海洋技术研究 我国深地资源电磁探测新技术研究进展Word格式.docx

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我国先后启动了一系列深部资源电磁探测技术与装备研发项目，包括国家“十一·

五”重大科技基础设施项目《极低频探地（WEM）工程》，国家公益性行业专项《深部探测技术与实验研究》（Sinoprobe）中“地面电磁探测（SEP）系统研制”项目（20101079），国家重大科研装备研制项目《深部资源探测核心装备研发》（ZDYZ2012-1）（2013～2016）中“多通道瞬变电磁系统研制（MTEM）”，国家自然科学基金委项目《广域电磁法及其装备》等，由此，我国在地面电磁法、地空电磁法、广域电磁法、时频电磁法和航空电磁法等领域的研究中取得了突破性进展。

攻克电磁探测方法的基础理论、核心技术和装备是解决深部资源探测的有效途径。

适用于不同深度探测方法的集成，可望在地下10km深度范围内实现多尺度有效探测。

近年来，国内成功研发了航空瞬变电磁勘探仪、探矿重力仪、多通道大功率电法勘探仪、金属矿地震探测系统、深部矿床测井系统、组合式海底地震探测系统等深部资源探测装备，突破了航天级磁通门磁强计、低温超导磁强计与磁梯度计、感应式磁矢量传感器、微型电子机械系统（MEMS）数字地震检波器、高温小型声电放测井传感器等制约我国深部探测装备发展的核心部件。

本文选择对解决深部资源探测有重要意义、最新发展的三种电磁探测技术进行评述：

极低频电磁探测方法（WEM）、多通道瞬变电磁法（MTEM）和电性源短偏移瞬变电磁法（SOTEM）。

WEM利用在岩石圈层—大气圈层—电离层传播的电磁场，获取地下10km以浅的地电信息。

MTEM方法利用大功率发射和阵列式接收，实现地下埋深4km的目标体的精细探测。

SOTEM通过测量小偏移距条件下的瞬变电磁响应，获得更高的分辨率和更大的信号强度，实现1.5km深度范围内目标体的更精细探测。

可望通过对这三种电磁探测技术组合，实现地下10km深度范围内多尺度探测，达到“望远镜＋放大镜＋显微镜”探测效果。

在此基础上，本文分析了电磁探测装备研发的关键技术，包括：

大功率发射机系列技术、磁传感器研发的关键制造技术、高精度低噪声多通道采集技术以及与新方法配套的处理软件等，并对电磁法在深部金属矿产资源和油气等化石能源实际探测进行了展望。

航空瞬变电磁勘探仪

一、深部资源电磁探测新方法

⒈极低频电磁探测方法

WEM是近年来在我国发展起来的一种低频电磁场探测技术，又称“天波”探测．所谓“天波”是指由百公里长的接地导线向地下注入数百安培编码电流产生的电磁波，向上传播到电离层，由电离层底界面反射至地面，在电离层底界面和地面之间来回反射后，从地面向下透射到地下矿体，最后由地下矿体传到地面，通过地面接收机接收携带地下目标体信息的电磁场。

“天波”以往主要应用于军事领域的通信与导航。

如何将“天波”用于深部探矿，需要在在理论上进行研究，把传统的“大气层—岩石层”半空间传播理论推广到“电离层—大气层—岩石层”的全空间“天波”传播新理论，充分考虑电离层和空气中位移电流的影响，推导出适合全空间“天波”响应精确表达式。

付长民等、李帝铨等发现“天波”以波导形式传播，具有衰减慢、传播距离远的特性．利用长度大于100km、功率达到兆瓦级的发射天线，收发距由常规10km拓展到3000km以上，可实现全国领土范围内地下10km深度目标体的电磁探测。

