國(guó)煤田的地層特點(diǎn)，滿足勘探任務(wù)的需要，提出對(duì)電磁法勘探儀器的指標(biāo)要求。至于技術(shù)上的問題，可以分兩步走：一是向國(guó)外定貨時(shí)，按照我們的需要提出技術(shù)指標(biāo)要求；二是加緊技術(shù)儲(chǔ)備，自主研發(fā)生產(chǎn)。這方面，直流電法儀由于技術(shù)上相對(duì)簡(jiǎn)單，先行了一步。現(xiàn)在，國(guó)產(chǎn)直流電法儀已完全占領(lǐng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。相信當(dāng)認(rèn)準(zhǔn)了需求和切實(shí)的工作之后，我國(guó)的電磁法儀器生產(chǎn)也將會(huì)走出一條具有中國(guó)特色的道路。http://www.yoshikomatsuura.com
