地面电磁探测接收系统批量对比试验

李 萌 底青云

(①中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029； ②中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029)

1 概况

大地电磁法(MT)、可控源音频大地电磁法(CSAMT)等频率域电磁法在国内迅速发展[1-15]，而频率域电磁法仪器、设备的研制工作进展缓慢，使用的仪器基本依靠进口。随着中国社会经济的不断发展，勘探需求不断增加，电磁法仪器、设备的本土化逐渐受到重视，需要研发具有自主知识产权的电磁法勘探仪器设备系统[16-22]。这是为了打破国外对勘探设备的垄断，更主要的原因是中国潜在的油气、矿产资源赋存环境越来越复杂、深度越来越大，国外进口设备不能完全满足资源、能源勘探的需求。

地面电磁探测系统是由电磁信号采集站、感应式磁传感器以及大功率发射机组成的，可用于MT、AMT和CSAMT等方法的电磁法勘探。系统采用分布式接收机，每台接收机最多可同时采集3通道磁场信号和9通道电场信号；在保证单台仪器的施工效率的同时，可以方便地组网进行三维观测。

图1 试验区地理概况 (a)试验区交通位置图； (b)试验地点地表照片

为了检验SEP系统各部分在实际应用中的性能和可靠性，在研发过程中曾在河北固安、内蒙兴和、甘肃金昌等地进行了多次系统集成与优化试验，取得了良好的效果[23-26]。在此基础上，SEP接收系统进行了小批量生产，共生产出30套SEP接收系统。为了检验这批SEP接收系统的稳定性、一致性和可靠性(简称三性)，在河北省张北县进行了全面测试。

2 试验设计

2.1 试验区情况

试验点(图1)位于河北省张家口市张北县公会镇汽车桥村附近。试验区域距离最近的S245省道4km左右，距离汽车桥村1.72km，距最近的电力线大于1km，测区电磁干扰非常小，十分有利于仪器系统的测试。

2.2 施工设计

共设计10条测线，对30套仪器分三批进场测试，主要进行天然场源和人工场源电磁数据的采集试验，具体布设如图2所示。

10条测线每两条(LA，LB)组成一组，形成五组测线，同组的两条测线间隔为2m，组之间的间隔为60m。每条测线布设9个测深点，采集站主机布设3分量磁传感器(Hx,Hy,Hz)，测量9个通道的电场，电极距均为20m，电道沿南北方向布设，具体布设情况据场源的不同而不同。

图3为一组采集天然场数据的仪器布设图。图中A01～A10为采集站A的南北方向的接地电极，电极间距为20m；对称的A01与A10为一组南北电极，以此类推； A05与A06不连接仪器，是为了测量人工场信号放置的。因此会形成60、100、140、180m共4种电极距的接地方式。A11与A12组成一组采集站A的东西方向电极，极距为60m。A13为A采集站的接地电极。AHy、AHz和AHx分别为连接到A采集站上的三根感应式磁传感器。采集站B与采集站A的连接方式相同。

图4为一组人工场源法测试时的仪器布设图。图中A01～A10为采集站A的测量电极，电极距为20m，共计得到9个电场分量；A13为采集站接地电极。3根磁传感器均测量Hy分量，磁棒平行埋设，由南到北分别连接仪器三个磁通道的第2、第3、第1通道，磁传感器埋设方向为磁传感器的远接线端指向东。

使用V8系统的发射机发射信号。如图5所示，发射偶极长度为1.5km，收发距为7km，发射偶极位于测区西南侧，使用两套发射频率：1～7680Hz，共24个频点；0.1～9600Hz，共计22个频点。

图2 采集站批量测试测站布设示意图

图3 天然场源测试测站布设图 A、B分别代表两台采集站

图4 人工场源测试测站布设图 A、B分别代表两台采集站

磁传感器一致性测试(图6)设计选取两组(4台)采集站，每台仪器的三个磁场通道分别连接到三个平行的相近布设的指向东(或西)的磁传感器，磁传感器距离采集站15 m左右，磁传感器间距为5m。

图5 人工场源发射—接收位置示意图

为验证系统的通道一致性，设计了人工场源方法进行通道一致性试验。每台仪器选取一组(两个)测量电极接地，将所有的电场通道短接，相当于所有的电场通道测量一对接地电极。

图6 磁传感器一致性测试布置图

本文所说的“相近位置”均指试验设计中相近的两条测线(图件及文中表述为同一个测站中的A与B)，“相同位置”指在试验设计中某一个测站中的A或B。

3 试验结果分析

结果分析主要采用电磁方法常用的检查物理点观测质量的均方相对误差来衡量。

首先计算某个频点的某个物理量(可能为电场强度、磁场强度、视电阻率或阻抗相位)的相对误差为

(1)

