來源:中國自然資源報作者:高慧麗 王路闊

原標題：透視地球深部的國產利器——《大深度三維電磁探測技術工程化開發》項目實施紀略

野外試驗現場

工欲善其事，必先利其器。向地球深部進軍，急需探向地球深部、揭開深部奧祕的“武器”。地球物理探測技術裝備就是其中之一。

地球物理探測，即通過觀測和研究各種地球物理場及其變化來探測地層巖性、地質構造等，是“透視”地球內部的重要手段。長期以來，我國大型地球物理探測裝備和核心軟件幾乎全部依賴進口。自然資源部中國地質調查局地球物理地球化學勘查研究所（以下簡稱“物化探所”）牽頭實施的國家重大科學儀器設備開發專項《大深度三維電磁探測技術工程化開發》項目，通過5年努力，提交了一整套工程化的大深度三維電磁探測技術系統，不僅使我國地球物理探測實現了由二維測量向三維測量的跨越，而且推動了我國大深度電磁探測設備的自主化、實用化和產業化進程。

打破國外技術裝備壟斷，研發具有自主知識產權的國產化儀器

三維電磁探測系統的研發和應用，不僅在我國基本為空白，在國外同樣也處於起步階段。針對我國電磁法勘查技術在探測深度、抗幹擾能力和測量精度等方面落後的現狀，同時也為適應復雜地質條件下地下目標體大深度、多參數、三維精細探測的需求，以物化探所為牽頭單位，聯合重慶地質儀器廠、成都理工大學、中國科學技術大學、吉林大學，中國地質調查局西安地調中心、南京地調中心，安徽省勘查技術院等單位，實施了《大深度三維電磁探測技術工程化開發》項目，旨在打破國外壟斷，實現裝備國產化，更好地服務國家能源資源勘查工作。

對電磁探測技術的研發，物化探所有着多年的技術積累與成果基礎。《大深度三維電磁探測技術工程化開發》項目負責人、物化探所教授級高級工程師林品榮介紹，物化探所在1995年實現了音頻大地電磁測深的分佈式測量，在國際上率先實現了天然電磁場的多點同步陣列式觀測。步入新世紀，將陣列式的天然電磁場大深度探測技術與人工場的激電技術相結合，優勢互補，從而形成混場源的電磁法探測技術，以實現多參量大深度探測。該系統於2005年研製成功，填補了我國資源探測大功率（70KW）發射與接收研製的空白，為我國開發具有自主知識產權的國產多功能電法儀器提供了技術保障和經驗積累。

在國內沒有先例可借鑒的情況下，從2006年起，在地質調查項目和國家863重點項目的支持下，物化探所啟動了國產大功率多功能電法系統的研製。經過科技人員的持續攻關，在多頻同步供電波形合成、密集頻點供電、大功率逆變與保護、寬帶大動態範圍接收、無線數據通訊、數據處理與解釋等技術方面取得突破，研製出了具有可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）、激發極化法（IP）供電功能的70KW大功率電磁法發射系統，以及具有音頻大地電磁測深（AMT）、可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）、激發極化法（IP）測量功能的接收系統，並於2010年生產出了樣機，2011年實現了這一技術的實用化及推廣應用。

為適應深部找礦、三維立體填圖和深部結構探測的需求，2011年，《大深度三維電磁探測技術工程化開發》項目獲批為國家重大科學儀器設備開發專項首批支持的項目，總體目標是實現大地電磁測深（AMT/MT）、可控源音頻大地電磁測深（CSAMT）、時間域頻率域激電（TDIP/FDIP）、磁性源瞬變電磁測深（TEM）等二維/三維測量技術及三維測量儀器的工程化開發。同時，開展野外工作應用試驗及三維電磁探測技術應用示範，促進我國三維電磁探測技術的發展。

由二維測量向三維測量轉變，由樣機研製邁向工程化研發

要實現三維電磁探測，需要將傳統的一維、二維的電磁測量方法發展為三維測量方法。“簡單講，就是由原來的單點或單線測量，革新為多點、多測線的面積性同步測量，從而獲取高質量的三維觀測數據和地下地質體更為全面的信息。”林品榮說。

為此，項目組根據天然電磁場和人工電磁場的傳播特點，結合地球物理電磁法儀器發展和大深度精細勘查的需求，研究設計了5種電法的三維分佈式探測方法技術，包括大地電磁測深（AMT/MT）、可控音頻大地電磁測深（CSAMT）、時間域激電（TDIP）、頻譜激電（SIP）、磁性源瞬變電磁測深（TEM）。同時，採用高精度GPS和恆溫晶體的混合同步技術，實現了多測站、多分量、全天候的陣列式同步測量。

在樣機的開發過程中，物化探所創新研發思路和發展模式，邀請負責樣機工程化的中地裝重慶地質儀器有限公司技術人員提前介入，按實用化要求，配合科研人員對三維電磁探測儀器進行設計開發，形成了大深度三維電磁探測儀器的加工工藝、生產流程、檢測方法等。

樣機研發出來了，但要實現儀器的工程化開發，仍有大量工作要做。負責分佈式接收機開發的物化探所教授級高級工程師鄭採君介紹說，樣機是工程化研發的第一步，關鍵是實現探測功能，主要體現“能用”；而工程化研發，要在樣機的基礎上不僅實現技術指標，而且還要注重儀器的穩定性、可靠性及實用性，讓儀器不僅“能用”，而且要“好用”“實用”“耐用”，還要操作便捷、外觀美觀。比如：由於各地的射頻幹擾不盡相同，就需要不斷對儀器的射頻抑制電路進行調整、試驗，再調整、再試驗，直到儀器在不同地區都比較適用。再比如：穩定性方面，三維探測要求多臺站同步測量，往往是幾十臺甚至上百臺儀器同時啟動開始工作。而儀器數量的增加，工作時間的拉長，都使得儀器的故障率成幾何級數增長。因此，每一臺儀器的穩定性和可靠性都至關重要。

