相位激电法在强干扰区的应用试验

肖 都, 郭 鹏, 林品荣, 石福升, 徐宝利

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 廊坊 065000)



相位激电法在强干扰区的应用试验

肖 都, 郭 鹏, 林品荣, 石福升, 徐宝利

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所, 廊坊 065000)

相位激电法的观测信号是总场，信号幅值相对较大，因而所需要的发射功率相对较小、设备较为轻便。在相位计算过程中由于采用了基于信号和噪声在时间特性上的差别，提取或恢复弱信号的相关检测技术，明显提升了仪器的抗干扰能力。这里以相位激电方法在福建某矿区的应用效果为例，说明相位激电法在强干扰和接地困难条件下，可获得可靠的观测数据，实现了对目标地质体的有效探测。

相位激电； 相关检测； 抗干扰

0 引言

近年来，随着我国现代化建设步伐的加快，居民区和工业区的快速扩张，矿山不间断开采以及高压超高压电网的建设，形成了广泛且强大的电磁场源，进而对地球物理找矿方法尤其是电法技术造成了强烈干扰。为了取得可靠的观测数据，工程技术人员开发出了大功率电法仪器[1-2]来压制干扰，提高信噪比。但是大功率设备意味着设备自重大，移动和运输比较困难，在某些地区并不适用；使用软、硬件的滤波技术来去除噪声，只能针对某些频段进行滤波，而噪声是不规律的广谱信号，滤波并不能完全滤掉噪声。

相关检测技术主要是根据信号与噪声在时间特性上的差别，利用信号的周期性、相关性与噪声的随机性、不相关性这一规律特征，用一个与被测信号频率相同且相位一致的已知信号，与待测信号进行相关运算，识别出被噪声淹没的微弱有用信号，从而达到对微弱信号的提取，这一过程称为相关检测。相位激电法正是利用相关检测的技术特点，在计算相位时只选择与发送信号频率相同的同步信号，达到抗干扰的目的。

1 方法技术及仪器

1.1 相位检测原理

相位激电法工作时，由发射机向地下发送周期性的方波，其电流波形如图1所示，它是以时间T为周期的正负方波。可将其表示为：

(1)

该正负方波的傅里叶级数为：

n=1,3,5…

(2)

其中,R为方波的振幅，并且该方波只含有奇次谐波，谐波幅值随着谐波次数的增高而减小，各次谐波的初始相位角均为零。

图1 相位激电电流波形图Fig.1 Current waveform of phase IP

(3)

当ω=ω0时，即参考信号与发送信号频率相同，计算出只包含有基波频率信号实分量和虚分量：

(4)

计算得到

其中：θ为接收机测得的初始相位；R为振幅。

1.2 相位激电仪器

本次试验采用的是阵列式轻便电磁法仪器，在开展相位激电测量时，发射和接收之间采用GPS同步技术。发射机采用数字式PWM(脉宽调制)稳流方式，稳流精度优于1‰[3]，能够保证高精度的相位测量。相位激电法观测的是总场，相较于时间域激电而言，其对发射电流的要求要小的多，因此可将发射装置小型化、轻便化[4]。发射机功率电源的输入为12 V蓄电池，便于移动，最大输出电压为400 V，最大输出电流为2 A，最大输出功率为800 W。阵列式轻便电磁法仪器接收机采用先进的数据采集技术，接收机的最小可分辨信号小于1μV，实现了在小电流情况下，对弱信号的有效探测。相位激电法自实现以来，已在地质勘查中广泛应用[5-10]，取得较好的找矿效果。

2 试验区概况

2.1 试验区地质概况

研究区处于闽西北隆起带和闽东火山断拗带接合部位，北东向政和—大埔深断裂带和南北向浦城—尤溪大断裂在本区交汇，作为铜铅锌多金属矿源层位的基底变质岩广泛出露，中生代构造岩浆活动强烈，成矿地质条件有利。

区内出露的地层主要为中—上元古界龙北溪组、东岩组、大岭组。铅锌矿床主要受东岩组绿片岩层位控制，其产状与地层片理近一致，后期构造(热液)叠加处矿体有变厚变富的趋势。初步认为，该矿床为海底火山沉积变质—热液改造型块状硫化物矿床。

2.2 试验区地球物理特征

研究区岩矿石标本的电参数测定结果列于表1。由表1中数据可见，研究区内岩矿石电参数有如下特征：铅锌矿石具低阻、高相位，与围岩有明显电性差异，相位值为围岩的3倍～10倍，电阻率为围岩的1/2～1/7。具有激电法工作的物理基础。

2.3 研究区干扰特征

研究矿区已开采多年，本次工作时矿山正在进行开采作业，矿区附近大地存在大量游散电流干扰。矿区干扰源主要为矿山风机用电，矿车升降用电及矿区住宅用电，用电电压为220 V～380 V，用电频率为50 Hz。通过在矿区采集的时间序列信号分析发现，50 Hz工频和高强度随机脉冲信号是该矿区的主要干扰类型。其形态规则且能量强，峰峰值最大可达500 mV以上(图2)。

