分布式电磁探测系统在深部地下水资源勘查中的应用

张文秀，周逢道，林 君，刘长胜，曹学峰，陈 健，徐汶东

吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室／仪器科学与电气工程学院，长春 130026

分布式电磁探测系统在深部地下水资源勘查中的应用

张文秀，周逢道，林 君，刘长胜，曹学峰，陈 健，徐汶东

吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室／仪器科学与电气工程学院，长春 130026

可控源音频大地电磁法（CSAMT）是一种有效的地下深部资源勘探方法，但现有仪器分段分时的工作方式使得其观测精度受不同排列观测条件差异的影响。为了提高测量精度和效率，研制了一种实现整条测线多点同步观测的分布式电磁探测系统。系统由级联式大功率发射系统和分布式多通道接收系统组成，通过移动发射源位置实现CSAMT和激发极化法2种测量功能；仪器采集的多道原始数据经过干扰噪声抑制后提取出反演参数。利用该系统在吉林松江河地区开展了深部地下水资源勘查，并与同类仪器GDP32II的勘探结果进行了对比。结果表明：分布式电磁探测系统多点同步观测方式不但提高了工作效率，而且有效地克服了时变性、区域性外界噪声产生的横向异常影响。根据勘查结果在该地区成功预测了深部地下水的有利赋存位置并得到了钻井验证。

电磁勘探；可控源音频大地电磁法；分布式系统；同时测量；深部地下水勘查

0 引言

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，对资源和能源的需求与日俱增，迫切需要增加勘探开采深度。目前，对煤田的采掘深度已经达到1 000m；地热资源大多的开发利用深度已超过2 000 m；对金属矿则应开辟500～2 000m范围的第二找矿深度空间［1］：所有这些都要求电磁法加大探测深度，提高分辨率，提高效率，降低成本［2］。可控源音频大地电磁法（controlled souse audio－frequency magnetolelluric，CSAMT）由于使用人工场源，信号强度大，工作效率、精度以及分辨率都明显提高［3］，在金属矿［4－5］、地热［6－7］以及水文、环境［8－10］等领域得到了广泛的应用。

目前实现CSAMT测量的商业化仪器主要有美国Zonge公司的GDP32II和加拿大Phoenix公司的V8。GDP32II采用集中式采集；V8可以带少量的电场采集站，通常为2个。2种仪器由于通道数目有限，单次测量（通常称为一个排列）覆盖的测线较短，完成一条测线需要多次移动排列进行分段分时测量。由于各个排列的数据是在不同时间获得的，需要多次重复发射，具有时变性的外界噪声对各排列的影响不同，因此，难以保证不同排列观测的条件完全一致，影响了观测精度。当前电磁探测仪器正由传统的集中式采集向分布式、多参数采集方向发展［11］。加拿大Quantec Geoscience公司于2001年推出了IP和MT联用的Titan－24分布式测量系统［12］。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所研制了阵列大功率多功能电磁探测系统并进行了野外试验［13］。

为实现多点同步观测，克服分时测量存在的精度和效率问题，吉林大学开发了一种拟地震式的分布式深部电磁探测系统。本文首先介绍了系统的工作原理及基本组成，然后给出了多道电磁数据的处理方法，最后通过吉林松江河地区深部地下水资源勘查的应用，并与同类仪器GDP32II在相同测线进行对比，验证了仪器系统和同时测量方法的有效性。

1 分布式电磁探测系统的工作原理及组成

1.1 工作原理

分布式电磁探测系统主要采用CSAMT法标量测量的工作原理。通过沿一定方向（设为x方向）布置的接地导线向地下供入某一音频谐变电流，在其一侧或两侧60°张角的扇形区域内沿与发射平行的方向布置测线［10，14］；分布式接收机同时布置在一条测线上，所有测点同步观测相应频率的电场分量和与之正交的磁场分量。根据公式（1）、（2）计算卡尼亚视电阻率和阻抗相位：

式中：｜Ex｜，｜Hy｜和φEx，φHy分别为Ex，Hy的振幅和相位；μ为大地的磁导率；ω＝2πf为角频率。在音频段内逐次改变供电和测量的频率，便可测出视电阻率和阻抗相位随频率的变化曲线，经过数据处理及反演，获得反映地下结构的地电断面资料。

