海底大地电磁信号采集的技术难点

海底大地电磁探测要解决的首要问题是海底信号采集。对于陆上已广泛使用且采集技术已较为成熟的大地电磁测深法来说 ,该方法在海洋中的应用并不是一个简单的方法移植问题。由于海洋环境的严酷、海上作业的风险和海底信号微弱 ,要实现海底大地电磁信号采集面临着重重困难。为实现预期的探测目标 ,需采用一系列高新技术 ,包括微弱信号检测技术、海底多台观测系统的高精度同步技术、智能化控制技术、水下密封承压技术以及硬件系统集成技术等等。对海底大地电磁探测所遇到的难点技术问题作了初步的探讨     

硬件系统集成——海底大地电磁测量的关键技术

海底大地电磁探测是一项多学科交叉和多技术渗透的前缘课题 ,课题的目标之一是研制用于海底数据采集的大地电磁测量系统。入海的难度给该系统提出了特殊要求 ,即必须解决海下仪器安全及海面与海底间的设备运载问题。由于涉及多项技术内容 ,每项技术由相应的硬件完成 ,因而整个系统包括了多个集成部件 ,各部件分别实现密封承压、重载下沉、水下布极、释放上浮等各项功能。在系统集成过程中 ,除了要考虑各部件的协调装配外 ,系统整体指标的完善性是研究的重点。根据海上作业的特点和船只设备的具体情况 ,系统集成方案解决了结构、强度、平衡、保护等设计难题 ,提出了若干个既实用又可靠的工程技术方法。集成后的系统经过了从甲板投放、海底数据采集到设备回收全过程的试验。     

海洋CSEM和MT一维联合反演研究

传统频率域海洋可控源电磁(MCSEM)法利用极化方向电场实部与虚部信息进行反演,由于海底沉积层电阻率一般较低,在海底浅部能取得较为理想的反演效果,但难以探测到海底几千米下的深部基底。这里利用海洋可控源电磁和海洋大地电磁(MT)一维联合反演程序,采用奥克姆反演算法,尝试对海洋电阻率模型进行联合反演。通过反演试算发现,利用频率更低的海洋MT加入反演,不会影响浅部反演效果,同时能探测到深部基底,为海底油气勘探提供了更多技术手段。     

海底大地电磁探测的海洋试验研究

开展海底大地电磁探测需要有一套完善的海上施工方案。为解决海洋环境作业过程中遇到的工程技术问题 ,如探测仪器布放点位的选择、电路初始化设置以及设备的投放与回收方式等等 ,提出了有针对性的解决方法 :利用多波束声纳扫描和抓斗取样技术了解海底地形与底质 ;根据信号的频宽合理选取采集参数 ;研发与海上作业相关的专用硬件产品 ;用声控技术实现设备的回收等等。经过海洋探测试验 ,验证了上述方法的有效性。     

海底环境参数采集电路的硬件实现及其驱动软件设计

海底大地电磁探测与陆上同类探测的技术差别之一是其测量过程受环境因素的影响较大.为真实地获取海底岩石介质的电性模型, 在对海底大地电磁实测信号进行数据处理的同时, 需参考海底仪器的方位朝向、倾斜姿态等信息, 以便认识海底电磁场真实的矢量变化方向, 进而实现对整个测网多站位的统一资料解释.为达到这一目的, 海底大地电磁仪内部设有环境参数采集通道, 该通道对诸如方位、倾斜、温度等信息实施分时循环采集.电路包括PC104嵌入式计算机、多路选择开关、逻辑控制门阵列等硬件单元.在硬件架构搭建完成后, 开发出相配套的电路驱动软件, 实现对海底环境参数的实时记录与存储.近期的海洋试验效果显示, 所研制的电路硬件及其驱动软件已达到设计要求.      

抽取滤波在海底大地电磁探测中的应用

海底大地电磁仪使用了△-Σ调制技术来实现微伏级信号的采集.从抽样理论出发,讨论了针对△-∑调制器输出的高频位流信号而进行的抽取滤波的原理及其构成,指出抽取滤波过程中必须使用多级抽取结构进行抽取和滤波,海底大地电磁仪器中使用的三级抽取滤波结构实现了数字抽取、抗混叠和滤除基带以外量化噪声的功能.同时也介绍了滤波模块的接口和海底大地电磁数据采集器中数字通道原理.结合海底大地电磁仪器的海上试验,通过分析采集的时间序列及其频谱曲线,说明海底大地电磁仪中使用的抽取滤波是合理、可行的.     

