搜索
SkyTEM——一种新型高分辨率直升飞机瞬变电磁法观测系统KurtI.Sorensen1EsbenAuken2关键词：电磁法，航空电磁法，瞬变电磁法，时间域电磁法，直升飞机电磁法（HTEM），SkyTEM，水文地质学，水文地质勘察摘要SkyTEM是一种应用于水文地质勘察和环境调查的时间域直升飞机电磁法观测系统，作为一种迅速发展的、有别于陆基观测系统的新型瞬变电磁法观测系统，它的分辨率相当于常规的40x40ｍ2观测系统，整个系统悬挂在直升飞机下面，独立于飞机。现在应用的系统，发射机一般都固定在轻型木制网格框架上，是一个四匝12.5x12.5m2的方形回路，四匝线圈各自分开，一匝是短发射磁矩，四匝都是长发射磁矩，短磁矩使用30A电流，断电时间4µｓ；长磁矩使用近50A的电流，断电时间80µｓ。接收机是被保护的过阻尼多匝线圈回路，它被牢固的固定在发射回路旁。这套装置本质上是一个带垂直偏置的中心回线装置。在直升机低空垂直盘旋模式,SkyTEM的响应在常规地面系统响应的2%之内,仪器偏置电平影响不大,因为高空试验显示背景噪声电平比仪器偏置电平大。通过把探测器从试验模式调整到标准模式，应用SkyTEM系统参数可以计算未来响应。当飞行高度为7.25m，10m20m时，陆基模式的响应在SkyTEM响应的5%之内。规范的野外操作包括在勘查区域建一个重复基站，每一个半小时获取一次近似数据，在直升机加油时用它来监视系统的稳定性。这套系统在矿产勘探时能很成功的获取数据，尤其是在发现和描述掩埋谷地结构以及水文地球物理勘探中作用极大。引言航空电磁法(AEM)系统的应用已有50多年的历史了(Fountain,1998),二十世纪五十年代第一次应用就在加拿大的贱金属探测中取得成功,此后十年的时间里,有超过十套的航空探测系统投入使用(Palacky,1986;Palacky和West,1991)。二十世纪五十年代最成功的系统是InducedPUIseTransient（INPUT），它当时几乎占据了这一领域70%的市场份额（Barringer，1962）。在1972年，芬兰开发出一种双频积分系统，并首次应用在覆盖全国的调查中（Peltoniemi，1986）。加拿大和北欧国家领导了这次科研活动，并使用航空电磁法系统，而到了二十世纪七十年代，AEM就在全球范围内使用了。随着AEM在贱金属勘探中的作用下降，它开始从异常探测转向电导率绘图，同时出现了频率域直升飞机电磁法系统（Fraser，1978）。到二十世纪九十年代，贱金属探测把目光投向地球深部，AEM系统开始向这两个方向发展：用于探测深部导体的固定翼时间域系统和用于近地表高分辨率电导率绘图的频率域直升飞机电磁法系统。自从诞生以来，航空电磁法已出现了30多种系统，但是今天依然使用的已经不多。GEOTEM系统（Annan，1990；Annan等，1996），和使用更大磁矩的MEGATEM系统（Smith等，2003），都是INPUT系统的数字化扩展，使用的是瞬变半正弦波形，TEMPEST系统像一般的地面TEM系统一样使用瞬变方波。在频率域中，常用的是Dighem型多线圈多频系统（Fraser，1978），但是现在已经出现了一种多频单线圈双HEM系统（Won等，2003）。已经有了一些建立一套直升飞机瞬变电磁(HTEM)系统，或固定翼瞬变电磁系统的尝试,以便进行近地表探测。1982年，一种类似INPUT系统，被称为“飞行的蜘蛛网”的HTEM提了出来，但是由于直升机的机动性，这套系统被用在崎岖地带。然而在复杂地形条件下，当飞机无法保持合适的飞行速度时，这套系统的作用就大打折扣。SALTMAP系统（Duncan等，1992）是一种固定翼早期瞬变电磁法系统，它利用方形波发射器和500Hz基频探测近地表。但早期的SALTMAP系统并不成功，它产生混合多解，绘出的是不确定、低品质的电导率图，有时能和已知的盐湖对应上，有时却不能（Spies，2001）。直到近些年，瞬变直升飞机系统的概念才成熟起来，新系统试图实现小覆盖区宽频带测量。AeroTEM（Balch等，2002），NEWTEM（Eaton等，2002），Hoistem（）,还有VTEM系统(EdwardMorrison，Geotech公司，私人通讯)，主要都是用于矿产勘探，是一种不同于GEOTEM系统、能更好的应用于地质填图。SkyTEM系统（Sorensen，K.I.和Auken，2003），是一种迅速发展的、区别于陆基TEM系统的新型瞬变电磁系统，它主要用于近地表地质结构填图，以探测地下水和进行环境调查。