分布式电磁探测系统的另一个辅助测量功能是激发极化法（induced polarization，IP）。分布式接收系统固定布置在测线上，通过沿测线逐点切换供电A极位置实现三极装置的激电测深，移动发射源至测区实现中梯装置激电剖面测量，激电法除提供浅部视极化率异常外，获取的浅部直流电阻率信息可为CSAMT勘探参数的设计及深部电阻率的反演提供参考和约束条件。分布式电磁探测系统工作原理如图1所示。

1.2 系统组成

分布式电磁探测系统由级联式大功率发射系统和分布式多通道接收系统组成。其主要技术指标如下：

发射电流最大30A；发射频率为1／128～8 192 Hz；动态范围大于130dB；采样频率最高196kHz；同步精度为±0.5μs；总通道数为53；通道误差幅度＜0.002V，相位＜0.2°（标定前，输入信号幅度1 V）。

图1 分布式电磁探测系统工作原理图Fig.1 The functional diagram of distributed electromagnetic system

级联式大功率发射系统由发电机、直流电源、逆变桥路、电流检测装置及控制器组成。发电机输出的三相交流经过整流、滤波后送入半桥电路进行逆变，逆变后交流信号通过功率变压器调压，最后再经过全波整流、滤波，输出直流电压提供给IGBT全桥变换电路。桥臂中的每个开关元件采用多个IGBT并联，克服了单个IGBT通流能力低的缺点。为保证接地电阻大地区的大电流输出能力，对发射系统输出电压要求较高。发射系统采用级联式结构，总的输出电压等于各级电压之和，提高了输出电压的同时降低了单极桥路的耐压要求。目前系统采用三级级联结构，如图2所示。其中每极最大输出电压500V，最大电流30A。级联技术使单台发射机的体积和质量减小，易于野外作业。

图2 级联式电磁发射系统结构框图Fig.2 Structure diagram of cascaded electromagnetic transmitter

分布式多通道电磁探测接收系统由1个主控站和多个采集站组成，之间通过有线（RS485总线式网络）或无线（Zigbee星型网络）通讯的方式实现连接，主控站配置了5个数据采集通道，可同时测量3个磁场和2个电场。每个采集站有2个电场或磁场的测量通道，每通道使用1片独立的24位A／D转换器，通过GPS实时校正恒温晶振输出产生高精度的同步时钟，保证主控站及所有采集站与发射系统时刻保持同步。采集站在主控站的控制下实现系统测试、参数设置、数据采集、数据上传等功能，原始数据本地保存。主控站和多台采集站可同时布设在一条乃至多条测线上，实现同时观测。分布式接收系统整体结构如图3所示。

2 分布式多道电磁数据处理

仪器采集的原始时间序列数据以二进制文件的形式保存，需要经过一系列处理和计算，最终获得数据反演所需的参数。分布式多道电磁数据处理主要包括干扰噪声抑制和视电阻率及阻抗相位参数提取两部分，具体处理流程如图4所示。

2.1 干扰噪声抑制

图3 分布式多通道电磁探测接收系统结构图Fig.3 Structure diagram of distributed multi－channel electromagnetic receiver

图4 数据处理流程Fig.4 The flow chart of data processing

采集生成的数字信号除含有与发射频率对应的有用信号外，还包括仪器系统本身的噪声和外部干扰噪声，其中外部干扰远大于仪器内部噪声。主要的外部干扰来自人文电磁噪声，如电力网线产生的工频及其谐波干扰、用电设备通断产生的随机尖峰噪声干扰等。工频及其谐波对与其频率值相近的频点影响较大，尖峰干扰具有脉冲函数的性质，包含丰富的频率分量，对整个频谱均有影响。

对于工频及其谐波，采用数字梳状滤波器对基频和3、5、7次的主要谐波进行窄带陷波。对于尖峰干扰，首先通过设定阈值找到奇异值，采用相邻采样点的数据插值的方法进行替换。