MicrOBEM:小型海底电磁接收机

海底电磁接收机主要用于海底大地电磁与可控源电磁信号高精度观测。针对现有海底电磁接收机(OBEM-Ⅲ型)体积大、功耗大、成本高等不足,开展了小型化、低功耗、低成本方面的技术研究。MicrOBEM小型海底电磁接收机开发了新的低功耗控制单元、低功耗前置放大器,配置了低功耗磁通门传感器,采取先进的电源管理技术,使得整机功耗由现有海底电磁接收机(OBEM-Ⅲ型)的1 600 mW下降至500 mW(搭载感应式磁传感器配置)以内。针对传统的声学释放器昂贵、笨重(需要匹配更多的浮力材料)等问题,通过集成水声通讯模块,并增加外置的电腐蚀释放装置方式实现释放回收,MicrOBEM仅需一个直径为17 in(1 in=2.54 cm)的玻璃浮球作为浮体,大幅降低仪器的体积和硬件成本,提升了设备的集成度和作业效率。MicrOBEM的体积(不含测量臂等)相比OBEM-Ⅲ减少3/4,功耗减少2/3,成本降低1/2,并于2021年3月在南海南部开展了深水大地电磁试验,其大地电磁测量功能得到初步验证,具有小体积、低功耗、低成本的优势。     

海底MT信号采集电路的设计

设计海底大地电磁信号采集电路，需考虑海底信号特征、海上作业以及海底环境等各种因素。分析表明，除遵循电路设计的一般原则外，海底大地电磁测量要重点解决微弱信号检测、智能化数据采集、海底环境监测和同步记录等4个方面的问题。在设计方案中，电路灵敏度达到微伏级；使用嵌入式计算机实现采集控制；对方位、倾斜、振动、温度等参数进行巡回记录；仪器的时钟精度精准到微秒。所研制的电路经过了室内模拟测试和海洋试验。首次采集到中国海域的大地电磁数据。     

海水层对海洋大地电磁勘探的影响研究

为了研究海水层对大地电磁测深的影响,建立了一维层状模型并进行计算。结果表明,海水层对电磁场的影响特征主要表现为高频段的影响大于低频段,磁场的影响大于电场,相位的影响大于振幅。针对海洋大地电磁测深中使用远参考道问题,设计了三种二维地电模型(取参考点位于陆地或海底,测点位于海底),并对三种模型的大地电磁响应进行了有限单元法数值模拟,通过异常对比研究表明,在海洋大地电磁测深中可以使用远参考道,获得海底深部介质的地电信息。     

海底电场传感器原理及研制技术

因海底电场信号微弱，海下自然环境复杂以及海水导电介质以氯离子为主等原因，用于海下电场测量的电场传感器在材料和结构上有其特殊性。研制海底电场传感器成为开展海洋大地电磁探测的重要技术内容之一。研制过程遇到的主要技术问题有；海底电极材料的选择；电极的制作工艺；承压与密封技术；海水运动对测量产生不利影响的克服办法；水下弱信号传输的抗干扰问题，等等，阐述了对上述问题的解决办法。提出了海底电场传感器的全套研制方案。并列举了相关的室内模拟实验和海洋试验的结果。     

中国大陆深探测的大地电磁测深研究

通过对地震波速度、密度、磁性、导电性等物理场进行观测,研究地壳与上地幔的物性与结构特征,将为研究地球内部物质状态、地壳运动过程及其动力学机制等科学命题提供科学依据,同时也将为寻找深部大型矿床提供信息。大地电磁深探测方法作为研究地球壳幔电性结构的主要地球物理方法,在国内外完成了大量探测工作,取得了许多重要的研究成果。在研究壳幔构造方面,大地电磁法和地震方法一起被视为两大支柱方法,在世界范围内解决大陆动力学问题方面已有许多成功的应用范例。但由于大地电磁探测以天然电磁场作为场源,在矿集区等强干扰地区往往很难采集到高信噪比的数据,抗干扰能力较弱。同时,大地电磁与地震数据的约束反演以及联合解释目前尚没有达到实用化,这些都限制了大地电磁数据的处理及解释精度。"深部探测技术与实验研究"(SinoProbe)专项下属的"深部探测技术实验与集成"项目将选择青藏高原、西部造山带与华南山区结晶岩等复杂地质条件和不同人文干扰水平地区,以大地电磁探测与地震探测作为主要手段,研究深部精细地球物理探测技术的集成,并且通过实验剖面研究这些实验区的壳幔结构特征。其中的"大地电磁测深大剖面观测实验与壳/幔三维电性研究"课题,将通过在实验区的大地电磁观测实验,研究适用于不同地质条件及干扰水平地区的大地电磁数据采集方法技术以及精细处理与反演方法,同时探讨大地电磁数据与地震数据的约束反演以及联合解释。该研究将提高深部地球物理探测精度,为深部精细地球物理探测方法技术集成以及区域地球物理精细探测提供范例。已经完成的青藏高原东北缘西秦岭造山带和福建结晶岩地区的大地电磁观测试验表明,在这些典型地质构造区域,虽然存在施工困难,干扰水平大等各种不利因素,但只要采取合适的野外观测技术,并通过数据精细处理与反演计算,是能够获得高质量的大地电磁数据以及可靠的电阻率分布模型。试验所取得的成果,将为实现"深部探测技术实验与集成"项目科学目标和研究任务提供重要的技术支撑与保障。     

