金屬礦勘探中的物探儀器

3 高精度磁力儀

加拿大GEM公司是專門研發(fā)和生產(chǎn)磁力儀的專業(yè)公司，已有三十多年歷史。其生產(chǎn)的磁力儀被公認為磁力儀的標準系列。該公司研發(fā)和生產(chǎn)的磁力儀共有7個系列，每個系列中都有多個品種。但在礦產(chǎn)資源勘探中最常用的是GSM－19TV7標準質子磁力儀及梯度儀和GSM－19Overhauser高精度磁力儀及梯度儀。

2004年至2011年，國內有關單位從該公司購買了1000多臺標準質子旋進磁力儀和近百臺高精度Overhauer磁力儀以及近200臺（套）標量磁力儀、鉀光泵磁力儀、矢量磁力儀和磁通門磁力儀。

3.1 產(chǎn)品型號

1）GSM－19TV7質子磁力儀

GSM－19T質子磁力儀的應用領域主要包括：磁場填圖、礦產(chǎn)資源勘探、石油天然氣構造普查、考古、地震預報等。

圖27 GSM－19TV7質子磁力儀

GSM－19T質子磁力儀系列產(chǎn)品包括六種型號：

（1）GSM－19T標準質子旋進磁力儀；

（2）GSM－19TW標準質子旋進磁力儀＋步行模式（walkmag）；

（3）GSM－19TV標準質子旋進磁力儀＋甚低頻；

（4）GSM－19TG標準質子旋進儀＋梯度模式（gradmag）；

（5）GSM－19TGW 標準質子旋進磁力儀＋梯度模式＋步行模式；

（6）GSM－19TGWV標準質子旋進磁力儀＋梯度模式＋步行模式＋甚低頻。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力儀

Overhauer磁力儀是運用GEM公司的獨特技術開發(fā)出來的高精度磁力儀，它具有比普通磁力儀更多的優(yōu)點，分辨率和靈敏度和光泵磁力儀相當，但操作更簡單、使用更方便，而且價格相對光泵磁力儀更優(yōu)惠，必將成為未來高精度磁測的主流產(chǎn)品。

Overhauser高精度磁力儀的應用領域主要包括：高精度礦產(chǎn)資源探測、含油氣盆地構造探測、工程和環(huán)境勘探、地下埋藏物和管線探測、地震和火山前兆觀測、考古、對物質磁性的高精度測量等。

GSM－19Overhauser高精度磁力儀系列產(chǎn)品包括九種型號：

（1）GSM－19Overhauser高精度磁力儀；

（2）GSM－19WOverhauser高精度磁力儀＋步行模式；

（3）GSM－19VOverhauser高精度磁力儀＋甚低頻；

（4）GSM－19GOverhauser高精度磁力儀＋梯度模式；

（5）GSM－19GV Overhauser高精度磁力儀＋梯度模式＋甚低頻；

（6）GSM－19WV Overhauser高精度磁力儀＋步行模式＋甚低頻；

（7）GSM－19GW Overhauser高精度磁力儀＋梯度模式＋步行模式；

（8）GSM－19GWV Overhauser高精度磁力儀＋梯度模式＋步行模式＋甚低頻；

（9）GSM－19GW4Overhauser 4個探頭 Overhauser步行磁力梯度儀。

注：上述型號均可配備內置GPS模塊（選件）。

圖28 Overhauser高精度磁力儀

3.2 技術指標

1）GSM－19TV7質子磁力儀

靈敏度：0.05nT（1s采樣間隔），0.05（4s采樣間隔）；

分辨率：0.01nT

絕對精度：±0.2nT

動態(tài)范圍：20000到120000nT

梯度容差：＞7000nT／m

采樣率：日變站時3～60s可選，移動觀測等待時間3～10s可選，步行模式0.5～2s可選，快速步行模式0.2～2s可選。

溫飄：0.0025nT／℃（環(huán)境溫度為0～－40℃）；0.0018nT／C（環(huán)境溫度為0～＋55℃）

工作溫度：－40℃～＋55℃

尺寸及重量：

主機：223×69×240mm，重2.1kg；

傳感器：170mm（長）×75mm（直徑），重2.2kg

工作模式：

流動站：mobile、grad時手動觀測（3～10s同步等待，可無等待測量）；walk、walkgrad模式時0.5～2s間隔自動采樣（可擴展至0.2s），測量輸出點線號、磁場值、信號質量、測量時間、梯度值（梯度模式時）、點位坐標（使用內置GPS時）。