2.2 参数提取

经过预处理后的时域信号通过快速傅立叶变换进行频谱分析，提取发射频率值对应的幅度和相位。与时间域电磁方法不同的是，CSAMT通常不在时域进行信号叠加，而是对采集的信号先分段，分别计算各段的幅度和相位，对各段的计算结果进行叠加处理。分段过程实际是对有限长度的采集信号进行再次截断。段的长度对参数提取结果影响较大：当采样率为fs、截取的样点数为N时，FFT计算得到的离散谱线只在f＝fs／N的整倍数位置上才出现，于是谱线之间被测信号的谱线被挡住而损失掉，从而产生栅栏效应［15］。

为了减小上述问题对参数提取结果的影响，要求截断后的序列长度满足N＝mfs／f0。（3）其中：f0为被测信号频率；m为正整数，代表被测信号周期数，即截取信号长度为信号周期的整数倍，以保证被测信号频率处存在离散的谱线。对分段数据分别计算幅度和相位，计算结果叠加并求取标准误差，从而判断数据质量。

上述计算结果中包含了仪器通道因器件参数、安装工艺等不完全一致而产生的系统固有误差，需要利用标定曲线对计算结果进行修正，消除仪器自身幅度误差和相位偏移。标定后的幅度和相位代入公式（1）、（2），求得视电阻率和阻抗相位。

3 吉林松江河深部地下水资源勘查

2010年5月利用研制的分布式电磁探测系统在吉林省松江河镇果松山地区开展了深部地下水资源勘查。测区距长白山80余km，为典型的火山地貌区域，由一系列北东向的山脉和宽缓的山间盆地组成。地势东南高，西北低，地形起伏大，平均海拔800m左右。表层被松散岩类冲洪积物和第四系玄武岩覆盖，区内断裂构造、水系发育，岩层电阻率受含水裂隙发育状况影响较大。

3.1 工作布置与数据采集

勘查方法采用可控源音频大地电磁法和时间域激电法。在1号线及其旁侧进行了3条测线的中梯激电测量，供电极距1 100m，接收极距50m，供电电流10A，周期8s。激电测量结果表明：该区域无明显激发极化异常，背景视极化率很低，浅地表电阻率西高东低，与该地区地质特征相符。直流电阻率值的测定为CSAMT参数设计提供了参考。在1、4、5号测线进行了CSAMT法测量，供电极距1km，发射系统采用两级级联，供电电压500～800V，供电电流2.5～10A，收发距7～10km，接收系统采用1个主控站和8个采集站进行分布式观测，接收极距50m，一次覆盖测线长度为900m。测量频段1～8 192Hz，频点为2的整数次幂及倍加密频点，总计27个。在相同测线上采用6通道GDP32II进行测量，每个排列长度250m，整条测线分4段分时测量，获得对比数据。测量时，2种仪器系统采用的测点和供电点位完全相同。测区位于采石场和村庄附近，主要电磁干扰来自电力线。

3.2 数据对比及分析

图5为分布式电磁探测接收系统采集的多道数据时域和频域波形。从图5a时域波形中圈定的位置看出，随机干扰具有区域性，同时作用于所有测点，引起波形畸变。图5b频域波形显示工频50Hz信号幅度较大，经过处理，可以看见发射频率为64Hz的信号。

图6为相同测点2种仪器测得的原始电场、磁场及视电阻率曲线对比。图6a为GDP32II测量结果，其中测点39、40为排列1观测，测点41、42为排列2观测，两排列测量时间相隔1h。自上而下依次为归一化电场、磁场及卡尼亚视电阻率曲线。对于电场，同一排列测量的39、40号测点在1.41Hz、5.63Hz 2个频点处均出现明显的幅值跳变，而相邻的41、42测点由于采用另一排列测量电场曲线则很光滑。磁场信噪比较高，曲线光滑且2个排列测量结果随频率变化规律相同。由于受电场影响，视电阻率曲线在相同频率处出现跳变点，并出现相邻测点由于不同排列观测而呈趋势不同的形态，导致局部的横向异常。图6b为分布式电磁探测系统同时观测的4个测点的原始曲线，与图6a一一对应，相邻测点曲线一致性较好，未出现局部跳变点。由于高频电流较小，2 048Hz以上信号信噪比较低，但相邻的4个测点变化趋势一致，表明同时测量由于干扰对所有测点影响一致，不会引起横向的局部异常。

