電磁法勘探中梯度場測量方法研究

電磁法勘探中梯度場測量方法研究*摘要:梯度測量對提高電磁法勘探的分辨能力和壓制環(huán)境噪聲干擾具有重要意義。通過硬件差分直接測量梯度場和先測量絕對場后經(jīng)軟件差分計(jì)算求取梯度場是實(shí)現(xiàn)電磁梯度數(shù)據(jù)獲取的兩種典型方式。給出了這兩種測量方式的具體實(shí)現(xiàn)方案，并對測量效果進(jìn)行了對比分析，探究了誤差來源和壓制方法。研究表明，測量通道的不一致性，尤其是相位差是影響電磁梯度測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。對于硬件差分直接測量梯度場而言，這種通道不一致引起的誤差難以通過事后校準(zhǔn)的方法消除，且誤差大小隨梯度值減小而急劇增加，最終不可用。先測量絕對場后進(jìn)行軟件差分的方法，可以得到更小的測量誤差，而且通過通道校準(zhǔn)后，測量精度得到進(jìn)一步提高。在不能確保采集通道高度一致的情況下，先測量絕對場再求取梯度場的方式是實(shí)現(xiàn)電磁梯度測量的最優(yōu)途徑，該方法還可以同時(shí)獲取絕對場以輔助梯度數(shù)據(jù)解釋。該研究成果為電磁梯度系統(tǒng)開發(fā)提供了有益參考。依據(jù)該方法所研制的頻率域電磁場梯度采集系統(tǒng)在江蘇灘涂獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了該測量方法的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:電磁法;梯度測量;一致性;硬件差分;軟件差分1引言目前可控源電磁法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)探測，可以對大地電性特征進(jìn)行成像，從而揭示礦體、斷裂帶、含水構(gòu)造等電性異常體，為識(shí)別礦藏和地質(zhì)災(zāi)害源提供依據(jù)?？煽卦措姶欧ó?dāng)前普遍測量的是電場和磁場的絕對場值，通過測量天然場源或人工場源激發(fā)下大地的電磁響應(yīng)，反演計(jì)算大地的電阻率參數(shù)?？煽卦措姶欧▋x器常用的有加拿大V8系統(tǒng)、美國GDP-32Ⅲ系統(tǒng)和德國TITAN系列等，均是直接測量電磁場的絕對值，占據(jù)了我國的絕對市場。國內(nèi)中南大學(xué)、廊坊物化探所、吉林大學(xué)、中科院地質(zhì)與地球物理所等高校和科研單位也研制了同類系統(tǒng)，包括可控源音頻電磁法和廣域電磁法系統(tǒng)等，測量的都是絕對場，目前正在推廣應(yīng)用［1-3］。然而，絕對場測量在背景干擾抑制能力和電性邊界分辨能力方面，存在先天不足，難以實(shí)現(xiàn)大地電性結(jié)構(gòu)的精細(xì)探測［4］。課題組對電磁梯度測量進(jìn)行了理論研究和仿真分析，表明其在背景干擾壓制和電性異常體邊界分辨上具有較好的性能表現(xiàn)。但是在電磁梯度測量方面，國內(nèi)相關(guān)研究較少。相比較而言，國外的磁法勘探和重力勘探則早在20世紀(jì)中期便實(shí)現(xiàn)了梯度測量。相對重、磁絕對測量，重磁梯度測量顯示出了對背景干擾的良好抑制能力和對異常體邊界形態(tài)出色的分辨能力［。5-6］然而，重磁梯度儀器屬于高精尖技術(shù)，國外對我國限制出口。2基于梯度場的電磁法勘探方法可控源電磁法通過在測區(qū)各個(gè)測點(diǎn)上記錄一定頻率范圍內(nèi)的電、磁場值，實(shí)現(xiàn)對大地電阻率參數(shù)的測量，揭示測區(qū)內(nèi)地下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)特征。其中可控源音頻電磁法(controlledsourceaudiofrequencymagnetotelluric，CSAMT)，主要記錄正交的電場分量Ex和磁場分量Hy，然后依據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出各頻率對應(yīng)的卡尼亞視電阻率和阻抗相位［4］。頻率范圍一般在0．1Hz～10kHz，不同頻率對應(yīng)地下不同深度信息。電場通過測量兩個(gè)相鄰測點(diǎn)不極化電極的電位差來獲取，而磁場測量則需利用感應(yīng)式磁棒測量。圖1所示為測量布置方式示意圖，圖中Ln為測線，Dn為測點(diǎn)。由于電場是通過兩個(gè)相鄰電極間的電位差獲得，所測電場位置記為兩個(gè)測點(diǎn)的中點(diǎn)。絕對場測量時(shí)，可以逐個(gè)完成各測點(diǎn)的電磁場數(shù)據(jù)采集，也可利用多通道采集系統(tǒng)或多臺(tái)接收機(jī)同時(shí)完成多個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。無論何種方式，數(shù)據(jù)處理解釋時(shí)，均是利用絕對場數(shù)據(jù)。3差分實(shí)現(xiàn)方案梯度場信號(hào)可以通過對絕對場信號(hào)進(jìn)行差分來得到，可以采用以下兩種差分方式。