可控源電磁法中關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

李建華，林品榮，張 強(qiáng)，鄭采君，孫夫文，丁衛(wèi)忠，周海濤，齊方帥，劉昕卓

1.中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000 2.自然資源部地球物理電磁法探測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊 065000 3.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000

0 引言

可控源電磁法(controlled source electromagnetic method，CSEM) 是近年來在可控源音頻大地電磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新方法，二者均是主動源頻率域測深方法，通過測量大地介質(zhì)對人工發(fā)射電磁場的響應(yīng)，獲得地質(zhì)體電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)信息[1]。傳統(tǒng)的CSAMT中，采集從低頻到高頻(0.1～10 000.0 Hz)相互正交的電場和磁場分量，因采用大地電磁法(MT)的阻抗視電阻率定義方式[2]，既要兼顧觀測數(shù)據(jù)滿足平面波場條件，又要保證接收點(diǎn)信號的強(qiáng)度，這樣就需要收發(fā)距足夠大但又不能過大；因而采集的CSAMT資料常同時(shí)包含近區(qū)場、中間區(qū)場和遠(yuǎn)區(qū)場。為了準(zhǔn)確反映地下電性結(jié)構(gòu)變化只能采用遠(yuǎn)區(qū)場數(shù)據(jù)，CSAMT有效探測深度一般只有1 000～2 000 m[1,3]。CSEM中，將低頻拓展至0.025 Hz，且不采用阻抗視電阻率來進(jìn)行反演計(jì)算，而是通過對測量電磁場分量進(jìn)行直接反演，不限于“遠(yuǎn)區(qū)”觀測，能將探測深度提升至3 000～5 000 m。因此，CSEM包含了CSAMT，但又不同于CSAMT。

CSAMT已經(jīng)在地?zé)帷⒚簩託庖约敖饘俚V產(chǎn)勘查中得到了廣泛的應(yīng)用[4-7]。CSEM作為在CSAMT基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大深度的主動源電磁法，其發(fā)展?jié)摿薮?，將會在深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測與資源的勘探中發(fā)揮越來越重要的作用[3,8]。在CSEM中，接收信號強(qiáng)度和測量精度主要受人工場源發(fā)射信號強(qiáng)度和外界噪聲干擾影響[9-10]，數(shù)據(jù)處理解釋中若沿用MT的卡尼亞視電阻率計(jì)算，則會因信號需滿足遠(yuǎn)區(qū)平面波觀測條件而使探測深度受限。要提升勘探能力與測量精度，如何提高高頻信噪比、壓制人文干擾噪聲和加大勘探深度是CSEM中值得深入研究的關(guān)鍵問題。近年來，電子技術(shù)和數(shù)值計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展，基于團(tuán)隊(duì)已研發(fā)的大功率多功能電磁法系統(tǒng)[11-13]，從儀器硬件研制和數(shù)據(jù)處理解釋方面針對上述關(guān)鍵問題開展了系列研究。本文將基于電容補(bǔ)償?shù)母哳l供電技術(shù)、50 Hz工頻及其諧波的干擾壓制數(shù)據(jù)采集與處理方法，以及大深度探測的處理解釋技術(shù)3個方面進(jìn)行探討分析，并建立理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬和在干擾區(qū)開展已知地?zé)崽锏拇笊疃忍綔y試驗(yàn)，以驗(yàn)證CSEM中這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的有效性。

1 基于電容補(bǔ)償?shù)母哳l供電技術(shù)

傳統(tǒng)的人工源電磁法測量中，由于長數(shù)百m以上的供電電纜中分布電感的存在，在高頻(1 000～10 000 Hz)供電時(shí)，供電電流會隨工作頻率的升高而快速下降，從而引起高頻有效信號變小，信噪比降低，影響高頻測量數(shù)據(jù)精度。究其原因，發(fā)射電流大小取決于發(fā)射機(jī)輸出電壓、發(fā)射回路阻抗和輸出信號的頻率，在同等發(fā)射電壓的條件下，由于回路分布電感的存在，回路阻抗會隨著發(fā)射信號頻率的升高而升高，阻抗越高發(fā)射電流越小，導(dǎo)致高頻信號的發(fā)射電流較低頻信號要小很多[14]。針對CSEM高頻區(qū)電流信號小這一問題，我們開展了基于電容補(bǔ)償裝置提升高頻發(fā)射電流的研究。

