专利名称：一种深海瞬变电磁探测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种深海瞬变电磁探测装置及其方法，用于探测深海底的高阻体或低阻体的异常，适用于深海热液硫化物矿床的探测。。
背景技术：
地球表面70%是海洋，海底蕴藏着对人类的生存和发展极其重要的资源，随着陆地资源日趋枯竭，海底资源将被人类逐渐开发和利用。为了保护海洋生物、海洋环境，海底资源探测需要环保、高分辨率的海洋电磁探测方法。针对深海特殊勘查环境、海底热液硫化矿“富而浅”的特征以及首要是“发现异常” 的地质任务要求，我们提出了深海探测系统必须是“有效、快速、便于实施”。目前国内外进行深勘察的方法主要是大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法 (CSAMT)。大地电磁法(MT)是长周期测量天然海底大地电磁信号，计算海底电阻率，仪器设备脱离船舶首先沉入海底，测完一个点后再用声控装置释放沉重，仪器设备利用浮力球浮出海面，再打捞。可见，工作非常繁琐，而且测量一个测点数据至少2天，不满足“有效、快速、便于实施”的条件。可控源音频大地电磁法(CSAMT)是大地电磁法(MT)的改进，由发射和接收两部分组成，并且分离距离至少几公里，需要2艘勘探船；同时测量30个频点数据至少用1个小时，在测量期间，船体最好不动。可见可控源音频大地电磁法(CSAMT)在深海作业不便于实施。

发明内容
为了解决现有深海勘察方法中存在的问题，本发明提出了一种深海瞬变电磁探测装置及其方法。本发明的深海瞬变电磁探测装置由甲板单元、水下仪器舱以及水下拖曳单元构成。其中，甲板单元包括专用监控计算机、甲板电源、混合通讯装置；水下仪器舱包括电磁仪主控PC、数据采集装置、数据储存装置、发射控制单元 MCU、水下电池单元、水下实时数据通讯装置、仪器仓拖曳架；水下拖曳单元包括发射及接收线圈装置、发射及接收线圈拖曳架。其中，所述发射及接收线圈装置为如下类型的线圈装置中的一种(a)水平磁偶共轴偶一偶装置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶装置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶装置；(d)中心回线装置；(e)重叠回线装置。其中，所述发射及接收线圈装置优选为中心回线装置或者重叠回线装置。其中，所述发射及接收线圈装置进一步优选为重叠回线装置。根据本发明的深海瞬变电磁探测装置，其发射线圈的工作电流10 50A ；优选工作电流20 30A。根据本发明的深海瞬变电磁探测装置，其发射线圈匝数为30-50匝；优选发射线圈匝数为40匝。根据本发明的深海瞬变电磁探测装置，其接收线圈匝数大于或等于30匝；优选接收线圈匝数大于或等于35匝。根据本发明的深海瞬变电磁探测装置，其发射及接收线圈面积为0. 5m2到5m2 ；优选发射及接收线圈面积为1. 47m2。本发明的深海瞬变电磁探测方法包括如下步骤1.甲板单元的监控计算机输入工作设置参数，通过混合通讯装置的网络接口向水下仪器舱的电磁仪主控PC发送相关设置参数，并发送开始测量信号；2.所述水下仪器舱的电磁仪主控PC通过RS232 口与发射控制单元MCU握手，发射控制单元MCU给出MCU系统状态信息，包括电池电压、仪器各部分工作状态等；3.所述电磁仪主控PC机转发所述甲板单元的监控计算机发送的工作频率，采样频率等参数并发送开始信号；4.所述发射控制单元MCU控制IGBT (绝缘栅双极型晶体管)模组，通过发射线圈发送电磁波，工作1 ^后，待发射控制单元MCU工作状态稳定时，发送同步触发信号；5.所述发射控制单元MCU测量工作电流等，通过RS232 口传递至所述电磁仪主控 PC机；6.所述水下仪器舱的数据采集装置采集接收线圈收到的数据，并传输至所述电磁仪主控PC，将数据存储到所述水下仪器舱的数据存储装置，并传输至所述甲板监控单元进行处理；7.所述甲板监控单元根据收到的数据进行实时处理、曲线显示及存储。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中所述发射线圈的工作电流为10 50A ；优选工作电流20 30A，电流波形为占空比为1/2的双极性方波，在1 IOOms观测范围内，双极性方波的时基(T/4)为100ms，周期为400ms，工作频率为0. 