基點站：3～3600s可選，自動讀取磁場值，輸出磁場值、時間和信號質量。

遙控：可選擇RS232接口進行遠程控制和實時傳輸。

輸入與輸出：RS232接口數(shù)字輸出或應用6針防水插頭（選項）作模擬輸出。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力儀

靈敏度：＜0.015nT

分辨率：0.01nT

絕對精度：±0.1nT

動態(tài)范圍：20000到120000nT

梯度容限：＞10000nT／m

采樣率：步行模式 Overhauser：2，1，0.5，0.2s；

基站Overhauser：3～60s

溫飄：0.0025nT／℃（環(huán)境溫度為0到－40℃）；

0018nT／℃（環(huán)境溫度為0到＋55℃）

工作溫度：－40℃～＋55℃

尺寸及重量：

主機：223×69×240mm，重2.1kg

探頭：175mm（長）×75mm（直徑），重1.0kg

工作模式：

流動站：根據(jù)配置選項可實現(xiàn)單點采樣或連續(xù)采樣（配置步行模式時）

基站：每3～3600秒自動存儲一次觀測值、時間、日期和信號質量

遙控：可選擇RS232接口進行遙控測量或數(shù)據(jù)實時傳輸

輸入與輸出：RS232接口數(shù)字輸出或應用6針防水插頭（選項）作模擬輸出

3.3 設計原理

1）GSM－19TV7質子磁力儀

GSM－19TV7標準質子磁力儀利用富含質子氫的液體產(chǎn)生旋進信號。它使用的液體可以提供非常高的氫密度，并且在操作時沒有危險。

讓極化直流電流通過繞在富含質子氫液體探頭的線圈上，便會產(chǎn)生100高斯（Gauss）的輔助磁通密度。質子被極化至較強的凈磁化強度，與較強的磁通密度達到熱平衡。

當輔助磁通終止時，被“極化”的質子即發(fā)生旋進而重新恢復為正常的磁通密度狀態(tài)。根據(jù)以下公式，質子的旋進頻率f。與磁通密度B（單位為特斯拉Teslas，T）有直接關系：

對質子旋進的測量必須按序進行，即先有一個初始極化，接著進行頻率測量，然后這個循環(huán)不斷重復。這不同于在氫核被極化的同時進行旋進測量的連續(xù)測量法。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力儀

當把特殊的含有不成對電子的液體與氫原子結合起來、并在射頻（RF）磁場的極化下便產(chǎn)生Over－h(huán)auser效應。也即不成對的電子將其自身的極化強度傳輸給氫原子后，產(chǎn)生了很強的進動信號，這種進動信號對總磁場強度值具有很高的靈敏度，并可用簡單的方程式表達。于是通過測量進動信號，便可測出總磁場強度。此種磁力儀稱為Overhause磁力儀。

由于產(chǎn)生射頻（RF）磁場所需的能量很小，并且其頻段處于進動信號頻率之外，從而消除了測量噪聲，所以Overhauser磁力儀功耗特別低，精度很高。此外，射頻磁化過程和進動信號的測量過程可以同步進行，因此觀測效率高，可以高速采樣。

Overhauser磁力儀探頭是專利性創(chuàng)新產(chǎn)品，它是電子學設計和量子磁力化學的最佳結合。在電子學方面，探頭內含有反向串聯(lián)的雙拾取線圈，以壓制環(huán)境噪聲干擾，例如大氣噪聲等。在量子磁力化學方面，探頭內充填屬于公司專利的溶有自由電子的富氫液體，從而增加了在射頻極化磁場作用下所產(chǎn)生的進動信號強度。在材質方面探頭尺寸很小，很輕又牢固。探頭的所有材質都是經(jīng)過仔細選擇的非磁性物，以最大地提高信噪比。探頭方向性很小，在赤道附近也可對磁場進行精確地測量，在野外測量時可以不必注意探頭的放置方向。