大功率發(fā)射機(jī)電容補(bǔ)償技術(shù)，是將一個電容網(wǎng)絡(luò)自動串聯(lián)接入供電線路中，使之與分布電感一起諧振于同一工作頻率，此時(shí)整個負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在工作頻率上表現(xiàn)出純電阻特性且阻抗最小，使得在諧振頻率上供電電流得到明顯提升。電容單元接入供電回路示意和基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖分別如圖1和圖2所示。

根據(jù)工作頻率的不同，在0～1 000 Hz頻段，分布電感的影響不是很明顯，可不考慮接入補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)。在1 000～10 000 Hz頻段，隨工作頻率的升高，分布電感影響逐漸變大，需要接入補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)可以根據(jù)供電電流的變化和工作頻率，計(jì)算出需要接入的補(bǔ)償電容值，并計(jì)算出最佳補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接方式，從而保障接入的電容值最接近目標(biāo)值；且應(yīng)盡量采用多電容串接方式實(shí)現(xiàn)，以減小對單個電容耐壓值的要求，提高工作安全性。串聯(lián)諧振電容的計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)連接方式的確定過程可采用如下步驟實(shí)現(xiàn)。

LineH，LineL. 系統(tǒng)供電總線；H，L. 基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)輸入輸出連接端；B1,B2,…，Bn.基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；S1，S2,S3. 基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)控制端；ML，MR. 基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)之間的串并連接點(diǎn)。下同。

圖1 電容單元接入供電回路示意圖

Fig.1 Schematic diagram of capacitor unit connected to circuit

K1，K2，K3. 繼電器開關(guān)；C. 電容。

1)確定回路分布電感。一般低頻供電時(shí)，回路的分布電感影響可忽略不計(jì)，這樣在正式工作之前，我們先以恒定的電壓分別發(fā)射1 000 Hz和1 Hz的電流，記錄高頻電流IHF和低頻電流ILF，設(shè)回路電阻為R，回路分布電感為L，供電電壓為V，在不考慮相位影響的條件下，則有式(1)成立。

(1)

由式(1)可解出回路分布電感L。

圖3 補(bǔ)償電容網(wǎng)絡(luò)組合示意圖

3)對該設(shè)計(jì)進(jìn)行野外試驗(yàn)驗(yàn)證。測試采用電性源供電，發(fā)射電極AB直線距離相距1 km，供電電壓設(shè)定為200 V。發(fā)射信號頻率為1 Hz時(shí)，供電電流為21.00 A，分別選擇不帶補(bǔ)償模式和帶電容補(bǔ)償模式進(jìn)行供電，依次記錄各頻率電流。測試結(jié)果如圖4所示。統(tǒng)計(jì)各頻點(diǎn)兩次發(fā)射電流如表1所示。由實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可知：當(dāng)發(fā)射信號頻率為6 400 Hz時(shí)，串入值為0.20 μF的電容，有效電流值從0.60 A提高至4.23 A，發(fā)射電流強(qiáng)度提高了6倍，同時(shí)7 680 Hz和5 120 Hz兩個頻點(diǎn)的發(fā)射電流也得到了提高；當(dāng)串入值為0.56 μF的電容時(shí)，頻率為3 840 Hz頻點(diǎn)的電流變化最大，發(fā)送電流強(qiáng)度提高了10倍。發(fā)射回路中針對不同頻率串入不同容值電容，可以提高不同頻率發(fā)射信號的發(fā)射電流，且串入電容值越小，中心頻率越高，影響頻點(diǎn)范圍越窄[14]。

圖4 電壓200 V時(shí)加入補(bǔ)償電容前后電流對比圖

表1 串入不同容值電容的串聯(lián)諧振供電電流記錄

2 抗干擾數(shù)據(jù)采集與處理

在電磁數(shù)據(jù)采集中，人文噪聲會給原始時(shí)間域數(shù)據(jù)帶來很大污染，嚴(yán)重影響電磁探測應(yīng)用效果[15]。在CSEM中，盡管人工源的引入克服了MT法受場源隨機(jī)性影響較強(qiáng)的缺點(diǎn)，提升了數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量；但是，CSEM電磁場信號隨著收發(fā)距R的增大，衰減為1/Rn0(其中n0為自然數(shù)，介于1～4之間)，有效信號的振幅比接收站的電力線干擾信號的振幅低2～3個數(shù)量級[16]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨處可見的輸電線、鐵路網(wǎng)、工業(yè)和民用電器等干擾源的存在，會導(dǎo)致CSEM測量中原始時(shí)域數(shù)據(jù)充滿了50 Hz基波及其諧波噪聲，很難分辨出由發(fā)射電流產(chǎn)生的有效信號[17-18]。因此，工頻干擾抑制技術(shù)是儀器研制和數(shù)據(jù)處理的重點(diǎn)。