625Hz-6. 25Hz，优选工作频率为2. 5Hz。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中所述发射线圈匝数为30-50匝；优选发射线圈匝数为40匝。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中所述接收线圈匝数大于或等于30匝； 优选接收线圈匝数大于或等于35匝。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中所述发射及接收线圈面积为0. 5m2到 5m2 ；优选发射及接收线圈面积为1. 47m2。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中，离海底拖曳高度为Om < H彡100m。根据本发明的深海瞬变电磁探测方法，其中，拖曳船舶速度为2 4节。


参照如下附图将更加易于理解本发明
图1为本发明的系统结构图；图2为本发明的方法流程图；图3为深海TEM测量原理简图；图4A为瞬变电磁信号的采样示意图；图4B为瞬变电磁信号的另一采样示意图；图5为电磁探测常用的线圈装置；图6为发射电流与探测深度的关系图7为发射线圈匝数与探测深度的关系；图8为发射线圈面积与探测深度的关系；图9为海底硫化矿正演模型示意图；图10为不同拖曳高度H下13. 35ms的TEM响应。
具体实施例方式本发明通过拖曳式深海瞬变电磁法(Transient electromagnetic methods，简称 TEM)探测海底热液硫化物，是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。在海底，发送回线Tx (磁源)发送一次脉冲磁场Hl (通常称为一次场)，在一次场切断的瞬间，由于作用在海底热液硫化物良导电矿体上磁通的变化，在良导电矿体中激励起的感应涡流i2，它是随时间衰变的涡流场，从而激励起随时间变化的感应电磁场H2 (通常称为二次场)。由于二次场包含有海底热液硫化物良导电矿体形状、大小、位置及导电性等丰富的地电信息，在一次脉冲磁场的间歇期间，利用海底接收线圈Rx观测二次场H2(或称响应场)，通过对这些响应信息的提取和分析，从而达到探测海底热液硫化物矿体的目的。利用接收线圈Rx观测的是二次场H2引起的感应电压V(t)V (t) = -d Φ /dt = -qdB/dt = -SrN μ 0dH2/dt式中q称为接收线框的有效面积，Sr、N分别为接收线框的面积和匝数。V (t)通常用发送电流值I归一 V(t)/I，以μν/Α计量。如图3和图4Α、图4Β所示，感应电磁场Η2是由良导电矿体中激励起的感应涡流i2 产生，涡流在矿体内分布随时间变化的特征确定了二次场H2(或V(t))的时间谱特性。在一次场切断的瞬间(称为早期)，涡流分布于矿体表面，由于导电矿体的欧姆损耗，趋肤涡流立即开始衰减，所产生的局部磁场开始衰变，其结果是使涡流向矿内扩散，此时已进入中期阶段，在矿体外部可以观测到与这种变化有关的涡流磁场，如图4A、图4B所示，其特征是磁场的迅速衰减。随后，涡流在矿体中的分布状况不再随时间变化，此时已进入晚期，涡流及与之相关的磁场开始按指数规律衰减。可见，这种衰减速率除与导电性有关外，也与导体的大小有关。TEM法也是基于探测电导率物性差异的物探方法，在海底探测热液硫化物矿同样具有物性条件；近海底简单的地电模型，为TEM法有效性提供了保障。如图1所示，本发明的深海瞬变电磁探测装置由甲板单元、水下仪器舱以及水下拖曳单元构成。其中，甲板单元包括专用监控计算机、甲板电源、混合通讯装置；水下仪器舱包括电磁仪主控PC、数据采集装置、数据储存装置、发射控制单元MCU、水下电池单元、水下实时数据通讯装置、仪器仓拖曳架；水拖曳单元包括发射及接收线圈装置、发射及接收线圈拖曳架。如图2所示，本发明的深海瞬变电磁探测方法包括如下步骤1.甲板单元的监控计算机输入工作设置参数，通过混合通讯装置的网络接口向水下仪器舱的电磁仪主控PC发送相关设置参数，并发送开始测量信号；2.所述水下仪器舱的电磁仪主控PC通过RS232 口与发射控制单元MCU握手，发射控制单元MCU给出MCU系统状态信息，包括电池电压、仪器各部分工作状态等；3.所述电磁仪主控PC机转发所述甲板单元的监控计算机发送的工作频率，采样频率等参数并发送开始信号；4.