一種深海瞬變電磁探測裝置的製作方法
2023-04-22 21:56:36 6
專利名稱：一種深海瞬變電磁探測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種深海瞬變電磁探測裝置，探測深海底的高阻體或低阻體的異常，適用於深海熱液硫化物礦床探測。
背景技術：
地球表面70%是海洋，海底蘊藏著對人類的生存和發展極其重要的資源，隨著陸地資源日趨枯竭，海底資源將被人類逐漸開發和利用。為了保護海洋生物、海洋環境，海底資源探測需要環保、高解析度的海洋電磁探測方法。針對深海特殊勘查環境、海底熱液硫化礦「富而淺」的特徵以及首要是「發現異常」 的地質任務要求，我們提出了深海探測系統必須是「有效、快速、便於實施」。目前國內外進行深勘察的方法主要是大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法 (CSAMT)。大地電磁法(MT)是長周期測量天然海底大地電磁信號，計算海底電阻率，儀器設備脫離船舶首先沉入海底，測完一個點後再用聲控裝置釋放沉重，儀器設備利用浮力球浮出海面，再打撈。可見，工作非常繁瑣，而且測量一個測點數據至少2天，不滿足「有效、快速、便於實施」的條件。可控源音頻大地電磁法(CSAMT)是大地電磁法(MT)的改進，由發射和接收兩部分組成，並且分離距離至少幾公裡，需要2艘勘探船；同時測量30個頻點數據至少用1個小時，在測量期間，船體最好不動。可見可控源音頻大地電磁法(CSAMT)在深海作業不便於實施。
實用新型內容為了解決現有深海勘察方法中存在的問題，本實用新型提出了一種深海瞬變電磁探測裝置。本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置由甲板單元、水下儀器艙以及水下拖曳單元構成。其中，甲板單元包括專用監控計算機、甲板電源、混合通訊裝置；水下儀器艙包括電磁儀主控PC、數據採集裝置、數據儲存裝置、發射控制單元 MCU、水下電池單元、水下實時數據通訊裝置、儀器倉拖曳架；水下拖曳單元包括發射及接收線圈裝置、發射及接收線圈拖曳架。其中，所述發射及接收線圈裝置為如下類型的線圈裝置中的一種(a)水平磁偶共軸偶一偶裝置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶裝置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶裝置；(d)中心回線裝置；(e)重疊回線裝置。其中，所述發射及接收線圈裝置優選為中心回線裝置或者重疊回線裝置。其中，所述發射及接收線圈裝置進一步優選為重疊回線裝置。根據本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置，其發射線圈的工作電流10 50A ；優選工作電流20 30A。根據本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置，其發射線圈匝數為30-50匝；優選發射線圈匝數為40匝。根據本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置，其接收線圈匝數大於或等於30匝；優選接收線圈匝數大於或等於35匝。根據本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置，其發射及接收線圈面積為0. 5m2到 5m2 ；優選發射及接收線圈面積為1. 47m2。
參照如下附圖將更加易於理解本實用新型圖1為本實用新型的系統結構圖；圖2為本實用新型的工作流程圖；圖3為深海TEM測量原理簡圖；圖4A為瞬變電磁信號的採樣示意圖；圖4B為瞬變電磁信號的另一採樣示意圖；圖5為電磁探測常用的線圈裝置；圖6為發射電流與探測深度的關係圖7為發射線圈匝數與探測深度的關係；圖8為發射線圈面積與探測深度的關係；圖9為海底硫化礦正演模型示意圖；圖10為不同拖曳高度H下13. 35ms的TEM響應。
具體實施方式
