直升机大功率时间域(TEM)航空电磁系统简介及在勘查多金属矿床上的应用

卢俊丰，纪福山

(中国冶金地质总局 地球物理勘查院，保定 071051)

0 引言

2013年10月，中国冶金地质总局地球物理勘查院(勘查院)引进了加拿大BECI—胜利勘查公司生产的TS-150型大功率时间域航空电磁系统。在内蒙古阿鲁科尔沁旗野外现场顺利通过了各项技术指标的验收，并及时投入了内蒙古敖包吐试验区和1017高地试验区多金属矿1:10 000大比例尺的航空电磁法测量工作。由此，勘查院的航空物探测量能力有了极大的提升，有能力开展大比例尺勘查多金属硫化物矿床的飞行测量工作，拓宽了航空物探工作的领域，更经济、更精准、更快速的为矿山勘查服务。利用该套设备，勘查院于2016年和2018年又分别完成了新疆白石头泉一带航空TEM测量和安徽怀远-蒙城一带航空TEM测量任务，取得了令人满意的测量效果。

1 TS-150型大功率时间域航空电磁系统简介

勘查院在内蒙古敖包吐试验区和1017高地试验区，采用AS350-B3型小松鼠直升机吊挂装置进行了生产飞行。吊挂缆绳长55 m，钾光泵磁力仪吊挂在距飞机下方20 m处，飞行高度平均为80 m～90 m。正常飞行过程中，吊挂缆绳与飞机机身的向下垂直线夹角为15°～20°。飞行速度为80 km/h～100 km/h，即22 m/s～28 m/s。似平面同点偶极装置的电磁系统的发射线圈、接收线圈距地面30 m～40 m(图1、图2)。

图1 AS350-B3小松鼠直升机吊挂电磁系统测线飞行图Fig.1 AS350 - B3 the little squirrel helicopter flight figure hanging electromagnetic system of measuring line

图2 AS350-B3型小松鼠直升机吊挂系统地面全貌图Fig.2 AS350 - B3 the little squirrel helicopter hanging system ground close-up view

1.1 电磁系统组成及发射波形

TS-150型时间域航空电磁系统由似平面同点偶极装置[1]的发射线圈、发射机、高压发生器、发射控制器、发射机控制信号发生器、补偿线圈、Z向接收线圈、X向接收线圈、前置放大器、磁、电磁数据处理器、电源分配器、数据收录系统组成。

系统发射波为双极性三角波，发射频率及占空比由发射控制脉冲决定，半周期发射和接收波形如图3所示。

图3 半周期波形图(下半周期相位相反)Fig.3 Half cycle waveform figure (the second half of the cycle of opposite phase)

发射频率由25 Hz到330 Hz不等，共分12档可选，在国内常用的三种频率分别为25 Hz、75 Hz及125 Hz。

1.2 电磁系统的补偿方式

由于TS-150型时间域电磁系统的似平面同点偶极装置接收线圈放置于发射线圈中间，发射时接收线圈可以接收到很强的一次场，强一次场可使前置放大器达到饱和状态，无法顺利的测量断电后导体产生的二次场，同时也丢失了发射三角波期间的导体二次场的测量，所以必须将接收线圈中所接收到的很强的一次场补偿掉，这样接收到的就只有导体的二次场。

为了实现补偿，必须在接收线圈外围放置一个补偿线圈。补偿线圈内的电流方向与发射线圈内的电流方向相反，接收线圈接收到的补偿线圈产生的电磁场与发射线圈产生的电磁场强度相同。这样接收线圈所接收到的电磁场就是大小相等，方向相反的二个电磁场的和[2,5]。这个值很小甚至为零，由此达到理想的补偿效果。

设u为自由空间的导磁率；R为线圈半径；N为线圈匝数；I为线圈中电流峰值；dB为线圈中间处的电磁场强度。在自由空间的情况下有：

dB=u*I*N*dt/2R

(1)

设：

dB补=-dB发

(2)

则有：

u*I*N发*dt/2R发=-u*I*N补*dt/2R补

(3)