所述发射控制单元MCU控制IGBT (绝缘栅双极型晶体管)模组，通过发射线圈发送电磁波，工作1 ^后，待发射控制单元MCU工作状态稳定时，发送同步触发信号；5.所述发射控制单元MCU测量工作电流等，通过RS232 口传递至所述电磁仪主控 PC机；6.所述水下仪器舱的数据采集装置采集接收线圈收到的数据，并传输至所述电磁仪主控PC，将数据存储到所述水下仪器舱的数据存储装置，并传输至所述甲板监控单元进行处理；7.所述甲板监控单元根据收到的数据进行实时处理、曲线显示及存储。电磁探测线圈的类型深海环境条件下，海洋电磁法独具的特点，其表现在(1)高电导率海体高对地面电磁噪声衰减殆尽，海底为一级“安静”的电磁环境，噪声底数约为地表的11%。；但是，由于海水对电磁场衰减作用，必然要求提高发送功率，提高接收机的最小可分辩电压；(2)风浪、海流、浪涌等造成拖曳舱在拖曳过程中左右、前后颠簸，都将对观测数据产生干扰；(3)为了减小高导海水的影响，在实际观测中需要将观测拖曳舱(发送、接收线圈)尽可能接近海底，以便对被测目标体有较强的激励和观测到有较强的信号。目前由于受到海底条件的局限，一些工作效率低、成本昂贵或需要在海底定点布极的地球物理方法暂不考虑。小型化的可控源电磁法采用的是人工场源，而且发送、接收装置适合于海底拖曳方式进行连续测量，以实现大面积快速探测的目的。可以考虑用于海底电磁探测的线圈装置主要有以下几种，如图3-2所示(a)水平磁偶共轴偶一偶装置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶装置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶装置；(d)中心回线装置；(e)重叠回线装置。如图5所示，(a)水平磁偶共轴偶一偶装置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶装置； (c)垂直磁偶水平接收偶一偶装置；(d)中心回线装置；(e)重叠回线装置由于首要的地质任务是发现异常为要点，为了选择有效、快速、便于实施的装置，有必要对时域方法各种装置异常响应的剖面曲线形态作比较，选择相对最优的装置。各种偶极装置装置异常响应的剖面曲线形态都比较复杂，曲线形态受矿体形状、产状、规模、埋深等的响应较灵敏，对导体有较好的分辨能力，可以提供产状和形态等方面更多的信息。但是，偶极装置是r较小的动源装置，海底拖曳系统的r及发送磁矩都不可能很大，异常幅值低，探测深度受到限制。深海条件下，拖曳舱高度改变、偶极距r的改变、 海底地形等，对偶极装置所观测到的剖面曲线形态和异常幅度随时间衰变的关系都十分复
ο中心回线装置(Cl)或重叠回线装置(CO)相对于偶极装置，由于对于任何形态的导体的耦合均呈最佳状况，发送磁矩可以相对增大，具有较高的接收电平和较大的探测深度，异常幅值强而且形态简单；可以满足以发现异常为首要的地质任务的要求，是相对最优的装置。—般地说，CO由于Rx框大，在某一固定深度范围内，大立体角所包含的地电体体积大，异常由该范围内的组合地电体感生，有利于发规发现异常；CI则立体角所包含的地电体体积立体角所包含的地电体体积受局限，有利于对浅部地电体的分辩。但是对于小回线而言，只要Rx的有效面积相等，两者异常的剖面曲线及时间谱都完全相重合。现行地面 TEM探头直径约1. 5cm,长50 70cm，有效面积q值约2000m2，内装约10倍的前置放大器。 拖曳舱中装这样一个灵敏器件，做不到便于实施的要求，还将产生完全可以避免的“装置噪声”。那么，CO在同一个框架上绕数百匝Rx线，加上前置放大器，其有效面积q值仍能达到约2000m2，既省事又便于实施，以此重叠回线装置是优选的线圈装置。综上所述，选择CO的依据是1.重叠回线装置对于任何形态的导体(包括直立板状体)相对于其他装置与导体的耦合均呈最佳状况，异常幅度强而且形态简单。2.深海低阻海水的条件下，海底地形起伏将产生异常，不同装置的影响规律不相同；重叠回线装置相对于其他装置具有响应曲线形态简单易于识别便于分析的特点。3.重叠回线装置接收线框的“装置噪声”小、便于实施，有效面积大具有较高的接收电平、较大的探测深度。4.重叠回线装置，异常范围大，有利于观测系统实现连续观测，便于实施，便于实现数据及图件的实时显示。5. R. N. Edwards和S. J. Cheesman等人的研究结用果指出，水平磁偶共轴偶一偶、 垂直磁偶共面偶一偶、中心回线、水平电偶共轴偶一偶等几种装置有选择地组合在一起，能够获得对地质构造及目标体的最大灵敏度，提高地质解释能力和可靠性。不过，从首要的地质任务是发现异常为要点，选择有效、快速、便于实施的装置，这种组合置并不适于拖曳舱
