可控源電磁法中關鍵技術研究與應用

李建華，林品榮，張 強，鄭采君，孫夫文，丁衛忠，周海濤，齊方帥，劉昕卓

1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北 廊坊 065000 2.自然資源部地球物理電磁法探測技術重點實驗室，河北 廊坊 065000 3.國家現代地質勘查工程技術研究中心，河北 廊坊 065000

0 引言

可控源電磁法(controlled source electromagnetic method，CSEM) 是近年來在可控源音頻大地電磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT)基礎上發展起來的一種新方法，二者均是主動源頻率域測深方法，通過測量大地介質對人工發射電磁場的響應，獲得地質體電導率結構信息[1]。傳統的CSAMT中，采集從低頻到高頻(0.1～10 000.0 Hz)相互正交的電場和磁場分量，因采用大地電磁法(MT)的阻抗視電阻率定義方式[2]，既要兼顧觀測數據滿足平面波場條件，又要保證接收點信號的強度，這樣就需要收發距足夠大但又不能過大；因而采集的CSAMT資料常同時包含近區場、中間區場和遠區場。為了準確反映地下電性結構變化只能采用遠區場數據，CSAMT有效探測深度一般只有1 000～2 000 m[1,3]。CSEM中，將低頻拓展至0.025 Hz，且不采用阻抗視電阻率來進行反演計算，而是通過對測量電磁場分量進行直接反演，不限于“遠區”觀測，能將探測深度提升至3 000～5 000 m。因此，CSEM包含了CSAMT，但又不同于CSAMT。

CSAMT已經在地熱、煤層氣以及金屬礦產勘查中得到了廣泛的應用[4-7]。CSEM作為在CSAMT基礎上發展起來的一種大深度的主動源電磁法，其發展潛力巨大，將會在深部地質結構探測與資源的勘探中發揮越來越重要的作用[3,8]。在CSEM中，接收信號強度和測量精度主要受人工場源發射信號強度和外界噪聲干擾影響[9-10]，數據處理解釋中若沿用MT的卡尼亞視電阻率計算，則會因信號需滿足遠區平面波觀測條件而使探測深度受限。要提升勘探能力與測量精度，如何提高高頻信噪比、壓制人文干擾噪聲和加大勘探深度是CSEM中值得深入研究的關鍵問題。近年來，電子技術和數值計算技術快速發展，基于團隊已研發的大功率多功能電磁法系統[11-13]，從儀器硬件研制和數據處理解釋方面針對上述關鍵問題開展了系列研究。本文將基于電容補償的高頻供電技術、50 Hz工頻及其諧波的干擾壓制數據采集與處理方法，以及大深度探測的處理解釋技術3個方面進行探討分析，并建立理論模型進行數值模擬和在干擾區開展已知地熱田的大深度探測試驗，以驗證CSEM中這幾項關鍵技術應用的有效性。

1 基于電容補償的高頻供電技術

傳統的人工源電磁法測量中，由于長數百m以上的供電電纜中分布電感的存在，在高頻(1 000～10 000 Hz)供電時，供電電流會隨工作頻率的升高而快速下降，從而引起高頻有效信號變小，信噪比降低，影響高頻測量數據精度。究其原因，發射電流大小取決于發射機輸出電壓、發射回路阻抗和輸出信號的頻率，在同等發射電壓的條件下，由于回路分布電感的存在，回路阻抗會隨著發射信號頻率的升高而升高，阻抗越高發射電流越小，導致高頻信號的發射電流較低頻信號要小很多[14]。針對CSEM高頻區電流信號小這一問題，我們開展了基于電容補償裝置提升高頻發射電流的研究。

大功率發射機電容補償技術，是將一個電容網絡自動串聯接入供電線路中，使之與分布電感一起諧振于同一工作頻率，此時整個負載網絡在工作頻率上表現出純電阻特性且阻抗最小，使得在諧振頻率上供電電流得到明顯提升。電容單元接入供電回路示意和基本補償網絡原理圖分別如圖1和圖2所示。

根據工作頻率的不同，在0～1 000 Hz頻段，分布電感的影響不是很明顯，可不考慮接入補償電容網絡。在1 000～10 000 Hz頻段，隨工作頻率的升高，分布電感影響逐漸變大，需要接入補償電容網絡，此時可以根據供電電流的變化和工作頻率，計算出需要接入的補償電容值，并計算出最佳補償網絡連接方式，從而保障接入的電容值最接近目標值；且應盡量采用多電容串接方式實現，以減小對單個電容耐壓值的要求，提高工作安全性。串聯諧振電容的計算與網絡連接方式的確定過程可采用如下步驟實現。