3.4 主要性能及特點

1）GSM－19TV7質子磁力儀

GSM－19TV7質子旋進磁力儀采用了大量新技術，因而性能及精度遠高于其它質子旋進磁力儀。

（1）全方位磁探頭，無指北要求，非常有利于野外工作；

（2）靈活設置測線號和測點號；

（3）具有觀測質量監(jiān)控功能，可以及時處理質量不合格的數(shù)據(jù)；

（4）可在主機屏幕上實時顯示觀測磁場變化曲線；

（5）通過RS232接口，快速下載或上傳觀測數(shù)據(jù)，速率高達115200bps；

（6）分辨率高達0.01nT，靈敏度達0.05nT，絕對精度±0.2nT，在所有質子磁力儀中水平最高；

（7）具有獨一無二的編程式（預設）基站觀測功能，軟件進行日變校正；

（8）使用GSM－19T的 Walking Mag采集模式儀器可以按照預設的時間間隔自動讀取磁場值，從而獲得近乎連續(xù)的觀測剖面；

（9）配置GPS時（可選），用戶可以在辦公室內把設計好的觀測點位坐標輸入到儀器，在野外就可以實現(xiàn)導航定位功能；

（10）基站觀測和野外流動觀測之間具有高精度的時間同步，這對于在磁干擾地區(qū)和保證高精度的觀測結果是非常重要的。

2）GSM－19TOverhauer高精度磁力儀

Overhauser磁力儀把高精度的數(shù)據(jù)采集，高工作效率和高度穩(wěn)定性有效地結合在一起，它的觀測精度與昂貴的銫光泵一致，但在穩(wěn)定性和功耗具有獨到的優(yōu)點。

（1）高靈敏度、高分辨率（5m或1m）和高觀測精度，操作速度快（每秒可達5個數(shù)據(jù)）；

（2）超級全方位磁探頭；

（3）測量之前無需預熱，易于野外操作；

（4）最小采樣間隔0.2s，可在測線上獲取近乎連續(xù)的磁場數(shù)據(jù)；

（5）32Mb大容量存儲器，在移動模式可存1465623個讀數(shù)；基站模式可存5373，951個讀數(shù)；步行模式可存2，686975個讀數(shù)；梯度模式可存1240142個讀數(shù)；

（6）具有獨一無二的編程式（預設）基站觀測功能；

（7）最高支持115200bps快速數(shù)據(jù)傳輸；

（8）可搭配內置高精度GPS（DGPS），實現(xiàn)實時導航、定位功能，定位精度可達1m以上。

（9）溫度范圍寬（標準型從－40℃～＋55℃；可選型從－55℃～60℃），可在極端的氣候條件下使用；

（10）牢固的硬件的設計，使用壽命長，適應性強；

（11）幾乎無需保養(yǎng)，確保了更低的使用成本。

3.5 使用方法

在確認探頭與主機連接良好后，按下前面板鍵盤的B鍵開機接通電源，在主菜單中按A鍵選擇調查模式，一種為移動，一種為基站。選擇好模式后再進行菜單的設置，基值可根據(jù)所處地區(qū)的地球基本磁場值（查表）進行設置，設置好后按A鍵開始觀測。觀測完成后，把主機與電腦連接，按1鍵進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率自行選擇，傳輸完畢后，此過程完畢。日變校正方法：打開采集軟件選擇工具，選中日變校正后，分別導入基站文件和移動站文件，按確認日變校正鍵即完成。

注意事項：磁力儀內置電池為12V2.2Ah可充電蓄電池在長時間不使用的情況下也要定期充電，否則會大大減少蓄電池的使用壽命。在充電時先要把充電器與主機連接好再接通交流電源。

3.6 應用實例

圖29為利用GSM－19T質子磁力儀和梯度儀對河北某鉛鋅礦區(qū)進行磁法掃描的總場異常（左）和梯度異常（右）平面圖，圖中黑色實線為地質界線，本區(qū)覆蓋層為張家口組火山巖，局部有太古代老地層和斑巖巖體出露，測區(qū)南部為一古代火山口，并有兩條北東向斷裂穿過測區(qū)。根據(jù)標本物性測定結果，張家口組火山巖層磁化率高而亂的特征，斑巖巖體和太古代老地層巖石這磁化率較低。