⒉多道瞬变电磁法

MTEM法由英国爱丁堡大学学者提出，并获得美国专利。

该方法采用接地线源发射，阵列式采集地下多次覆盖的全波形信息，在相同的发射源下可大幅度提高纵向、横向分辨率以及探测深度，最大探测深度可达4km。

与传统的瞬变电磁法相比，该方法具有如下显著特点：

⑴采用伪随机编码源发射信号，提供更丰富的频谱信息和更强的抗干扰能力；

⑵利用阵列式多通道观测全波形数据，并实现多次覆盖观测；

⑶通过接收电压与发射电流的反卷积获得大地脉冲响应。

另外，MTEM方法可以在源的近区和远区同时采集电压信号。

伪随机发射源的频率成份丰富，压制等值效应效果明显。

中国科学院地质与地球物理研究所牵头研发了一套MTEM测深系统，包括发射系统、采集系统和数据处理、正演模拟软件及解释系统等，在典型金属矿、油气田进行了试验应用，取得了很好的探测效果。

在实际探测中，发射源沿着测线不断移动，向地下发送伪随机编码电流信号，在轴向上采用固定接收排列接收不同偏移距下的电磁场响应并实时记录发射电流．对接收到的信号进行反褶积处理，提取出包含地下电阻率信息的大地脉冲响应，随后根据大地脉冲响应的峰值时刻获得视电阻率值。

采用多次覆盖技术，进一步提高目标体的信号强度，有利于压制干扰和提高探测深度。

⒊电性源短偏移瞬变电磁法

传统瞬变电磁法的发射源主要是回线源，如中心回线装置、重叠回线装置、大定源装置等。

回线源在地下仅能产生水平方向的感应电流，使得回线源TEM仅对低阻目标体敏感，回线源激发的信号在地层中衰减较快，导致探测深度较浅，因而回线源TEM多用于500m以浅目标体的探测。

为实现更大深度的有效探测，需要采用电性源装置．电性源瞬变电磁的传统工作方式是长偏移距瞬变电磁法（LOTEM），利用数公里长的接地导线向地下发射不关断的双极性方波电流，在大于3倍探测深度的偏移距范围内观测电磁场响应。

由于接地线源在地下可产生水平和垂直两个方向的感应电流，对地下低阻和高阻目标体都具有较强的分辨能力，在大深度的地壳研究、油气藏勘查、地热调查等领域发挥着重要作用。

但是，偏移距越大施工强度就越大，对发射机功率和性能的要求也越高，加上采用不关断连续波形电流，增加了数据处理难度。

近年来，为了实现地下1.5km深度目标体的精细探测，发展了电性源短偏移瞬变电磁法（SOTEM），利用关断的双极性电流激发电磁场，在小于2倍探测深度的偏移距范围内观测纯二次场，由于收发距离较小，所接收的信号强度较大。

SOTEM一定程度上提高了探测精度和施工效率。

利用当前主流的电磁法仪器如V8、GDP-32等均可以实施SOTEM测量，为该方法的推广提供了有利条件。

近几年，SOTEM得到了快速的发展，目前在正演模拟、视电阻率计算、反演解释、施工技术等方面形成了较为成熟的方法体系，并在金属矿、煤田水文地质等领域得到了广泛而成功的应用。

⒋其他电磁探测方法

广域电磁法由中南大学何继善院士提出，该方法源信号采用伪随机编码，同时发送多个频率的电磁场信号，提高了信号抗干扰能力；

主要测量水平电场分量，避免了磁场干扰对数据的影响，通过全区视电阻率定义使广域电磁法的观测区域由远场区拓展到中场区，减小了收发距离，扩大了工作范围。

随着仪器装备、软件系统的逐渐完备，广域电磁法已在深部找矿、页岩气探测中得到广泛应用。

时频电磁法是时间域和频率域电磁法的联合工作方法，同时采集时间域和频率域电磁场，然后分别进行时间域和频率域的数据处理和解释，已在油气资源探测中得到成功应用。

航空电磁法是一种重要的浅地表电磁探测方法，目前国内在方法的正演模拟、数据处理和解释等方面取得了较多的成果。

地空电磁法是一种新型的电磁探测方法，该方法在地面布设发射源，在空中采集电磁场响应，在保证一定探测深度的同时，极大地提高数据采集的效率。

目前，在地面电磁法的基础上，针对地空装置的特殊性，已经发展了全期视电阻率、小波去噪、合成孔径成像等数据处理方法。

飞艇和无人机搭载的地空电磁勘查系统已获得实际应用。

海洋电磁法包括天然源和人工源海洋电磁法。

近年来，用海洋电磁法探测海底热液硫化物矿床成为研究热点。

海洋可控源电磁法在不同水深情况下的电磁发射、数据采集方式和反演得到进一步研究。

席振铢等通过分析大西洋洋中脊及西南印度洋洋中脊热液硫化物矿实测数据，实现海洋瞬变电磁三维正演计算。

地面电磁探测系统

二、深部探测关键装备技术

近年来，电磁勘探装备技术研发取得较快发展，张一鸣等采用两极双Ｈ桥逆变技术，即前级H桥控制发射电流的恒稳产生，后级H桥实现目标频点的精确发射，研制的发射机具有发射功率大、电流强、对时精确等特点。

