分布式電磁探測系統在深部地下水資源勘查中的應用

張文秀，周逢道，林 君，劉長勝，曹學峰，陳 健，徐汶東

吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室／儀器科學與電氣工程學院，長春 130026

分布式電磁探測系統在深部地下水資源勘查中的應用

張文秀，周逢道，林 君，劉長勝，曹學峰，陳 健，徐汶東

吉林大學地球信息探測儀器教育部重點實驗室／儀器科學與電氣工程學院，長春 130026

可控源音頻大地電磁法（CSAMT）是一種有效的地下深部資源勘探方法，但現有儀器分段分時的工作方式使得其觀測精度受不同排列觀測條件差異的影響。為了提高測量精度和效率，研制了一種實現整條測線多點同步觀測的分布式電磁探測系統。系統由級聯式大功率發射系統和分布式多通道接收系統組成，通過移動發射源位置實現CSAMT和激發極化法2種測量功能；儀器采集的多道原始數據經過干擾噪聲抑制后提取出反演參數。利用該系統在吉林松江河地區開展了深部地下水資源勘查，并與同類儀器GDP32II的勘探結果進行了對比。結果表明：分布式電磁探測系統多點同步觀測方式不但提高了工作效率，而且有效地克服了時變性、區域性外界噪聲產生的橫向異常影響。根據勘查結果在該地區成功預測了深部地下水的有利賦存位置并得到了鉆井驗證。

電磁勘探；可控源音頻大地電磁法；分布式系統；同時測量；深部地下水勘查

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高，對資源和能源的需求與日俱增，迫切需要增加勘探開采深度。目前，對煤田的采掘深度已經達到1 000m；地熱資源大多的開發利用深度已超過2 000 m；對金屬礦則應開辟500～2 000m范圍的第二找礦深度空間［1］：所有這些都要求電磁法加大探測深度，提高分辨率，提高效率，降低成本［2］?？煽卦匆纛l大地電磁法（controlled souse audio－frequency magnetolelluric，CSAMT）由于使用人工場源，信號強度大，工作效率、精度以及分辨率都明顯提高［3］，在金屬礦［4－5］、地熱［6－7］以及水文、環境［8－10］等領域得到了廣泛的應用。

目前實現CSAMT測量的商業化儀器主要有美國Zonge公司的GDP32II和加拿大Phoenix公司的V8。GDP32II采用集中式采集；V8可以帶少量的電場采集站，通常為2個。2種儀器由于通道數目有限，單次測量（通常稱為一個排列）覆蓋的測線較短，完成一條測線需要多次移動排列進行分段分時測量。由于各個排列的數據是在不同時間獲得的，需要多次重復發射，具有時變性的外界噪聲對各排列的影響不同，因此，難以保證不同排列觀測的條件完全一致，影響了觀測精度。當前電磁探測儀器正由傳統的集中式采集向分布式、多參數采集方向發展［11］。加拿大Quantec Geoscience公司于2001年推出了IP和MT聯用的Titan－24分布式測量系統［12］。中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所研制了陣列大功率多功能電磁探測系統并進行了野外試驗［13］。

為實現多點同步觀測，克服分時測量存在的精度和效率問題，吉林大學開發了一種擬地震式的分布式深部電磁探測系統。本文首先介紹了系統的工作原理及基本組成，然后給出了多道電磁數據的處理方法，最后通過吉林松江河地區深部地下水資源勘查的應用，并與同類儀器GDP32II在相同測線進行對比，驗證了儀器系統和同時測量方法的有效性。

1 分布式電磁探測系統的工作原理及組成

1.1 工作原理

分布式電磁探測系統主要采用CSAMT法標量測量的工作原理。通過沿一定方向（設為x方向）布置的接地導線向地下供入某一音頻諧變電流，在其一側或兩側60°張角的扇形區域內沿與發射平行的方向布置測線［10，14］；分布式接收機同時布置在一條測線上，所有測點同步觀測相應頻率的電場分量和與之正交的磁場分量。根據公式（1）、（2）計算卡尼亞視電阻率和阻抗相位：

