底青云

中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气和地质工程重点实验室， 北京 100029



甘肃金昌金川镍矿SEP系统与国外仪器比对试验

底青云

中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气和地质工程重点实验室， 北京 100029

地面电磁探测(SEP)系统在辽宁兴城杨家杖子矿与国外高端仪器对比试验中取得了不错效果.为了检验地面电磁探测(SEP)系统各组成部分在强干扰区中的性能及可靠性，以及由SEP系统各组成部分集成的整体系统的野外实际工作能力，继续在甘肃金川镍矿区，在强干扰背景下开展了与国外先进仪器的比对试验.利用SEP系统和国际高端著名商业仪器系统，通过不同发射机原始曲线、不同接收机原始曲线、反演剖面的对比，表明二者数据一致性较好，SEP系统的抗干扰能力已经和国际先进仪器相当，已经能够胜任各种复杂的勘探任务.

自行研制； 地面电磁法仪器； 电磁法勘探系统； 对比试验； CSAMT

1 引言

大地电磁(MT)、音频大地电磁(AMT)及可控源音频大地电磁(CSAMT)法在我国地下深部电性结构、资源、环境等探测中发挥了重要的作用(何继善，1990，1997；王家映1997；石昆法，1999；吴璐萍等，1996；魏文博，2002；底青云等，2002，2006，2012；底青云和王若，2008；滕吉文，2005，2006；陆其鹄和孙进忠，2004；陆其鹄等，2007，2009；汤井田和何继善，2005)，但这些勘探工作大都是用国外进口仪器完成的.随着我国经济实力的增强，自主研发地球物理勘探设备逐步被重视起来(董树文等，2012；陈凯等，2013；邓明等，2013；罗先中等，2014；夏正武等，2014)，地面电磁探测(SEP)系统就是近年自主研发的地面电磁测深系统，它可用于MT、AMT和CSAMT探测.发射系统采用双交直变频技术，实现了发射电压范围宽、频率精度误差小、对时准、重量轻等功能，接收机采用分布式结构，可方便地用于三维观测.为了检验SEP系统各组成部分在实际勘查中的性能及可靠性，以及SEP系统的野外实际工作能力，仪器集成研究期间曾在河北固安、张北、辽宁兴城杨家杖子矿等地进行了多次SEP系统的集成与优化试验.试验采用多种方案，进行了SEP磁传感器与商用磁传感器性能的对比；SEP发射机与商用发射机的发射性能对比；SEP系统与多种国际高端商用仪器的CSAMT法综合对比试验；以及SEP系统和进口系统的MT法对比试验，均取得了很好的效果(底青云等，2013a，2013b；朱万华等，2013；真齐辉等，2013).

本文着重对SEP系统的抗干扰能力开展了研究.金川镍矿是在一个正在开采中的矿山，各种电磁干扰比较大，在这样的地方开展国际高端商业系统与SEP系统的对比研究，对SEP的抗干扰能力的评价将具有较好的说服力.对比试验选择在金川公司第二矿区进行，测区内地下正在采矿，地面有风井、工作中的粉碎矿石的机械、高压线、公路等，属于噪声干扰比较大的区域，在这样的矿区进行试验符合各种电磁干扰大的要求.另一方面，第二矿区已经开采多年，地下矿体分布情况是已知的，这为评价对比试验结果提供了有利条件.本文给出了在甘肃金川镍矿SEP系统和国际高端某著名商业仪器系统(本文以CI指代此型号仪器)对比研究的结果.

2 试验区概况、测线布置及对比工作方式

金昌市是我国最大的镍钴生产基地和铂族金属提炼中心，全国三大资源综合利用基地之一.金川镍矿已探明的镍储量在世界居第二位，仅次于加拿大萨德伯里镍矿.二矿测区位于金川公司第二矿区内，是已知镍矿分布区，测区内噪声干扰非常严重，而且矿体分布已知，具备检验仪器的稳定性和抗干扰能力的条件.

2.1 金川二矿测区

二矿测区位于金昌市金川区西南的金川公司第二矿区内.测区地势崎岖，没有植被覆盖，地表多为砂砾和碎石覆盖，接地条件较差.二矿测区是金川地区最主要的镍矿分布区，地下采矿巷道分布，并且采矿工程仍在进行中，另外测区中北部为14#通风井且高压线通过测区的东北端，因此噪声干扰非常严重.