從總場磁異常圖中可以看出，其異常特征基本反應出了該區(qū)地質特征：測區(qū)西南綠色和淺藍色區(qū)域和斑巖巖體對應，北側的弱磁異常（藍綠色或青色部分）為太古代老地層出露區(qū)或第四系覆蓋區(qū)，測區(qū)中部和東南部測線邊緣的紅色區(qū)域（高磁異常）則對應于張家口組火山巖出露區(qū)，西南部突出部分紅色區(qū)域為破碎火山口異常，中南部北東向綠色區(qū)域則和一穿過測區(qū)的北東向斷裂對應。但是從圖中也可以看出，異常梯度變化帶（紅色和綠色交界區(qū)域）和已知地質界線并非完全對應，該變化帶相對已知地質界線整體向南平移了（這是北半球磁異常的一般特征）。因此我們對該區(qū)進行了梯度測量（右圖），從圖中可以看出所有地質界線和梯度異常變化完全對應，取得了非常好的地質解釋結果。

圖29

4 SummitⅡplus地震儀

多數(shù)金屬礦床產(chǎn)于巖漿巖和變質巖環(huán)境下，它們往往沒有明顯的波阻抗差；同時多數(shù)金屬礦床，在山區(qū)，地形復雜不便施工，常規(guī)地震數(shù)據(jù)處理方法效果不佳，因此在金屬礦床勘探中很少使用地震方法。

近年來隨著超輕便型地震儀的研制成功，以及地震數(shù)據(jù)處理方法的提高，在金屬礦勘探中地震方法逐漸引起人們的重視。

4.1 金屬礦地震數(shù)據(jù)處理方法

北京濃特森公司薛愛民博士開發(fā)了多項金屬礦地震勘探數(shù)據(jù)處理技術并在金屬勘探中獲得很好效果。

4.1.1 無拉伸動校正技術和疊加成像技術

圖30為無拉伸動校正道集，右圖為常規(guī)的動校正道集。可見常規(guī)動校正經(jīng)過拉伸切除淺部數(shù)據(jù)后，所剩數(shù)據(jù)很少。無拉伸動校正保留了大部分數(shù)據(jù)，沒有降低疊加次數(shù)，降低了噪聲。

4.1.2 無射線層析靜校正技術

在山區(qū)，地表條件不好，不僅地形起伏大，最主要是基巖裸露，靜校正問題嚴重。一般的折射波靜校正和射線層析靜校正方法不能有效獲取靜校正量。無射線層析成像靜校正為山區(qū)地震勘探提供了有效的工具。圖31說明了常規(guī)層析靜校正在求取速度結構時引起的射線陰影區(qū)問題，圖中橢圓體代表地表不均勻或基巖裸露區(qū)，地震射線在此被偏轉，導致靜校正錯誤，影響速度求取。無射線層析靜校正應用有限差分法對速度結構進行計算，從而避免了此類問題，提高了靜校正的精度。

4.1.3 起伏地表疊前偏移技術

圖32（上）是計算模型，包括地地表起伏和復雜的淺郵構造。

圖32（中）是常規(guī)的疊加前偏移技術，可見地表起伏影響很大，淺部構造成像失真。

圖30

圖31 常規(guī)層析成像校正方法中遇到淺層不均勻體引起的陰影區(qū)問題

圖32（下）是起伏地表疊加前偏移技術，可見成像結果真實的反映構造特點。

圖32

4.2 地震法在金屬勘探中的應用實例

4.2.1 圈定與成礦有關的巖體

由于巖體內部不存在波阻抗差，所以沒有反射信號出現(xiàn)，在反射剖面上是透明的，見圖33。圖中斷裂是根據(jù)反射波組的相位差圈定的。

圖33 某地礦體與侵入巖密切相關，地震剖面可見到非常好的巖體反映。

4.2.2 探測巖體接觸帶的礦體賦存部位

該區(qū)淺層有較好的反射界面存在，呈似弧形分布，但深層沒有反射信息，圖34淺層似弧形反射帶是巖體與圍巖的接觸帶，礦體分布在接觸帶內，深部反射透明體是巖漿侵入體。