然后计算单个物理点l的物理量均方相对误差

(2)

式中n为观测频点总数。

最后整体的适量评价用所有对比点的观测质量

Ml的均方相对误差统计

(3)

式中k为全区系统检查观测的全部对比点数。

3.1 一致性测试

3.1.1 单台采集站通道一致性试验

测试采集人工场数据，仅将其中的两个电极接地，所有电场通道均测量这两个电极之间的信号，将测得的电场值与同一根磁传感器测量的磁场值进行计算，得到视电阻率和阻抗相位。这样通过对比不同通道所得到的电场数据与计算得到的视电阻率和阻抗相位数据进行对比(图7)，检验仪器通道的一致性。由图可见，无论电场幅值、视电阻率还是阻抗相位，所有9个通道所采集到的数据，都能完好地重合在一起。根据计算，图中视电阻率的相对误差为0.48%，阻抗相位的相对误差为0.87%； 全部数据的视电阻率相对误差为0.77%，阻抗相位相对误差为1.05%，证明了采集站的通道一致性良好。

图7 人工场源通道一致性测试结果 (a)电场强度随频率变化图; (b)磁场强度随频率变化图; (c)视电阻率随频率变化图; (d)阻抗相位随频率变化图

3.1.2 磁传感器一致性试验

(1)天然场磁传感器一致性试验

数据采集时间约为15h，同时由于试验区电磁干扰较小，有效低频数据可以达到1/3000Hz左右。对三个磁场通道的磁场功率谱密度进行对比(图8)。

由于采集站仅有3个磁场通道，在进行平行测试时，虽然三根磁传感器测量的是同一磁场分量，但是为了对比方便，依旧标记成Hx、Hy、Hz。由图8可见，除在50Hz工频干扰附近有跳跃外，曲线都比较光滑，三条曲线均重合在一起，功率谱密度相对误差为1.58%，说明磁传感器在中—低频数据采集时具有很好的一致性。

(2)人工场磁传感器一致性试验

人工场磁传感器一致性测试的布设方式与天然场方法一致，发射频率范围为9600～0.1Hz。图9所示为人工源激发磁传感器一致性测试结果，可见三条曲线能够完好地吻合在一起，相对误差为0.64%，所有测试的总相对误差为0.76%，表明磁传感器在中、高频的一致性很好。

图8 天然场磁传感器(C120)平行测试结果

图9 人工场磁传感器(C128)平行测试结果

3.1.3 不同采集系统一致性试验

(1)天然场数据采集系统一致性试验

图10所示为天然场源条件下两台仪器(C120和C140)在位置测站5-A处(图6)的观测结果，采集时间约为12h。由图可见，无论是xy模式，还是yx模式，阻抗相位的两类曲线在周期低于500s时均能够完美地重叠在一起；只有当周期大于500s时，由于采集时间有限，叠加次数过少，同时也由于磁传感器的位置并不完全重合，所以存在一定的差异；同时，由于采集时间仅为12h，周期大于500s的这部分数据已基本属于由于数据时长不足带来的无效数据，所以会产生差异； 对视电阻率结果(图10a)，可以看出对于yx模式，只有个别频点有所跳动，其他部分能很好地吻合；而对于xy模式，虽然有部分频带曲线幅值出现一定的差别，但是曲线整体形态一致，图中频率高于0.01Hz频点的视电阻率相对误差为1.24%、阻抗相位相对误差为0.89%，所有结果的视电阻率及阻抗相位的相对误差与之相当，分别为1.30%和1.00%，说明整套系统在天然场的采集上的一致性较高。

(2)人工场数据采集系统一致性试验

由于人工发射信号的强度足够大，所以地表情况的较小差异对测量结果的影响有限。选择相近位置的数据(这里选取测站3处C115与C116仪器的数据中Ex3通道的数据)进行对比，验证采集系统的一致性。

如图11所示，在测站3位置上的两台仪器(C115和C116)采集的电场和磁场曲线的趋势和幅值均能很好地重合，仅在高频段的4个频点有一定差异，但是趋势也是一致的；从图11b和图11c也可以看出，两条视电阻率曲线基本能够重合在一起，阻抗相位仅有一个频点不能重合，其余频点均能够重叠在一起。视电阻率和阻抗相位的相对误差分别为1.33%和1.11%，总均方相对误差分别为1.98%和2.15%，表明整套系统在人工场数据采集时的一致性很强。