中国海洋地球化学探测技术的现状与发展

地球化学探测与分析技术在海洋地质调查、海底矿产资源勘探、研究与开发中发挥巨大作用，文中简介了我国目前海洋地球化学分析技术的现状，着重评介了用于海洋地球化学探测的一些新技术、新方法。主要包括：船载现场民探测技术；陆上实验室的现代分析方法以及用于化学数据质量监控、分析方法评价和进行国际对比的各类海洋标准物质的研制与应用。并结合前及近期我国海洋矿产资源与环境研究任务，对发展海洋地球化学探测与分析新技术提出建议。     

四阶△－∑过抽样电路原理及其在微弱地学信号检测中的应用

传统的测量电路无法解决诸如海底大地电磁场这样微弱地学信号的检测问题。近几年诞生了一种称之为△-∑的电路理论以及相应的硬件芯片，给微伏级的弱信号检测开辟一条新的技术路径。文章介绍与地学探测有关的一种△-∑电路类型，该类型以低频段微弱信号为检测对象。采用系统理论和电路分析方法对△-∑原理作了较深入的讨论，阐明这种电路技术对提高微弱信号观测的分辨率是有效的。结合海底大地电磁探测中的信号采集问题，介绍了在仪器中把多路的被测模拟量变为数字量的技术过程。经对实际采集的海底信息的频谱曲线进行分析，证实所采用的△-∑技术以及多路信号采集的电路方案是合理的。     

海洋地球物理技术的发展

海洋地球物理的海底探测技术在20世纪里的迅猛发展推动了地球科学的进展。高精度的导航定位技术是实现海底高精度探测的基础。高精度的导航定位包括水面船只和水下探测系统的精确定位。现代水面船只定位依赖以全球卫星定位技术为主的导航定位系统；水下定位系统主要发展有超短基线定位系统(USBL)、短基线定位系统(SBL)和长基线定位系统(LBL)等。海洋重力测量系统的主体技术得到改进，陀螺稳定平台广泛采用光纤陀螺技术，开发出改正交又耦合效应的新技术，系统实现数字化控制，卫星测高技术引入海洋重力测量领域。海洋地磁测量发展出光泵式测量技术、多分量测量技术和梯度测量技术，近数十年快速发展起来的海底声学探测技术有多波束测深技术、声纳侧扫技术和浅层剖面测量技术等，这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发等方面发挥出极其重要的作用。在新的世纪里，海洋地球物理仍然保持着前沿科学的地住。     

基于VB和SQL Server大地电磁测深成果数据库的设计与实现

针对当前地球物理勘探数据库系统一系列普遍存在的问题,如专业数据结构设计的复杂性、对数据处理加工要求和缺乏对专项成果数据的有效管理,开展了基于深部探测岩石圈结构的大地电磁测深成果数据库设计与实现.本课题以大地电磁测深基本理论、数据库技术和计算机技术为基础,收集以深部探测为主的全国各大区域大地电磁测深资料,并对其进行整理、分析和建模,设计与开发基于SQL Server 2005和Visual Basic 6.0的大地电磁数据库系统.该系统不仅可快捷地实现数据的检索、查询、编辑、输入、输出等基本功能,而且可进行大地电磁成果图件的存取和可视化操作.同时,本系统的研发将对开展中国岩石圈结构、地球动力学和地球构造演化的研究起到重要的技术支撑作用.     

