相位激電法在強干擾區(qū)的應(yīng)用試驗

肖 都, 郭 鵬, 林品榮, 石福升, 徐寶利

(中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所, 廊坊 065000)

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相位激電法在強干擾區(qū)的應(yīng)用試驗

肖 都, 郭 鵬, 林品榮, 石福升, 徐寶利

(中國地質(zhì)科學院 地球物理地球化學勘查研究所, 廊坊 065000)

相位激電法的觀測信號是總場，信號幅值相對較大，因而所需要的發(fā)射功率相對較小、設(shè)備較為輕便。在相位計算過程中由于采用了基于信號和噪聲在時間特性上的差別，提取或恢復弱信號的相關(guān)檢測技術(shù)，明顯提升了儀器的抗干擾能力。這里以相位激電方法在福建某礦區(qū)的應(yīng)用效果為例，說明相位激電法在強干擾和接地困難條件下，可獲得可靠的觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對目標地質(zhì)體的有效探測。

相位激電； 相關(guān)檢測； 抗干擾

0 引言

近年來，隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)步伐的加快，居民區(qū)和工業(yè)區(qū)的快速擴張，礦山不間斷開采以及高壓超高壓電網(wǎng)的建設(shè)，形成了廣泛且強大的電磁場源，進而對地球物理找礦方法尤其是電法技術(shù)造成了強烈干擾。為了取得可靠的觀測數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員開發(fā)出了大功率電法儀器[1-2]來壓制干擾，提高信噪比。但是大功率設(shè)備意味著設(shè)備自重大，移動和運輸比較困難，在某些地區(qū)并不適用；使用軟、硬件的濾波技術(shù)來去除噪聲，只能針對某些頻段進行濾波，而噪聲是不規(guī)律的廣譜信號，濾波并不能完全濾掉噪聲。

相關(guān)檢測技術(shù)主要是根據(jù)信號與噪聲在時間特性上的差別，利用信號的周期性、相關(guān)性與噪聲的隨機性、不相關(guān)性這一規(guī)律特征，用一個與被測信號頻率相同且相位一致的已知信號，與待測信號進行相關(guān)運算，識別出被噪聲淹沒的微弱有用信號，從而達到對微弱信號的提取，這一過程稱為相關(guān)檢測。相位激電法正是利用相關(guān)檢測的技術(shù)特點，在計算相位時只選擇與發(fā)送信號頻率相同的同步信號，達到抗干擾的目的。

1 方法技術(shù)及儀器

1.1 相位檢測原理

相位激電法工作時，由發(fā)射機向地下發(fā)送周期性的方波，其電流波形如圖1所示，它是以時間T為周期的正負方波。可將其表示為：

(1)

該正負方波的傅里葉級數(shù)為：

n=1,3,5…

(2)

其中,R為方波的振幅，并且該方波只含有奇次諧波，諧波幅值隨著諧波次數(shù)的增高而減小，各次諧波的初始相位角均為零。

圖1 相位激電電流波形圖Fig.1 Current waveform of phase IP

(3)

當ω=ω0時，即參考信號與發(fā)送信號頻率相同，計算出只包含有基波頻率信號實分量和虛分量：

(4)

計算得到

其中：θ為接收機測得的初始相位；R為振幅。

1.2 相位激電儀器

本次試驗采用的是陣列式輕便電磁法儀器，在開展相位激電測量時，發(fā)射和接收之間采用GPS同步技術(shù)。發(fā)射機采用數(shù)字式PWM(脈寬調(diào)制)穩(wěn)流方式，穩(wěn)流精度優(yōu)于1‰[3]，能夠保證高精度的相位測量。相位激電法觀測的是總場，相較于時間域激電而言，其對發(fā)射電流的要求要小的多，因此可將發(fā)射裝置小型化、輕便化[4]。發(fā)射機功率電源的輸入為12 V蓄電池，便于移動，最大輸出電壓為400 V，最大輸出電流為2 A，最大輸出功率為800 W。陣列式輕便電磁法儀器接收機采用先進的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，接收機的最小可分辨信號小于1μV，實現(xiàn)了在小電流情況下，對弱信號的有效探測。相位激電法自實現(xiàn)以來，已在地質(zhì)勘查中廣泛應(yīng)用[5-10]，取得較好的找礦效果。

2 試驗區(qū)概況

2.1 試驗區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)處于閩西北隆起帶和閩東火山斷拗帶接合部位，北東向政和—大埔深斷裂帶和南北向浦城—尤溪大斷裂在本區(qū)交匯，作為銅鉛鋅多金屬礦源層位的基底變質(zhì)巖廣泛出露，中生代構(gòu)造巖漿活動強烈，成礦地質(zhì)條件有利。

區(qū)內(nèi)出露的地層主要為中—上元古界龍北溪組、東巖組、大嶺組。鉛鋅礦床主要受東巖組綠片巖層位控制，其產(chǎn)狀與地層片理近一致，后期構(gòu)造(熱液)疊加處礦體有變厚變富的趨勢。初步認為，該礦床為海底火山沉積變質(zhì)—熱液改造型塊狀硫化物礦床。

2.2 試驗區(qū)地球物理特征

研究區(qū)巖礦石標本的電參數(shù)測定結(jié)果列于表1。由表1中數(shù)據(jù)可見，研究區(qū)內(nèi)巖礦石電參數(shù)有如下特征：鉛鋅礦石具低阻、高相位，與圍巖有明顯電性差異，相位值為圍巖的3倍～10倍，電阻率為圍巖的1/2～1/7。具有激電法工作的物理基礎(chǔ)。

