固定翼飞机时间域电磁法观测系统

10.1　固定翼飞机时间域电磁法观测系统

10.1.1　简史

航空电磁法问世，将近60年了。1948年加拿大McPhar公司首次进行了航空电磁法的飞行，使用频率域电磁法装置。航空时间域电磁法观测系统的发展稍晚，加拿大Selco Exploration公司航空和技术服务部的Barringer博士于1958年申请了一项关于感应脉冲瞬变航空电磁系统的专利，这个系统简称INPUT（Induced Pulse Transient，INPUT）。1959年Selco Exploration公司就进行时间域INPUT固定翼系统的作业飞行。INPUT系统发射回线架设在飞机上，接收机安放在吊舱内。这种发射回线和接收机的配置方式，一直沿用到现在。在开始作业飞行后的20年间，INPUT系统不断改进升级，发展到INPUTⅥ型，在加拿大和其他国家进行了大规模的探矿飞行，发现了二十多个矿床。1968—1983年仅在加拿大的魁北克省用INPUT飞行了38.5×10⁴测线公里，发现了六个矿床。从1951年起的50年内，在各种航空电磁法系统的直接引导下总共发现了80多个矿床，价值达1000亿美元。在地质调查等方面也起了很大的作用^［1］。

20世纪70年代，中国（如下所述）和印度也研究开发了类似的系统，但都未在大范围内长期使用。

1985年，Geoterrex公司（后来并入Fugro公司）将完全数字化的INPUT系统安装在CASA212飞机上，取名GEOTEM，后又推出了GEOTEMDEEP和GEOTEM 1000，现在还在继续使用，即著名的AEM系统。1998年，Fugro公司采用四引擎的Dash7飞机作为测量平台，开发了MEGATEM系统，发射磁矩后来达220Am²（MEGATEMII），飞行高度超过4500m，创造了新的记录。关于MEGATEM，有人说：“名称告知一切！”（The name says it all！）^［2～3］。

1993年，澳大利亚World Geoscience公司推出SALTMAP系统，是固定翼时间域电磁法测量系统，与磁力仪、放射性测量仪和测高仪综合使用，收集风化层的电导率、厚度，基岩地质，土壤和地形等资料，供制定土地管理计划用。SALTMAP的发射和接收装置的配置与INPUT相同，但是发射电流的波形和时间分配与INPUT有很大的差别。与以下将要介绍的SPECTREM一样，采用正、反交替的方波，发射机连续供电，没有断电时间（offtime），也就是说在一次磁场存在的条件下同时进行测量，这种系统可以称为全时段系统（100%duty cycle system或ontime system）。而INPUT中采用的发射电流为正、反交替的半正弦波，其间有断电时间，在断电时间内测量二次磁场，这种系统可以称为脉冲系统（pulse system）。可见，SPECTREM、SALTMAP与INPUT系统有很大的不同，是一种方法技术上的突破。SALTMAP的另一个特点是基本频率很高，为495Hz，而INTUT采用144Hz（M1采用138.9Hz，见下一小节）。SALTMAP是一种典型的用于浅表层地质调查的系统。在20世纪90年代末，澳大利亚7个单位（包括World Geoscience公司）联合，经过多年的努力，研制成多用途的TEMPEST系统和配套软件。发射电流也是方波，不过与SALTMAP不同，占空率为50%，通电时间与断电时间相等，各为10ms。基本频率为25Hz，适宜于探测导电层覆盖下的良导体。

南非的Anglo American Group公司1982年开发了一种固定翼时间域数字化宽带电磁法系统，经过改进于1989年安装在DC3飞机上，进行作业飞行，取名SPECTREM。SPECTREM是一种全时段系统。

上述这些航空时间域电磁法系统，还有一些未提到的同类系统，不仅在普查矿产方面（包括油气），而且在环境地质调查和普查地下水等方面都起到了很重要的作用。航空时间域电磁法是航空地球物理探测方法中广泛使用、效果良好的方法之一。方法技术还在不断发展提高，特别是直升飞机时间域电磁法系统，在世纪之交的前后各五年中，发展迅速。作者相信，在新世纪里，固定翼时间域电磁法系统和直升飞机时间域电磁法系统将形成有机的组合，取长补短，成为地质调查工作中广泛使用的有力手段^［4］。