為壓制工頻基波及其諧波對采集數(shù)據(jù)的影響，針對CSEM供電和數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了一種基于頻點(diǎn)優(yōu)化、數(shù)字濾波能夠抑制工頻干擾的發(fā)射采集方案和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。在進(jìn)行離散傅里葉變換時(shí)，使得干擾部分傅里葉變換的實(shí)部和虛部的和為0，即保證n個離散數(shù)據(jù)點(diǎn)要滿足其同時(shí)為測量頻率f1、f0+f1和f0-f1的整倍數(shù)周期(其中：f1為電磁場信號的頻率；f0為50 Hz工頻基波及其諧波的頻率，諧波的頻率為基波頻率的整數(shù)倍)。當(dāng)滿足上述條件時(shí)，以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾即可得到極大壓制，并可提取微弱信號。其實(shí)現(xiàn)過程如下。

對50 Hz工頻基波及其諧波干擾進(jìn)行離散傅里葉變換后的實(shí)部Re(Ag)和虛部Im(Ag)分別如公式(2)和(3)所示：

(2)

(3)

式中：A0、t、φ0均為常數(shù)；n為采樣點(diǎn)數(shù)。

設(shè)采樣率為φ，則采樣時(shí)間為n/φ，基頻為φ/n，要求f0+f1和f0-f1是基頻的整數(shù)倍，即

(4)

則有：

(5)

(6)

式中，n1、n2、n3為正整數(shù)，則要求(f0/f1)n3為整數(shù)。因此，在數(shù)據(jù)采集中合理選擇CSEM信號發(fā)射的采樣率和采樣長度至關(guān)重要。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)的頻率與接收機(jī)的采樣率和采樣長度，可有效壓制工頻基波及其諧波對采集數(shù)據(jù)的影響。采用上述方法，基于自主研發(fā)的大功率多功能電磁法系統(tǒng)，我們合理選擇了CSEM信號發(fā)射的采樣率和采樣長度，設(shè)置了發(fā)射頻點(diǎn)。形成的抗干擾數(shù)據(jù)處理步驟主要包括：1)采用傅里葉變換進(jìn)行頻譜計(jì)算，分析測量數(shù)據(jù)中信號與干擾的特征；2)采用高低通濾波或帶通濾波技術(shù)，在時(shí)間域中壓制帶外干擾；3)采用上述方法對以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾進(jìn)行壓制處理；4)對獲得的電磁場的幅值和相位進(jìn)行系統(tǒng)響應(yīng)參數(shù)改正及歸一化；5)采用中位數(shù)搜索、均值與方差估算等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，研究測量數(shù)據(jù)的精度。

在河北雄安新區(qū)安新縣的某一高壓線密集區(qū)，開展了強(qiáng)干擾條件下的CSEM測深實(shí)驗(yàn)，供電極距AB=2 880 m，收發(fā)距R約9 000 m，測點(diǎn)位于220 kV高壓線旁，測點(diǎn)上方高壓線縱橫交錯(圖5)。由于工頻干擾信號強(qiáng)，測點(diǎn)196接收用的磁傳感器輸出飽和，電道雖未飽和但也受到強(qiáng)烈干擾。圖6顯示了發(fā)射電流I=31.8 A、發(fā)射頻率f=16.67 Hz時(shí)，發(fā)射電流波形(圖6a)、該測點(diǎn)觀測的電壓波形(圖6b)和經(jīng)抗干擾處理后的電壓波形(圖6c)。相較于發(fā)射電流波形，從實(shí)測的電壓曲線看，完全看不出二者有對應(yīng)關(guān)系。常規(guī)情況下采用電場和磁場之比來求取卡尼亞視電阻率的處理方法，在該測點(diǎn)是無法獲取電阻率信息的。經(jīng)頻譜分析可知，該區(qū)工頻基頻為50.018 Hz，經(jīng)計(jì)算在16.67 Hz時(shí)，工頻干擾高達(dá)有效信號的1 904倍，通過上述的抗干擾數(shù)據(jù)處理后，基本恢復(fù)出有效信號。測點(diǎn)194和198磁場和電場雖均未飽和，通過常規(guī)處理求取的卡尼亞視電阻率如圖7a和圖7b所示，可見兩個測點(diǎn)的視電阻率與阻抗相位雜亂無章，看不出隨頻率變化的任何趨勢，顯然這樣的參數(shù)也是無效的。經(jīng)本文所述的基于頻點(diǎn)優(yōu)化及數(shù)字濾波的抗干擾數(shù)據(jù)處理之后，獲取的歸一化電場的振幅如圖7c和圖7d所示，曲線光滑、基本無跳點(diǎn)，可見數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了很大的提升。