式中：｜Ex｜，｜Hy｜和φEx，φHy分別為Ex，Hy的振幅和相位；μ為大地的磁導率；ω＝2πf為角頻率。在音頻段內逐次改變供電和測量的頻率，便可測出視電阻率和阻抗相位隨頻率的變化曲線，經過數據處理及反演，獲得反映地下結構的地電斷面資料。

分布式電磁探測系統的另一個輔助測量功能是激發極化法（induced polarization，IP）。分布式接收系統固定布置在測線上，通過沿測線逐點切換供電A極位置實現三極裝置的激電測深，移動發射源至測區實現中梯裝置激電剖面測量，激電法除提供淺部視極化率異常外，獲取的淺部直流電阻率信息可為CSAMT勘探參數的設計及深部電阻率的反演提供參考和約束條件。分布式電磁探測系統工作原理如圖1所示。

1.2 系統組成

分布式電磁探測系統由級聯式大功率發射系統和分布式多通道接收系統組成。其主要技術指標如下：

發射電流最大30A；發射頻率為1／128～8 192 Hz；動態范圍大于130dB；采樣頻率最高196kHz；同步精度為±0.5μs；總通道數為53；通道誤差幅度＜0.002V，相位＜0.2°（標定前，輸入信號幅度1 V）。

圖1 分布式電磁探測系統工作原理圖Fig.1 The functional diagram of distributed electromagnetic system

級聯式大功率發射系統由發電機、直流電源、逆變橋路、電流檢測裝置及控制器組成。發電機輸出的三相交流經過整流、濾波后送入半橋電路進行逆變，逆變后交流信號通過功率變壓器調壓，最后再經過全波整流、濾波，輸出直流電壓提供給IGBT全橋變換電路。橋臂中的每個開關元件采用多個IGBT并聯，克服了單個IGBT通流能力低的缺點。為保證接地電阻大地區的大電流輸出能力，對發射系統輸出電壓要求較高。發射系統采用級聯式結構，總的輸出電壓等于各級電壓之和，提高了輸出電壓的同時降低了單極橋路的耐壓要求。目前系統采用三級級聯結構，如圖2所示。其中每極最大輸出電壓500V，最大電流30A。級聯技術使單臺發射機的體積和質量減小，易于野外作業。

圖2 級聯式電磁發射系統結構框圖Fig.2 Structure diagram of cascaded electromagnetic transmitter

分布式多通道電磁探測接收系統由1個主控站和多個采集站組成，之間通過有線（RS485總線式網絡）或無線（Zigbee星型網絡）通訊的方式實現連接，主控站配置了5個數據采集通道，可同時測量3個磁場和2個電場。每個采集站有2個電場或磁場的測量通道，每通道使用1片獨立的24位A／D轉換器，通過GPS實時校正恒溫晶振輸出產生高精度的同步時鐘，保證主控站及所有采集站與發射系統時刻保持同步。采集站在主控站的控制下實現系統測試、參數設置、數據采集、數據上傳等功能，原始數據本地保存。主控站和多臺采集站可同時布設在一條乃至多條測線上，實現同時觀測。分布式接收系統整體結構如圖3所示。

2 分布式多道電磁數據處理

儀器采集的原始時間序列數據以二進制文件的形式保存，需要經過一系列處理和計算，最終獲得數據反演所需的參數。分布式多道電磁數據處理主要包括干擾噪聲抑制和視電阻率及阻抗相位參數提取兩部分，具體處理流程如圖4所示。

2.1 干擾噪聲抑制

圖3 分布式多通道電磁探測接收系統結構圖Fig.3 Structure diagram of distributed multi－channel electromagnetic receiver

圖4 數據處理流程Fig.4 The flow chart of data processing

采集生成的數字信號除含有與發射頻率對應的有用信號外，還包括儀器系統本身的噪聲和外部干擾噪聲，其中外部干擾遠大于儀器內部噪聲。主要的外部干擾來自人文電磁噪聲，如電力網線產生的工頻及其諧波干擾、用電設備通斷產生的隨機尖峰噪聲干擾等。工頻及其諧波對與其頻率值相近的頻點影響較大，尖峰干擾具有脈沖函數的性質，包含豐富的頻率分量，對整個頻譜均有影響。

