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空地协同电磁探测服务社会资源需求

2019-10-27 03:51

  电磁法勘探是应用地球物理学中方法种类多、应用面广、适应性强的一门分支学科。实践证明,它在深部构造、固体矿产、油气能源和水文、工程、环境等各地质领域的勘测调查中,发挥着重要作用。

  上世纪八十年代以来,随着世界经济的迅猛发展和科学技术的不断进步,国际电磁探测技术及仪器得以飞速发展,取得一系列理论和应用成果,但国内由于长期缺乏成体系的电磁探测仪器研制及生产单位,主要地球电磁探测设备在购置、使用及售后服务等方面均受制于国外供应商,这对我国的资源探查产生了严重的制约。电磁探测技术及仪器对于地质学、地球物理学以及工程和水文等,均具有十分重要的意义。受制于人的感觉“不好受”,却无能为力。

  令人欣慰的是,在吉林大学仪器科学与电气工程学院,长期活跃着一支地球物理探测技术及仪器研发团队,他们以发展我国地下探测技术为己任、以研制电磁探测仪器为目标。经他们之手,研发的一代又一代高科技地球勘探装备诞生了。

  这支队伍的带头人,就是仪器科学与电气工程学院院长林君教授。近年来,在他的带领下,这支电磁探测科研团队已经承担了近20项国家及省部级科研项目,获得资助经费3000余万元;在超大功率发射、宽频磁感应传感器、低噪声不极化电极、空地协同探测、异常环标定等方面,均获得了创造性成果,取得了突破性进展,实现了3000米深度以内的地壳电磁成像;发表了SCI/EI检索论文50余篇,申请/授权发明专利15项,出版专著1部,培养博士/硕士研究生100余名;已研发多种具有国际先进水平的电磁探测仪器,具有广泛的影响力。

  科研不是最终目的,成果转化成实际应用,才是林君院长和他的队员们为之奋斗的终极目标。因为这种理念,在团队成员的努力下,他们所研发的各种电磁探测仪器早就形成了产品化系列,并且在全国多个省、区近七十个单位推广应用,实现直接/间接经济效益超2.3亿元,同时也取得了显著的社会效益,真正支撑起了我国在该领域的一片蓝天。

  那么,他们的科研成果到底有哪些突出表现呢?经走访后发现,无论在频率域系统,还是时间域系统,他们的科研成果都有很多值得借鉴的地方。可以说,在林君院长的带领下,吉林大学仪器科学与电气工程学院的电磁探测装备大放异彩。

  在国家自然科学基金仪器专项及国家潜在油气资源(油页岩勘探开发利用)产学研用合作创新项目等课题的资助下,团队研制了分布式可控源电磁探测系统JLEM。与已有仪器系统不同的是,该系统发射部分采用了级联方式,可以实现高电压大电流输出,这在接地电阻率较高的勘探区域具有明显的优越性。此外,这种设计解决了大发射功率与仪器体积、重量之间的矛盾,方便搬运和野外作业。目前已实现最大发射电压1500V,最大发射电流30A,最大发射功率45kW,并可对发射电流进行稳流控制和波形记录。接收系统采用了低噪声抗干扰设计,并提高了输入阻抗。系统短路噪声达到nV级,结合自行研制的低噪声不极化电极和高灵敏度磁探头,可对微弱电磁信号进行采集。除了提高弱信号采集能力,接收系统还采用了分布式设计,利用有线、无线和GPRS通信功能,可进行大阵列测量,并对各采集站进行实时监控。发射和接收系统也实现了自动扫频测量功能,工作效率得到提高,并可在通讯信号不好的山区进行自动数据采集。除了CSAMT测量,该系统还拓展了激电(IP)测量和大地电磁(MT)测量功能,其中CSAMT和IP的联合测量已在应用中取得初步成效。团队研制的可控源电磁探测系统总体性能已基本达到国际先进水平,部分功能和性能指标已有所超越。该系统已在吉林、辽宁、黑龙江、青海等地的矿产、地热勘探和地质结构调查中得到应用,应用效果显著,最大探测深度达3000m。目前该系统的最新型(产品样机)已处于试生产和应用推广阶段。

  浅地表地质结构、线路管线等均反映为电性和磁性异常,应用近地表电磁探测仪器可以进行无损探测地下结构,通过软件成图表述地下地质体或管线的空间分布情况。近地表探测仪器采用多频位流信号发射技术,产生交变的一次磁场,地下存在的金属管线或其他良导体被一次磁场所激发并感应产生二次磁场,利用参考线圈一次场精确抵消技术,获取二次磁场电压信号,通过分析一次场和二次场电压感应信号关系和变化规律探测地下结构。团队在吉林省科技发展计划重点项目的资助下,研发了便携式近地表电磁成像系统的科研样机。

