AMT野外最佳觀測(cè)時(shí)間及人工源信號(hào)作用的探討

喬寶強(qiáng)，程紀(jì)星，劉 祜，張濡亮

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029）

由于作為音頻大地電磁法信號(hào)源的天然電磁場(chǎng)在不同時(shí)間段和不同頻率范圍內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度分布特點(diǎn)不同，所以在野外不是在任何時(shí)間段內(nèi)都可以獲得所測(cè)頻率范圍內(nèi)足夠強(qiáng)的天然電磁場(chǎng)信號(hào)。實(shí)測(cè)表明不同時(shí)期內(nèi)獲得的音頻大地電磁測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量差異較大。通常，自然界中大于1Hz的音頻電磁場(chǎng)主要由雷電產(chǎn)生，因此在雷雨季節(jié)天然電磁場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度大，這個(gè)季節(jié)獲取的音頻大地電磁測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量也最好。而其它季節(jié)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)常在500～5000Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn) “死頻點(diǎn)”現(xiàn)象，直接影響了原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。

本文根據(jù)不同季節(jié)獲取的音頻大地電磁測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，總結(jié)出最適宜開展音頻大地電磁法野外工作的時(shí)間，并提出在不佳季節(jié)工作時(shí)應(yīng)采取人工發(fā)射電磁場(chǎng)的方式彌補(bǔ)天然場(chǎng)信號(hào)的不足，以提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1 音頻大地電磁法簡(jiǎn)介

音頻大地電磁法 （Audio magneto－tellurics）簡(jiǎn)稱為AMT，是大地電磁 （MT）法的一個(gè)分支。它與MT法一樣，利用天然電磁場(chǎng)作為場(chǎng)源，測(cè)定地下巖石的電性參數(shù)，并通過研究地電斷面的變化達(dá)到了解地質(zhì)構(gòu)造、找礦、找水等地質(zhì)目的的一種地球物理勘探方法[1]。該方法所利用的場(chǎng)源主要是由遠(yuǎn)處的雷電活動(dòng)引起的頻率約為幾至幾千赫茲的天然電磁場(chǎng)。根據(jù)探測(cè)到的天然電磁場(chǎng)頻率的高低，相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)將反映不同深度的地層信息。頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部地層的特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層信息[2]。與電阻率法相比，AMT具有裝置輕、工作效率高、不需人工供電、成本低、勘探深度大等特點(diǎn)，還具有不受高阻層屏蔽和對(duì)低阻層有較高分辨力的優(yōu)點(diǎn)。所以20世紀(jì)70年代年代以來，該方法愈來愈受到各國(guó)地球物理工作者的重視，在地球物理勘探工作中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2 儀器介紹

目前國(guó)內(nèi)常用的音頻大地電磁法儀器主要有V8多功能電法儀和EH4電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x。V8多功能電法儀集成了多種電法勘探功能，包括時(shí)間域常規(guī)電剖面、電測(cè)深、瞬變電磁測(cè)量方法；也具備頻率域MT（大地電磁法）、AMT（音頻大地電磁法）、CSAMT（可控源音頻大地電磁法）、SIP（頻譜激電）電法勘探功能。數(shù)據(jù)處理方面具備功能齊全的正反演解釋軟件。

EH4系統(tǒng)是由美國(guó)EMI公司和Geometrics公司，于1996年聯(lián)合研制生產(chǎn)的全新概念的電導(dǎo)率張量測(cè)量?jī)x。該儀器采用天然和人工電磁場(chǎng)信號(hào)，屬于混合源音頻大地電磁測(cè)深系統(tǒng)，能在各種地形條件下獲得電導(dǎo)率連續(xù)剖面。儀器用反饋式高靈敏度低噪音磁棒和特制的電極，分別接收X、Y兩個(gè)方向的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。

EH4系統(tǒng)還配置了特殊的人工電磁波發(fā)射源。這種發(fā)射源的天線是一對(duì)十字交叉的天線，組成X、Y兩個(gè)方向的磁偶極子，發(fā)射頻率從500～75000Hz，掃頻發(fā)射，配備這種磁偶極子發(fā)射源的EH4測(cè)量頻段為10～100000Hz。為探測(cè)到更深部的地層信息，也有加強(qiáng)型發(fā)射源及低頻磁探頭可供選擇，其低頻段可延伸至0.1Hz[3]。該系統(tǒng)配備的發(fā)射裝置均由12V、60Ah電瓶供電，功耗較低。用于彌補(bǔ)大地電磁場(chǎng)弱信號(hào)區(qū)和幾百赫茲附近的人文電磁干擾諧波[4]。