SEP系统在二矿测区完成了9条剖面的探测试验(L6-L22线)，测线位置如图1所示.并选择在其中的L8线、L12线及L14线与CI系统进行了比对探测试验.CSAMT方法工作参数为：发射偶极距AB=1.42 km，发射位置在东南方向的金昌市东湾村，收发距离约为R=10 km，测点距离MN=25 m，线距100 m，测线长度均为600 m，测线方位38.63°，采用多台仪器阵列式的观测方式进行数据采集.实际完成测线总长度共4.95 km，物理测深点数198个.SEP系统和CI系统均采用相同的发射频率，频率范围0.25～7680 Hz，共22个频点.

2.2 试验安排

试验安排在干扰较大的二矿测区进行，为了保证数据质量，采用追赶式的观测方式.SEP系统和CI系统在同一条测线上观测，在CI系统完成数据采集后，SEP系统在当前排列进行数据采集，CI系统移动到下一排列进行数据采集.每个测点站的仪器在布置好后，由SEP系统发射机和CI系统的发射机分别发射，进行两次数据采集，完成比对观测.具体施工方法如图2所示.

3 试验结果

金昌二矿测区是干扰较大的已知矿区，在试验过程中，地下采矿、地面风井、高压线及交通等外界噪声干扰对采集的数据造成了很大的影响，数据曲线形态比较乱，SEP和CI系统的干扰都比较大.

3.1 不同发射机原始数据曲线比对分析

由于数据较多，现在仅就代表性曲线加以说明，见图3和4.从结果可以看出，对于相同接收机接收，不同发射机发射的结果，由于测区噪声干扰的影响，低频数据出现了跳动，曲线一致性较差，但是数据总体吻合还是较好的.

3.2 不同接收机原始数据曲线对比分析

图5和图6是相同发射机发射不同接收机接收的原始曲线对比结果.从图中可以看出，对于采用SEP接收和CI接收的结果，电场、磁场、视电阻率以及阻抗相位的数据总体吻合均较好，仅低频数据的一致性较差.同时SEP和CI接收机的数据都有些跳动，这是由于受到测区强烈电磁干扰的结果.

图1 二矿测区测线布置图Fig.1 Sketch of survey line layout

图2 CSAMT方法施工示意图Fig.2 The Sketch of working for CSAMT

图3 L8线12.5 m测点上不同发射机SEP接收原始曲线对比Fig.3 Comparison ofraw data for different transmitters (SEP receiver)

图4 L8线112.5 m测点上不同发射机CI接收原始曲线对比Fig.4 Comparison of raw data for different transmitters (CI receiver)

图5 L14线187.5 m测点上不同接收机SEP发射原始曲线对比Fig.5 Comparison of raw data for different receivers (SEP transmitter)

图6 L12线337.5 m测点上不同接收机CI发射原始曲线对比Fig.6 Comparison of raw data for different receivers (CI transmitter)

图7 发射人工信号23Hz时原始时间序列Fig.7 Time series of originalsignal from artificial source (23 Hz)

图8 HHT时频能量谱分析Fig.8 Analysis diagramof HHT energy spectrum

图9 二矿L8线SEP系统和CI系统数据一维反演结果对比(左图：SEP结果；右图：CI结果)Fig.9 Comparison diagram of inversion result for SEP and CI on line L8

图10 二矿L12线SEP系统和CI系统数据一维反演结果对比(左图：SEP结果；右图：CI结果)Fig.10 Comparison diagram of inversion result for SEP and CI on line L12

图11 二矿L8线SEP接收数据反演剖面与8行地质剖面对比图(左图：SEP反演电阻率剖面；右图：二矿区8行镍矿剖面图)Fig.11 Comparison diagram of inversion result for SEP and geological section on line L8

图12 二矿L8线CI接收数据反演剖面与8行地质剖面对比图(左图：CI反演电阻率剖面；右图：二矿区8行镍矿剖面图)Fig.11 Contrast diagram of inversion result for CI and geological section on line L8

3.3 强电磁干扰的处理技术

常规电磁信号处理是基于傅里叶分析，主要用来处理周期性平稳信号.而随着工业的发展，出现了越来越多非平稳信号的干扰，需要一种更适合于电磁勘探方法的信号处理手段.希尔伯特-黄变换(HHT)主要用来处理非平稳的信号，可以把信号分解为瞬时频率与能量(周挚等，2008；于彩霞等，2010；宋海斌等，2010；毕明霞等，2011，2012).图7中，上图为人工发射信号23 Hz时电场分量的原始时间序列，下图是这个信号的频谱分析图，可以看出50 Hz的工业干扰是谱中最强的信息，从中根本看不到人工发射的23 Hz的有用信息.

为了得到我们想要的人工23 Hz的信号，我们必须采用有效手段去除强的电磁干扰.首先利用HHT算法对时间序列数据进行分析，得到信号的时频能量谱，见图8.图8给出了50 Hz、23 Hz及其他频率的能谱，可以让我们有效区分有用信号与其它各种干扰，我们从能谱中切掉干扰的成分，就可以合成只有有用信号的时间序列，这样就可以将各种干扰清除.