  海底蕴藏着丰富的矿产资源,也是人类生活空间的重要延拓,当前海底探查活动日益频繁,相关技术和装备已成为研究热点。课题组在国家863计划的资助下,开展了海洋频率域电磁法研究,研制了海底大功率频率域电磁发射系统实验样机,用于海底深部油气和水合物勘探。发射系统于2010年完成实验样机,采用开关器件并联发射技术,最大发射电流350A并进行了海试,为发展海洋大深度频率域电磁勘探系统奠定了基础。

  2005年该团队开展研究前,用于频率域电磁探测的磁感应传感器一直是制约国内电磁探测的瓶颈问题。为突破该问题对国内电磁探测仪器研发的影响,在国家自然科学基金的资助下,团队成员克服基础薄弱、测试困难等多重障碍,利用电反馈灵敏度均一化技术、磁反馈频带扩展技术等,攻克了宽频带、低噪声等一系列技术难题,研制出混场源电磁探测磁传感器、音频大地电磁用磁传感器以及同时适合音频大地电磁和大地电磁用的宽频带磁传感器。宽频带磁传感器的可用频带宽度为0.001Hz—10kHz,灵敏度0.3v/nT Hz@f10Hz,噪声水平为10-4nT/Hz1/2。

  地面瞬变电磁探测系统在该单位已有十几年的发展历程,在中国地质调查局、国家科技攻关计划、吉林省科技发展计划项目、国家自然科学基金等项目资助下,得到了迅速发展。针对不同的探测需求,利用全程瞬变电磁探测技术、异常环标定技术等,突破浅层盲区,分别研制了浅层到中、深层的瞬变电磁探测系统,并先后销往全国几十家单位,应用上百处地质工程勘探,取得了良好的勘探效果。仪器系统主要性能指标已达到国际先进水平,荣获了吉林省科学技术进步奖、高等学校科学技术奖等多项荣誉,已委托重庆地质仪器厂批量生产,带来了巨大的经济社会效益。

  在国内首次提出了基于无人飞行器的地空电磁探测系统。时间域地空电磁系统将发射系统放在地面,在地面铺设几公里的长接地导线或大定源回线源,将电磁接收系统、电磁传感器安装在直升机、无人机或飞艇上,进行飞行测量。地空电磁探测系统具有发射功率大(超100kW)、信噪比高、空间分辨率高、布线方便快捷、探测效率高、勘探深度大(1000m—2000m)等突出优势。主要解决森林覆盖区、沼泽丛林、海陆交互区等人难以到达区域的电磁探测,目前已在江苏、内蒙古等地进行了应用飞行并获得理想效果。基于无人飞行器的地空电磁探测系统,不仅实现了移动快速探测,提高了探测效率和横向分辨率,同时解决了人员的安全性问题。

  为填补我国在吊舱式时间域直升机航空电磁勘查技术方面的空白,缩短与发达国家相关技术的差距,为国家资源环境勘探开发提供技术支撑,2007年科技部立项了直升机吊舱式时间域航空电磁勘查系统研制课题,为国家“十一五”“863”重大项目核心课题之一,吉林大学负责发射和接收系统的研制。通过电流分段控制技术、一次场自抵消技术等关键突破,系统的核心指标如发射磁矩(250000Am2)、静态噪声灵敏度(1.98nT/m2)等均处于国际先进水平,打破了国外技术对国内的封锁垄断,适合于在地形起伏大的山区等条件艰苦地区工作,具有效率高、探测深度较大的特点。在河南桐柏矿区的飞行探测中,与国外先进系统的测区探测对比显示,对地下异常具有良好的反应能力。该系统对于隐伏矿产的普查、地下水勘查、火山落石和隧道勘查等均具有良好应用前景。

  在国内率先研制成功高密度电阻率仪后,在“十一五”国家技术支撑计划项目《矿井老空区探测与灾害防治关键技术及装备》的资助下,该团队又研制开发了分布式大深度高密度电阻率仪,彩霸王图片。实现了高密度电阻率法三维大深度勘查,高效率野外数据采集,灵活地实现各种装置形式。该仪器发射电压最大达500V,发射电流最大达5A,发射极距最大1000m,探测深度最深能达到300m。研制的设备在安徽桃冲铁矿进行了采空区探测实验,探测到采空区的存在,与已知资料基本相符。

  在国内率先开展了感应式空心传感器研究。通过技术攻关,突破了空心传感器研制过程中响应的线性度问题、传感器响应的标定问题以及大有效面积的噪声抑制问题等,最终研制成功系列感应式空心传感器,有效面积从1m2至2000m2,响应频率从1MHz至2kHz,系列传感器已经在地面、航空、地空电磁探测中获得成功应用,具有与国外传感器相同的性能水平,并取得了一定突破。

  成绩属于过去、发展在于未来。当前,电磁探测仪器正在向空中、海洋以及井下等多种应用空间发展,并出现带有时间信息的4D探测方法,以满足监测需要。在电磁探测仪器探索的艰难道路上,吉林大学仪器科学与电气工程学院的科研人员将奋力前行,创造更大辉煌。

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