a. 野外實(shí)地干擾場景；b. 實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與高壓線位置關(guān)系示意圖。192/310代表測點(diǎn)/線號。

3 大深度高分辨探測

CSAMT測深中，一般沿用在遠(yuǎn)區(qū)測量一對正交的電磁場分量，并按遠(yuǎn)區(qū)近似公式定義視電阻率，但收發(fā)距增大，信號強(qiáng)度又大幅度衰減；因此CSAMT的探測深度有限，一般小于2 000 m。隨著資源大深度的探測需求，如深部地?zé)帷⒂蜌獾绕涮綔y深度要求達(dá)到3 000～5 000 m，開展大深度可控源方法技術(shù)的探測非常重要[19-20]。

理論上可控源電磁法觀測的頻段范圍越寬、頻率個數(shù)越多，得到的觀測資料越豐富，勘探效果越好。CSEM中，針對大深度探測需求，在數(shù)據(jù)采集方面采用大電流供電、寬頻帶測量，將常規(guī)CSAMT低頻觀測頻率由0.100 Hz拓展至0.025 Hz，并可根據(jù)勘探精度需求進(jìn)行頻點(diǎn)加密設(shè)置[21]。在數(shù)據(jù)處理與解釋方面對觀測電磁場分量直接處理和反演。不同于CSAMT測深中采用卡尼亞視電阻率進(jìn)行反演，建立模型真電阻率與視電阻率之間的關(guān)系；本反演中初始模型由幾何參數(shù)和電場幅值計(jì)算的全區(qū)視電阻率確定，建立模型真電阻率與場分量之間的響應(yīng)關(guān)系[22-23]，采用非線性共軛梯度方法(NLCG)[24-26]對全頻段觀測的平行于發(fā)射源方向的電場Ex直接進(jìn)行反演。

a. 發(fā)射電流波形；b. 觀測的電壓波形；c. 處理后的電壓波形。

a. 測點(diǎn)194卡尼亞視電阻率；b. 測點(diǎn)198卡尼亞視電阻率；c. 測點(diǎn)194電場振幅；d. 測點(diǎn)198電場振幅。T為時(shí)間；ρs為卡尼亞視電阻率；φs為阻抗相位。

在河北雄安新區(qū)安新縣已知深孔的測區(qū)開展了CSEM大深度探測實(shí)驗(yàn)研究。已知孔為地?zé)峋?，井深達(dá)3 850 m，并打到深部熱水。揭示地層為第四系、新近系、古近系、薊縣系，各地層埋深及厚度詳見表2。地?zé)崮繕?biāo)層位為薊縣系霧迷山組白云巖，呈相對高阻特征，其頂界埋深達(dá)3 635 m，此次試驗(yàn)?zāi)康恼峭ㄟ^CSEM探測來識別該高阻地層，驗(yàn)證所研究的新方法技術(shù)探測深度大于3 000 m的有效性。

利用已知鉆孔測井電阻率資料建立了理論地電模型，采用該模型進(jìn)行可控源電磁法的一維正演模擬，設(shè)定AB=1 950 m，收發(fā)距R=11 000 m，正演計(jì)算得到該點(diǎn)的電場幅值和相位(圖8a)。利用正演的電場數(shù)據(jù)進(jìn)行層狀模型一維反演，得到反演結(jié)果(圖8b)。由圖8可見，反演模型很好地恢復(fù)了正演地電模型；表明可控源電磁法采用電場數(shù)據(jù)直接反演時(shí)，其探測深度大于3 000 m，為后期開展實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證奠定了理論依據(jù)。