LineH，LineL. 系統供電總線；H，L. 基本補償網絡輸入輸出連接端；B1,B2,…，Bn.基本補償網絡；S1，S2,S3. 基本補償網絡控制端；ML，MR. 基本補償網絡之間的串并連接點。下同。

圖1 電容單元接入供電回路示意圖

Fig.1 Schematic diagram of capacitor unit connected to circuit

K1，K2，K3. 繼電器開關；C. 電容。

1)確定回路分布電感。一般低頻供電時，回路的分布電感影響可忽略不計，這樣在正式工作之前，我們先以恒定的電壓分別發射1 000 Hz和1 Hz的電流，記錄高頻電流IHF和低頻電流ILF，設回路電阻為R，回路分布電感為L，供電電壓為V，在不考慮相位影響的條件下，則有式(1)成立。

(1)

由式(1)可解出回路分布電感L。

圖3 補償電容網絡組合示意圖

3)對該設計進行野外試驗驗證。測試采用電性源供電，發射電極AB直線距離相距1 km，供電電壓設定為200 V。發射信號頻率為1 Hz時，供電電流為21.00 A，分別選擇不帶補償模式和帶電容補償模式進行供電，依次記錄各頻率電流。測試結果如圖4所示。統計各頻點兩次發射電流如表1所示。由實驗測試結果可知：當發射信號頻率為6 400 Hz時，串入值為0.20 μF的電容，有效電流值從0.60 A提高至4.23 A，發射電流強度提高了6倍，同時7 680 Hz和5 120 Hz兩個頻點的發射電流也得到了提高；當串入值為0.56 μF的電容時，頻率為3 840 Hz頻點的電流變化最大，發送電流強度提高了10倍。發射回路中針對不同頻率串入不同容值電容，可以提高不同頻率發射信號的發射電流，且串入電容值越小，中心頻率越高，影響頻點范圍越窄[14]。

圖4 電壓200 V時加入補償電容前后電流對比圖

表1 串入不同容值電容的串聯諧振供電電流記錄

2 抗干擾數據采集與處理

在電磁數據采集中，人文噪聲會給原始時間域數據帶來很大污染，嚴重影響電磁探測應用效果[15]。在CSEM中，盡管人工源的引入克服了MT法受場源隨機性影響較強的缺點，提升了數據觀測質量；但是，CSEM電磁場信號隨著收發距R的增大，衰減為1/Rn0(其中n0為自然數，介于1～4之間)，有效信號的振幅比接收站的電力線干擾信號的振幅低2～3個數量級[16]。隨著經濟的發展，隨處可見的輸電線、鐵路網、工業和民用電器等干擾源的存在，會導致CSEM測量中原始時域數據充滿了50 Hz基波及其諧波噪聲，很難分辨出由發射電流產生的有效信號[17-18]。因此，工頻干擾抑制技術是儀器研制和數據處理的重點。

為壓制工頻基波及其諧波對采集數據的影響，針對CSEM供電和數據采集的特點，我們設計了一種基于頻點優化、數字濾波能夠抑制工頻干擾的發射采集方案和數據處理技術。在進行離散傅里葉變換時，使得干擾部分傅里葉變換的實部和虛部的和為0，即保證n個離散數據點要滿足其同時為測量頻率f1、f0+f1和f0-f1的整倍數周期(其中：f1為電磁場信號的頻率；f0為50 Hz工頻基波及其諧波的頻率，諧波的頻率為基波頻率的整數倍)。當滿足上述條件時，以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾即可得到極大壓制，并可提取微弱信號。其實現過程如下。

對50 Hz工頻基波及其諧波干擾進行離散傅里葉變換后的實部Re(Ag)和虛部Im(Ag)分別如公式(2)和(3)所示：

(2)

(3)

式中：A0、t、φ0均為常數；n為采樣點數。

設采樣率為φ，則采樣時間為n/φ，基頻為φ/n，要求f0+f1和f0-f1是基頻的整數倍，即

(4)

則有：

(5)

(6)