本實用新型的拖曳式深海瞬變電磁探測裝置，通過深海瞬變電磁法(Transient electromagnetic methods,簡稱TEM)探測海底熱液硫化物，是一種建立在電磁感應原理基礎上的時間域人工源電磁探測方法。在海底，發送回線Tx (磁源)發送一次脈衝磁場Hl (通常稱為一次場)，在一次場切斷的瞬間，由於作用在海底熱液硫化物良導電礦體上磁通的變化，在良導電礦體中激勵起的感應渦流i2，它是隨時間衰變的渦流場，從而激勵起隨時間變化的感應電磁場H2(通常稱為二次場)。由於二次場包含有海底熱液硫化物良導電礦體形狀、大小、位置及導電性等豐富的地電信息，在一次脈衝磁場的間歇期間，利用海底接收線圈Rx觀測二次場H2 (或稱響應場)，通過對這些響應信息的提取和分析，從而達到探測海底熱液硫化物礦體的目的。利用接收線圈Rx觀測的是二次場H2引起的感應電壓V(t)V (t) = -d Φ /dt = -qdB/dt = -SrN μ 0dH2/dt式中q稱為接收線框的有效面積，Sr、N分別為接收線框的面積和匝數。V (t)通常用發送電流值I歸一 V(t)/I，以μν/Α計量。如圖3和圖4Α、圖4Β所示，感應電磁場Η2是由良導電礦體中激勵起的感應渦流i2
4產生，渦流在礦體內分布隨時間變化的特徵確定了二次場H2(或V(t))的時間譜特性。在一次場切斷的瞬間(稱為早期)，渦流分布於礦體表面，由於導電礦體的歐姆損耗，趨膚渦流立即開始衰減，所產生的局部磁場開始衰變，其結果是使渦流向礦內擴散，此時已進入中期階段，在礦體外部可以觀測到與這種變化有關的渦流磁場，如圖4A、圖4B所示，其特徵是磁場的迅速衰減。隨後，渦流在礦體中的分布狀況不再隨時間變化，此時已進入晚期，渦流及與之相關的磁場開始按指數規律衰減。可見，這種衰減速率除與導電性有關外，也與導體的大小有關。TEM法也是基於探測電導率物性差異的物探方法，在海底探測熱液硫化物礦同樣具有物性條件；近海底簡單的地電模型，為TEM法有效性提供了保障。如圖1所示，本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置由甲板單元、水下儀器艙以及水下拖曳單元構成。其中，甲板單元包括專用監控計算機、甲板電源、混合通訊裝置；水下儀器艙包括電磁儀主控PC、數據採集裝置、數據儲存裝置、發射控制單元MCU、水下電池單元、 水下實時數據通訊裝置、儀器倉拖曳架；水拖曳單元包括發射及接收線圈裝置、發射及接收線圈拖曳架。如圖2所示，本實用新型的深海瞬變電磁探測裝置工作過程如下1.甲板單元的監控計算機輸入工作設置參數，通過混合通訊裝置的網絡接口向水下儀器艙的電磁儀主控PC發送相關設置參數，並發送開始測量信號；2.所述水下儀器艙的電磁儀主控PC通過RS232 口與發射控制單元MCU握手，發射控制單元MCU給出MCU系統狀態信息，包括電池電壓、儀器各部分工作狀態等；3.所述電磁儀主控PC機轉發所述甲板單元的監控計算機發送的工作頻率，採樣頻率等參數並發送開始信號；4.所述發射控制單元MCU控制IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)模組，通過發射線圈發送電磁波，工作1 ^後，待發射控制單元MCU工作狀態穩定時，發送同步觸發信號；5.所述發射控制單元MCU測量工作電流等，通過RS232 口傳遞至所述電磁儀主控 PC機；6.所述水下儀器艙的數據採集裝置採集接收線圈收到的數據，並傳輸至所述電磁儀主控PC，將數據存儲到所述水下儀器艙的數據存儲裝置，並傳輸至所述甲板監控單元進行處理；7.所述甲板監控單元根據收到的數據進行實時處理、曲線顯示及存儲。電磁探測線圈的類型深海環境條件下，海洋電磁法獨具的特點，其表現在(1)高電導率海體高對地面電磁噪聲衰減殆盡，海底為一級「安靜」的電磁環境，噪聲底數約為地表的11%。；但是，由於海水對電磁場衰減作用，必然要求提高發送功率，提高接收機的最小可分辯電壓；(2)風浪、海流、浪湧等造成拖曳艙在拖曳過程中左右、前後顛簸，都將對觀測數據產生幹擾；(3)為了減小高導海水的影響，在實際觀測中需要將觀測拖曳艙(發送、接收線圈)儘可能接近海底，以便對被測目標體有較強的激勵和觀測到有較強的信號。目前由於受到海底條件的局限，一些工作效率低、成本昂貴或需要在海底定點布