水文地球物理勘探地面瞬变电磁法用在寻找地下水方面已有数十年的历史了，全世界多种地质条件的找水都用这种方法：从玄武岩地质到沉积地质环境（Fitterman和Stewart，1986；Mills等，1988；McNeill，1990；Sandberg和Hall，1990；Christensen和Sorensen，1998；Courteaud等，1998；Sandberg等，1998；Meju等，1999；Poulsen和Christensen，1999；Yang等，1999；Sorensen等，2000；Hatch等，2002）。电法和电磁法地下水探测方面是强有力的物探工具，因为它们的结果能用来评估涉及保护层的水体特性（Mazac等，1985；Kalinski等，1993），如地下水的化学相与污染物有关（Buselli等，1988），还有地热资源（Kirsch等，2003），以及水文地球物理结构（Danielsen等，2003；Jorgensen等，2003）。这些方法的勘探深度从15m到250m，最大勘探深度依赖于目标体的深度，通常针对含水层特性的探测间距从80m到150m。尽管越深的地质体越不寻常，但他们却很重要。描绘浅层部分，比如粘土保护帽，获得10至15µs的早期数据，从斜坡初期开始计算，一直到1至8ms。在水文物探中，10-20%的响应变化就能满足对砂质含水层的描述；而在基本金属矿的勘探中，目标体的响应通常要在背景噪声的10至100倍以上。如图1图1用一个薄板模型来计算所探测目标矿体的响应，并与水文地质的层状地球模型响应进行对比。两种模型使用的都是TEM中心回线装置。含水层响应约是背景噪声响应的1.2倍，然而，矿化层响应却是背景噪声的近100倍。因此，绝对数据的准确性对水文物探是至关重要的。数据的准确性由仪器的电子稳定性（趋势）、绘图系统的转移函数（发射器波形，接收机低通滤波器，计时）和几何阵列的尺寸稳定性来确定。如果设计不精确，这些因素极容易引起测量结果1.05倍的改变，这对于上面的1.2倍来说是一个不容忽视的误差，这种至关重要性在图1中已有体现。影响水文物探的因素不光是解释时必需的高精度数据，还有进行勘探的地方通常是人类活动区，靠近测量点的各种人工设施极易影响测量结果，这些设施发出的信号与发送信号耦合相干（Fitterman等，1990；Nekut和Eaton，1990；Polzer等，1990；Qian和Boerner，1995），所以必须把这些干扰信号识别出来，以免造成错误的解释。一般来说，耦合信号可以分成两部分：电容耦合和电流耦合（Sorensen等，2001），电容耦合有一个震荡模式，在单信号测量时很容易被识别出来；电流耦合就很难被识别了，因为其衰减曲线和单纯的地质体响应衰减曲线很相似。因此，密集空间测量是一种很有优势的方法，它能在数据解释前识别和剔除由人工设施干扰所造成的无用数据。一般说来，如果TEM阵列和人工设施之间的距离超过100m，就能很好的避免耦合干扰，这一距离是由地下整体电阻率决定的。SkyTEM与地面站配合试验SkyTEM系统是根据地面TEM系统在水文物探中多年来的经验设计而成的。GeonicsPROTEM接收机和TEM47发射机，在丹麦是最常用的找水系统。40x40ｍ２的线圈发射3A电流，为晚期（远区）测量提供4800A·m2的发射磁矩。对于早期（近区）测量，则使用1A的电流，把发射磁矩下降到1600A·m2，避免接收线圈达到饱和，保证发射线圈的稳定。就以丹麦的噪声水平，PROTEM47系统能够测量的时间间隔是从10µs到1-4ms。一般的背景噪声约为每毫秒1到6nV（31.4m2的有效接收面积，1000排列）。本文涉及的系统是常规瞬变电磁法系统，对平均大地电阻率为10至100Ω·m的测区，探测深度为120到150m。更深入的探讨探测深度与背景噪声的关系，见Spies，（1988）。为了增加陆基TEM测量的有效时间，发展出了牵引阵列瞬变电磁系统(PATEM)(Sorensen等，2000；Sorensen等，2004)，一种能每天记录10至15公里连续采样TEM数据的牵引系统。该系统采用的3x5m2多匝接收线圈，与发送线圈相距25m，发射线圈和接收线圈被固定在一个用小型履带牵引机拖着的雪橇上。要取得更大的探测深度，就需要更大的发射磁矩，这就使得瞬变电磁法向更远处发展，HiTEM系统（Auken和Sorensen，2003；Danielsen等，2003），采用PROTEM的接受装置，发射装置是提供75A电流的30x30m2线圈，其发射磁矩约为67000A·m2。HiTEM系统由两部分组成：一个由75A电流驱动的大磁矩偏置线圈和一个由2.4A电流驱动的小磁矩中心回线。该系统采用传统TEM的近地表分辨率，探测深度就能达到250至300m。除了大磁矩之外，探测深度之所以增加还因为新接收线圈的噪声是陆基设备噪声水平的1/2至1/3。日常获得数据的速度与传统TEM装置差不多。