礦藏勘測土質(zhì)測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用。但是，當面對具體的勘探任務(wù)時，則顯得儀器本身的普遍性有余，專業(yè)性不強。因此，有必要進一步研制更具針對性的儀器，以適應不同領(lǐng)域中的專門需要。這方面，煤炭科學研究總院西安分院在多年的工程實踐中已有所認識�，F(xiàn)有儀器的一些性能指標不能滿足日益增長的地質(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，主要應用于構(gòu)造、煤層厚度等探測。這方面，地震方法取得了長足的進步，電磁法勘探則更擅長煤田水文地質(zhì)探測（水文探測恰是地震方法的弱項）。另一方面，我國大多數(shù)礦區(qū)，已經(jīng)或者將要進入深部開采階段，水文地質(zhì)條件會更加復雜和惡化，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致的突水事故時有發(fā)生。
當開采進行到下組煤時，奧灰水則直接對安全生產(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)，對整個礦區(qū)的水文地質(zhì)情況有前瞻性的把握，各煤礦的探測任務(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進行深達800 1 000 m的探查。在這個深度范圍內(nèi)，要給出相隔僅幾十、十幾m的富水情況平面分布圖；探明測區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育延展情況、導含水性；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，都對現(xiàn)有儀器提出了新的要求。
3對瞬變電磁場儀的要求
瞬變電磁場（簡稱TEM）方法由于施工效率高，對低阻體敏感，對施工場地適應性強等特點，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進一步提高，以適應新的地質(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。對時間域儀器來說，要有足夠的時間道，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，對每一目的層位理想狀況下要有2 3個時間道控制，目的層位之間的地層也應有同樣數(shù)目的時間道控制，其上下還要有相當?shù)难由钜垣@得背景資料和深度控制。
這樣算來至少需要50多個時間道才能滿足要求。
現(xiàn)有的儀器一般時間道在20 40道之間。要增加時間道，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，是和時間域測量性質(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多次接收信號，通過平均、剔除等統(tǒng)計方法取得該頻率的觀測值。但是在時間域的測量中，時間不可能在某一時刻停止，因此只能對這一時刻前后幾個時刻的接收信號進行統(tǒng)計平均，得到與頻率域中類似的效果。以加拿大風凰公司的V5及其升級換代產(chǎn)品V8多功能電磁法儀器為例，它的采樣率隨觀測時間的長短總保持在3 840個樣，然后從早期到晚期先少后多地合成為20個時間道。顯然， 20道對完成前面所述的地質(zhì)任務(wù)是遠遠不夠的。要增加時間道，并不是簡單地從這3 840個數(shù)據(jù)中多取就行的。因為，通過統(tǒng)計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)計規(guī)律前提下給出盡可能多的道數(shù)。
這方面，煤炭科學研究總院西安分院在科技部專項基金項目建場法多測站系統(tǒng)24位A D轉(zhuǎn)換儀器的研制中，設(shè)計采樣間隔10 m，在100 ms的觀測時間中，得到了9 000多個樣，合成60道，不僅得到了較高的縱向分辨率，也提高了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
當然，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方法是純二次場觀測，由此也帶來了晚期觀測的信號較弱。由于在電流關(guān)斷后的觀測時間內(nèi)不再供電，地下電磁場能量隨著時間的流逝呈指數(shù)衰減。當然，衰減的幅度不僅與時間有關(guān)，還和地層的電阻率有關(guān)。對于華北型煤田，在電流關(guān)斷后40 ms，地面觀測信號強度衰減4 5個數(shù)量級，歸一化感生電動勢（信號）此時僅有十幾V.當測區(qū)地表有較厚的低阻覆蓋層時，需要更長的觀測時間，信號的衰減將更多。國內(nèi)已經(jīng)有人注意到了對大功率TEM儀器的需求，如西安物化探研究所、中國地質(zhì)大學（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。煤炭科學研究總院西安分院在前述科技部專項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.實驗結(jié)果表明，觀測數(shù)據(jù)的信噪比得到了很大的改善。