式中，n1、n2、n3為正整數，則要求(f0/f1)n3為整數。因此，在數據采集中合理選擇CSEM信號發射的采樣率和采樣長度至關重要。通過優化設計發射機的頻率與接收機的采樣率和采樣長度，可有效壓制工頻基波及其諧波對采集數據的影響。采用上述方法，基于自主研發的大功率多功能電磁法系統，我們合理選擇了CSEM信號發射的采樣率和采樣長度，設置了發射頻點。形成的抗干擾數據處理步驟主要包括：1)采用傅里葉變換進行頻譜計算，分析測量數據中信號與干擾的特征；2)采用高低通濾波或帶通濾波技術，在時間域中壓制帶外干擾；3)采用上述方法對以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾進行壓制處理；4)對獲得的電磁場的幅值和相位進行系統響應參數改正及歸一化；5)采用中位數搜索、均值與方差估算等數據統計方法，研究測量數據的精度。

在河北雄安新區安新縣的某一高壓線密集區，開展了強干擾條件下的CSEM測深實驗，供電極距AB=2 880 m，收發距R約9 000 m，測點位于220 kV高壓線旁，測點上方高壓線縱橫交錯(圖5)。由于工頻干擾信號強，測點196接收用的磁傳感器輸出飽和，電道雖未飽和但也受到強烈干擾。圖6顯示了發射電流I=31.8 A、發射頻率f=16.67 Hz時，發射電流波形(圖6a)、該測點觀測的電壓波形(圖6b)和經抗干擾處理后的電壓波形(圖6c)。相較于發射電流波形，從實測的電壓曲線看，完全看不出二者有對應關系。常規情況下采用電場和磁場之比來求取卡尼亞視電阻率的處理方法，在該測點是無法獲取電阻率信息的。經頻譜分析可知，該區工頻基頻為50.018 Hz，經計算在16.67 Hz時，工頻干擾高達有效信號的1 904倍，通過上述的抗干擾數據處理后，基本恢復出有效信號。測點194和198磁場和電場雖均未飽和，通過常規處理求取的卡尼亞視電阻率如圖7a和圖7b所示，可見兩個測點的視電阻率與阻抗相位雜亂無章，看不出隨頻率變化的任何趨勢，顯然這樣的參數也是無效的。經本文所述的基于頻點優化及數字濾波的抗干擾數據處理之后，獲取的歸一化電場的振幅如圖7c和圖7d所示，曲線光滑、基本無跳點，可見數據質量得到了很大的提升。

a. 野外實地干擾場景；b. 實驗點與高壓線位置關系示意圖。192/310代表測點/線號。

3 大深度高分辨探測

CSAMT測深中，一般沿用在遠區測量一對正交的電磁場分量，并按遠區近似公式定義視電阻率，但收發距增大，信號強度又大幅度衰減；因此CSAMT的探測深度有限，一般小于2 000 m。隨著資源大深度的探測需求，如深部地熱、油氣等其探測深度要求達到3 000～5 000 m，開展大深度可控源方法技術的探測非常重要[19-20]。

理論上可控源電磁法觀測的頻段范圍越寬、頻率個數越多，得到的觀測資料越豐富，勘探效果越好。CSEM中，針對大深度探測需求，在數據采集方面采用大電流供電、寬頻帶測量，將常規CSAMT低頻觀測頻率由0.100 Hz拓展至0.025 Hz，并可根據勘探精度需求進行頻點加密設置[21]。在數據處理與解釋方面對觀測電磁場分量直接處理和反演。不同于CSAMT測深中采用卡尼亞視電阻率進行反演，建立模型真電阻率與視電阻率之間的關系；本反演中初始模型由幾何參數和電場幅值計算的全區視電阻率確定，建立模型真電阻率與場分量之間的響應關系[22-23]，采用非線性共軛梯度方法(NLCG)[24-26]對全頻段觀測的平行于發射源方向的電場Ex直接進行反演。

a. 發射電流波形；b. 觀測的電壓波形；c. 處理后的電壓波形。

a. 測點194卡尼亞視電阻率；b. 測點198卡尼亞視電阻率；c. 測點194電場振幅；d. 測點198電場振幅。T為時間；ρs為卡尼亞視電阻率；φs為阻抗相位。

在河北雄安新區安新縣已知深孔的測區開展了CSEM大深度探測實驗研究。已知孔為地熱井，井深達3 850 m，并打到深部熱水。揭示地層為第四系、新近系、古近系、薊縣系，各地層埋深及厚度詳見表2。地熱目標層位為薊縣系霧迷山組白云巖，呈相對高阻特征，其頂界埋深達3 635 m，此次試驗目的正是通過CSEM探測來識別該高阻地層，驗證所研究的新方法技術探測深度大于3 000 m的有效性。