直ο拖曳式深海TEM工作参数设计探测深度设计(D)对于深海拖曳式TEM系统，探测深度与发射磁矩(M)、海水电阻率(P )、最小单位面积可分辨电压(η)以及拖曳高度(H)有关，根据B. R. Spies给出的经验公式D = -H+0. 55 (M P / n)1/5M = NIS (式中N为匝数，I为电流，S为发送线框面积)如图6、图7、图8所示，从以上公式看出，探测深度D与磁矩M的1/5次方成正比，图6表示电流I与探测深度D之间的关系，可以看出，当电流从5A增大到20A时，探测深度增加的梯度大，当电流I从20A增大到50A的时候，探测深度增加的梯度变小，考虑到电流增大对关断时间、电源等因素的影响，发射装置的工作电流10 50A，探测深度Om < H彡IOOm ；优选工作电流20 30A时，探测深度H ^ 7&η。图7表示匝数N与探测深度D之间的关系，当匝数从10匝增大到40匝时，探测深度增加的梯度大，当匝数从40匝增大到100匝时，探测深度增加的梯度变小，考虑到匝数增大使电感量增大，进而影响到关断时间和过渡过程的消除，设计发射线圈匝数为30-50匝， 探测深度Om < H彡IOOm ；优选发射线圈匝数为40匝时，探测深度H ^ 72m。图8表示面积S与探测深度D之间的关系，当发射线圈面积S从0. 5m2增大到
1.5m2时，探测深度增加的梯度大，当发射线圈面积S从1. 5m2增大到5m2时，探测深度增加的梯度变小，兼顾拖体布放、回收以及拖曳稳定性，优选发射线圈面积为1. 47m2时，探测深度H 73m0在现有的施放、回收条件下，最优化关断时间、过渡过程以及拖曳稳定性等仪器性能，设计仪器探测从海底起算Om < H < 78m。拖曳高度设计(H)通过建立海底全空间金属硫化物典型模型(图9)进行TEM正演计算，得到如图 10不同拖曳高度H情况下的TEM响应曲线，结果表明TX发射线圈距离金属硫化物矿体 Om彡H彡50m时TEM响应曲线成指数衰减，且大于背景场值的10%，异常明显；当H彡50m 时，异常响应值逐渐趋近于海洋背景场值，最后淹没在背景场中，金属硫化物矿体TEM异常难以分辨。据此可见拖曳高度Om < H < 50m为最佳观测高度。接收线圈参数设计接收线圈的各项尺寸参数与发射线圈相同。接收线圈匝数应该不小于30匝，面积为1.47m2;根据对最小分辩电压要求大于0.5 μ V，单位最小分辩电压为InV，那么，要求线圈的有效面积大于500m2。即N ^ K500/S, K为前置放大倍数，S为线圈面积；当线圈面积 S=L 47m2，k = 10时，线圈匝数N彡35。发射磁矩设计探测深度(D)，拖曳高度(H)、海水电导率(σ)以及最小单位面积可分辨电压η 决定最小发射磁矩Mmin。Mmin ^ 298 n σ (D+H)5当 σ = 3. Os/m, D = Om, H = 50m, η ^ InV/m2 时；Mmin ^ 308Am2。可见只要M > Mmin就满足勘探任务的要求。发射磁矩M是发射线框面积(S)、发射电流(I)和线圈匝数的乘积M = NIS设计线圈面积为1. 47m2 ；线圈匝数为40 ；发射电流为20A，发射磁矩为1176Am2，大于发射磁矩的最小要求。工作频率设计设计发送电流波形为占空比为1/2的双极性方波，在1 IOOms观测范围内，双极性方波的时基(T/4)为100ms，周期为400ms，工作频率为0. 625Hz-6. 25Hz，优选工作频率为
2.5Hz。拖曳航速设计拖曳船的速度与叠加次数(N)、完成一次叠加所用的时间⑴和点距⑶有关
V = S/NT式中完成一次叠加所用的时间为2倍的观测时窗，即T = 200ms ；具有工业价值的海底硫化矿分布范围取100m(—般为几百米)，设计点距(S)5 10m，足以满足横向分别率，当 S = 5，N = 25 时，Vmin = lm/S 2节；当 S = 10,N = 25 时，Vmax = 2m/S 4 节。故拖曳船舶速度为2 4节。
权利要求
