电磁法勘探中梯度场测量方法研究.docx

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1、电磁法勘探中梯度场测量方法研究兴摘要：梯度测量对提高电磁法勘探的分辨能力和压制环境噪声干扰具有重要意义。通过硬件差分直接测量梯度场和先测量绝对场后经软件差分计算求取梯度场是实现电磁梯度数据获取的两种典型方式。给出了这两种测量方式的具体实现方案，并对测量效果进行了对比分析，探究了误差来源和压制方法。研究表明，测量通道的不一致性，尤其是相位差是影响电磁梯度测量准确性的关键因素。对于硬件差分直接测量梯度场而言，这种通道不一致引起的误差难以通过事后校准的方法消除，且误差大小随梯度值减小而急剧增加，最终不可用。先测量绝对场后进行软件差分的方法，可以得到更小的测量误差，而且通过通道校准后，测量精度得到进一

2、步提高。在不能确保采集通道高度一致的情况下，先测量绝对场再求取梯度场的方式是实现电磁梯度测量的最优途径，该方法还可以同时获取绝对场以辅助梯度数据解释。该研究成果为电磁梯度系统开发提供了有益参考。依据该方法所研制的频率域电磁场梯度采集系统在江苏滩涂获得的实验结果也证明了该测量方法的优越性。关键词：电磁法；梯度测量；一致性；硬件差分；软件差分1 弓Is目前可控源电磁法已经被广泛应用于地下结构探测，可以对大地电性特征进行成像，从而揭示矿体、断裂带、含水构造等电性异常体，为识别矿藏和地质灾害源提供依据。可控源电磁法当前普遍测量的是电场和磁场的绝对场值，通过测量天然场源或人工场源激发下大地的电磁响应，反

3、演计算大地的电阻率参数。可控源电磁法仪器常用的有加拿大V8系统、美国GDP-32III系统和德国TITAN系列等，均是直接测量电磁场的绝对值，占据了我国的绝对市场。国内中南大学、廊坊物化探所、吉林大学、中科院地质与地球物理所等高校和科研单位也研制了同类系统，包括可控源音频电磁法和广域电磁法系统等，测量的都是绝对场，目前正在推广应用1-3o然而，绝对场测量在背景干扰抑制能力和电性边界分辨能力方面，存在先天不足，难以实现大地电性结构的精细探测4。课题组对电磁梯度测量进行了理论研究和仿真分析，表明其在背景干扰压制和电性异常体边界分辨上具有较好的性能表现。但是在电磁梯度测量方面，国内相关研究较少。相比

4、较而言，国外的磁法勘探和重力勘探则早在20世纪中期便实现了梯度测量。相对重、磁绝对测量，重磁梯度测量显示出了对背景干扰的良好抑制能力和对异常体边界形态出色的分辨能力Eo5-6然而，重磁梯度仪器属于高精尖技术，国外对我国限制出口Q2基于梯度场的电磁法勘探方法可控源电磁法通过在测区各个测点上记录一定频率范围内的电、磁场值，实现对大地电阻率参数的测量，揭示测区内地下介质电性结构特征。其中可控源音频电磁法（controlledsourceaudiofrequencymagnetoteIIuric,CSAMT）,主要记录正交的电场分量Ex和磁场分量Hy,然后依据式（1）和（2）计算出各频率对应的卡尼亚视

5、电阻率和阻抗相位4。频率范围一般在0.1Hz-WkHz,不同频率对应地下不同深度信息。电场通过测量两个相邻测点不极化电极的电位差来获取，而磁场测量则需利用感应式磁棒测量。图1所示为测量布置方式示意图，图中Ln为测线，Dn为测点。由于电场是通过两个相邻电极间的电位差获得，所测电场位置记为两个测点的中点。绝对场测量时，可以逐个完成各测点的电磁场数据采集，也可利用多通道采集系统或多台接收机同时完成多个测点的数据采集。无论何种方式，数据处理解释时，均是利用绝对场数据。3差分实现方案梯窗场信号可以通过对绝对场信号进行差分来得至J,可以采用以下两种差分方式。3. 1硬件电路差分可控源电磁法的接收系统，一般

