物探技术的最新进展

第９卷第４期２０１２年７月　ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．９，Ｎｏ．４Ｊｕｌ．，２０１２

文章编号：１６７２—７９４０（２０１２）０４—０４０６—０７ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７９４０．２０１２．０４．００７

若干物探技术的最新进展张昌达（中国地质大学地球物理与空间信息学院，湖北武汉４３００７４）

作者简介：张昌达（１９３３－），男，教授，从１９９３年起享受国务院专家津贴，主要从事地球物理勘探教学与科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇ３３１２１＠１６３．ｃｏｍ

摘　要：评介了若干物探技术的惊人的或革命性的进展，这些进展是航空重力张量测量，航空时间域电磁法

系统（特别是直升机时间域电磁法系统），航空磁力全张量ＳＱＵＩＤ梯度仪系统以及高温ＳＱＵＩＤ在地面时间域电磁法（瞬变电磁法）中的应用。关键词：物探新技术；航空重力；航空磁力；ＳＱＵＩＤ梯度仪

中图分类号：Ｐ６３１文献标识码：Ａ收稿日期：２０１２－０４－２４

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｓｅｖｅｒａｌ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｍｅｔｈｏｄｓ

Ｚｈａｎｇ　Ｃｈａｎｇｄａ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｇｅｏｍａｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｒａｍａｔｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｔｅｎｓｏｒ　ｇｒａｄｉｏｍｅｔｒｙ，ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏ－

ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ（ｅｓｐ．ｈｅｌｉｃｏｐｔｅｒ－ｂｏｒｎｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ），ａｉｒｂｏｒｎｅｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｕｌｌ－ｔｅｎｓｏｒ　ＳＱＵＩＤ　ｇｒａｄｉｏｍｅｔｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＨＴＳ－ＳＱＵＩＤ　ｔｏｇｒｏｕｎｄ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｗ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ；ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｇｒａｖｉｔｙ；ａｉｒｂｏｒｎｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ；ＳＱＵＩＤ　ｇｒａｄｉ－

ｏｍｅｔｅｒ

在世纪之交的二十年里，地球物理勘探技术发展很快，我国科技工作者也在努力急起直追，取得了一些成绩，但是与世界先进水平相比，差距还很大。笔者在这里评介几项重要的新技术，供大家参考、借鉴。１　进化与革命加拿大是一个地球物理勘探与地球化学勘探等勘探技术十分先进的国家。从２０世纪６０年代开始，每十年召开一次国际会议，检阅矿产勘探技术的进展，展望发展趋势。第五次十年一次的会议，勘探０７（Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　０７），２００７年９月在多伦多举行，有６０个国家１２００位代表参加。在这次会议上，Ｆｕｇｒｏ公司的Ｔｈｏｍｓｏｎ　Ｓ．等发表了一篇论文，题目是：航空地球物理进化与革命（Ａｉｒ－