式中：N发为发射线圈的匝数；N补为补偿线圈的匝数；R发为发射线圈的半径；R补为补偿线圈的半径。我们取补偿线圈匝数为“1”，使发射线圈中的电流峰值与补偿线圈中的峰值相同，则公式(3)经整理后有：TS-150型时间域电磁系统发射线圈和补偿线圈为同一根电缆绕成，只是在发射线圈3.5圈处绕出一个半径为0.57 m，方向相反的一匝补偿线圈。所以它们中的电流峰值、波形、频率都是一样的。

R补=R发/N发

(4)

TS-150型时间域电磁系统发射线圈半径为4 m，匝数为7匝，补偿线圈为1匝，则：

R补=4/7=0.57 m

(5)

1.3 电磁系统测量的道数与取样率

TS-150型时间域航空电磁系统发射波为双极性三角波，在三角波发射期间为on-time，三角波结束期间为off-time，即发射开时间和发射关时间[3]。在发射开时间和发射关时间内均分为24个取样道。在发射开时间内每道取一个样，在发射关时间内每道取样数不同，即前12道为每道取一个样，第13道取5个样，第14道～19道每道取6个样，第20道取8个样，第21道取12个样，第22道取16个样，第23道取20个样，第24道取28个样。图4为发射开时间和发射关时间的取样道数与每道取样个数示意图。

图4 TS-150型大功率时间域航空电磁系统发射开、关时间的取样道数与每道取样个数示意图Fig.4 TS-150 type high power airborne electromagneticlaunch system in time domain,time of sampling number and number of each sample

半个周期内共计48个取样道，取200个样。一个周期内取400个样。由数据处理系统将反向的下半周期变化为正向，所以一个周期400个取样全为正数。

TS-150型时间域电磁系统取样率为10次/s，即0.1 s一个读数,则频率为25 Hz时，一个读数为1 000个样的平均值；75 Hz时，一个读数为3 000个样的平均值；125 Hz时，一个读数为5 000个样的平均值。

1.4 TS-150时间域电磁系统记录单位

TS-150型时间域电磁系统记录单位以电磁场强度与时间的比值即nT/s为单位(nT为伏特×10-9，s为秒)。接收线圈的有效面积为10，前置放大器放大倍数为150[4]，则总的有效面积(m2) 就等于1 500 m2。即接收线圈内有1.5 μV的信号时，再乘以103/1.5×103等于1 nT/s，有1.5 mV的信号时，再乘以106/1.5×103等于1 000 nT/s ,有1.5 V的信号时，再乘以109/1.5×103等于1 000 000 nT/s。

2 应用分析

内蒙古敖包吐试验区共飞121条测线，每条测线平均长度为7.5 km，7条切割线，每条平均长度为12 km，测区总面积为90 km2。重复线3条，飞行测量比例尺为1：10 000。即线距为100 m。发射频率为75 Hz。

测区飞行测量时，平均飞行高度(本文所标高度都为飞机飞行高度，吊舱高度应减去飞机与吊舱的垂直高度)为80 m～90 m，测量装置距地面30 m～40 m，飞行速度为22 m/s～28 m/s，即每小时80 km～100 km。飞行航偏平均值小于±10 m。各项指标均达到了航空电磁法的设计要求。

2.1 测线飞行

测线飞行测量完毕后，绘制了第1道至24道发射关时间Z线圈的nT/s色阶平面图24张。第1道、第5道、第15道、第20道的四张平面色阶图如图5～图8所示。

图5 第1道nT/s数据平面色阶图Fig.5 Figure 1 nT/s data flat face order

图6 第5道nT/s数据平面色阶图Fig.6 Figure 5 nT/s data flat face order

图7 第15道nT/s数据平面色阶图Fig.7 Figure 15 nT/s data flat face order

图8 第20道nT/s数据平面色阶图Fig.8 Figure 20 nT/s data flat face order

对比图5～图8可以看出，测区中间有一条北西—南东走向的低阻异常，它的衰减时间常数大，电磁信号衰减的较慢。在图6(第5道数据视导电率平面色阶图)中显示的更为突出,一直到图7(第15道数据视导电率平面色阶图)还有明显地反映，到图8(第20道数据视导电率平面色阶图)才基本没有反映了。