5極的地球物理方法暫不考慮。小型化的可控源電磁法採用的是人工場源，而且發送、接收裝置適合於海底拖曳方式進行連續測量，以實現大面積快速探測的目的。可以考慮用於海底電磁探測的線圈裝置主要有以下幾種，如圖3-2所示(a)水平磁偶共軸偶一偶裝置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶裝置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶裝置；(d)中心回線裝置；(e)重疊回線裝置。如圖5所示，(a)水平磁偶共軸偶一偶裝置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶裝置； (c)垂直磁偶水平接收偶一偶裝置；(d)中心回線裝置；(e)重疊回線裝置由於首要的地質任務是發現異常為要點，為了選擇有效、快速、便於實施的裝置，有必要對時域方法各種裝置異常響應的剖面曲線形態作比較，選擇相對最優的裝置。各種偶極裝置裝置異常響應的剖面曲線形態都比較複雜，曲線形態受礦體形狀、 產狀、規模、埋深等的響應較靈敏，對導體有較好的分辨能力，可以提供產狀和形態等方面更多的信息。但是，偶極裝置是r較小的動源裝置，海底拖曳系統的r及發送磁矩都不可能很大，異常幅值低，探測深度受到限制。深海條件下，拖曳艙高度改變、偶極距r的改變、 海底地形等，對偶極裝置所觀測到的剖面曲線形態和異常幅度隨時間衰變的關係都十分復
ο中心回線裝置(Cl)或重疊回線裝置(CO)相對於偶極裝置，由於對於任何形態的導體的耦合均呈最佳狀況，發送磁矩可以相對增大，具有較高的接收電平和較大的探測深度，異常幅值強而且形態簡單；可以滿足以發現異常為首要的地質任務的要求，是相對最優的裝置。一般地說，CO由於Rx框大，在某一固定深度範圍內，大立體角所包含的地電體體積大，異常由該範圍內的組合地電體感生，有利於發規發現異常；CI則立體角所包含的地電體體積立體角所包含的地電體體積受局限，有利於對淺部地電體的分辯。但是對於小回線而言，只要Rx的有效面積相等，兩者異常的剖面曲線及時間譜都完全相重合。現行地面 TEM探頭直徑約1. 5cm,長50 70cm，有效面積q值約2000m2，內裝約10倍的前置放大器。 拖曳艙中裝這樣一個靈敏器件，做不到便於實施的要求，還將產生完全可以避免的「裝置噪聲」。那麼，CO在同一個框架上繞數百匝Rx線，加上前置放大器，其有效面積q值仍能達到約2000m2，既省事又便於實施，以此重疊回線裝置是優選的線圈裝置。綜上所述，選擇CO的依據是1.重疊回線裝置對於任何形態的導體(包括直立板狀體)相對於其他裝置與導體的耦合均呈最佳狀況，異常幅度強而且形態簡單。2.深海低阻海水的條件下，海底地形起伏將產生異常，不同裝置的影響規律不相同；重疊回線裝置相對於其他裝置具有響應曲線形態簡單易於識別便於分析的特點。3.重疊回線裝置接收線框的「裝置噪聲」小、便於實施，有效面積大具有較高的接收電平、較大的探測深度。4.重疊回線裝置，異常範圍大，有利於觀測系統實現連續觀測，便於實施，便於實現數據及圖件的實時顯示。[0069]5. R. N. Edwards和S. J. Cheesman等人的研究結用果指出，水平磁偶共軸偶一偶、 垂直磁偶共面偶一偶、中心回線、水平電偶共軸偶一偶等幾種裝置有選擇地組合在一起，能夠獲得對地質構造及目標體的最大靈敏度，提高地質解釋能力和可靠性。不過，從首要的地質任務是發現異常為要點，選擇有效、快速、便於實施的裝置，這種組合置並不適於拖曳艙裝置。[0070]拖曳式深海TEM工作參數設計探測深度設計(D)對於深海拖曳式TEM系統，探測深度與發射磁矩(M)、海水電阻率(P )、最小單位面積可分辨電壓(η)以及拖曳高度(H)有關，根據B. R. Spies給出的經驗公式D = -H+0. 55 (M P / n)1/5M = NIS (式中N為匝數，I為電流，S為發送線框面積)如圖6、圖7、圖8所示，從以上公式看出，探測深度D與磁矩M的1/5次方成正比，圖6表示電流I與探測深度D之間的關係，可以看出，當電流從5A增大到20A時，探測深度增加的梯度大，當電流I從20A增大到50A的時候，探測深度增加的梯度變小，考慮到電流增大對關斷時間、電源等因素的影響，發射裝置的工作電流10 50A，探測深度Om < H彡IOOm ；優選工作電流20 30A時，探測深度為H ^ 78m。圖7表示匝數N與探測深度D之間的關係，當匝數從10匝增大到40匝時，探測深度增加的梯度大，當匝數從40匝增大到100匝時，探測深度增加的梯度變小，考慮到匝數增大使電感量增大，進而影響到關斷時間和過渡過程的消除，設計發射線圈匝數為30-50匝， 探測深度Om < H彡IOOm ；優選發射線圈匝數為40匝時，探測深度為H ^ 72m。圖8表示面積S與探測深度D之間的關係，當發射線圈面積S從0. 5m2增大到 1. 5m2時，探測深度增加的梯度大，當發射線圈面積S從1. 