地面電磁探測(cè)接收系統(tǒng)批量對(duì)比試驗(yàn)

李 萌 底青云

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029； ②中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

1 概況

大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等頻率域電磁法在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展[1-15]，而頻率域電磁法儀器、設(shè)備的研制工作進(jìn)展緩慢，使用的儀器基本依靠進(jìn)口。隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，勘探需求不斷增加，電磁法儀器、設(shè)備的本土化逐漸受到重視，需要研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁法勘探儀器設(shè)備系統(tǒng)[16-22]。這是為了打破國(guó)外對(duì)勘探設(shè)備的壟斷，更主要的原因是中國(guó)潛在的油氣、礦產(chǎn)資源賦存環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜、深度越來(lái)越大，國(guó)外進(jìn)口設(shè)備不能完全滿足資源、能源勘探的需求。

地面電磁探測(cè)系統(tǒng)是由電磁信號(hào)采集站、感應(yīng)式磁傳感器以及大功率發(fā)射機(jī)組成的，可用于MT、AMT和CSAMT等方法的電磁法勘探。系統(tǒng)采用分布式接收機(jī)，每臺(tái)接收機(jī)最多可同時(shí)采集3通道磁場(chǎng)信號(hào)和9通道電場(chǎng)信號(hào)；在保證單臺(tái)儀器的施工效率的同時(shí)，可以方便地組網(wǎng)進(jìn)行三維觀測(cè)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地理概況 (a)試驗(yàn)區(qū)交通位置圖； (b)試驗(yàn)地點(diǎn)地表照片

為了檢驗(yàn)SEP系統(tǒng)各部分在實(shí)際應(yīng)用中的性能和可靠性，在研發(fā)過(guò)程中曾在河北固安、內(nèi)蒙興和、甘肅金昌等地進(jìn)行了多次系統(tǒng)集成與優(yōu)化試驗(yàn)，取得了良好的效果[23-26]。在此基礎(chǔ)上，SEP接收系統(tǒng)進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，共生產(chǎn)出30套SEP接收系統(tǒng)。為了檢驗(yàn)這批SEP接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性和可靠性(簡(jiǎn)稱三性)，在河北省張北縣進(jìn)行了全面測(cè)試。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)情況

試驗(yàn)點(diǎn)(圖1)位于河北省張家口市張北縣公會(huì)鎮(zhèn)汽車橋村附近。試驗(yàn)區(qū)域距離最近的S245省道4km左右，距離汽車橋村1.72km，距最近的電力線大于1km，測(cè)區(qū)電磁干擾非常小，十分有利于儀器系統(tǒng)的測(cè)試。

2.2 施工設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)10條測(cè)線，對(duì)30套儀器分三批進(jìn)場(chǎng)測(cè)試，主要進(jìn)行天然場(chǎng)源和人工場(chǎng)源電磁數(shù)據(jù)的采集試驗(yàn)，具體布設(shè)如圖2所示。

10條測(cè)線每?jī)蓷l(LA，LB)組成一組，形成五組測(cè)線，同組的兩條測(cè)線間隔為2m，組之間的間隔為60m。每條測(cè)線布設(shè)9個(gè)測(cè)深點(diǎn)，采集站主機(jī)布設(shè)3分量磁傳感器(Hx,Hy,Hz)，測(cè)量9個(gè)通道的電場(chǎng)，電極距均為20m，電道沿南北方向布設(shè)，具體布設(shè)情況據(jù)場(chǎng)源的不同而不同。

圖3為一組采集天然場(chǎng)數(shù)據(jù)的儀器布設(shè)圖。圖中A01～A10為采集站A的南北方向的接地電極，電極間距為20m；對(duì)稱的A01與A10為一組南北電極，以此類推； A05與A06不連接儀器，是為了測(cè)量人工場(chǎng)信號(hào)放置的。因此會(huì)形成60、100、140、180m共4種電極距的接地方式。A11與A12組成一組采集站A的東西方向電極，極距為60m。A13為A采集站的接地電極。AHy、AHz和AHx分別為連接到A采集站上的三根感應(yīng)式磁傳感器。采集站B與采集站A的連接方式相同。