表1 岩矿石标本电参数统计表

图2 矿山周期干扰信号图Fig.2 Mine periodic interference signal

3 应用实例

研究区曾开展过时间域激电测量，受供电电流小、矿山开采游散电流干扰、仪器观测精度低、地形起伏大等不利因素的影响，在已经控制的矿(化)体上并没有获得明显的激电异常。基于上述不利因素，本次在研究区开展了阵列相位激电测量试验，验证相位激电法在研究区不利条件下的探测能力。

试验工作选择在研究区8号测线上，该测线为已知程度较高的一条地质勘探线，通过钻探和地表工程揭露已控制矿体6条，矿山开采工作主要集中在该测线下方。

研究区地表覆盖松散的浮土层，且该浮土层较厚，通过对供电电极浇水，增加供电电极数量等方法均不能大幅提高供电电流。发射机在最高发射电压情况下，开展试验时该矿区测线上的最大供电电流为265 mA，最小电流只有70 mA，可见该地区接地和供电条件非常差，常规激电观测仪器无法在低电流和强干扰的情况下获得有效观测数据。

阵列式轻便电磁法仪观测频率可在128 Hz～1/128 Hz之间选取，激电相位测量中，工作频率尽量避开干扰频率，该仪器对弱信号的有效探测和选频技术地应用，有利于观测信号地识别和检出。

通过试验，工作采用偶极-偶极装置，发射和接收间的极距均为80 m，测点距40 m，隔离系数为1～6，观测频率为4 Hz时，观测数据最为稳定。

图3为矿区某一测点上两次相位测量得到的时域曲线(均为一个周期)，图3中A1和B1是将两次观测截取了0.5 s后绘制的曲线，从曲线中可发现干扰均为50 Hz工频干扰。由图3可见，观测时间不同其干扰强度也不同，观测到的信号幅值为150 mV，而干扰信号的幅值则达到了200 mV～500 mV，远大于相位激电信号的幅值。经过相关检测运算，计算出两次观测的相位分别为φ=-26.237 mrad和φ=-25.511 mrad，两次观测到的相位值相差小于1 mrad，数据可靠。本测线上其他测点的干扰情况与此类似，使用阵列式轻便电磁法仪，均取得了可靠的观测数据。

图4为8号线的相位激电数据反演结果与地质断面综合解释图，由图4可见，铅锌矿体赋存于绿片岩层位中。钻孔ZK802于孔深10.41 m至13.13 m见Ⅰ号铅锌矿体，但矿体斜深不大，ZK803孔未见Ⅰ号矿体。中部含矿绿片岩中见多层矿体，其中Ⅱ和Ⅲ号矿体规模较大，矿体斜深200 m～300m，真厚度5 m～7 m左右。

图3 同一测点两次观测曲线对比Fig.3 Tow observed curves at one same site(a)强干扰下的曲线；(b)弱干扰下的曲线；(c)强干扰下的放大曲线；(d)弱干扰下的放大曲线

图4 8线相位测量与地质断面综合图Fig.4 Comparison chart of phase-IP and geological section on line No.8(a)电阻率反演断面图；(b)相位反演断面图；(c)地质断面图

试验过程中了解到，在8线附近标高为225 m以上的多金属矿已开采结束，成为采空区(图4)，正在开采标高225 m以下的铅锌矿。

据地质及物性资料，铅锌矿石具低阻、高相位的特点，铅锌矿化绿片岩及绿片岩具中—低相位，围岩云母片岩则是高阻低相位特点。故在标高225 m以上，对应矿体采空区位置，由于富含硫化物成分的铅锌矿石被采空，所以该位置未能出现高相位异常；标高225 m以下矿体延伸部位的高相位异常为铅锌矿体与铅锌矿化绿片岩共同作用的结果。从电阻率断面图中，受矿体及围岩的共同作用，控制矿(化)体显示为中、低电阻率，结合相位断面图可清晰圈画出矿体异常。

4 结论

试验结果证明，采用了相关检测技术的相位激电法，具有轻便、快速、观测精度高和抗干扰能力强等特点，能够在接地条件差，人文干扰强等常规激电难以开展工作的地区开展工作。该方法实现了在强干扰背景下提取微弱信号，并加以识别。可在小电流、微弱信号、强干扰等复杂地质环境下，实现对激电异常体地有效探测。

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Phase-IP experimental effects under the condition of strong interference and difficult grounding

XIAO Du, GUO Peng, LIN Pin-rong, SHI Fu-sheng, XU Bao-li

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

The total electric field measurement using phase-IP method, compared with the conventional time domain IP, the sending power of phase-IP required is smaller and the equipment is more portable. By the use of correlation detection technology and new electronic technique in phase-IP instrument, it improves the anti-jamming capability and the measuring accuracy of the instrument markedly. The trial effect that tested at a certain ore in Fujian is discussed in this paper. The result indicates that phase-IP can get reliable data, and can probe the objective geologic body effectively in strong interference and difficult grounding area.

phase-IP; strong interference; correlation detection

2016-04-25 改回日期：2016-07-07

国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ05006001)

肖都(1976-)，男，高级工程师，主要从事地球物理勘查技术研究工作,E-mail：xiaodu@igge.cn。

1001-1749(2016)05-0593-05

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2016.05.03