朱万华等突破了高磁导率、低损耗磁芯加工工艺，多匝线圈绕制工艺和低噪声低频微弱信号检测电路技术，研制成功感应式磁传感器；

突破了高温超导SQUID芯片制片技术，读出电路研制技术，研制出高温超导磁传感器；

突破了线圈设计加工工艺，激励电路，相敏解调和积分反馈等电路技术，成功研制了磁通门磁传感器．底青云等攻克了带通正反馈高频幅度补偿、调理电路白噪声抑制、高精度信号采集与同步、基于FPGA的信号处理、原子钟对时等关键技术，研制出对采集过程和采集资料质量能实时监控的分布式采集站。

研制出的采集站通道多（12道），动态范围大，频带范围宽，噪声低，功耗低，体积小，重量轻。

⒈大功率发射机系列技术

张一鸣等将当代电力电子学的主流思想引入到地面电法勘探发射机的研制工作中：

采用最新的开关技术，降低了发射机自身的电磁损耗，减轻了发射机的电磁干扰，减少了功率器件的电应力，提高了发射机的能效指标；

通过双交直变流拓扑结构，采用20kHz单相升压变压器，扬弃了传统的工频（50Hz）或中频（400Hz）三相升压变压器，极大减轻了发射机的体积与重量，提高了发射机的功率密度和设备利用率，便于长途运输和野外作业；

通过电压和电流反馈，成功实现了恒电流、恒电压、恒功率三种闭环发射模式；

通过电压脉宽调制技术，显著增强了低频发射电流的恒稳精度和高频发射电流的鲁棒特性；

结合整数与分数ＰＩＤ等最新控制策略，提高了发射机对接地阻抗变化的自适应能力。

鉴于收发时间同步在电法勘探中的重要性，借助ＧＰＳ卫星信号和高精度恒温晶振等技术条件，研制的发射机具有卫星自动对时和发射频率的误差补偿及校正功能，为后续进行准确的反演计算和数据处理提供了坚实可靠的技术支撑。

通过WiFi或Zigbee等无线局域网络，实现了发射机无线操作和控制．操作者可通过个人数字终端（笔记本电脑、手机或iPAD等），在一定范围内不受通信电缆束缚进行人机交互．这种操控方式一方面使现场施工人员更安全，远离强电磁辐射以及高分贝噪声环境，身心健康得到保护；

另一方面也为将来研发通过互联网络远程操控发射机夯实基础．研制的发射机具有发射功率大（100kW）、电流强（100A）、以及对时准确（＜200ns）等优点。

⒉磁传感器研发的关键技术

采用高磁导率的坡莫合金和高温绝缘氧化物材料，经过高温氧化炉退火，使得初始磁导率大大提高；

带材厚度为数十个微米，有效降低导磁材料的涡流磁场能量的损耗，实现了磁场信号无损耗放大。

通过理论设计，优化线圈参数，使得重量/体积比达到最优。

漆包线线圈采用特殊绕制方式，有效降低分布电容，在16000圈时，线圈分布电容小于90PF。

研制的极低频微弱信号检测电路技术，在0.001Hz～1kHz频率范围内，本底噪声小于2pT/√Hz，这一指标已优于国外同类磁传感器（11pT/√Hz），从而有效地消除了放大器等半导器件在低频段的直流漂移和1/f噪声影响，成功研制出高灵敏度MT（10000s～1kHz）和CSAMT（0.1Hz～10kHz）感应式磁传感器，解决了磁芯加工、线圈绕制和低噪声、低频微弱信号观测等技术难题，性能和指标均与国际先进产品相当，极大提高了磁传感器低频微弱信号的拾取和识别能力。