圖4為一組人工場(chǎng)源法測(cè)試時(shí)的儀器布設(shè)圖。圖中A01～A10為采集站A的測(cè)量電極，電極距為20m，共計(jì)得到9個(gè)電場(chǎng)分量；A13為采集站接地電極。3根磁傳感器均測(cè)量Hy分量，磁棒平行埋設(shè)，由南到北分別連接儀器三個(gè)磁通道的第2、第3、第1通道，磁傳感器埋設(shè)方向?yàn)榇艂鞲衅鞯倪h(yuǎn)接線端指向東。

使用V8系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)。如圖5所示，發(fā)射偶極長(zhǎng)度為1.5km，收發(fā)距為7km，發(fā)射偶極位于測(cè)區(qū)西南側(cè)，使用兩套發(fā)射頻率：1～7680Hz，共24個(gè)頻點(diǎn)；0.1～9600Hz，共計(jì)22個(gè)頻點(diǎn)。

圖2 采集站批量測(cè)試測(cè)站布設(shè)示意圖

圖3 天然場(chǎng)源測(cè)試測(cè)站布設(shè)圖 A、B分別代表兩臺(tái)采集站

圖4 人工場(chǎng)源測(cè)試測(cè)站布設(shè)圖 A、B分別代表兩臺(tái)采集站

磁傳感器一致性測(cè)試(圖6)設(shè)計(jì)選取兩組(4臺(tái))采集站，每臺(tái)儀器的三個(gè)磁場(chǎng)通道分別連接到三個(gè)平行的相近布設(shè)的指向東(或西)的磁傳感器，磁傳感器距離采集站15 m左右，磁傳感器間距為5m。

圖5 人工場(chǎng)源發(fā)射—接收位置示意圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)的通道一致性，設(shè)計(jì)了人工場(chǎng)源方法進(jìn)行通道一致性試驗(yàn)。每臺(tái)儀器選取一組(兩個(gè))測(cè)量電極接地，將所有的電場(chǎng)通道短接，相當(dāng)于所有的電場(chǎng)通道測(cè)量一對(duì)接地電極。

圖6 磁傳感器一致性測(cè)試布置圖

本文所說(shuō)的“相近位置”均指試驗(yàn)設(shè)計(jì)中相近的兩條測(cè)線(圖件及文中表述為同一個(gè)測(cè)站中的A與B)，“相同位置”指在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中某一個(gè)測(cè)站中的A或B。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)果分析主要采用電磁方法常用的檢查物理點(diǎn)觀測(cè)質(zhì)量的均方相對(duì)誤差來(lái)衡量。

首先計(jì)算某個(gè)頻點(diǎn)的某個(gè)物理量(可能為電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、視電阻率或阻抗相位)的相對(duì)誤差為

(1)

然后計(jì)算單個(gè)物理點(diǎn)l的物理量均方相對(duì)誤差

(2)

式中n為觀測(cè)頻點(diǎn)總數(shù)。

最后整體的適量評(píng)價(jià)用所有對(duì)比點(diǎn)的觀測(cè)質(zhì)量

Ml的均方相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)

(3)

式中k為全區(qū)系統(tǒng)檢查觀測(cè)的全部對(duì)比點(diǎn)數(shù)。

3.1 一致性測(cè)試

3.1.1 單臺(tái)采集站通道一致性試驗(yàn)

測(cè)試采集人工場(chǎng)數(shù)據(jù)，僅將其中的兩個(gè)電極接地，所有電場(chǎng)通道均測(cè)量這兩個(gè)電極之間的信號(hào)，將測(cè)得的電場(chǎng)值與同一根磁傳感器測(cè)量的磁場(chǎng)值進(jìn)行計(jì)算，得到視電阻率和阻抗相位。這樣通過(guò)對(duì)比不同通道所得到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖7)，檢驗(yàn)儀器通道的一致性。由圖可見(jiàn)，無(wú)論電場(chǎng)幅值、視電阻率還是阻抗相位，所有9個(gè)通道所采集到的數(shù)據(jù)，都能完好地重合在一起。根據(jù)計(jì)算，圖中視電阻率的相對(duì)誤差為0.48%，阻抗相位的相對(duì)誤差為0.87%； 全部數(shù)據(jù)的視電阻率相對(duì)誤差為0.77%，阻抗相位相對(duì)誤差為1.05%，證明了采集站的通道一致性良好。