ｂｏｒｎｅ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ–Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）。他们认为，在过去的一段时间里，像放射性测量和磁测等技术，经历了渐进的、进化式的发展，磁测方面值得一提的是用直升机和小型飞机低飞作高　第４期 张昌达：若干物探技术的最新进展分辨率磁测技术。惊人的或革命性的发展是在航空重力和航空电磁法方面。对于地质矿产勘探来说，特别重要的、革命性的发展是航空重力全张量梯度测量的应用。另一个真正的革命性发展是航空时间域电磁法系统（直升机和固定翼飞机）的发展与应用，特别是直升机时间域电磁法系统的发展与应用。笔者认为还有两项技术也应该列为革命性的发展：一是德国光电技术研究院ＩＰＨＴ与Ｓｕｐｒａ－ｃｏｎ公司开发成功的航空磁力全张量梯度测量系统ＪＥＳＳＹ　ＳＴＡＲ（直升机和固定翼飞机），以及美国ＴＲＩＳＴＡＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ公司制成的Ｔ８７７ＳＱＵＩＤ磁力张量梯度仪；另一是高温ＳＱＵＩＤ在地面瞬变电磁法中的应用，如德国的ＪＥＳＳＹ　ＤＥＥＰ，澳大利亚的ＬＡＮＤＴＥＭ，美国ＴＲＩＳＴＡＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ公司制成的供电磁法使用的ＳＱＵＩＤ。此外，我国北京地质矿产研究院研制、试飞成功的动力三角翼飞行器航磁系统，可以代替中、大比例尺地面磁测，也是一项值得一提的技术进步［１～４］。２　航空时间域电磁法系统容易理解，加大发射磁矩可以加大探测深度。航空时间域电磁法测量系统的发射磁矩，由２０世纪７０年代的ｎ×１０４安·匝·平方米提高到２１世纪初的２×１０６安·匝·平方米，差不多提高了两个级次。我国在２０世纪７０年代研发的感应脉冲瞬变航电仪的发射磁矩只有７万安·匝·平方米，当时加拿大同类系统的发射磁矩是２８万安·匝·平方米。２０世纪８０年代中，加拿大Ｇｅｏｔｅｒ－ｒｅｘ公司（现为Ｆｕｇｒｏ　Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｓｕｒｖｅｙｓ公司的一部分）开发了ＧＥＯＴＥＭ系统，这个系统的接收机是完全数字化的，而其发射机则是先前在ＩＮＰＵＴ系统中非常成功地使用过的同样的发射机。ＧＥＯＴＥＭ系统安装在双引擎的ＣＡＳＡ２１２飞机上，发射磁矩为６９万Ａ·ｍ２（峰值）。ＣＡＳＡ２１２飞机的安全飞行高度为２４００ｍ，为了在南美安第斯山地区进行航空探矿工作，要求提升现有的ＧＥＯＴＥＭ系统的功能，要求飞机飞得更高，他们将时间域电磁法系统安装在四引擎的ｄｅ　Ｈａｖｉｌ－ｌａｎｄ　ＤＨＣ－７（Ｄａｓｈ－７）飞机上。Ｄａｓｈ－７飞机可以安装更重的装备，可以提供更多的电力。后来制成了功率更高的脉冲发生器。系统的发射磁矩达到１１０万Ａ·ｍ２，系统命名为ＭＥＧＡＴＥＭ

。

２００１年初，将ＭＥＧＡＴＥＭ进行升级，使发射机的发射磁矩峰值达到２２０万Ａ·ｍ２，升级后的ＭＥＧＡＴＥＭ系统称为ＭＥＧＡＴＥＭＩＩ。从２００１年７月起，在两年的时间内，利用ＭＥＧＡＴＥＭＩＩ

系统进行地质调查、普查矿产，已飞行了１７５０００

测线公里。在秘鲁和智利作探矿飞行时，飞行高度可达４５７５ｍ

。

最近几年，直升机时间域电磁法系统ＨＴＥＭ

已由发展阶段进入取得ＥＭ市场重要份额的阶段，称得上是革命性的发展。其发展趋势也是采用更大的发射磁矩，并使延迟时间更长，以加大探测深度。世界上许多国家（美、加、澳、南非、丹麦、俄罗斯等）都研发了直升机时间域ＥＭ系统，种类很多。仅举两个例子（加、俄）。加拿大Ｆｕｇｒｏ　Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｓｕｒｖｅｙｓ公司开发了一种新的直升机时间域ＥＭ系统ＨＥＬＩＴＥＭ，其发射机磁矩达２００万Ａ·ｍ２，在同类系统中发射功率最大，而且具有多线圈（Ｘ，Ｙ和Ｚ三轴）接收功能，噪声很低，可在强一次场存在时测量二次场，因而探测深度较大，能更好地了解目标的形态。俄罗斯莫斯科的ＧｅｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司，名不见经传，研发了新的直升机（米－８）时间域ＥＭ

和磁测综合系统，取名ＥＱＵＡＴＯＲ，适用于山区，２０１０年进行了首飞。发射磁矩１０万Ａｍ２，接收机取样时间５μｓ，１０μｓ…５ｍｓ，共１１道。在已知矿区飞行，作出了导电率－深度图，清晰反映出已知矿体。近来，我国物化探研究所制成了固定翼飞机时间域ＥＭ系统，利用国产Ｙ１２ＩＶ型专用飞机，发射磁矩约５０万Ａ·ｍ２。吉林大学与航遥中心合作研制的时间域吊舱式直升机电磁勘探系统，已进行了试飞。国外有的直升机时间域ＥＭ系统定位精确，解释方法科学合理，可根据直升飞机观测结果直接布钻，因此用直升飞机ＥＭ可以代替地面ＥＭ