表2 已知地?zé)峥椎貙臃植记闆r

野外試驗(yàn)中，我們不僅在已知鉆孔旁進(jìn)行了測量，同時(shí)在過鉆孔實(shí)測了一條剖面，測線部署如圖9所示，圖中給出了發(fā)射點(diǎn)、測點(diǎn)與已知地?zé)徙@孔的相對位置及分布關(guān)系。采用的主要技術(shù)參數(shù)為：AB=1 951 m，R=10 152 m，頻率范圍0.025～1 066.670 Hz，最大供電電流達(dá)60 A以上。在發(fā)射頻率范圍內(nèi)，共有46個頻點(diǎn)，中高頻段和低頻段的發(fā)射波形分別為單頻方波和五頻組合波[18]。由于低頻段觀測時(shí)間較長，為提高野外施工效率，在中低頻段(0.01～10.00 Hz)采用五頻組合波，其最高頻率小于10 Hz。采取多頻組連續(xù)發(fā)射模式，并經(jīng)過多次疊加觀測，全頻段范圍內(nèi)一次數(shù)據(jù)采集時(shí)間為50 min。隨頻率變化的發(fā)射電流曲線(圖10)顯示了各頻點(diǎn)上的發(fā)射電流大小。

a. 正演電場與相位；b. 鉆孔地電模型。H為深度。

圖9 大深度探測試驗(yàn)發(fā)射接收布置圖

通過對觀測數(shù)據(jù)采用前述抗干擾數(shù)據(jù)處理，獲得了鉆孔旁經(jīng)過發(fā)射電流和測量極距歸一的電場幅值和相位(圖11)。對該電場數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得了反演地電模型，正反演擬合良好，經(jīng)21次迭代反演，擬合誤差為1.02%。按反演地電模型由淺及深反映的“中高—低—低—高”的電性變化特征，在4 000 m深度范圍內(nèi)劃分了3個地層界面，與已知鉆孔所揭示的第四系、新近系、古近系的底界面對應(yīng)良好。

對過鉆孔的可控源電磁法剖面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反演，獲得了剖面反演結(jié)果，并結(jié)合鉆孔資料進(jìn)行了解釋，推斷了各地層的分布和地?zé)崮繕?biāo)層的展布，反演電阻率斷面及解釋與已知鉆孔的對應(yīng)情況如圖12所示。電阻率反演得到電性變化特征與已知鉆孔測井電阻率變化特征一致，同時(shí)反演電阻率結(jié)果清晰地顯示出各地層層狀分布特征，且與已知鉆孔揭示地層(表2)信息非常吻合：淺層高電阻率對應(yīng)第四系砂巖、泥巖，中、低阻區(qū)屬新近系和古近系泥巖；深層高電阻率為薊縣系霧迷山組白云巖的反映，其中薊縣系頂界面埋深達(dá)3 635 m，CSEM反演電阻率對該目標(biāo)層反映清晰。

圖10 發(fā)射電流隨頻率變化曲線

a. 實(shí)測電場與相位；b. 反演地電模型。

4 結(jié)論

為提升可控源電磁探測相關(guān)分辨率，本文從儀器硬件研制和數(shù)據(jù)處理解釋兩方面，通過數(shù)值模擬與野外試驗(yàn)驗(yàn)證，對高頻供電技術(shù)、抗干擾數(shù)據(jù)采集與處理，以及全區(qū)電場信號直接反演解釋3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究探討。研究發(fā)現(xiàn)：

1)供電回路中針對不同頻率串入不同容值的電容網(wǎng)絡(luò)，與分布電感諧振于同一工作頻率點(diǎn)，整個負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在工作頻率上表現(xiàn)出純電阻特性，且阻抗最小，使得在諧振頻率上供電電流得到明顯提升，可增強(qiáng)CSEM對淺部地質(zhì)信息的分辨能力。

2)合理設(shè)置CSEM發(fā)射信號的采樣率和采樣長度，使得原始時(shí)間域數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉變換時(shí)，滿足離散數(shù)據(jù)點(diǎn)既是測量頻率的整周期，也是測量頻率與干擾頻率二者之和及二者之差的整周期，此時(shí)以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾可得到極大壓制，并可提取微弱信號。

3)數(shù)據(jù)采集時(shí)采用寬頻帶(0.025～10 000.000 Hz)測量，數(shù)據(jù)處理中采用全區(qū)觀測的電場信號進(jìn)行直接處理與反演解釋，相較于傳統(tǒng)采用“遠(yuǎn)區(qū)”卡尼亞電阻率反演的CSAMT，CSEM探測深度可提升至3 000～5 000 m。