圖7 人工場(chǎng)源通道一致性測(cè)試結(jié)果 (a)電場(chǎng)強(qiáng)度隨頻率變化圖; (b)磁場(chǎng)強(qiáng)度隨頻率變化圖; (c)視電阻率隨頻率變化圖; (d)阻抗相位隨頻率變化圖

3.1.2 磁傳感器一致性試驗(yàn)

(1)天然場(chǎng)磁傳感器一致性試驗(yàn)

數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為15h，同時(shí)由于試驗(yàn)區(qū)電磁干擾較小，有效低頻數(shù)據(jù)可以達(dá)到1/3000Hz左右。對(duì)三個(gè)磁場(chǎng)通道的磁場(chǎng)功率譜密度進(jìn)行對(duì)比(圖8)。

由于采集站僅有3個(gè)磁場(chǎng)通道，在進(jìn)行平行測(cè)試時(shí)，雖然三根磁傳感器測(cè)量的是同一磁場(chǎng)分量，但是為了對(duì)比方便，依舊標(biāo)記成Hx、Hy、Hz。由圖8可見(jiàn)，除在50Hz工頻干擾附近有跳躍外，曲線都比較光滑，三條曲線均重合在一起，功率譜密度相對(duì)誤差為1.58%，說(shuō)明磁傳感器在中—低頻數(shù)據(jù)采集時(shí)具有很好的一致性。

(2)人工場(chǎng)磁傳感器一致性試驗(yàn)

人工場(chǎng)磁傳感器一致性測(cè)試的布設(shè)方式與天然場(chǎng)方法一致，發(fā)射頻率范圍為9600～0.1Hz。圖9所示為人工源激發(fā)磁傳感器一致性測(cè)試結(jié)果，可見(jiàn)三條曲線能夠完好地吻合在一起，相對(duì)誤差為0.64%，所有測(cè)試的總相對(duì)誤差為0.76%，表明磁傳感器在中、高頻的一致性很好。

圖8 天然場(chǎng)磁傳感器(C120)平行測(cè)試結(jié)果

圖9 人工場(chǎng)磁傳感器(C128)平行測(cè)試結(jié)果

3.1.3 不同采集系統(tǒng)一致性試驗(yàn)

(1)天然場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一致性試驗(yàn)

圖10所示為天然場(chǎng)源條件下兩臺(tái)儀器(C120和C140)在位置測(cè)站5-A處(圖6)的觀測(cè)結(jié)果，采集時(shí)間約為12h。由圖可見(jiàn)，無(wú)論是xy模式，還是yx模式，阻抗相位的兩類曲線在周期低于500s時(shí)均能夠完美地重疊在一起；只有當(dāng)周期大于500s時(shí)，由于采集時(shí)間有限，疊加次數(shù)過(guò)少，同時(shí)也由于磁傳感器的位置并不完全重合，所以存在一定的差異；同時(shí)，由于采集時(shí)間僅為12h，周期大于500s的這部分?jǐn)?shù)據(jù)已基本屬于由于數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)不足帶來(lái)的無(wú)效數(shù)據(jù)，所以會(huì)產(chǎn)生差異； 對(duì)視電阻率結(jié)果(圖10a)，可以看出對(duì)于yx模式，只有個(gè)別頻點(diǎn)有所跳動(dòng)，其他部分能很好地吻合；而對(duì)于xy模式，雖然有部分頻帶曲線幅值出現(xiàn)一定的差別，但是曲線整體形態(tài)一致，圖中頻率高于0.01Hz頻點(diǎn)的視電阻率相對(duì)誤差為1.24%、阻抗相位相對(duì)誤差為0.89%，所有結(jié)果的視電阻率及阻抗相位的相對(duì)誤差與之相當(dāng)，分別為1.30%和1.00%，說(shuō)明整套系統(tǒng)在天然場(chǎng)的采集上的一致性較高。