3 天然電磁場(chǎng)特點(diǎn)

地球的天然電磁場(chǎng)是大地電磁法觀測(cè)研究的對(duì)象，它包括各種不同的頻譜成分，并以不同的形態(tài)出現(xiàn)。天然電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，它隨時(shí)間和空間位置變化[5]。它的產(chǎn)生原因也十分復(fù)雜。一般認(rèn)為，頻率低于1Hz的天然大地電磁場(chǎng)是由周期性和非周期性的地磁場(chǎng)微變引起的，頻率大于1Hz的音頻大地電磁場(chǎng)信號(hào)一般都是由雷電引起的。雷電是由大氣層放電引起的，它是振幅較大的一系列高頻脈沖。雷電能量的最大值約出現(xiàn)在傍晚時(shí)間，而能量最小值約出現(xiàn)在凌晨。雷電產(chǎn)生的電磁能量以傳導(dǎo)波的方式傳播，并在地面與大氣電離層之間來回反射。隨著電磁波的傳播，電磁能量迅速減弱，并趨于均勻。由于地球上幾乎每時(shí)每刻都在某些地方發(fā)生雷陣雨，所以從遠(yuǎn)處雷電所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是一個(gè)近似均勻的信號(hào)源。這種由雷電活動(dòng)引起的頻率大于1Hz的音頻大地電磁場(chǎng)，為我們提供了一個(gè)頻譜很寬，能量豐富，噪聲水平近似均勻的天然場(chǎng)源，只要我們掌握它的變化規(guī)律，完全可以利用它作為電法勘探的場(chǎng)源[1]。

但這種由雷電引起的天然電磁場(chǎng)信號(hào)不穩(wěn)定，某些頻段先天不足，干擾強(qiáng)，信號(hào)弱。頻率在1Hz左右，電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)都很弱；而頻率在1000Hz處磁場(chǎng)信號(hào)十分微弱，幾乎達(dá)到了信號(hào)強(qiáng)度的最低值，該頻段的電場(chǎng)信號(hào)也相對(duì)較弱。在幾十赫茲到10000Hz范圍內(nèi)，人文活動(dòng)的電磁場(chǎng)干擾又特別嚴(yán)重。通常對(duì)于音頻大地電磁法測(cè)量的頻率范圍（1～20000Hz），天然電磁場(chǎng)信號(hào)并不是都很強(qiáng)，特別是500～5000Hz范圍，經(jīng)常無(wú)法采集到滿意數(shù)據(jù)，這一頻率范圍通常稱為數(shù)據(jù)的 “死頻點(diǎn)”。該頻段數(shù)據(jù)也會(huì)受到季節(jié)變化的影響，在夏季雷雨較多的季節(jié)數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯好于冬季。天然場(chǎng)信號(hào)本身的這種特點(diǎn)，必然會(huì)影響不同季節(jié)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

4 不同季節(jié)獲得的音頻大地電磁數(shù)據(jù)對(duì)比分析

我們采用EH4電導(dǎo)率儀，觀測(cè)天然場(chǎng)信號(hào)的時(shí)間序列，將時(shí)間序列轉(zhuǎn)化為頻率域數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出視電阻率及相位曲線[6]。圖1為本次研究中較為有代表性的不同月份音頻大地電磁儀觀測(cè)到的標(biāo)量視電阻率曲線。考慮到我國(guó)南方1～4月為梅雨季節(jié)，北方天氣寒冷，基本上不適宜開展野外工作，所以把試驗(yàn)研究的時(shí)間選為5月至12月。

由圖1可見，在5～12月份，10～1000 Hz范圍的頻段內(nèi)均可采集到較滿意的數(shù)據(jù)，基本上能滿足實(shí)際數(shù)據(jù)處理的需要，僅有個(gè)別頻點(diǎn)的缺失。而大于1kHz頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量則隨月份的不同而有所不同。根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣與觀測(cè)時(shí)間也有著密切關(guān)系。因?yàn)轭l率大于1kHz的天然場(chǎng)信號(hào)很弱，尤其在1kHz附近天然場(chǎng)信號(hào)更是微弱。所以要采集到滿意數(shù)據(jù)，必須增加采集的時(shí)間，提高數(shù)據(jù)采集的迭代次數(shù)，但這就會(huì)相應(yīng)地降低工作效率。