2.3 研究區(qū)干擾特征

研究礦區(qū)已開采多年，本次工作時礦山正在進行開采作業(yè)，礦區(qū)附近大地存在大量游散電流干擾。礦區(qū)干擾源主要為礦山風機用電，礦車升降用電及礦區(qū)住宅用電，用電電壓為220 V～380 V，用電頻率為50 Hz。通過在礦區(qū)采集的時間序列信號分析發(fā)現(xiàn)，50 Hz工頻和高強度隨機脈沖信號是該礦區(qū)的主要干擾類型。其形態(tài)規(guī)則且能量強，峰峰值最大可達500 mV以上(圖2)。

表1 巖礦石標本電參數(shù)統(tǒng)計表

圖2 礦山周期干擾信號圖Fig.2 Mine periodic interference signal

3 應(yīng)用實例

研究區(qū)曾開展過時間域激電測量，受供電電流小、礦山開采游散電流干擾、儀器觀測精度低、地形起伏大等不利因素的影響，在已經(jīng)控制的礦(化)體上并沒有獲得明顯的激電異常。基于上述不利因素，本次在研究區(qū)開展了陣列相位激電測量試驗，驗證相位激電法在研究區(qū)不利條件下的探測能力。

試驗工作選擇在研究區(qū)8號測線上，該測線為已知程度較高的一條地質(zhì)勘探線，通過鉆探和地表工程揭露已控制礦體6條，礦山開采工作主要集中在該測線下方。

研究區(qū)地表覆蓋松散的浮土層，且該浮土層較厚，通過對供電電極澆水，增加供電電極數(shù)量等方法均不能大幅提高供電電流。發(fā)射機在最高發(fā)射電壓情況下，開展試驗時該礦區(qū)測線上的最大供電電流為265 mA，最小電流只有70 mA，可見該地區(qū)接地和供電條件非常差，常規(guī)激電觀測儀器無法在低電流和強干擾的情況下獲得有效觀測數(shù)據(jù)。

陣列式輕便電磁法儀觀測頻率可在128 Hz～1/128 Hz之間選取，激電相位測量中，工作頻率盡量避開干擾頻率，該儀器對弱信號的有效探測和選頻技術(shù)地應(yīng)用，有利于觀測信號地識別和檢出。

通過試驗，工作采用偶極-偶極裝置，發(fā)射和接收間的極距均為80 m，測點距40 m，隔離系數(shù)為1～6，觀測頻率為4 Hz時，觀測數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定。

圖3為礦區(qū)某一測點上兩次相位測量得到的時域曲線(均為一個周期)，圖3中A1和B1是將兩次觀測截取了0.5 s后繪制的曲線，從曲線中可發(fā)現(xiàn)干擾均為50 Hz工頻干擾。由圖3可見，觀測時間不同其干擾強度也不同，觀測到的信號幅值為150 mV，而干擾信號的幅值則達到了200 mV～500 mV，遠大于相位激電信號的幅值。經(jīng)過相關(guān)檢測運算，計算出兩次觀測的相位分別為φ=-26.237 mrad和φ=-25.511 mrad，兩次觀測到的相位值相差小于1 mrad，數(shù)據(jù)可靠。本測線上其他測點的干擾情況與此類似，使用陣列式輕便電磁法儀，均取得了可靠的觀測數(shù)據(jù)。

圖4為8號線的相位激電數(shù)據(jù)反演結(jié)果與地質(zhì)斷面綜合解釋圖，由圖4可見，鉛鋅礦體賦存于綠片巖層位中。鉆孔ZK802于孔深10.41 m至13.13 m見Ⅰ號鉛鋅礦體，但礦體斜深不大，ZK803孔未見Ⅰ號礦體。中部含礦綠片巖中見多層礦體，其中Ⅱ和Ⅲ號礦體規(guī)模較大，礦體斜深200 m～300m，真厚度5 m～7 m左右。

圖3 同一測點兩次觀測曲線對比Fig.3 Tow observed curves at one same site(a)強干擾下的曲線；(b)弱干擾下的曲線；(c)強干擾下的放大曲線；(d)弱干擾下的放大曲線

圖4 8線相位測量與地質(zhì)斷面綜合圖Fig.4 Comparison chart of phase-IP and geological section on line No.8(a)電阻率反演斷面圖；(b)相位反演斷面圖；(c)地質(zhì)斷面圖

試驗過程中了解到，在8線附近標高為225 m以上的多金屬礦已開采結(jié)束，成為采空區(qū)(圖4)，正在開采標高225 m以下的鉛鋅礦。

據(jù)地質(zhì)及物性資料，鉛鋅礦石具低阻、高相位的特點，鉛鋅礦化綠片巖及綠片巖具中—低相位，圍巖云母片巖則是高阻低相位特點。故在標高225 m以上，對應(yīng)礦體采空區(qū)位置，由于富含硫化物成分的鉛鋅礦石被采空，所以該位置未能出現(xiàn)高相位異常；標高225 m以下礦體延伸部位的高相位異常為鉛鋅礦體與鉛鋅礦化綠片巖共同作用的結(jié)果。從電阻率斷面圖中，受礦體及圍巖的共同作用，控制礦(化)體顯示為中、低電阻率，結(jié)合相位斷面圖可清晰圈畫出礦體異常。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果證明，采用了相關(guān)檢測技術(shù)的相位激電法，具有輕便、快速、觀測精度高和抗干擾能力強等特點，能夠在接地條件差，人文干擾強等常規(guī)激電難以開展工作的地區(qū)開展工作。該方法實現(xiàn)了在強干擾背景下提取微弱信號，并加以識別。可在小電流、微弱信號、強干擾等復雜地質(zhì)環(huán)境下，實現(xiàn)對激電異常體地有效探測。

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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

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ05006001)

肖都(1976-)，男，高級工程師，主要從事地球物理勘查技術(shù)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