5m2增大到5m2時，探測深度增加的梯度變小，兼顧拖體布放、回收以及拖曳穩定性，優選發射線圈面積為1. 47m2時，探測深度H 73m0在現有的施放、回收條件下，最優化關斷時間、過渡過程以及拖曳穩定性等儀器性能，設計儀器探測從海底起算Om < H < 78m。拖曳高度設計(H)通過建立海底全空間金屬硫化物典型模型(圖9)進行TEM正演計算，得到如圖 10不同拖曳高度H情況下的TEM響應曲線，結果表明TX發射線圈距離金屬硫化物礦體 Om彡H彡50m時TEM響應曲線成指數衰減，且大於背景場值的10%，異常明顯；當H彡50m 時，異常響應值逐漸趨近於海洋背景場值，最後淹沒在背景場中，金屬硫化物礦體TEM異常難以分辨。據此可見拖曳高度Om < H Mmin就滿足勘探任務的要求。發射磁矩M是發射線框面積(S)、發射電流(I)和線圈匝數的乘積M = NIS設計線圈面積為1. 47m2 ；線圈匝數為40 ；發射電流為20A，發射磁矩為1176Am2，大於發射磁矩的最小要求。工作頻率設計設計發送電流波形為佔空比為1/2的雙極性方波，在1 IOOms觀測範圍內，雙極性方波的時基(T/4)為100ms，周期為400ms，工作頻率為0. 625Hz-6. 25Hz，優選工作頻率為 2. 5Hz。拖曳航速設計拖曳船的速度與疊加次數(N)、完成一次疊加所用的時間⑴和點距⑶有關V = S/NT式中完成一次疊加所用的時間為2倍的觀測時窗，即T = 200ms ；具有工業價值的海底硫化礦分布範圍取100m(—般為幾百米)，設計點距(S)5 10m，足以滿足橫向分別率，當 S = 5，N = 25 時，Vmin = lm/S 2節；當 S = 10,N = 25 時，Vmax = 2m/S 4 節。故拖曳船舶速度為2 4節。
權利要求1.一種深海瞬變電磁探測裝置，由甲板單元、水下儀器艙以及水下拖曳單元構成，其特徵在於所述甲板單元包括專用監控計算機、甲板電源、混合通訊裝置；所述水下儀器艙包括電磁儀主控PC、數據採集裝置、數據儲存裝置、發射控制單元 MCU、水下電池單元、水下實時數據通訊裝置、儀器倉拖曳架；所述水下拖曳單元包括發射及接收線圈裝置、發射及接收線圈拖曳架。
2.根據權利要求1所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置為如下類型的線圈裝置中的一種(a)水平磁偶共軸偶一偶裝置；(b)垂直磁偶水平共面偶一偶裝置；(c)垂直磁偶水平接收偶一偶裝置；(d)中心回線裝置；(e)重疊回線裝置。
3.根據權利要求2所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置為中心回線裝置或者重疊回線裝置。
4.根據權利要求3所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置，其發射線圈的工作電流為10 50A。
5.根據權利要求4所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置，其發射線圈的工作電流為20 30A。
6.根據權利要求3所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置，其發射及接收線圈面積為0. 5m2到5m2 ；發射線圈匝數為30-50匝；接收線圈匝數大於或等於 30匝。
7.根據權利要求6所述的深海瞬變電磁探測裝置，其中，所述發射及接收線圈裝置，其發射及接收線圈面積為1. 47m2 ；發射線圈匝數為40匝；接收線圈匝數大於或等於35匝。
專利摘要一種深海瞬變電磁探測裝置，由甲板單元、水下儀器艙以及水下拖曳單元構成，所述甲板單元包括專用監控計算機、甲板電源、混合通訊裝置；所述水下儀器艙包括電磁儀主控PC、數據採集裝置、數據儲存裝置、發射控制單元MCU、水下電池單元、水下實時數據通訊裝置、儀器倉拖曳架；所述水下拖曳單元包括發射及接收線圈裝置、發射及接收線圈拖曳架。
文檔編號G01V3/10GK202256697SQ20112036660
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者侯海濤, 吳冬華, 周勝, 夏玉東, 宋剛, 左立標, 席振銖, 張道軍, 李波, 李鋒, 牛之璉, 王鶴, 薛軍平, 金星, 黃龍, 龍霞 申請人:北京先驅高技術開發公司