(2)人工場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一致性試驗(yàn)

由于人工發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度足夠大，所以地表情況的較小差異對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響有限。選擇相近位置的數(shù)據(jù)(這里選取測(cè)站3處C115與C116儀器的數(shù)據(jù)中Ex3通道的數(shù)據(jù))進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證采集系統(tǒng)的一致性。

如圖11所示，在測(cè)站3位置上的兩臺(tái)儀器(C115和C116)采集的電場(chǎng)和磁場(chǎng)曲線的趨勢(shì)和幅值均能很好地重合，僅在高頻段的4個(gè)頻點(diǎn)有一定差異，但是趨勢(shì)也是一致的；從圖11b和圖11c也可以看出，兩條視電阻率曲線基本能夠重合在一起，阻抗相位僅有一個(gè)頻點(diǎn)不能重合，其余頻點(diǎn)均能夠重疊在一起。視電阻率和阻抗相位的相對(duì)誤差分別為1.33%和1.11%，總均方相對(duì)誤差分別為1.98%和2.15%，表明整套系統(tǒng)在人工場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)的一致性很強(qiáng)。

圖10 天然場(chǎng)采集系統(tǒng)一致性測(cè)試結(jié)果(測(cè)站5-A) (a)視電阻率曲線； (b)阻抗相位曲線

3.2 穩(wěn)定性測(cè)試

3.2.1 人工場(chǎng)數(shù)據(jù)采集單套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)

穩(wěn)定性測(cè)試采用一套采集系統(tǒng)在同一點(diǎn)(測(cè)站3-B)同一天多次進(jìn)行接收并對(duì)比其結(jié)果，人工源發(fā)射一次后，儀器關(guān)機(jī)，再重新開(kāi)機(jī)后進(jìn)行下一次人工源發(fā)射測(cè)試。圖12為人工場(chǎng)源條件下的單套采集站采集的測(cè)站3-B的Ex2通道數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖12可見(jiàn)，視電阻率和阻抗相位除了在4個(gè)高頻點(diǎn)誤差稍大，在別的頻點(diǎn)都能完好地重疊在一起。這是由于采集高頻數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)射電流較小，所采集到的信號(hào)較弱，信噪比相對(duì)較低。但是通過(guò)Ex、Hy計(jì)算卡尼亞視電阻率(圖12c)后，三次測(cè)量的結(jié)果能夠很好地重合。圖12中視電阻率和阻抗相位的相對(duì)誤差分別為0.74%和0.85%，對(duì)全部結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)所得到的均方根相對(duì)誤差分別為0.93%和1.07%。圖12所示結(jié)果證明了單套采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 人工場(chǎng)采集系統(tǒng)一致性測(cè)試結(jié)果 (a)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線; (b)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線; (c)視電阻率曲線; (d)阻抗相位曲線

圖12 人工場(chǎng)單套采集系統(tǒng)C116穩(wěn)定性測(cè)試對(duì)比 (a)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線; (b)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線; (c)視電阻率曲線; (d)阻抗相位曲線

3.2.2 天然場(chǎng)多套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)

在測(cè)站2-A位置上，分別用三臺(tái)儀器、共三天、每天采集大約15h的數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)均采用不同的采集站及不同的磁傳感器，但是測(cè)線所用線纜、測(cè)量電極、接地電極都沒(méi)有改變。圖13所示為南北60m、東西60m極距的采集數(shù)據(jù)曲線。

由圖13可見(jiàn)，三次重復(fù)測(cè)量結(jié)果整體上曲線形態(tài)、幅值均一致，但第一天的結(jié)果數(shù)據(jù)中1Hz頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量很差，這是由于第一天晚上下雨和雷電影響了數(shù)據(jù)質(zhì)量，第二天與第三天的曲線能夠很好地吻合。由此可見(jiàn)，儀器的穩(wěn)定性很好，使用相同的接地電極能夠得到一致的結(jié)果。忽略第一天的數(shù)據(jù)而只計(jì)算天氣情況較好時(shí)的兩臺(tái)儀器采集到的數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差，得到的視電阻率和阻抗相位的相對(duì)誤差均在3%左右。