4對可控源音頻大地電磁測深儀器的要求
該方法（簡稱CSAMT）探測深度大，分層定厚能力強；可以獲得比較準確的基巖和奧灰界面，作為各含水層位的深度標識；能夠克服煤層和太原組灰?guī)r等高阻薄層對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
和TEM儀器類似， CSAMT儀器的觀測頻點也顯得比較稀疏，不能提供較高的縱向分辨率。以CSAMT兩大主要生產(chǎn)廠家加拿大風凰公司的V5（及V8）和美國Zonge公司的GDP32儀器為例，前者為30頻點，各頻點均以主頻發(fā)射；后者主頻14個頻點，加上3次諧波頻率共40個頻點，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，信號減少3倍、5倍后將會是怎樣的情景。
多次的實際勘探工程（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，實際能用的頻點只有14個。因此現(xiàn)有CSAMT儀器的頻點需要加密。
頻點的設(shè)置不僅要增多，還要注意頻點分布要疏密得當。從下組煤到奧灰這一段還應有較多的頻點控制，這要廣泛搜集我國大多數(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、頻點加密段，更進一步地研制頻率范圍和頻點設(shè)置任意可調(diào)的儀器。和TEM時間道類似， CSAMT頻點設(shè)置，同樣要遵循適度性原則。
4. 2多測站觀測
CSAMT的施工效率高于直流電法，但遠低于TEM.如取1 000次迭加，以主頻發(fā)射并觀測30個頻點，一個測點耗時僅45分鐘，這也是TEM方法近年來迅速推廣的重要原因。但是， CSAMT對地層層位深度的把握、特別是奧灰頂界面的探測精度都是TEM方法不能替代的。因此CSAMT儀器又有了主頻加諧波方式。主頻加諧波確實提高了效率，如迭加1 000次，觀測40個頻點只需完全主頻時間的一半，但信噪比迅速降低。因此，提高CSAMT觀測效率的出路不應采用諧波的方案，最根本的技術(shù)路線還應采用多觀測道的方案。
現(xiàn)在國外的兩大CSAMT制造商已經(jīng)采用了6或8道觀測，但我們認為還沒有考慮到國內(nèi)的實際情況，一是道數(shù)較少，二是有線連接。道數(shù)少是因為多道觀測主要是為EMAP施工方法設(shè)計的，并未過多地考慮高速施工問題。以8 h野外作業(yè)時間計算，連同搬站、布點，觀測，要達到TEM的觀測效率最多應能同時觀測20道為佳。然而，如果將這20道共40根線與接收機相連，則布點時間會大大延長，甚至抵消多道觀測節(jié)約的時間。因此，無線聯(lián)機是必須的。這樣做，技術(shù)上有難度，但也并不是不能實現(xiàn)的。如風凰公司的V2000，為大地電磁測深方法制造，接收的信號可以通過通信衛(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)了對普遍適用的電磁法勘探儀器的特殊要求。當前提高煤田水文地質(zhì)電磁勘探方法、探測精度的研究正在進行，如低阻屏蔽層問題、更好的視電阻率定義與計算方法、陰影和場源復印效應、場區(qū)和記錄點等問題。理論的發(fā)展離不開工程的實踐與檢驗，電磁法儀器則構(gòu)成了實踐的基礎(chǔ)。從當前及今后很長一段時間的勘探重點來看， TEM儀器高采樣率、大功率，CSAMT儀器加密頻點、多測站觀測將是提高電磁法探測精度的關(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，國外的物探儀器在這方面尤為突出。我國物探儀器的生產(chǎn)，經(jīng)歷了仿制、自主研發(fā)，購買、引進的道路。比如對電磁法儀器從研制到直接購買，縮短了我國各勘探單位在儀器裝備上與世界先進水平的差距，增強了勘探能力。但自主研發(fā)要立足于我國煤田的地層特點，滿足勘探任務(wù)的需要，提出對電磁法勘探儀器的指標要求。至于技術(shù)上的問題，可以分兩步走：一是向國外定貨時，按照我們的需要提出技術(shù)指標要求；二是加緊技術(shù)儲備，自主研發(fā)生產(chǎn)。這方面，直流電法儀由于技術(shù)上相對簡單，先行了一步�，F(xiàn)在，國產(chǎn)直流電法儀已完全占領(lǐng)了國內(nèi)市場。相信當認準了需求和切實的工作之后，我國的電磁法儀器生產(chǎn)也將會走出一條具有中國特色的道路。http://m.pfyin.com