圖34 低頻剖面，可見到礦體基本輪廓

4.2.3 圈定礦體賦存地帶

愛爾蘭的Navan鉛鋅礦賦存于深650m的灰?guī)r之中，為探測深至1000m的控礦構造和礦產(chǎn)發(fā)育情況，采用Summit地震儀進行了詳細的反射法地震勘探。地震反射剖面如圖35a所示，結合鉆井資料解釋后的地質斷面如圖35b所示?？梢姷V體在深部呈層狀展布并被次級斷裂切割。

圖35

4.3 SummitⅡplus地震儀

SummitⅡplus地震儀是德國DMT公司研發(fā)的最新一代地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。DMT公司位于德國埃森高技術園區(qū)，它已有150多年歷史，其營業(yè)范圍包括物探儀器研發(fā)和生產(chǎn)，承包和咨詢物探測量任務以及資料處理和解釋，礦山和工程設計，安全開采，煤炭綜合利用等眾多領域。

SummitⅡplus地震儀的前身是Summit地震儀。Summit地震儀自1997年進入中國市場，共有用戶48家，總道數(shù)約12000道。它們分布在煤田勘探，石油勘探，中國地震局系統(tǒng)，地礦系統(tǒng)，水利系統(tǒng)，高等院校和研究單位。Summit地震儀在中國的8年應用中獲得了用戶的好評，同時用戶也對使用中的問題提出了很多寶貴意見。德國DMT公司針對這些意見和世界上地震儀的發(fā)展趨勢，2006年初推出了新一代“SummitⅡplus地震儀”，至2011年，SummitⅡplus地震儀在中國已擁有用戶33家。使用表明，SummitⅡplus非常穩(wěn)定，幾乎無故障，操作方便，生產(chǎn)效率高。

圖36 SummitⅡplus地震儀

4.3.1 技術指標

采樣率：1／48，1／32，1／16，1／8，1／4，1／2，1，2，4，8ms

道記錄長度：0.5K，1.0K，1.5K……

120K動態(tài)模式；

40K動態(tài)模式，包括疊加；

60K可控震源模式；

30K可控震源模式；包括疊加

采集站道數(shù)：2

前放增益：0dB，20dB or 40dB

分辨率：24位

最大輸入信號：2.0Vpp，5.6Vpp

輸入阻抗（差分方式）：20kΩ

瞬時動態(tài)范圍；≥120dB

等效輸入噪聲：＜0.2μv＠2ms

道間串音抑制：≥112dB道間

全諧波畸變：≤0.0005%

共模抑制：≥100dB

增益精度：1% （所有道之間）

時間精度：5ppm（所有道之間）

模擬去假頻率波器：7，2kHz，6dB／頻程

低切濾波器：1Hz，6dB／頻程

重量及尺寸：1.2kg，190×160×80mm

工作溫度：－30℃～＋80℃

電源電壓：9～36V

數(shù)字去假頻濾波器：19.2KHz＠1／48ms；12.8KHz＠1／32ms；6.4KHz＠1／16MS；3.2KHz＠1／8MS；1.6KHz＠1／4MS；800Hz＠1／2MS；400Hz＠1ms；200Hz＠2ms；100Hz＠4ms；50Hz＠8ms

帶通波紋：＋／－0.05dB

內置測試功能：正弦波、脈沖、儀器噪聲、檢波器節(jié)躍、掃描信號傳輸、自相關

系統(tǒng)檢測：電池電壓、等效輸入噪聲、畸變、瞬時動態(tài)范圍、共模抑制比、道間串音、時間精度

檢波器檢測：阻抗、自然頻率、噪聲、阻尼

功耗：平均0.7W

4.3.2 設計原理

從圖37可見，來自檢波器的信號通過模擬開關（控制測試功能）后，可由變增益前放放大，再由山雙24位A／D轉換器將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后由高性能信號處理器DSP按程序菜單進行各種控制和數(shù)據(jù)處理，例如地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置，各種功能和技術參數(shù)（包括檢波器參數(shù)）測試，垂直疊加處理，疊加相關和替加相關以及隨機相關處理等等?？删幊檀鎯ζ骱统绦虼鎯ζ髫撠熦撠煶绦蛐薷暮痛鎯?，數(shù)據(jù)存儲器負責地震數(shù)據(jù)的臨時存儲，數(shù)據(jù)傳輸負責將地震數(shù)據(jù)傳輸給主機。圖37右半部分是電源設計原理，電源由微控制器控制，保證±5V的穩(wěn)定輸出。