通过实验室和多地野外测试，并与国际高端磁传感器进行了反复对比验证，表明自主研制的0.001Hz～1kHz频率范围内的磁传感器已经在噪声压制、频率范围、测量精度、野外数据质量等方面达到或超过国际高端磁传感器的性能和指标。

传感器在低频率时的性能已符合10km深度资源探测的需要。

⒊高精度低噪声多通道采集技术

研制出的12通道电磁数据采集站同时覆盖了CSAMT和MT的观测频带，可实现WEM的宽频带探测。

相对于国内外同类产品，该采集站具有信号通道多（12通道）、动态范围宽（120dB）、噪声低、功耗低、体积小、重量轻等突出特点．大量的实验室测试与野外试验结果表明，该电磁数据采集站已经完全可以替代国外进口电磁仪器，并能更好地适应我国复杂地形地貌环境下的矿产勘探需求，满足10km深度范围内WEM3D面积性资源详查的需求。

在电法勘探领域中，有用信号一般在DC～10kHz范围内，而在很宽的频带上散布着各种噪声，为了抑制噪声干扰，针对施工过程中遇到的接地电阻变化影响固定滤波器的截止频率问题，设计了补偿2阶Sallen-key低通滤波器的稳定带通滤波器。

通过分析非相关噪声源，相关环节的噪声换算和信号强度，为系统设计提供了依据。

将电路低阻抗化，并且优化带宽设计以及选择噪声小的放大器件，减小了电子系统的噪声。

在检测与测量系统中，设计前置差分放大电路，很好地滤除了共模噪声，提高了抗干扰能力。

针对自然干扰源与人为干扰源产生的多种随机噪声，采取相应的抗干扰措施，消弱干扰对信号的影响。

利用系统高精度同步时钟，实现硬件电路的同步叠加滤波，抑制环境噪声的随机干扰．基于梳状滤波的工频干扰抑制技术，设计数字滤波器对AD输出的数字信号进行滤波，抑制50Hz工频干扰。

减小对50Hz频率范围内的信号损伤。

采取Alphatrim尖峰干扰抑制技术，有效抑制脉宽或奇异噪声幅值较大的干扰。

系统采用内部自带参考电压的24位Δ－ΣA/D转换模块，提高信号通道对漂移的抗干扰能力。

利用GPS与压控恒温晶振组合方式产生的高精度时钟以及数字锁相技术，实现GPS与压控恒温晶结合的数字锁相时钟调节，极大地提高了多频点测量的效率。

当然，采集系统的抗干扰能力和稳定性也受芯片质量的限制。

获取和选择质量过关的芯片保证发射接收装备在野外观测时的稳定性。

深部智能导钻系统示意图

三、深部资源电磁探测资料处理进展

在数据去噪和正反演方面，WEM、MTEM、SOTEM遇到的问题和传统的电磁探测方法遇到的问题基本上是一致的．特别是当使用观测的总场减去背景场（即异常场）来进行处理解释时，新方法与传统方法遇到的问题相同．这里以传统电磁法中CSAMT和TEM方法在这一领域的研究进展为例进行分析。

⒈噪声压制与去除

对各种噪声与干扰进行有效抑制，是时间域电磁法数据处理的主要工作之一。

Mccracken等人对进入TEM响应中的噪声进行研究，将其大致分为仪器噪声与外部噪声，外部噪声进一步分为天然噪声与人文噪声。

仪器噪声最初仅指观测系统的硬件噪声，其主要由接收线圈及其前放电路噪声水平决定。

在航空TEM方法问世后，仪器噪声的内涵进一步扩展为：

⑴由飞行平台产生的主动及被动电磁干扰；

⑵由装置几何关系不稳定性产生的收发耦合关系变化；

⑶由传感器在非均匀地磁场中运动而产生的运动噪声；

⑷收发系统电学参数随温度变化而产生的影响．这些影响从广义上均可归为仪器噪声。

天然噪声主要指天电噪声，频率范围一般在5Hz～25kHz，其大致可分为两类：

⑴雷电发生处距测区距离小于1000km的中近源天电；

⑵雷电发生处距测区距离大于1000km的远源天电。

人文噪声为人类活动产生的电磁噪声．最主要的人文噪声是来自电力网络的工频噪声，其他人文噪声还包括无线电台信号、铁路系统等．尽管进入TEM观测的噪声来源各有不同，但在对其进行处理时，一般关注信号的频谱特性以及其平稳随机性，即一般根据信号的这两方面特征选择相应的处理方法。