利用已知鉆孔測井電阻率資料建立了理論地電模型，采用該模型進行可控源電磁法的一維正演模擬，設定AB=1 950 m，收發距R=11 000 m，正演計算得到該點的電場幅值和相位(圖8a)。利用正演的電場數據進行層狀模型一維反演，得到反演結果(圖8b)。由圖8可見，反演模型很好地恢復了正演地電模型；表明可控源電磁法采用電場數據直接反演時，其探測深度大于3 000 m，為后期開展實測數據驗證奠定了理論依據。

表2 已知地熱孔地層分布情況

野外試驗中，我們不僅在已知鉆孔旁進行了測量，同時在過鉆孔實測了一條剖面，測線部署如圖9所示，圖中給出了發射點、測點與已知地熱鉆孔的相對位置及分布關系。采用的主要技術參數為：AB=1 951 m，R=10 152 m，頻率范圍0.025～1 066.670 Hz，最大供電電流達60 A以上。在發射頻率范圍內，共有46個頻點，中高頻段和低頻段的發射波形分別為單頻方波和五頻組合波[18]。由于低頻段觀測時間較長，為提高野外施工效率，在中低頻段(0.01～10.00 Hz)采用五頻組合波，其最高頻率小于10 Hz。采取多頻組連續發射模式，并經過多次疊加觀測，全頻段范圍內一次數據采集時間為50 min。隨頻率變化的發射電流曲線(圖10)顯示了各頻點上的發射電流大小。

a. 正演電場與相位；b. 鉆孔地電模型。H為深度。

圖9 大深度探測試驗發射接收布置圖

通過對觀測數據采用前述抗干擾數據處理，獲得了鉆孔旁經過發射電流和測量極距歸一的電場幅值和相位(圖11)。對該電場數據進行反演，獲得了反演地電模型，正反演擬合良好，經21次迭代反演，擬合誤差為1.02%。按反演地電模型由淺及深反映的“中高—低—低—高”的電性變化特征，在4 000 m深度范圍內劃分了3個地層界面，與已知鉆孔所揭示的第四系、新近系、古近系的底界面對應良好。

對過鉆孔的可控源電磁法剖面測量數據進行處理和反演，獲得了剖面反演結果，并結合鉆孔資料進行了解釋，推斷了各地層的分布和地熱目標層的展布，反演電阻率斷面及解釋與已知鉆孔的對應情況如圖12所示。電阻率反演得到電性變化特征與已知鉆孔測井電阻率變化特征一致，同時反演電阻率結果清晰地顯示出各地層層狀分布特征，且與已知鉆孔揭示地層(表2)信息非常吻合：淺層高電阻率對應第四系砂巖、泥巖，中、低阻區屬新近系和古近系泥巖；深層高電阻率為薊縣系霧迷山組白云巖的反映，其中薊縣系頂界面埋深達3 635 m，CSEM反演電阻率對該目標層反映清晰。

圖10 發射電流隨頻率變化曲線

a. 實測電場與相位；b. 反演地電模型。

4 結論

為提升可控源電磁探測相關分辨率，本文從儀器硬件研制和數據處理解釋兩方面，通過數值模擬與野外試驗驗證，對高頻供電技術、抗干擾數據采集與處理，以及全區電場信號直接反演解釋3項關鍵技術進行了研究探討。研究發現：

1)供電回路中針對不同頻率串入不同容值的電容網絡，與分布電感諧振于同一工作頻率點，整個負載網絡在工作頻率上表現出純電阻特性，且阻抗最小，使得在諧振頻率上供電電流得到明顯提升，可增強CSEM對淺部地質信息的分辨能力。

2)合理設置CSEM發射信號的采樣率和采樣長度，使得原始時間域數據進行離散傅里葉變換時，滿足離散數據點既是測量頻率的整周期，也是測量頻率與干擾頻率二者之和及二者之差的整周期，此時以50 Hz及其諧波為主的工頻干擾可得到極大壓制，并可提取微弱信號。

3)數據采集時采用寬頻帶(0.025～10 000.000 Hz)測量，數據處理中采用全區觀測的電場信號進行直接處理與反演解釋，相較于傳統采用“遠區”卡尼亞電阻率反演的CSAMT，CSEM探測深度可提升至3 000～5 000 m。