對于工頻及其諧波，采用數字梳狀濾波器對基頻和3、5、7次的主要諧波進行窄帶陷波。對于尖峰干擾，首先通過設定閾值找到奇異值，采用相鄰采樣點的數據插值的方法進行替換。

2.2 參數提取

經過預處理后的時域信號通過快速傅立葉變換進行頻譜分析，提取發射頻率值對應的幅度和相位。與時間域電磁方法不同的是，CSAMT通常不在時域進行信號疊加，而是對采集的信號先分段，分別計算各段的幅度和相位，對各段的計算結果進行疊加處理。分段過程實際是對有限長度的采集信號進行再次截斷。段的長度對參數提取結果影響較大：當采樣率為fs、截取的樣點數為N時，FFT計算得到的離散譜線只在f＝fs／N的整倍數位置上才出現，于是譜線之間被測信號的譜線被擋住而損失掉，從而產生柵欄效應［15］。

為了減小上述問題對參數提取結果的影響，要求截斷后的序列長度滿足N＝mfs／f0。（3）其中：f0為被測信號頻率；m為正整數，代表被測信號周期數，即截取信號長度為信號周期的整數倍，以保證被測信號頻率處存在離散的譜線。對分段數據分別計算幅度和相位，計算結果疊加并求取標準誤差，從而判斷數據質量。

上述計算結果中包含了儀器通道因器件參數、安裝工藝等不完全一致而產生的系統固有誤差，需要利用標定曲線對計算結果進行修正，消除儀器自身幅度誤差和相位偏移。標定后的幅度和相位代入公式（1）、（2），求得視電阻率和阻抗相位。

3 吉林松江河深部地下水資源勘查

2010年5月利用研制的分布式電磁探測系統在吉林省松江河鎮果松山地區開展了深部地下水資源勘查。測區距長白山80余km，為典型的火山地貌區域，由一系列北東向的山脈和寬緩的山間盆地組成。地勢東南高，西北低，地形起伏大，平均海拔800m左右。表層被松散巖類沖洪積物和第四系玄武巖覆蓋，區內斷裂構造、水系發育，巖層電阻率受含水裂隙發育狀況影響較大。

3.1 工作布置與數據采集

勘查方法采用可控源音頻大地電磁法和時間域激電法。在1號線及其旁側進行了3條測線的中梯激電測量，供電極距1 100m，接收極距50m，供電電流10A，周期8s。激電測量結果表明：該區域無明顯激發極化異常，背景視極化率很低，淺地表電阻率西高東低，與該地區地質特征相符。直流電阻率值的測定為CSAMT參數設計提供了參考。在1、4、5號測線進行了CSAMT法測量，供電極距1km，發射系統采用兩級級聯，供電電壓500～800V，供電電流2.5～10A，收發距7～10km，接收系統采用1個主控站和8個采集站進行分布式觀測，接收極距50m，一次覆蓋測線長度為900m。測量頻段1～8 192Hz，頻點為2的整數次冪及倍加密頻點，總計27個。在相同測線上采用6通道GDP32II進行測量，每個排列長度250m，整條測線分4段分時測量，獲得對比數據。測量時，2種儀器系統采用的測點和供電點位完全相同。測區位于采石場和村莊附近，主要電磁干擾來自電力線。

3.2 數據對比及分析

圖5為分布式電磁探測接收系統采集的多道數據時域和頻域波形。從圖5a時域波形中圈定的位置看出，隨機干擾具有區域性，同時作用于所有測點，引起波形畸變。圖5b頻域波形顯示工頻50Hz信號幅度較大，經過處理，可以看見發射頻率為64Hz的信號。