，

所需费用比进行地面工作所需费用省很多。固定翼飞机时间域ＥＭ做不到这一点。说到探测深度，先要介绍两个概念。对于频率域ＥＭ来说，有一个趋肤深度的概念，“趋肤深度”是信号由原来振幅衰减到１／ｅ（～３７％）所对应的深度，趋肤深度≌５００（１／σｆ）１／２，此处σ是导电率，以Ｓ／ｍ（西门子每米）为单位，ｆ是系统的频

７０４ 工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷　率，单位为Ｈｚ。对于时间域ＥＭ来说，有一个扩散（传播）深度的概念，在此深度上局部电磁场达到极大值，扩散深度≌１２６０（ｔ／σ）１／２，其中ｔ是发射磁场阶跃变化后的延迟时间，以ｓ（秒）为单位。上述两个概念代表不同频率（频率域）和延迟时间（时间域）电磁波能量的相对的穿透深度。可见为了加大探测深度，应该采用较低的频率或较长的延迟时间。探测深度是比较复杂的物理量，与许多因素有关，不过可以说大体上与趋肤深度或延迟时间是正相关的。航空时间域ＥＭ的探测深度大约为３００～５００ｍ［５～８］。３　航空重力与航空重力梯度测量３．１　单位在２１世纪前１０年里，有两次重要的航空重力研讨会在澳大利亚举行，一次在２００４年，一次在２０１０年，都出版了论文集。在２０１０年的论文集Ａｉｒｂｏｒｎｅ　Ｇｒａｖｉｔｙ　２０１０中，文集的编者Ｒｉｃｈ－ａｒｄ　Ｌａｎｅ提到加速度及其梯度的单位问题，他提出在文集的论文中最好采用国际单位制ＳＩ，但是也容许使用伽（Ｇａｌ）、毫伽（ｍＧａｌ）、重力单位（ｇｒａｖｉｔｙ　ｕｎｉｔ，ｇｕ）和厄缶（Ｅｏｔｖｏｓ，Ｅ或Ｅｏ）等，这些单位名称与ＳＩ的关系如下。物理量应该以国际单位制ＳＩ表示。加速度的单位是ｍ／ｓ２（米每二次方秒）。在重力勘探中遇到的加速度数量很小，常用μｍ／ｓ２（微米每二次方秒）。在ＣＧＳ单位制中，加速度的单位是ｃｍ／ｓ２（厘米每二次方秒），命名为伽（Ｇａｌ），以纪念首先测量重力加速度的意大利科学家伽利略。常用单位有毫伽（ｍｉｌｌｉＧａｌ，或ｍＧａｌ），有时还用到重力单位（ｇｒａｖｉｔｙ　ｕｎｉｔ，ｇｕ）。１μｍ／ｓ２＝１０－６　ｍ／ｓ２，１ｍＧａｌ＝１０μｍ／ｓ２，１ｇｕ＝１μｍ／ｓ２。重力梯度即加速度梯度，它的单位是加速度的单位除以距离的单位，因此，在ＳＩ单位制中，其单位是ｓ－２（每二次方秒）。在重力勘探中遇到的加速度梯度数量极其小，常用ｎｓ－２（每二次方纳秒），１ｎｓ－２＝１０－９ｓ－２。在地球物理界普遍采用的重力梯度单位是厄缶（Ｅｏｔｖｏｓ，Ｅ或Ｅｏ），１Ｅ＝１Ｅｏ＝１ｎｓ－２。还有１Ｅｏｔｖｏｓ＝１０－９（ｍ／ｓ２）／ｍｅ－ｔｅｒ＝１０－７　Ｇａｌ／ｍｅｔｅｒ＝１００ｎａｎｏＧａｌ／ｍｅｔｅｒ＝１ｎａｎｏＧａｌ／ｃｍ，１ｎａｎｏＥｏｔｖｏｓ＝１００ａｔｔｏＧａｌ／ｍｅ－ｔｅｒ［９］。３．２　航空重力测量现在至少有１０家公司从事航空重力测量工作，使用４５套５种类型的重力仪，使用最广的是加拿大Ｓａｎｄｅｒ公司的航空惯性参考重力仪ＡＩＲ－