3.3 可靠性測(cè)試

通過(guò)對(duì)比使用同一套采集系統(tǒng)分別采集的人工場(chǎng)與天然場(chǎng)數(shù)據(jù)，分析該系統(tǒng)的可靠性。由于兩者的施工方式不盡相同，為了得到盡可能同一位置的數(shù)據(jù)，選取人工場(chǎng)的第五通道數(shù)據(jù)與天然場(chǎng)的xy模式數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。人工場(chǎng)的數(shù)據(jù)相當(dāng)于天然場(chǎng)方法的xy模式的數(shù)據(jù)，而人工場(chǎng)的第五通道數(shù)據(jù)與天然場(chǎng)的數(shù)據(jù)反映的是同一位置的數(shù)據(jù)，僅極距不同。無(wú)論人工場(chǎng)還是天然場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集，使用的都是同一套采集站和磁傳感器，但是人工場(chǎng)源和天然場(chǎng)源的數(shù)據(jù)采集不可能同時(shí)進(jìn)行，因此只能對(duì)不同時(shí)間段所采集到的人工場(chǎng)和天然場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖13 天然場(chǎng)多套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果(測(cè)站2-A) (a)ρxy; (b)ρyx; (c)φxy; (d)φyx

圖14所示為C117采集站某次人工場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與天然場(chǎng)測(cè)量結(jié)果在頻率重疊頻段對(duì)比結(jié)果。由于人工場(chǎng)發(fā)射頻率和天然場(chǎng)計(jì)算頻率并不完全一致，兩者重合的頻段人工場(chǎng)源頻點(diǎn)稀疏，因此對(duì)人工場(chǎng)源的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了插值，便于對(duì)比人工場(chǎng)源與天然場(chǎng)源在相同頻點(diǎn)上的測(cè)量結(jié)果。

由圖14可知，在100Hz以上頻段，無(wú)論視電阻率曲線還是阻抗相位曲線，人工場(chǎng)與天然場(chǎng)的結(jié)果都能夠很好地重合，前4個(gè)頻點(diǎn)視電阻率的相對(duì)誤差約為3.43%，阻抗相位的相對(duì)誤差為4.55%； 隨著頻率的降低，由于人工場(chǎng)源的位置較近，因此在人工場(chǎng)源的測(cè)量曲線上能夠明顯地看到人工源的影響，無(wú)論視電阻率還是阻抗相位曲線，均顯示出了明顯的“近場(chǎng)效應(yīng)”，因此與天然場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了很大的偏差，可見(jiàn)這部分頻點(diǎn)的相對(duì)誤差沒(méi)有意義。

圖14 天然場(chǎng)源與人工場(chǎng)源測(cè)試結(jié)果對(duì)比(C117) (a)視電阻率曲線； (b)阻抗相位曲線

4 結(jié)論

針對(duì)批量生產(chǎn)的SEP系統(tǒng)30臺(tái)采集站及與其配套的90根感應(yīng)式磁傳感器進(jìn)行儀器一致性、穩(wěn)定性和可靠性的測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可以得到以下的結(jié)論：

(1)采集站和磁傳感器一致性測(cè)試結(jié)果證明單套采集系統(tǒng)在全頻段具有一致性，天然和人工兩種場(chǎng)源條件下的多套采集系統(tǒng)的一致性測(cè)試數(shù)據(jù)能夠很好地吻合，計(jì)算結(jié)果相對(duì)誤差較小，表明采集站具有良好的一致性；

(2)單套采集系統(tǒng)的多次測(cè)量和多套采集系統(tǒng)在同一測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果均能夠很好地吻合，較低的相對(duì)誤差也證明了結(jié)果的一致性，說(shuō)明整套系統(tǒng)性能穩(wěn)定；

(3)對(duì)比同一套采集系統(tǒng)、不同場(chǎng)源條件下采集到的數(shù)據(jù)，以及不同儀器在相近位置的采集數(shù)據(jù)，可以表明整套采集系統(tǒng)在兩種場(chǎng)源條件下采集到的數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)的頻帶范圍內(nèi)有一致的響應(yīng)，證明了采集系統(tǒng)的可靠性。

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