圖6為相同測點2種儀器測得的原始電場、磁場及視電阻率曲線對比。圖6a為GDP32II測量結果，其中測點39、40為排列1觀測，測點41、42為排列2觀測，兩排列測量時間相隔1h。自上而下依次為歸一化電場、磁場及卡尼亞視電阻率曲線。對于電場，同一排列測量的39、40號測點在1.41Hz、5.63Hz 2個頻點處均出現明顯的幅值跳變，而相鄰的41、42測點由于采用另一排列測量電場曲線則很光滑。磁場信噪比較高，曲線光滑且2個排列測量結果隨頻率變化規律相同。由于受電場影響，視電阻率曲線在相同頻率處出現跳變點，并出現相鄰測點由于不同排列觀測而呈趨勢不同的形態，導致局部的橫向異常。圖6b為分布式電磁探測系統同時觀測的4個測點的原始曲線，與圖6a一一對應，相鄰測點曲線一致性較好，未出現局部跳變點。由于高頻電流較小，2 048Hz以上信號信噪比較低，但相鄰的4個測點變化趨勢一致，表明同時測量由于干擾對所有測點影響一致，不會引起橫向的局部異常。

3.3 反演結果分析

利用美國Zonge公司的SCS2D軟件對測量結果進行了反演，圖7為2種儀器某線數據反演得到的視電阻率斷面圖。2種儀器的測量結果均能反映出淺地表低阻層、中間高阻層及深部低阻區，層位及對應深度一致。推測淺部低阻區為地表水引起，中間高阻層巖石相對完整，封閉性較好，為有利的熱儲蓋層，深部低阻層為裂隙發育帶，為地下水的有利賦存位置。根據CSAMT視電阻率斷面，同時結合磁法、重力等其他地球物理資料，確定了潛在深部地下水的開發井位。目前該井已完成鉆探，井深2 200 m，成功獲得了地下熱水，平均水溫40℃，出水量超過300m2／d。

圖5 多道數據波形顯示圖Fig.5 Waveform display diagram of multi－channel data

4 結論

1）針對外界噪聲具有的時變性，分布式電磁探測系統采用多個采集站一次性布設在一條測線上，多點同步觀測，克服了傳統單機分時測量帶來的精度問題，提高了分辨率和工作效率。

2）外界噪聲具有區域性，同時測量使得不同測點的采集數據中具有相同的噪聲成分，只會影響反演參數的絕對量值，不影響橫向相對異常的判斷。

3）CSAMT具有勘探深度大、分辨低阻能力強的優點。在吉林松江河地區成功預測了深部地下水資源的有利賦存位置，是尋找地熱資源的有效勘查手段。

分布式電磁探測系統是在國家自然科學基金科學儀器專項資助下我國自行研制、具有自主知識產權的物探儀器，目前還屬于樣機階段。隨著該系統的進一步完善，必將推動其在深部資源探測領域中的應用。

特別感謝吉林大學曾昭發、李桐林教授。參考文獻（References）：

圖6 電磁場曲線對比圖Fig.6 Comparison diagram of electromagnetic field curves

圖7 CSAMT視電阻率反演斷面圖Fig.7 Apparent resistivity inversion section diagram of CSAMT

［1］ 滕吉文.強化第二深度空間金屬礦產資源探查，加速發展地球物理勘探新技術與儀器設備的研制及產業化［J］.地球物理學進展，2010，25（3）：729－748.

Teng Ji－wen.Strengthening Exploration of Metallic Minerals in the Second Deep Space on the Crustal Interior，Accelerated Research，Development and Industralization for Geophysical New Technology and Instrumental Equipment［J］.Progress in Geophysics，2010，25（3）：729－748.

［2］ 何繼善.廣域電磁法和偽隨機信號電法［M］.北京：高等教育出版社，2010：1－6.

He Ji－shan.Wide Field Electromagnetic Method and Pseudo Random Signal Electrical Method［M］.Beijing：Higher Education Press，2010：1－6.

［3］ Goldstein M A，Strangway D W.Audio－Frequency Magnetotellurics with a Grounded Electric Dipole Source［J］Geophysics，1975，40（1）：669－683.

［4］ Kazuya Okada.Geophysical Exploration at Hishikari Gold Mine，Kagoshima，Japan［J］.The Leading Edge，2000，19（7）：744－750.