在TEM数据处理中，目前使用最广的噪声抑制策略是双极性同步采样，其主要功能是：

⑴实现工频抑制；

⑵在晚期道实现对高频平稳随机噪声的抑制。

通过优化各叠加周期的叠加权重，可优化其工频抑制性能；

通过对抽道叠加方案的优化，有助于提升系统对高频平稳随机噪声的抑制性能。

利用m序列的相关特性，通过对收发信号进行相关处理，可对进入观测的非相关噪声实现有效抑制，获得高分辨率的大地脉冲响应。

同时，基于伪随机编码波形的探测方法，对后续时域电磁法噪声抑制策略与具体方法研究具有重要意义。

在双极性同步采样策略的基础上，主要根据噪声与有用信号频率范围的相对频谱关系实现对特定噪声的针对性抑制：

⑴瞬变电磁晚期信号具有带宽小、幅度低的特点，所有提升晚期信号信噪比的处理方法本质上均可认为是低通滤波，比如常见的最小二乘拟合、三点指数逼近非线性平滑、中位值去噪、算术平均去噪等。

此外，利用小波变换法，实现有用信号与高频噪声的分离与剔除，通过对变换信号的重构可有效抑制高频噪声，实现晚期信噪比的有效提升。

与小波变换法大致处理流程类似的是基于总体经验模态分解法的抑噪方法。

⑵运动噪声一般指在航空瞬变电磁探测中，接收线圈在地磁场中运动，由于地磁场的非均匀性而引起线圈内部磁通量的变化，其形成的感应电动势即运动噪声．在航空瞬变电磁探测中，在一般气象条件下，当飞行较为平稳时，运动噪声体现为一种低频噪声，其频率一般在系统发射基频以下。

因此，对低频运动噪声的处理一般可认为是一种高通滤波处理：

尹大伟等提出多项式拟合法去除运动噪声；

李肃义等在地空电磁数据处理中采用小波变换法去除运动噪声。

⑶处理难度较大的是频率范围与瞬变电磁有用信号大致重叠的带内噪声．对高频天电噪声，一般采用Aiphatrim方法予以识别与剔除。

对带内平稳随机噪声的处理一般是通过算法提取有用信号特征，利用其特征重构有用信号，实现对带内噪声的抑制。

黄皓平提出采用基于奇异值分解的有用信号重构方法，实现对带内噪声的抑制．这些研究成果有效地提升了受带内噪声影响数据的可用性，但当数据受非平稳随机噪声影响时（如频率范围大致在500Hz～5kHz的高频运动噪声），现有方法的处理性能仍无法完全满足要求，是目前亟待解决的重点问题之一。

⒉数据正反演

改进与完善三维正反演数值模拟，对进一步提高资料解释水平和方法的应用效果具有理论和现实意义。

国外对三维电磁场正演模拟的研究始于20世纪70年代中期，Hohmann在麦克斯韦方程组的基础上首次将积分方程法应用于三维大地电磁测深数值模拟中，之后便有许多学者使用积分方程法、有限元法和有限差分法对异常体及地下电性复杂分布情况进行了模拟．国内也有不少学者在此方面做了研究，Fayemi和Di通过结合单轴完美匹配层（UPML）与一阶扩散方程求解的时域有限差分（FDTD）方程实现了MTEM正演，建立中国南部页岩气模型，理论与实例证明该算法可有效地服务于页岩气开发，瞬变电磁法的三维正演计算也得到研究。

反演方面，何梅兴等利用Occam反演实现CSAMT数据进行2.5维反演，反演结果是稳定收敛的，理论模型与反演结果基本一致。

翁爱华等证明了采用有限内存拟牛顿方法对CSAMT数据进行三维反演，分析了数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响。