3.3 反演结果分析

利用美国Zonge公司的SCS2D软件对测量结果进行了反演，图7为2种仪器某线数据反演得到的视电阻率断面图。2种仪器的测量结果均能反映出浅地表低阻层、中间高阻层及深部低阻区，层位及对应深度一致。推测浅部低阻区为地表水引起，中间高阻层岩石相对完整，封闭性较好，为有利的热储盖层，深部低阻层为裂隙发育带，为地下水的有利赋存位置。根据CSAMT视电阻率断面，同时结合磁法、重力等其他地球物理资料，确定了潜在深部地下水的开发井位。目前该井已完成钻探，井深2 200 m，成功获得了地下热水，平均水温40℃，出水量超过300m2／d。

图5 多道数据波形显示图Fig.5 Waveform display diagram of multi－channel data

4 结论

1）针对外界噪声具有的时变性，分布式电磁探测系统采用多个采集站一次性布设在一条测线上，多点同步观测，克服了传统单机分时测量带来的精度问题，提高了分辨率和工作效率。

2）外界噪声具有区域性，同时测量使得不同测点的采集数据中具有相同的噪声成分，只会影响反演参数的绝对量值，不影响横向相对异常的判断。

3）CSAMT具有勘探深度大、分辨低阻能力强的优点。在吉林松江河地区成功预测了深部地下水资源的有利赋存位置，是寻找地热资源的有效勘查手段。

分布式电磁探测系统是在国家自然科学基金科学仪器专项资助下我国自行研制、具有自主知识产权的物探仪器，目前还属于样机阶段。随着该系统的进一步完善，必将推动其在深部资源探测领域中的应用。

特别感谢吉林大学曾昭发、李桐林教授。参考文献（References）：

图6 电磁场曲线对比图Fig.6 Comparison diagram of electromagnetic field curves

图7 CSAMT视电阻率反演断面图Fig.7 Apparent resistivity inversion section diagram of CSAMT

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Application of Distributed Electromagnetic System in Deep Groundwater Prospecting

Zhang Wen－xiu，Zhou Feng－dao，Lin Jun，Liu Chang－sheng，Cao Xue－feng，Chen Jian，Xu Wen－dong

Key Laboratory for Geo－Exploration Instrumentation，Ministry of Education／College of Instrumentation and Electrical Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China

Controlled sourse audio－frequency magnetolelluric（CSAMT）is an effective geophysical method for deep resource prospecting.The accuracy of most current instruments functioning in timesharing measurement mode is easily affected by differences of various arrangement observation condition.In order to improve the efficiency and accuracy，a distributed electromagnetic system was developed which achieves multi－point observation simultaneously in a survey line.The system consists of an electromagnetic receiver array and a high power transmitter base on series technology and it can be used for the CSAMT and induced polarization method by moving emission source location.Inversion parameters are extracted from the original multi－channel data after interference suppression.The system was applied to deep groundwater prospecting in Songjianghe area，Jilin Province.The results which were compared with GDP32II shows that multi－point simultaneous measurement not only improve efficiency，but also overcome the horizontal abnormal impact generated by time－varying and regional noise.The potential location of deep groundwater was successfully predicted according to the explorationresults and it had been verified by drilling.

electromagnetic prospecting；controlled sourse audio－frequency magnetolelluric；distributed system；simultaneous measurement；deep groundwater prospecting

book=2012,ebook=455

P631.2；P641.7

A

1671－5888（2012） 04－1207－07

2011－10－16

国家自然科学基金仪器专项（40727002）；教育部产学研用合作创新项目（OSR－02－01）

张文秀（1985－），男，博士研究生，主要从事分布式电磁探测仪器研究，E－mail：zwx07＠mails.jlu.edu.cn

林君（1954－），男，教授，博士生导师，主要从事地球物理探测技术及仪器研究，E－mail：lin＿jun＠jlu.edu.cn。