3．1硬件電路差分可控源電磁法的接收系統(tǒng)，一般由前置放大電路、濾波電路、程控放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字控制、存儲(chǔ)、顯示模塊等組成。為了獲取電場梯度值，一種方案是參考磁梯度測量的第一種方法，直接采用硬件差分電路實(shí)現(xiàn)二次差分。接收系統(tǒng)至少包含有兩個(gè)通道，結(jié)構(gòu)完全相同。電場信號(hào)先經(jīng)過前置同相比例放大器，然后經(jīng)過濾波電路(包括陷波器和低通濾波器)和程控放大器。與傳統(tǒng)的絕對場測量電路不同的是，在接收系統(tǒng)中增加差分放大器。為了使儀器既可用于梯度場測量，又可用于絕對場測量，這里采用了繼電器切換。當(dāng)繼電器切換到D1、D2、D3、D4時(shí)，直接測得電場梯度值。經(jīng)過二次差分后，信號(hào)一般比較微弱，差分放大器B0的性能好壞對梯度測量精度就有很大影響。為此，B0要選用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低漂移的差分放大器。本文實(shí)驗(yàn)測試選用了ADI公司生產(chǎn)的儀表放大器AD8429作為差分放大器件，同時(shí)為了使差分放大器不受前級(jí)的干擾，有效“隔離”前后級(jí)之間的影響，在AD8429之前加入了電壓跟隨器，使信號(hào)不會(huì)損失在前級(jí)電路的輸出電阻中。3．2軟件差分軟件差分即在硬件采集電路對絕對場信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后，利用軟件程序?qū)λ〉玫慕^對場數(shù)字信號(hào)做差分運(yùn)算。這種方案無需在接收系統(tǒng)中加入二級(jí)差分電路，使得電路結(jié)構(gòu)變得簡單。相對硬件差分法不能同時(shí)獲得絕對場和梯度場而言，軟件差分既可獲得絕對場數(shù)據(jù)，又可獲得梯度場數(shù)據(jù)，具有一定優(yōu)越性。但在數(shù)據(jù)采集過程中，軟件差分法不能在信號(hào)放大之前進(jìn)行背景噪聲壓制，這將在一定程度上限制信號(hào)放大倍數(shù)。軟件差分可以在時(shí)間域或頻率域進(jìn)行，考慮到頻率域更有利于信號(hào)的標(biāo)定，本文先對絕對場數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)頻譜提取，然后進(jìn)行差分計(jì)算。設(shè)相鄰測點(diǎn)絕對場信號(hào)分別為e1(n)、e2(n)，則梯度場可利用式(6)～(8)編程計(jì)算得到。4測量誤差分析4．1硬件差分誤差利用硬件差分電路獲取電磁場梯度信息時(shí)，測量的精度主要由硬件系統(tǒng)的性能決定。一是采集通道對弱信號(hào)的獲取能力，即壓制外部電磁干擾和內(nèi)部電磁噪聲以取得較高信噪比的能力;二是二級(jí)差分獲取梯度值前兩個(gè)采集通道的一致性，若出現(xiàn)兩通道延時(shí)差異或放大倍數(shù)差異，則將引入背景梯度，干擾梯度場的準(zhǔn)確測量。但受不極化電極以及電路元器件不一致性的影響，在實(shí)際電磁法測量中難以保證測量通道的完全一致。一般而言，信號(hào)頻率越高，周期越小，通道延時(shí)差異引起的相位差就越大。因此，采集通道延時(shí)不一致，對高頻電磁信號(hào)梯度測量的影響更為突出。若不能保證通道的精確一致性，硬件差分法測量的電磁梯度數(shù)據(jù)可能不可用。4．2軟件差分誤差與硬件差分只能得到相鄰?fù)ǖ啦罘趾蟮碾姶艌鎏荻戎挡煌?，軟件差分法首先用硬件采集系統(tǒng)測出各通道的輸入信號(hào)，然后計(jì)算差值得到梯度場。這種方式允許通過儀器通道標(biāo)定技術(shù)，對作差前的各通道測量信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而最大限度消除通道不一致性帶來的誤差。軟件差分的問題是，輸入信號(hào)可能耦合有較強(qiáng)的外界電磁噪聲，要求儀器能夠同時(shí)準(zhǔn)確采集弱信號(hào)和強(qiáng)噪聲。因此儀器系統(tǒng)需要有大的動(dòng)態(tài)范圍、低的內(nèi)部噪聲。而硬件差分，在二級(jí)差分時(shí)相鄰?fù)ǖ赖南嚓P(guān)噪聲得到大幅度壓制，后級(jí)電路可采用較大的放大倍數(shù)，減小系統(tǒng)內(nèi)部噪聲影響。對于電磁法而言，外界電磁噪聲大，系統(tǒng)內(nèi)部噪聲一般可忽略。因此，關(guān)鍵是解決通道一致性對梯度測量的影響。4．3通道校準(zhǔn)與誤差抑制文獻(xiàn)［12-14］分析了測量通道間群延時(shí)不同導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)過測量系統(tǒng)后出現(xiàn)的失真和誤差，并用移相器和分?jǐn)?shù)時(shí)延濾波器進(jìn)行相位校正。