3.4 反演剖面比对

分别对去噪后的数据进行一维反演计算.图9和10分别是L8线和L12线的一维反演剖面对比结果.通过一维反演结果比对可以看出，两种仪器得到的反演结果反映的基本构造是一致的，只是在细节部分存在差异，这是由于部分测点受到干扰，导致数据的不一致性造成的.

图11和12分别是L08线SEP系统和CI系统数据反演结果与8行实际地质剖面的对比图.从图上可以看出，SEP系统和CI系统数据的反演结果都能够很好地反映出地表中心点在400 m附近存在的高阻超基性岩体.图11和图12很好地揭示了3个电性层，产状近直立状.左侧电阻率较低，其表层电阻率为250 Ωm左右；中间为相对高阻层，电阻率一般在400 Ωm以上，表层宽约250 m左右，深部变窄；右侧为低阻层，电阻率约为几十欧姆米.矿体好似赋存在中间高阻层和左侧次低阻层的接触带，属接触交代型矿.

4 CSAMT方法比对试验总结与讨论

本次比对试验是在此前几次系统性能试验和野外勘探综合试验的基础上，针对SEP系统是否有足够高的抗电磁干扰的能力，进行的又一次比较完整的CSAMT野外实例勘探比对试验.本次试验的目的是检验仪器的稳定性和抗干扰能力，和国际先进电磁法仪器进行了比对，在电磁干扰比较强的采矿区，现场采集到了完整的CSAMT数据.在试验中，SEP系统发射机能够长时间连续发射信号，信号连续稳定，能够很好地完成野外发射任务；接收机轻便耐用，操作简单，能够很好地适应野外实际勘探工作，特别是能够很好地胜任阵列式观测.SEP系统的这些优点在此次野外试验中得到了进一步的印证.

虽然测区内的噪声干扰较强，对数据质量造成了很大的影响，但从原始数据和处理结果来看，SEP系统在稳定性和抗干扰能力上和CI系统可以类比，无论是原始数据，还是处理后得到的反演结果，SEP和国际高端商业系统的结果大致相同，基本能够反映真实的地质结构，说明SEP系统的抗干扰能力已经和国际先进仪器相当，已经能够胜任各种复杂的勘探任务.

然而，原始记录表明，在低频段SEP和进口商业系统尚存在一些差异.作者分析，两者之间的差异可能来自于电接收设备的仪器响应，尚不能精确确定.对于磁接收器仪器响应能精确标定，从而仪器响应的差异可以校正掉.对于电接收器的响应，除了和接收设备的电路有关以外，还和电极AB的接地阻抗有关，而后者是未知的，因此，电接收器的精确响应是未知的，目前尚无法消除.为了降低接地阻抗对接收器响应的影响，提高各电接收设备响应的一致性，需要做专门的研究，这已超出了本文的范围.

致谢 本次试验是SEP课题组相关人员一起参与完成的，在此感谢所有SEP系统研制和试验人员.

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(本文编辑 刘少华)

Surface electromagnetic prospecting system (SEP) comparative test on Jinchuan nickel mine of Gansu Province

DI Qing-Yun

KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Surface electromagnetic prospecting system (SEP) has got good results in comparison test with commercial high-end instruments in Yangjiazhangzi mine Xingcheng, Liaoning province. The comparison test of SEP system and commercial instruments was continue carried out in Jinchuan Nickel Mine Gansu province, where the noise is very strong, in order to test the SEP performance and reliability of each component, as well as the overall system performance in practical work, in the strong interference area. It shows that the SEP system has considerable anti-interference ability compared with international advanced equipment, and is highly suitable in a varity of complex tasks, that is the good consistency of different transmitters, different receivers original curve, and inversion profile for both systems.

Sself developed; Surfaceelectromagnetic instrument; Electromagnetic prospecting system; Comparison test; CSAMT

10.6038/cjg20151034.Di Q Y. 2015. Surface electromagnetic prospecting system (SEP) comparative test on Jinchuan nickel mine of Gansu Province.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3845-3854,doi:10.6038/cjg20151034.

国家深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-09-02 (201011079)资助，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)-05子项目“多通道大功率电法勘探仪”-05课题“M-TEM系统整体设计及集成优化与方法试验”资助.

底青云，女，博士生导师，研究员，主要从事地球物理电磁法仪器及方法研究工作．E-mail: qydi@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20151034

P631

2014-12-20，2015-05-10收修定稿

底青云.2015.甘肃金昌金川镍矿SEP系统与国外仪器比对试验.地球物理学报，58(10):3845-3854,