研發團隊研究解決了儀器間的精確同步，儀器性能參數的自標定，儀器的一致性、穩定性與可靠性，以及超大功率場源系統的建立等一系列技術難題，實現了大地電磁測深（AMT/MT）、可控音頻大地電磁測深（CSAMT）、時間域頻率域激電（TDIP/FDIP）、磁性源瞬變電磁測深（TEM）等方法的三維測量儀器的工程化開發，生產出160kW、30kW、5kW系列多功能電磁法（CSAMT、TDIP/FDIP）發射機、分佈式多功能電磁法(AMT/MT、CSAMT、TDIP/FDIP)接收機、頻率域感應式磁傳感器、10kW瞬變電磁發射機、瞬變電磁三分量接收機、三分量高溫超導磁強計、三分量時間域感應式磁傳感器等。

系統軟件的開發與集成，則涉及了數據處理方法研究、數據管理、可視化等多個方面。物化探所教授級高級工程師吳文鸝介紹說，物化探所數據處理研究團隊聯合吉林大學、成都理工大學、中國科學技術大學等相關科研人員，開展了正確快速計算、壓制地形影響、獲取可靠三維電性參數、構建基於三維電磁數據的三維地質解釋和地質模型等一系列研究。由於採集的數據來源於多種探測方法，如何從中提取有用信號，如何進行處理，最終如何形成可視化的三維地質模型，其中涉及大量、復雜的計算過程和方法。各研發小組分任務從單方法入手，從一維反演、二維反演再到三維反演，最後再進行多方法的集成，最終形成了集5種電法方法數據管理、人機交互建模、數據成圖、數據預處理與正反演為一體的三維電磁探測軟件系統。該系統不僅可方便快捷地瀏覽數據與輸出測深曲線、剖面曲線、平剖圖、三維切片等圖形圖像，而且實現了在windows操作系統和linux操作系統間的跨平臺運行。

接受野外勘查實踐檢驗，與國外同類商品化產品探測能力相當

儀器生產出來後，是否真正具備三維探測的能力，各項技術指標能否達到預期要求，都需要接受野外勘查實踐的檢驗。為此，物化探所聯合西安地質調查中心、南京地質調查中心、安徽省勘查技術院等單位開展了大深度三維電磁探測系統的試驗應用研究。

試驗測試包括對軟硬件的性能測試和與國外主流的先進儀器進行對比。據負責這項工作的物化探所教授級高級工程師楊亞斌介紹，對儀器性能指標的測試，不僅針對多種電磁探測技術方法和軟件系統，而且還涉及儀器裝備的按鈕、電池、重量、結構、數據顯示等諸多小指標。為了測試儀器的適應溫度，測試工作組分別在新疆哈密零下20多攝氏度和新疆克拉瑪依地面溫度高於50攝氏度的條件下對儀器進行了測試。此外，工作組還選擇甘肅極乾旱地區、內蒙古東部草原和南方陰雨潮濕地區進行了探測環境測試；在甘肅柳園特別顛簸的地段開展了震動測試；從河北到內蒙古、甘肅、新疆進行了上萬公里的運輸測試，最終提出了上百條改進意見。

通過野外場地功能試驗，並與國外商品化儀器的對比試驗，三維電磁探測工作方法得以進一步完善，儀器與軟件性能得以進一步提升。利用完善後的探測儀器，項目組分別開展了礦產勘查、三維立體地質填圖及深部結構探測3個層次的應用示範。在甘肅柳園、安徽廬江、江蘇寧蕪、新疆哈密的4個礦區進行的礦產勘查示範，取得了良好的勘查效果，其中在甘肅柳園圈定了3處找礦靶區，在安徽廬江黃屯硫鐵礦區發現240米厚的銅金礦體。在新疆克拉瑪依和甘肅柳園開展的三維立體地質填圖示範，結果顯示，方法技術系統對深大斷裂和重要的隱伏巖體均有較準確的反應。在內蒙古扎魯特盆地開展的深部探測試驗，利用取得的電性參數，結合已有的鑽孔資料，詳細刻畫了油氣目的層及盆地基底的形態。試驗結果同時顯示，激電探測和瞬變電磁探測深度都達到近800米，可控源電磁法探測深度超過1500米，在雄安新區的探測深度達到了3000米。

一系列的試驗示範應用結果表明，自主開發的大深度三維電磁探測技術方法、儀器軟件完全可以勝任野外勘查研究，而且與國外同類商品化產品相比，探測能力相當，並有部分指標優於國外同類商品化產品。有了這套探測系統，我國真正實現了電法勘探由二維測量向三維測量的跨越，同時推動了我國大深度電磁探測裝備的自主化。與國外同類設備相比，國產化設備價格僅是國外的50%~60%，而且銷售方還可以在方法培訓和設備維護、軟件升級等方面提供便捷服務。

科技發展永無止境。目前，我國的三維電磁探測技術研究與國外相比仍處於跟跑或並跑階段，在三維電磁探測儀器輕便化、網絡化，電磁幹擾識別和數據處理智能化，三維電磁多參數聯合精細反演等多個方面都亟待進一步探索和研究。同時，急需對工程化樣機進行產品化開發，並實現產品化儀器的推廣應用。

可喜的是，物化探所目前已得到國家重點研發計劃項目課題的資助，在解決大功率精細電流採樣等關鍵技術基礎上，將着手開展產品標定、試驗、批量生產線等產業化條件建設，加快批量生產和推廣應用，從而為深地探測提供先進、實用的國產化地面電磁探測利器。