吉林大學(xué)張文秀等人［15］和劉立超等人［16］研究了偽隨機(jī)信號(hào)標(biāo)定方法并設(shè)計(jì)了標(biāo)定電路，得到了分布式電磁法儀器各個(gè)通道的幅值系數(shù)和相位。這里主要討論采集通道不一致性對梯度測量精度的影響方式，以確定合適梯度測量的采集和標(biāo)定方法。野外測量時(shí)，傳感器獲取大地電磁響應(yīng)信息，并傳至接收機(jī)輸入端。接收系統(tǒng)獲得的測量數(shù)據(jù)包含了兩個(gè)部分:1)大地的電磁響應(yīng)及外界電磁噪聲，包含有地下電性結(jié)構(gòu)信息;2)接收系統(tǒng)自身的響應(yīng)，不含地下電性結(jié)構(gòu)信息。通道不一致性正是由接收系統(tǒng)自身響應(yīng)引起。只有去掉接收系統(tǒng)自身的響應(yīng)，才能準(zhǔn)確獲得大地真實(shí)的響應(yīng)信號(hào)。5對比測試分析5．1兩種差分方式誤差對比測試為了確定合適的差分方式，對兩種方式進(jìn)行誤差對比測試。首先對比分析了幅度、相位和頻率完全相同的輸入信號(hào)時(shí)硬件差分與軟件差分的誤差情況。測試采用圖2的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)繼電器切換到C1、C2、C3、C4時(shí)獲得是輸入信號(hào)經(jīng)過通道1和2后的結(jié)果(絕對場)。當(dāng)繼電器切換到D1、D2、D3、D4時(shí)，通道1和2的信號(hào)還經(jīng)過了差分放大器B0，獲得是硬件差分結(jié)果(梯度場)。在保證信號(hào)不飽和的情況下，測試采用的輸入信號(hào)為200mV。測試結(jié)果如表1所示，表1中數(shù)據(jù)均為硬件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)經(jīng)傅里葉變換所得的幅度和相位。5．2軟件差分校準(zhǔn)后對比分析根據(jù)本文校準(zhǔn)原理，針對軟件差分方式，對每通道的信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)處理。向系統(tǒng)輸入幅值為1mV、頻率為4000Hz的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過多次測量各通道輸出信號(hào)并求取平均值，作為各通道的校準(zhǔn)系數(shù)，測試結(jié)果如表3所示。利用該校準(zhǔn)系數(shù)，對表2中各測量通道輸出信號(hào)經(jīng)通道校準(zhǔn)后，再次計(jì)算軟件差分結(jié)果，得到梯度值。如圖10所示，與之前的測試結(jié)果相比，此時(shí)梯度相對誤差更小，更加逼近真實(shí)值。6野外測試依據(jù)本文理論研制了頻率域可控源電磁法梯度采集系統(tǒng)，可同時(shí)采集多通道絕對場和梯度場數(shù)據(jù)。2016年12月，在江蘇省南通市如東縣灘涂，本課題組利用新研發(fā)的梯度采集系統(tǒng)進(jìn)行了頻率域電磁場梯度測試，現(xiàn)場如圖11所示。發(fā)射接收基頻64Hz的三頻偽隨機(jī)電磁場信號(hào)(64、128、256Hz)為例，測量極距30m。7結(jié)論進(jìn)行電場梯度測量時(shí)，所采用的測量方式對于梯度值的獲取精度有重要影響。本文分析了兩種典型的梯度測量方式，指出了兩種方式的原理及誤差來源，并進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)際測試。結(jié)果表明，在用硬件差分獲取梯度值時(shí)，兩個(gè)測量通道的不一致性將導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)過通道后出現(xiàn)額外的相位差，而該相位差對差分后的梯度值有直接的影響。隨著相位差的增大，測量結(jié)果的誤差也越來越大，當(dāng)輸入信號(hào)梯度值較小的時(shí)，該相位差將導(dǎo)致測量結(jié)果完全失真。而且通道校準(zhǔn)技術(shù)在硬件差分的測量方式中也難以應(yīng)用。若采用先測量兩相鄰?fù)ǖ澜^對場然后通過軟件差分計(jì)算梯度場的方式，則可以降低兩通道相位不一致性對梯度場的影響。進(jìn)一步利用測量通道校準(zhǔn)技術(shù)，可以提高軟件差分方法的梯度測量精度。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對電磁法梯度測量而言，軟件差分的方法更加方便有效。本文研究結(jié)果為電磁梯度測量系統(tǒng)的開發(fā)提供了有益借鑒。參考文獻(xiàn)［1］何繼善．廣域電磁測深法研究［J］中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，41(3):1065-1072．［2］湯井田，任政勇，周聰，等．淺部頻率域電磁勘探方法綜述地球物理學(xué)報(bào)，2015，58(8):．［3］底青云