［5］ 王大勇，李桐林，高遠，等.CSAMT法和TEM法在銅陵龍虎山地區隱伏礦勘探中的應用［J］.吉林大學學報：地球科學版，2009，39（6）：1134－1140.

Wang Da－yong，Li Tong－lin，Gao Yuan，et al.The Application of CSAMT and TEM to Exploration Buried Deposits in Longhu Mountain Area at Tongling，Anhui Province［J］.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2009，39（6）：1134－1140.

［6］ Batrel L C，Jacobson R D.Results of a Controlled－Source Audio Frequency Magnetotelluric Survey at the Puhimau Thermal Area，Kilauea Volcano，Hawaii［J］.Geophysics，1987，52（4）：665－677.

［7］ 劉瑞德，黃力軍，孟銀生.可控源音頻大地電磁測深法在地熱田勘查中應用效果初探［J］.工程地球物理學報，2007，4（2）：86－89.

Liu Rui－de，Huang Li－jun，Meng Yin－sheng.Application of Controlled Source Audio－Frequency Magnetotellurics to Exploration in the Geothermal Field［J］.Chinese Journal of Engineering Geophysics，2007，4（2）：86－89.

［8］ 吳璐蘋，石昆法，李蔭槐，等.可控源音頻大地電磁法在地下水勘查中的應用研究［J］.地球物理學報，1996，39（5）：712－717.

Wu Lu－ping，Shi Kun－fa，Li Yin－huai，et al.Application of CSAMT to the Search for Groundwater［J］.Chinese Journal of Geophysics，1996，39（5）：712－717.

［9］ 李帝銓，底青云，王光杰，等.CSAMT探測斷層在北京新區規劃中的應用［J］.地球物理學進展，2008，23（6）：1963－1969.

Li Di－quan，Di Qing－yun，Wang Guang－jie，et al.Fault Detection by CSAMT and Its Application to New District Planning in Beijing［J］.Progress in Geophysics，2008，23（6）：1963－1969.

［10］ 王赟，楊德義，石昆法.CSAMT法基本理論及在工程中的應用［J］.煤炭學報，2008，4（2）：383－387.

Wang Yun，Yang De－yi，Shi Kun－fa.The Basic Principle of CSAMT Method and Its Application in the Engineering Field［J］.Journal of China Coal Society，2008，4（2）：383－387.

［11］ Kingman J E E，Donohue J G，Ritchie T J.Distributed Acquisition in Electrical Geophysical Systems［C］／／Milkereit B.Proceedings of Exploration 07：Fifth Decennial International Conference on Mineral Exploration.Toronto：Prospectors and Developers Association of Canada，2007：425－432.

［12］ Nimeck G，Koch R.A Progressive Geophysical Exploration Strategy at the Shea Creek Uranium Deposit［J］.The Leading Edge，2008，27（3）：52－63.

［13］ 林品榮，郭鵬，石福升，等.大深度多功能電磁探測技術研究［J］.地球學報，2010，31（2）：149－154.

Lin Pin－rong，Guo Peng，Shi Fu－sheng，et al.A Study of the Techniques for Large－Depth and Multi－Functional Electromagnetic Survey［J］.Acta Geoscientica Sinica，2010，31（2）：149－154.

［14］ 李金銘.地電場與電法勘探［M］.北京：地質出版社，2005.

Li Jin－ming.Geoelectric Field and Electrical Exploration［M］.Beijing：Geological Publishing House，2005.

［15］ 黃山.信號的高精度采樣中柵欄效應及克服方法［J］.四川聯合大學學報：工程科學版，1997，1（6）：91－94.

Huang Shan.The Picket Fence Effect in Precision Sampling and Its Prevention［J］.Journal of Sichuan Union University：Engineering Science Edition，1997，1（6）：91－94.

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

國家自然科學基金儀器專項（40727002）；教育部產學研用合作創新項目（OSR－02－01）

張文秀（1985－），男，博士研究生，主要從事分布式電磁探測儀器研究，E－mail：zwx07＠mails.jlu.edu.cn

林君（1954－），男，教授，博士生導師，主要從事地球物理探測技術及儀器研究，E－mail：lin＿jun＠jlu.edu.cn。