多种电磁测深技术在深部控矿构造探测中的应用研究—以泥河铁矿为例

长江中下游成矿带是我国东部重要的铁、铜多金属矿产资源基地,使用现代地球物理探测技术对该成矿带典型矿床深部结构进行探测,对认识深部矿床成因、总结找矿方法和深部找矿的实践具有重要意义。本文选取位于长江中下游成矿带庐枞矿集区内的泥河玢岩铁矿为实验区,开展了音频大地电磁(AMT)、可控源音频大地电磁(CSAMT)和瞬变电磁(TEM)等电磁法探测实验;通过对AMT、CSAMT和TEM数据的处理和反演,发现3者相同测线反演结果反映的控矿地质体电性特征基本一致,但细节上存在一定差异。综合3种电磁测深反演结果,电性特征刻画了砖桥组火山岩地层分布,分辨出闪长玢岩体的隆起部位和基本形态,揭示了矿体的赋存位置。认为在合理的数据采集、处理和反演条件下,电磁测深能有效地区分复杂地质构造条件下次火山岩与围岩的电性差异,找到控矿构造界面,从而推断出矿体的位置。     

海底浅表层信息声探测技术研究现状及发展

回顾了我国海洋仪器研发的历史,综述并对比了多波束测深、侧扫声呐和浅层剖面仪等海底浅表层信息声呐探测技术的国内外研究现状:经过数十年的海洋技术研发,国内在设备研发、数据资料处理方法研究和探测数据资料应用研究等方面已取得了较丰硕的研究成果,但同时也发现在当前国内海洋技术研发中仍存在一些潜在的问题,与国外相关海洋技术尚存在一定差距。以维护海洋权益为目标的系列重大海洋基础勘测项目的启动和深海资源勘查及研究的纵深发展是近年海洋技术得以快速发展的源动力。声学底质分类、声学海底原位测试、动力地貌和构造地貌等是目前海底浅表层声探测信息资料应用于海底科学研究的热点。对海洋技术的可持续发展提出了几点建议：①提高理论研究水平;②加快仪器设备研制的国产化进程;③加强自主知识产权数据处理软件的研发;④进行探测数据资料的深层次利用研究。     

海洋CSEM法探测二维海底天然气水合物响应特征

针对海底天然气水合物开展了可控源电磁探测法(Controlled-source Electromagnetic Method,CSEM)响应研究,根据实际地质资料设计二维地电模型并进行正演计算,讨论了频率变化对CSEM响应结果的影响以及海底地形起伏时的CSEM响应特征。综合天然气水合物二维正演模拟结果,论证了海洋CSEM探测海底天然气水合物的可行性,研究成果可为今后的海底天然气水合物勘探提供技术支持。     

Application of Comprehensive Magnetotelluric Sounding Technique in Prospecting Deep Structures: A Case Study of Nihe Porphyrite Iron Deposit

长江中下游成矿带是我国东部重要的铁、铜多金属矿产资源基地,使用现代地球物理探测技术对该成矿带典型矿床深部结构进行探测,对认识深部矿床成因、总结找矿方法和深部找矿的实践具有重要意义.本文选取位于长江中下游成矿带庐枞矿集区内的泥河玢岩铁矿为实验区,开展了音频大地电磁(AMT)、可控源音频大地电磁(CSAMT)和瞬变电磁(TEM)等电磁法探测实验;通过对AMT、CSAMT和TEM数据的处理和反演,发现3者相同测线反演结果反映的控矿地质体电性特征基本一致,但细节上存在一定差异.综合3种电磁测深反演结果,电性特征刻画了砖桥组火山岩地层分布,分辨出闪长玢岩体的隆起部位和基本形态,揭示了矿体的赋存位置.认为在合理的数据采集、处理和反演条件下,电磁测深能有效地区分复杂地质构造条件下次火山岩与围岩的电性差异,找到控矿构造界面,从而推断出矿体的位置.     

我国海洋地质调查研究新进展

近10年来,我国海洋地质工作在海岸带、近海与管辖海域、大陆架边缘海和深海大洋开展了地质构造、矿产资源、环境灾害和探查技术及仪器设备等方面的调查研究和研发,取得一系列重要成果。如历时8年的“我国近海海洋综合调查与评价”专项(908专项),完成了1∶100万管辖海域的16个图幅、1∶25万13个图幅的综合调查和9个区块海砂资源评价; 在南海北部琼东南盆地发现了3个大气田; 开展了海岸带环境地质调查评价与图集(1∶400万)编制; “南海深海过程演变”专项研究与南黄海陆架区科学钻探均有新发现; 海底石油勘探与开发技术(“海洋石油981”钻井平台)、南海北部海域天然气水合物探测技术及发现(Ⅱ型天然气水合物、可燃冰冷泉)、南海天然气水合物试采成功,以及海底探测技术与采样设备的研发等等取得了实质性进展或突破。这些重要成果极大地提高了我国海洋地质调查的程度、研究水平和综合实力。