10.1.2　感应脉冲瞬变航电仪——M1型脉冲式航电仪

20世纪70年代，黑龙江地质局和长春地质学院共同研究和开发了一种航空时间域电磁法系统——感应脉冲瞬变航电仪（M1型脉冲式航电仪），如图101所示，该系统安装在运5（安2）型飞机上，发射磁矩为59 890Am²［约6×10⁴ Am²］，基本发射频率138.9Hz。接收探头灵敏度为0.66mV/nT，发射脉冲停止后从1.0～3.6ms，分六道测量二次场。安放有接收线圈和前置放大器的吊舱，在飞行时吊放在飞机的后下方，电缆长度为150m。航电仪在一个已知铅锌磁铁矿床上有明显的异常；在未知区进行了6000多测线公里的试验作业测量，发现了20多处异常（响应的道数不同），经过重复飞行，重现性较好。有一个异常经过打钻验证，在地面下75m处见到碳质泥岩。1977年11月这种脉冲式航空电测仪与物探研究所研制的补偿式航空电测仪（频率域）同时通过了国家鉴定^［5］，如图102所示，该系统安装在运五（Y5）和运十一（Y11）飞机上，发射线圈和接收线圈分别安置在翼尖上。安装在运五（Y5）上的系统与上述时间域系统在1978年同时通过国家鉴定。

后来这种时间域电磁法系统在湖北和湖南也进行了一些飞行测量。参加研究开发工作的地球物理工作者有曾孝箴、关永清、于蔡春、翟树学等，于成明先生给予了指导和帮助。

图10-1　M1型时间域航空电磁法测量系统（左）和研发人员（右）

图10-2　地质部物探研究所研制的频率域航空电磁系统

当时加拿大经过改进的航空感应脉冲瞬变（Induced PUlse Transient，INPUT）系统安装在双引擎的双水獭飞机上，发射磁矩由最初的几万提高到28×10⁴ Am²。

在研发工作开展之前，为了选择方案，作者和两位同事曾去河北保定冶金物探公司和陕西蓝田地质部物探研究所进行调研，这两个单位的同行热情全面地介绍了有关情况和文献资料，对于研制工作的开展有很大帮助。这种高尚的风格，至今仍令作者十分感动。

最近，许多资深的地球物理学家建议，为了在广大地区快速、有效地开展地质调查、普查矿产和寻找地下水的工作，应该积极研究和开发航空时间域电磁法系统：“在西部地区，固体矿产找矿的主要目标是以铜为主的金属矿床，……在地形允许的地区，应尽可能采用航空电法，尤其是航空时域电磁法。”“加速开展我国西北、华北等干旱地区的区域水文物探调查，……在平坦地区航电宜采用探测深度大又可进行测深解释的航空时域电磁法。”^［6］“近期需进一步完善和改进方法技术……研制探测深度大的航空电法（以时域TEM法为好）。”^［7］

近来，我国物探与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50×10⁴ Am²。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。

10.1.3　基本原理

我们先讲一讲系统辨识与人工场物探方法的关系。

系统辨识是一种先测出输入、输出数据，然后建立系统数学模型的方法技术。更严格一点讲，系统辨识是根据实验及关于系统的验前知识决定系统数学模型的方法技术。在大多数情况下，大地可看作是线性时不变系统。线性系统理论的一个有名的结论为：为了辨识一个线性系统，必须使用一个频带很宽的信号。这就是说，探测信号的频谱带宽必须比被探测系统的带宽要宽很多。在数学上理想化了的情况下，应该使用一个脉冲或白噪声作为探测信号。目前，激发激化法和电磁法的一种趋势是使用宽频信号，这是符合系统理论要求的，只有这样才能获得有关大地的完整信息。

在人工场物探方法中，我们把某种讯号送入地下，测出大地的响应，进而推断地下的地质构造情况。在这里，首先是精确地测量大地的响应，然后根据测定结果建立地球物理模型，并对这个模型作出地质解释。由以上简单的讨论可见，人工场物探方法与系统辨识是等同的或是类似的^［8］。