圖37 Summit II plus地震儀的設計原理

4.3.3 使用方法

Summit II plus地震儀集中供電型和分離供電型，使用方法相同，只是供電方式有所差異。集中供電型是通過中繼站給一組數(shù)據(jù)采集站（8～15個）供電，分離供電型是用微型可充電電池給每個數(shù)據(jù)采集站供電。

在野外首先要根據(jù)設計布置好地震排列（分二維和三維），每隔300m加一個中繼站用以增強傳輸?shù)牡卣鹦盘?，在排列的任何地點均可與主機連接（圖38）。

圖38 Summit II plus地震儀二維排列

在施工前要根據(jù)工作仟務試驗好炮點距，在正式記錄前要根據(jù)任務要求在主機的“預置”菜單上設置地震數(shù)據(jù)采集的相關參數(shù)，然后測試儀器和檢波器的各項技術指標，對于不符合者進行檢查和替換。完成上述工作后便可放炮、記錄和數(shù)據(jù)質量檢視。每放一炮點后，按設置要求進行滾動。

4.3.4 主要性能和特點

（1）非常輕便：一套480道Summit II plus系統(tǒng)包括Summit單元272個（重約320kg），電源30個（重約54kg），各種數(shù)據(jù)傳輸電纜總長11100m、共重約450kg，由一臺筆記本電腦擔當主機控制器。

（2）適應任何野外工作壞境：由于SummitⅡplus系統(tǒng)非常輕便，道間距可變，采集站具有自身的物理地址，所以它可以在地形復雜的山區(qū)、沼澤區(qū)、森林區(qū)、村莊密集區(qū)、高速路以及河流阻隔等地區(qū)順利的布置三維觀測系統(tǒng)。

（3）組成靈活，道間距可變：一套480道SummitⅡplus系統(tǒng)可以分解成兩個或多個獨立的地震隊，只要增加一個或多個USB接口便可；相反，一個小型的Summit地震隊，可以任意擴展為大型的隊伍，只要增加采集站和相應的中繼站便可。

（4）最高采樣率1／48ms：可以采集高達幾千赫茲的地震信號用于探測超淺層和薄層結構。采樣率與工作道數(shù)無關。

（5）沒有模擬大線：由于每個數(shù)據(jù)采集站只含兩個數(shù)據(jù)道，所以檢波器非常靠近采集站，省掉了模擬大線，避免了外界干擾。

（6）采集站功能齊全，道數(shù)可無限擴展：每個SummitⅡplus數(shù)據(jù)采集站都是一個獨立的地震數(shù)據(jù)采集單元，內置功能強大的數(shù)字處理器，可以對地震信號進行疊加和相關處理，可以對儀器和檢波器的各項技術指標進行實時檢測和打印輸出。由于每個采集站都是獨立的單元，工作道數(shù)可無限擴展。

（7）當與可控震源連接時，可實現(xiàn)疊前相關或疊后相關；當與隨機震源連接時，可實現(xiàn)實時相關。

4.3.5 使用范圍和注意事項

Summit II plus可用于石油和天然氣勘探、礦產(chǎn)資源勘探、地基礎勘探、煤田勘探、活斷層勘探和各種工程勘探。

使用是，應注意：

①工區(qū)施工前先將檢波器埋在一起，做檢波器的一致性測試。

②布線收線時不要拉拽數(shù)據(jù)傳輸電纜，以避免采集單元接頭與數(shù)據(jù)傳輸電纜的損壞。

③采集單元和中繼站全部連接后做儀器的日檢（每月還要做月檢）。檢測項目包括：噪聲、動態(tài)范圍、道間串音、共模抑制、畸變相位精度、檢波器指標等。