图10 天然场采集系统一致性测试结果(测站5-A) (a)视电阻率曲线； (b)阻抗相位曲线

3.2 稳定性测试

3.2.1 人工场数据采集单套采集系统稳定性试验

稳定性测试采用一套采集系统在同一点(测站3-B)同一天多次进行接收并对比其结果，人工源发射一次后，仪器关机，再重新开机后进行下一次人工源发射测试。图12为人工场源条件下的单套采集站采集的测站3-B的Ex2通道数据的稳定性实验结果。

从图12可见，视电阻率和阻抗相位除了在4个高频点误差稍大，在别的频点都能完好地重叠在一起。这是由于采集高频数据时发射电流较小，所采集到的信号较弱，信噪比相对较低。但是通过Ex、Hy计算卡尼亚视电阻率(图12c)后，三次测量的结果能够很好地重合。图12中视电阻率和阻抗相位的相对误差分别为0.74%和0.85%，对全部结果进行统计所得到的均方根相对误差分别为0.93%和1.07%。图12所示结果证明了单套采集系统的稳定性。

图11 人工场采集系统一致性测试结果 (a)电场强度曲线; (b)磁场强度曲线; (c)视电阻率曲线; (d)阻抗相位曲线

图12 人工场单套采集系统C116稳定性测试对比 (a)电场强度曲线; (b)磁场强度曲线; (c)视电阻率曲线; (d)阻抗相位曲线

3.2.2 天然场多套采集系统稳定性试验

在测站2-A位置上，分别用三台仪器、共三天、每天采集大约15h的数据，测量时均采用不同的采集站及不同的磁传感器，但是测线所用线缆、测量电极、接地电极都没有改变。图13所示为南北60m、东西60m极距的采集数据曲线。

由图13可见，三次重复测量结果整体上曲线形态、幅值均一致，但第一天的结果数据中1Hz频点的数据质量很差，这是由于第一天晚上下雨和雷电影响了数据质量，第二天与第三天的曲线能够很好地吻合。由此可见，仪器的稳定性很好，使用相同的接地电极能够得到一致的结果。忽略第一天的数据而只计算天气情况较好时的两台仪器采集到的数据的相对误差，得到的视电阻率和阻抗相位的相对误差均在3%左右。

3.3 可靠性测试

通过对比使用同一套采集系统分别采集的人工场与天然场数据，分析该系统的可靠性。由于两者的施工方式不尽相同，为了得到尽可能同一位置的数据，选取人工场的第五通道数据与天然场的xy模式数据进行对比。人工场的数据相当于天然场方法的xy模式的数据，而人工场的第五通道数据与天然场的数据反映的是同一位置的数据，仅极距不同。无论人工场还是天然场的数据采集，使用的都是同一套采集站和磁传感器，但是人工场源和天然场源的数据采集不可能同时进行，因此只能对不同时间段所采集到的人工场和天然场的数据进行对比。

图13 天然场多套采集系统稳定性测试结果(测站2-A) (a)ρxy; (b)ρyx; (c)φxy; (d)φyx

图14所示为C117采集站某次人工场测量结果与天然场测量结果在频率重叠频段对比结果。由于人工场发射频率和天然场计算频率并不完全一致，两者重合的频段人工场源频点稀疏，因此对人工场源的测量结果进行了插值，便于对比人工场源与天然场源在相同频点上的测量结果。

由图14可知，在100Hz以上频段，无论视电阻率曲线还是阻抗相位曲线，人工场与天然场的结果都能够很好地重合，前4个频点视电阻率的相对误差约为3.43%，阻抗相位的相对误差为4.55%； 随着频率的降低，由于人工场源的位置较近，因此在人工场源的测量曲线上能够明显地看到人工源的影响，无论视电阻率还是阻抗相位曲线，均显示出了明显的“近场效应”，因此与天然场的测量结果出现了很大的偏差，可见这部分频点的相对误差没有意义。

图14 天然场源与人工场源测试结果对比(C117) (a)视电阻率曲线； (b)阻抗相位曲线

4 结论

针对批量生产的SEP系统30台采集站及与其配套的90根感应式磁传感器进行仪器一致性、稳定性和可靠性的测试，根据试验结果分析可以得到以下的结论：

(1)采集站和磁传感器一致性测试结果证明单套采集系统在全频段具有一致性，天然和人工两种场源条件下的多套采集系统的一致性测试数据能够很好地吻合，计算结果相对误差较小，表明采集站具有良好的一致性；

(2)单套采集系统的多次测量和多套采集系统在同一测点的测量结果均能够很好地吻合，较低的相对误差也证明了结果的一致性，说明整套系统性能稳定；

(3)对比同一套采集系统、不同场源条件下采集到的数据，以及不同仪器在相近位置的采集数据，可以表明整套采集系统在两种场源条件下采集到的数据在对应的频带范围内有一致的响应，证明了采集系统的可靠性。

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