我們觀察7～9月份的視電阻率曲線，大于1kHz的頻段可獲得高質(zhì)量的音頻大地電磁數(shù)據(jù)，尤其在7、8兩月，幾乎不存在數(shù)據(jù)的 “死頻點(diǎn)”現(xiàn)象，即使在天然場(chǎng)信號(hào)最弱的1kHz附近，頻點(diǎn)依然豐富，視電阻率呈現(xiàn)一條近似連續(xù)光滑的曲線。這是因?yàn)?、8月份正是雷電活動(dòng)較多的季節(jié)，為數(shù)據(jù)采集提供了很好的天然音頻大地電磁場(chǎng)源，彌補(bǔ)了天然場(chǎng)信號(hào)在0.5～5kHz頻段范圍內(nèi)的不足。隨著季節(jié)的更替，雷電活動(dòng)逐漸減小，音頻大地電磁場(chǎng)信號(hào)也相應(yīng)變?nèi)酰虼?月份的數(shù)據(jù)與7、8月份相比略差，1kHz附近個(gè)別頻點(diǎn)缺失或誤差較大，但基本上能達(dá)到數(shù)據(jù)處理的要求。

圖1 不同月份音頻大地電磁法視電阻率曲線Fig.1 The apparent resistivity curves of audio magnetotellurics in different months

5～6月、10～12月則在1～5kHz出現(xiàn)“死頻點(diǎn)”現(xiàn)象，尤其在1kHz附近。更有甚者在11月和12月的觀測(cè)數(shù)據(jù)中，大于1kHz頻率的數(shù)據(jù)只有固定的6個(gè)頻點(diǎn)是可以利用的，其余頻點(diǎn)均因無(wú)法獲得較高信噪比而成為了 “死頻點(diǎn)”。因?yàn)樵?1月和12月，雷雨季節(jié)已過，天然電磁場(chǎng)中的中高頻段信號(hào)強(qiáng)度較弱，導(dǎo)致無(wú)法獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，所以11月、12月不適宜開展音頻大地電磁法的野外測(cè)量工作。但5月、6月及10月仍可作為音頻大地電磁法的野外工作時(shí)間，因?yàn)樵谶@3個(gè)月內(nèi)開展音頻大地電磁測(cè)量工作時(shí)，高頻部分 （大于4kHz）的天然電磁場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度，在一定程度上可以保證獲得較為滿意的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，只是工作過程中數(shù)據(jù)采集的時(shí)間須適當(dāng)增加。

5 實(shí)際應(yīng)用效果

以2009年8月份在江西河元背地區(qū)部署的一條Hy－3剖面為例，在采集到的較高數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，展示音頻大地電磁法在最佳采集季節(jié)內(nèi)獲得的效果。

圖2給出的是Hy－3已知勘探剖面西側(cè)鉆探結(jié)果。從圖2可見，受剖面水平方向上約700m處斷裂構(gòu)造 （河元背－小陂斷裂）的影響，在剖面水平方向約600～700m范圍的流紋英安巖與碎斑熔巖界面突然向東變陡、變深；碎斑熔巖深度在剖面水平方向200～600 m范圍內(nèi)變化相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 Hy－3鉆探剖面圖Fig.2 Boreholes and geologic section along the line Hy－3

在最佳采集季節(jié)內(nèi)，Hy－3剖面所獲得的原始視電阻率曲線圓滑，信號(hào)豐富，無(wú) “死頻點(diǎn)”出現(xiàn)，也未出現(xiàn)曲線零亂、斷點(diǎn)、飛點(diǎn)等情況，是一條數(shù)據(jù)質(zhì)量比較高的視電阻率曲線。由于篇幅限制，只從該剖面中提取了某一個(gè)測(cè)點(diǎn)的原始視電阻率曲線 （圖3），以此展示Hy－3剖面的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。對(duì)Hy－3剖面的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行二維電阻率反演，反演結(jié)果見圖4。

圖3 Hy－3剖面單個(gè)測(cè)點(diǎn)原始視電阻率曲線Fig.3 The initial apparent resistivity curve from the single station in line Hy－3 1—TM極化模式視電阻率；2—TE極化模式視電阻率。