研究相对应的这一低阻带上的Z线圈发射关时间的nT/s异常剖面图。530测线、540测线、560测线及610测线24道nT/s异常剖面图(图9～图12)。由图9～图12可以看出，异常峰值非常明显，异常衰减较慢，直到15道异常仍然明显存在。飞机在这几条测线异常峰值点上，飞行的相对高度为86 m～93 m。电磁法测量装置距地面为36 m～43 m。图9～图12可以清楚地看到在电磁异常处没有磁异常反映。推断此异常为无磁性的低阻带，属于高导电率的多金属矿带。

图9 530线nT/s异常剖面图及异常在平面图中的位置图Fig.9 530 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

图10 540线nT/s异常剖面图及异常在平面图中的位置图Fig.10 540 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

图11 560线nT/s异常剖面图及异常在平面图中的位置图Fig.11 560 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

图12 610线nT/s异常剖面图及异常在平面图中的位置图Fig.12 610 nT/s abnormal section and its location map in the unusual plan

2.2 地面工作验证

为验证航测资料的准确性，地面验证人员选取了560线异常相应位置布设了地面检查线，进行了地面瞬变电磁法测量、激电测量。对照情况见图13。由图13可以看出，地面瞬变电磁测量结果与航电Zoff曲线变化趋势相同，可以证明TS-150型时间域电磁系统的测量数据是真实可靠的。

图13 560线航电异常地面检查剖面图Fig.13 560 line AEM anomaly ground checks profile(a)激电中梯Ps、Ms剖面曲线图;(b)瞬变电磁dB/dt剖面曲线图

后期地面钻孔和航电资料反演的结果见图14，矿体位置与反演低阻体基本一致，钻孔资料显示该低阻带为铅、锌、银多金属矿带[6]，证实了此前的推断。

图14 560线航电异常推断解释与钻孔位置图Fig.14 560 line inversion results and drilling locations(a)560线Zoff8-20道实测曲线图;(b)560线Xoff8-20道实测曲线图；(c)反演矿体位置图

反演结果显示，该低阻体深部仍可能有延伸。

2.3 重复线飞行

重复线飞行是验证电磁系统的稳定性、可靠性的一种技术手段。图15、图16为内蒙古敖包吐试验区测区600线、660线的重复线。

图15 600线Z线圈发射关时间第5道重复测量对比曲线图Fig.15 600 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

图16 660线Z线圈发射关时间第5道重复测量对比曲线图Fig.16 660 Z coil fired off time 5 repeated measurement comparison graph

由对比曲线可以看出，系统的重复测量一致性很好。这说明TS-150型时间域电磁系统有着良好的稳定性及可靠性。

2.4 测量噪声

系统测量时的噪声，反映系统的分辨能力、测得信息的可靠程度[7]，所以系统测量时的噪声水平也是衡量系统好坏的一个标准。按设计要求，系统测量时，接收线圈Z的噪声应控制在40 nT/s以内，X线圈噪声应控制在160 nT/s以内。

TS-150型时间域航空电磁系统在发射频率为75 Hz、不同的飞行高度，接收线圈测量时的噪声对比如表1所示。

表1 噪声对比表Tab.1 The noise contrast table

由于受当时外界条件的影响，高度的噪声数据不降反略升，分析是高高度时线圈受到了高空风的影响，吊缆发生抖动，导致噪声偏大，但总体噪声都在设计要求范围之内，也能反映噪声的变化趋势，可以进行生产作业。

从表1中可见，TS-150型时间域电磁系统的噪声是很低的，远低于野外飞行测量时的要求值。

3 电磁系统的认识

通过内蒙古敖包吐试验区多金属硫化物矿区的飞行勘测工作，我们认为，TS-150型大功率时间域航空电磁系统在勘查多金属硫化物矿床方面有着独特的优势，能准确地发现良导体低阻带。在多金属硫化物矿带上有明显的异常反映，并能在矿体上部有低阻层覆盖的情况下，突出矿体异常。此系统的分辨率高，稳定性好、重复性好，测量噪声低，是航空物探勘查低阻无磁类矿床及多金属硫化物矿床的不可缺少的极好手段，弥补了航空磁测的不足。相信将来TS-150型大功率时间域航空电磁系统在深部矿产资源勘查、环境工程和地下水勘查等领域也会有更广泛的应用。同时也必须看到，此系统没有航空磁测、航空放射性测量系统那样轻便、灵活，并且对测区地形及飞行技术要求较高。