1.一种深海瞬变电磁探测装置，由甲板单元、水下仪器舱以及水下拖曳单元构成，其特征在于所述甲板单元包括专用监控计算机、甲板电源、混合通讯装置；所述水下仪器舱包括电磁仪主控PC、数据采集装置、数据储存装置、发射控制单元 MCU、水下电池单元、水下实时数据通讯装置、仪器仓拖曳架；所述水下拖曳单元包括发射及接收线圈装置、发射及接收线圈拖曳架。
2.根据权利要求1所述的深海瞬变电磁探测装置，其中，所述发射及接收线圈装置为如下类型的线圈装置中的一种(a)水平磁偶共轴偶一偶装置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶装置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶装置；(d)中心回线装置；(e)重叠回线装置。
3.根据权利要求2所述的深海瞬变电磁探测装置，其中，所述发射及接收线圈装置为中心回线装置或者重叠回线装置，其发射及接收线圈面积为 0. 5m2 到 5m2 ；其发射线圈的工作电流为10 50A，发射线圈匝数为30-50匝；其接收线圈匝数大于或等于30匝。
4.根据权利要求3所述的深海瞬变电磁探测装置，其中，所述发射线圈的工作电流为 20 30A。
5.根据权利要求3所述的深海瞬变电磁探测装置，其中，所述发射及接收线圈面积为 1. 47m2 ；所述发射线圈匝数为40匝；所述接收线圈匝数大于或等于35匝。
6.一种深海瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括如下步骤(1)甲板单元的监控计算机输入工作设置参数，通过混合通讯装置的网络接口向水下仪器舱的电磁仪主控PC发送相关设置参数，并发送开始测量信号；(2)所述水下仪器舱的电磁仪主控PC通过RS232口与发射控制单元MCU握手，发射控制单元MCU给出MCU系统状态信息，包括电池电压、仪器各部分工作状态；(3)所述电磁仪主控PC机转发所述甲板单元的监控计算机发送的工作频率，采样频率并发送开始信号；(4)所述发射控制单元MCU控制IGBT绝缘栅双极型晶体管模组，通过发射线圈发送电磁波，工作1 ^后，待发射控制单元MCU工作状态稳定时，发送同步触发信号；(5)所述发射控制单元MCU测量工作电流，通过RS232口传递至所述电磁仪主控PC机；(6)所述水下仪器舱的数据采集装置采集接收线圈收到的数据，并传输至所述电磁仪主控PC，将数据存储到所述水下仪器舱的数据存储装置，并传输至所述甲板监控单元进行处理；(7)所述甲板监控单元根据收到的数据进行实时处理、曲线显示及存储。
7.根据权利要求6所述的深海瞬变电磁探测方法，其中，所述发射及接收线圈面积为0. 5m2到5m2 ；所述发射线圈匝数为30-50匝，所述接收线圈匝数大于或等于30匝；所述发射线圈的工作电流为10 50A。
8.根据权利要求7所述的深海瞬变电磁探测方法，其中， 所述发射及接收线圈面积为1. 47m2 ；所述发射线圈匝数为40匝，所述接收线圈匝数大于或等于35匝； 所述发射线圈的工作电流为20 30A。
9.根据权利要求7或8所述的深海瞬变电磁探测方法，其中所述发射线圈的工作电流的电流波形为占空比为1/2的双极性方波，在1 IOOms观测范围内，双极性方波的时基 (T/4)为100ms，周期为400ms，工作频率为0. 625Hz_6. 25Hz，优选工作频率为2. 5HZ。
10.根据权利要求6所述的深海瞬变电磁探测方法，其中所述发射线圈和接收线圈装置的离海底拖曳高度为Om < H彡100m，所述水下仪器仓的拖曳速度为2 4节。
全文摘要
一种深海瞬变电磁探测装置，由甲板单元、水下仪器舱以及水下拖曳单元构成，所述甲板单元包括专用监控计算机、甲板电源、混合通讯装置；所述水下仪器舱包括电磁仪主控PC、数据采集装置、数据储存装置、发射控制单元MCU、水下电池单元、水下实时数据通讯装置、仪器仓拖曳架；所述水下拖曳单元包括发射及接收线圈装置、发射及接收线圈拖曳架。
文档编号G01V3/10GK102353995SQ20111029105
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者侯海涛, 吴冬华, 周胜, 夏玉东, 宋刚, 左立标, 席振铢, 张道军, 李波, 李锋, 牛之琏, 王鹤, 薛军平, 金星, 黄龙, 龙霞 申请人:北京先驱高技术开发公司