柴伦炜等把尖锐边界反演应用在CSAMT数据处理中，并和传统的Occam反演作对比，证明了该方法的可靠性。

李貅和薛国强将正则化算法引入瞬变电磁资料的拟地震解释中，实现瞬变电磁场的三维曲面延拓成像。

矿产深部开采技术

四、研究展望

电磁勘探应用领域广泛，尤其在金属矿产的勘探开发中发挥着举足轻重的作用。

我国自主研发的电磁仪器包括发射和接收，采集过程和采集质量可以进行实时监控，观测频率范围更广，采集精度和效率得到提高，可以基本满足WEM、MTEM和SOTEM的资料采集。

随着技术的进步和研发的推进，国产仪器和国外仪器的差距将越来越小，将更符合WEM、MTEM和SOTEM等电磁法进一步创新的需要，也必将更适合我国复杂地质环境资料采集的需要。

目前，应用于静位移校正的阻抗张量分解法和空间滤波法仍是研究的热点，很多专家学者对其进行改进，以自身静位移作为反演参数的自身反演校正法重新被认识，该技术有望实际应用到电磁测深的静位移校正中。

在提高数据信噪比方面，除了传统的远参考技术、张量阻抗分析、Robust估计外，较新发展的数学形态滤波、Hilbert－Huang变换等新技术，也将应用到WEM、MTEM、SOTEM资料预处理和反演解释中。

传统的有限元、有限差分和积分方程法等正演模拟方法，已应用到WEM、MTEM、SOTEM异常场资料正演模拟中．非线性方法和2D，3D线性迭代方法等反演方法也可直接应用到WEM、MTEM、SOTEM异常场资料反演中。

随着浅部金属矿产资源的开发殆尽，人们已经转入到对隐伏矿、深部金属矿产以及海底金属矿产的开发与利用．基于WEM、MTEM、SOTEM的研究进展，应用这些新方法实现对10km深度范围内金属矿和油气资源的有效探测。

WEM的发射源是一个大功率的频率域发射源，它有多种用途，因此在深部矿产和油气探测中的试验机会比较少，为了能迅速将WEM真正发展成一个探测10km深度范围内深部资源矿和油气等资源的有效手段，研发一个专门用于深部资源的WEM发射源是必要的，更进一步，可以建立一个大功率的频率域编码固定源。

五、结论

WEM方法是地球物理学和无线电物理学相结合的产物。

WEM的特点是人工发射信号强度大，抗干扰能力强，信号稳定，测量误差小，覆盖全国大部分地区，可配几十部接收机大面积组网（WEM网），实现大范围多次覆盖信息同步观测，弥补现有MT法接收信号弱、探测精度低的缺点，同时又克服了CSAMT法设备笨重、探测深度浅（1～2km）及覆盖范围小的缺点。

多道瞬变电磁法是一种时间域电磁方法，发射源移动发射，利用阵列式采集站采集数据，增大了对地下介质的覆盖次数．通过对该方法从基本原理、仪器设备、解释软件和实际应用的系统研究表明，该方法的发射－接收装置与反射地震类似，在数据处理与解释中引入拟地震的数据解释手段，提高了数据解释的精度，可实现4km深度范围的金属矿探测。

SOTEM法利用长接地导线源发射时间域双极性阶跃电流激发电磁场，并利用线圈和电极在距离发射源约0.7～2倍探测深度的短偏移距范围内观测磁场和电场，以实现地下目标体探测的一种瞬变电磁装置。

SOTEM将传统回线源瞬变电磁法的探测深度从500m扩展到1.5km，并且由于采用短偏移距的近源工作方式，SOTEM克服了传统长偏移距模式晚期信号信噪比低、体积效应严重、施工不便等缺点，在不损失探测深度的前提下，显著提高垂向、横向分辨率和施工效率。

WEM探测方法利用长度大于百公里、功率达兆瓦的频率域固定发射台，进行超大范围的三维组网观测，极大地提高了有效作业范围和探测深度，为探测深度大于4km的深部金属矿和油气资源提供了有效手段；

但由于频率域发射源的高频成分不够高，导致4km以浅的信息不足．为此，结合时间域MTEM方法和SOTEM方法，进行方法技术组合，可以实现10km深度范围内金属矿产和油气等资源的有效探测。