在时间域电磁法中，向地下发射一个脉冲磁场（一次磁场），这个脉冲磁场由一个大面积的回线中的脉冲电流产生，一次磁场在地下导电体中激发感应电流，感应电流会产生二次磁场，精确地测量这个二次磁场就可以推断地层的导电率分布状况，进而了解地下地质构造。航空时间域电磁法的装置见图103。发射线框安装在飞机上，接收器吊放在飞机后下方，有的系统还装有磁力仪，做到一机两用。直升机TDEM系统的发射线框与接收器都吊放在机下。

图10-3　航空时间域电磁法示意图^［10］

二次磁场有一定的持续时间，从发生到衰减为零。在这一段时间内应尽可能多次取样测量二次磁场，以便完整地获得二次磁场的信息。在一定时间取样测量称为一道。各道的测量包含等价于覆盖一定频率范围的频率域电磁法（FDEM）系统所获得的信息，等价的频率范围称为系统的“带宽”。图104和图105正确而清晰地表示了TDEM法的机理。

图10-4　INPUT系统在良导体上方的响应^［10］

图10-5　INPUT系统在不良导体上方的响应^［10］

说到探测深度，先要介绍两个概念。对于频率域电磁法（FDEM）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（约37%）所对应的深度，趋肤深度约等于500（1/σf）^1/2，此处σ是导电率，以S/m（西门子每米）为单位，f是系统的频率，单位为Hz。对于时间域电磁法（TDEM）来说，有一个扩散（传播）深度的概念，在此扩散深度上局部电磁场达到极大值，扩散深度为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。

调查深度或探测深度是比较复杂的物理量，与许多因素有关。在提到探测深度时，我们应该考察具体情况。由于穿透深度是频率或延迟时间的函数，因此由不同频率和延迟时间得到的测量结果，可了解导电率随深度的变化情况^［9］。

10.1.4　GEOTEM和MEGATEM

20世纪80年代中，加拿大Geoterrex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69×10⁴ Am²（峰值）。这个系统在不同的地形条件下进行了探矿飞行，发现了一些矿床。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，澳大利亚BHP公司支持将时间域电磁法系统安装在四引擎的de Havilland DHC7（Dash7）飞机上。Dash7飞机可以安装更重的装备，可以提供更多的电力。因此，后来制成了功率更高的脉冲发生器。

经过改进，现在GEOTEM的发射电流仍为正反交替的半正弦波，基本频率有25Hz、30Hz、75Hz、90Hz、125Hz、150Hz可选。脉冲宽度1～8ms，断电时间可到36ms。接收机测量二次电磁场的三个分量（两个水平的，一个垂直的），测量磁场B和dB/dt。和INPUT不同，不仅在断电时测量，在通电时也测量。测量结果可以通过导电率深度断面图等图形显示。用GEOTEM在加拿大作业时，曾观测到激发极化现象，值得注意。

1998年下半年的Dash7试验飞行发现，用3个引擎还可以在4400m的高度上飞行。改装工作基本上是把GEOTEM系统的装置搬到Dash7上。由于Dash7比CASA212大，发射机回线所围的面积为406m²，比CASA212的232m²大75%，发射电流不变，发射磁矩增加75%，达到1.75×69×10⁴ Am²＝110×10⁴ Am²，由于Dash7是一个庞然大物，系统的发射磁矩空前的大，这个系统赢得了MEGATEM的美名。这个系统在南美和加拿大进行了探矿飞行，取得了良好的找矿效果。

2001年初，将MEGATEM进行升级，从每个引擎的AC发电机总共可以获得40kW的功率，转换成DC后供给发射机，使发射机的发射磁矩峰值达到220×10⁴ Am²，是MEGATEM的两倍。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175 000测线公里。在秘鲁和智利作探矿飞行时，飞行高度可达4575m。

应该提醒的是，发射磁距加倍并不意味着探测深度也加倍。因为发射机产生的一次磁场场强是按距离的立方反比规律而衰减的。因此，如果一个系统的发射磁矩比另一个系统的大一倍，其探测深度只增加25%。同样，提高接收机的灵敏度或信噪比，也可以增加探测深度，但不是成比例地增加。同理，如果提高一倍，探测深度增加25%［11～13］。

现在福格罗公司（Fugro）推出了在一个平台上进行一整套航空地球物理测量的装备，这就是该公司的MEGATEMTwin Otter。它能够同时记录时间域EM与FALCONAGG、磁力仪、伽马射线能谱仪以及LIDAR数据，这种“飞行实验室”（Flying Laboratory）适合于在地质研究程度很差的地区作区域普查，见图106。