圖4 Hy－3物探剖面和地質(zhì)解釋圖e geophysical prospecting result and inferred geological section of line Hy－3

在圖4a剖面中發(fā)現(xiàn)，在沿測(cè)線約700m位置有一電性異常，其視電阻率相對(duì)兩側(cè)較低，可以解釋為由斷裂引起。其位置恰與圖2中的河元背－小陂斷裂位置相符，由異常推斷的斷裂傾向也正好為西傾 （圖4b）。另外，剖面海拔－300～－1000m深度范圍內(nèi)，斷裂兩側(cè)視電阻率變化非常明顯，斷裂東側(cè)視電阻率很低，且等值線很陡 （略向西傾），這正好與地質(zhì)上流紋英安巖與碎斑熔巖的分界面相對(duì)應(yīng)。在剖面海拔約－300m處，高、低阻區(qū)的分界明顯，這也與實(shí)際情況中碎斑熔巖和流紋英安巖在垂向上的分界面相吻合。

如果根據(jù)圖4a物探剖面解釋的圖4b地質(zhì)剖面 （西段）與已知的勘探剖面圖 （圖2）相比較，二者非常吻合，一致性很好。

6 人工信號(hào)源的作用

為解決天然場(chǎng)信號(hào)較弱的問題，有人提出了采用人工發(fā)射信號(hào) （頻率從0.5～75 kHz）彌補(bǔ)天然場(chǎng)的不足，即頻率大于0.5 kHz的數(shù)據(jù)采用人工場(chǎng)源信號(hào)，頻率小于0.5 kHz的數(shù)據(jù)采用天然場(chǎng)源信號(hào)，這就是所謂的混合源法，EH4連續(xù)電導(dǎo)率儀采用的就是這種工作方法。我們?cè)诠ぷ髦幸膊捎昧舜朔椒?，?shí)踐證明，該方法在提高數(shù)據(jù)質(zhì)量上效果良好。

圖5為野外工作中同一地點(diǎn)，同一臺(tái)儀器，同一天內(nèi)，在無(wú)人工源信號(hào)和有人工源信號(hào)兩種情況下的張量視電阻率曲線。在沒有人工發(fā)射源信號(hào)時(shí)，0.5～5kHz頻率范圍內(nèi)，出現(xiàn) “死頻點(diǎn)”。這是由于在這段時(shí)間內(nèi)，天然場(chǎng)信號(hào)太弱或者在這一頻段內(nèi)天然場(chǎng)信號(hào)缺失的原因。當(dāng)有人工發(fā)射源時(shí)，得到的X、Y兩個(gè)方向上的視電阻率張量曲線頻點(diǎn)數(shù)據(jù)完整，整條曲線較光滑連續(xù)，人工信號(hào)彌補(bǔ)了天然電磁場(chǎng)信號(hào)在該頻段范圍內(nèi)的不足。因此，在天然場(chǎng)信號(hào)較弱的時(shí)候，采用人工源發(fā)射信號(hào)，完全可以有效地提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖5 有無(wú)人工源信號(hào)的視電阻率曲線圖對(duì)比Fig.5 The comparison of apparent resistivity curves with and without man－made signals

7 結(jié)論

（1）通過對(duì)比分析音頻大地電磁法在野外8個(gè)月 （5～12月）的數(shù)據(jù)采集結(jié)果認(rèn)為，野外開展音頻大地電磁測(cè)深法工作的最佳時(shí)間為7～9月3個(gè)月。在這3個(gè)月內(nèi)獲得的音頻大地電磁測(cè)量數(shù)據(jù)基本上均有質(zhì)量保證，且少有報(bào)廢點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（2）在最佳季節(jié)，選擇已知礦床的勘探剖面進(jìn)行驗(yàn)證，取得了很好的驗(yàn)證效果。一方面表明AMT的選擇是正確的，另一方面佐證了最佳季節(jié)的確定是合理的。

（3）音頻大地電磁法可以不受季節(jié)的限制，在采用人工場(chǎng)源發(fā)射信號(hào)彌補(bǔ)天然電磁場(chǎng)信號(hào)弱缺點(diǎn)的條件下，可隨時(shí)開展野外測(cè)量工作，能保證獲得滿意的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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