图10-6　MEGATEM系统“飞行实验室”^［13］

10.1.5　TEMPEST

在矿业大国澳大利亚，为了给下一阶段矿产资源的发现提供全面的基础资料，联邦科学工业研究组织（CSIRO）正在执行一项长期的研究地壳浅层的庞大计划——透视地球（Glass Earth）。CSIRO Glass Earth的五个研究和开发领域之一是探测技术，包括：航空重力梯度测量；航空张量磁力梯度测量；先进的电磁方法；矿物化学填图；钻探新技术；三维地震。由CSIRO的勘查与矿业部、两所大学、世界地球科学公司（World Geoscience Corporation Ltd.）和另外三个单位组成的澳大利亚矿产勘查技术联合研究中心（Cooperative Research Centre for Australian Mineral Exploration Technologies，CRCAMET），经过众多科学家六年的努力，研制开发成功了一种先进的航空时间域电磁法测量系统TEMPEST（图107）及相应的软件EMFlow。由TEMPEST测得的数据利用EMFlow可提供清晰的3D地下导电率分布信息，了解近地表的导电率变化并探测深部导体。地球物理解释得到的结果，结合地面地质调查和钻探资料，可以了解风化层的结构和地下地质情况，进而了解地下水和盐的分布状况。

图10-7　在西澳大利亚TEMPEST系统准备飞行^［17］

TEMPEST的基本频率是25Hz，发射电流为正反向交替的方波，占空率50%，通电时间与断电时间相等，各为10ms。发射磁矩55 800Am²（峰值）。接收机装有三个互相垂直的测量dB/dt的线圈，接收机每半周采样1500次。发射回线与接收机之间的水平距离约为100m，垂直距离约为50m。系统的带宽为25～37.5kHz^{［15～16］}。

Fugro公司于2010年提高其安装在Cessna 208Caravan飞机上的时间域电磁法技术（TDEM），以充分发挥TEMPEST系统的能力。TEMPEST208使用一个方波发射器和一个宽带接收器，可获得较大的探测深度与较高的地层分辨能力。GENESIS系统也可安装在C208上，GENESIS是一种宽带电阻率填图系统，设计目标为快速区域填图和普查。目前这两种系统在欧洲、非洲和中东使用^［17］。

10.1.6　SPECTREM2000

时间域电磁法观测系统可以分为脉冲系统（Pulse System）和全时段（On Time System）系统。GEOTEM和MEGATEM是脉冲系统，以MEGATEM为例，当以基本频率90Hz工作时，在一个周期内，按顺序先向发射回线供给正向正弦形电流，时间约为2.2ms（ontime），然后间歇约3.2ms（offtime），再供给反向正弦形电流，时间也约为2.2ms，然后再间歇约3.2ms，一个周期就结束了，用于测量大地的脉冲响应。过去一般在间歇时间内测量二次磁场随时间的变化率dB/dt或（和）测量二次磁场B本身，而现在许多系统在通电时间和断电时间都测量二次磁场B和dB/dt。

南非Anglo American Corp公司的子公司Spectrem Air，研制开发了SPECTREM2000固定翼飞机时间域电磁法系统。SPECTREM系统属于全时段系统。全时段系统在工作时，连续不断地向发射回线供给正反向一定形状的电流（SPECTREM2000采用方波），其间没有间歇时间。SPECTREM系统是测量大地的阶跃响应，是在一次磁场存在的情况下观测二次磁场或其随时间的变化率，这与频率域电磁法的观测方式类似。

SPECTREM系统的发射磁矩为42×10⁴ Am²，方波上升时间为160μs。基本频率25Hz、30Hz、37.5Hz、45Hz、60Hz、75Hz、90Hz。系统的带宽为75～46kHz。接收机测量三个分量。SPECTREM系统于1989年投入使用。SPECTREM2000的设计者认为，全时段采用方波方式供电，可以把更多的能量送入地下，因而二次场的幅度更大。这种系统的输出是阶跃响应，频带特别宽，可以同时探测浅部和深部。有几家矿业公司利用SPECTREM2000在南非西海岸寻找金刚石，已经发现一些新的远景区和新的目标［18～19］。