6、由前置放大电路、滤波电路、程控放大电路、AD转换电路和数字控制、存储、显示模块等组成。为了获取电场梯度值，一种方案是参考磁梯度测量的第一种方法，直接采用硬件差分电路实现二次差分。接收系统至少包含有两个通道，结构完全相同。电场信号先经过前置同相比例放大器，然后经过滤波电路（包括陷波器和低通滤波器）和程控放大器。与传统的绝对场测量电路不同的是，在接收系统中增加差分放大器。为了使仪器既可用于梯度场测量，又可用于绝对场测量，这里采用了继电器切换。当继电器切换到DKD2、D3、D4时，直接测得电场梯度值。经过二次差分后，信号一般比较微弱，差分放大器Bo的性能好坏对梯度测量精度就有很大影响。为此，Bo要选

7、用高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移的差分放大器。本文实验测试选用了ADI公司生产的仪表放大器AD8429作为差分放大器件，同时为了使差分放大器不受前级的干扰，有效“隔离”前后级之间的影响，在AD8429之前加入了电压跟随器，使信号不会损失在前级电路的输出电阻中。3. 2软件差分软件差分即在硬件采集电路对绝对场信号进行AD转换之后，利用软件程序对所取得的绝对场数字信号做差分运算。这种方案无需在接收系统中加入二级差分电路，使得电路结构变得简单。相对硬件差分法不能同时获得绝对场和梯度场而言，软件差分既可获得绝对场数据，又可获得梯度场数据，具有一定优越性。但在数据采集过程中，软件差分法不能在信

8、号放大之前进行背景噪声压制，这将在一定程度上限制信号放大倍数。软件差分可以在时间域或频率域进行，考虑到频率域更有利于信号的标定，本文先对绝对场数据进行目标频谱提取，然后进行差分计算。设相邻测点绝对场信号分别为e1（n）、e2（n）,则梯度场可利用式（6）（8）编程计算得到。4测量误差分析4. 1硬件差分误差利用硬件差分电路获取电磁场梯度信息时，测量的精度主要由硬件系统的性能决定。一是采集通道对弱信号的获取能力，即压制外部电磁干扰和内部电磁噪声以取得较高信噪比的能力；二是二级差分获取梯度值前两个采集通道的一致性，若出现两通道延时差异或放大倍数差异，则将引入背景梯度，干扰梯度场的准确测量。但受不极

9、化电极以及电路元器件不一致性的影响，在实际电磁法测量中难以保证测量通道的完全一致。一般而言，信号频率越高，周期越小，通道延时差异引起的相位差就越大。因此，采集通道延时不一致，对高频电磁信号梯度测量的影响更为突出。若不能保证通道的精确一致性，硬件差分法测量的电磁梯度数据可能不可用。4. 2软件差分误差与硬件差分只能得到相邻通道差分后的电磁场梯度值不同，软件差分法首先用硬件采集系统测出各通道的输入信号，然后计算差值得到梯度场。这种方式允许通过仪器通道标定技术，对作差前的各通道测量信号进行校准，从而最大限度消除通道不一致性带来的误差。软件差分的问题是，输入信号可能耦合有较强的外界电磁噪声，要求仪器能

10、够同时准确采集弱信号和强噪声。因此仪器系统需要有大的动态范围、低的内部噪声。而硬件差分，在二级差分时相邻通道的相关噪声得到大幅度压制，后级电路可采用较大的放大倍数，减小系统内部噪声影响。对于电磁法而言，外界电磁噪声大，系统内部噪声一般可忽略。因此，关键是解决通道一致性对梯度测量的影响。4. 3通道校准与误差抑制文献1274分析了测量通道间群延时不同导致信号经过测量系统后出现的失真和误差，并用移相器和分数时延滤波器进行相位校正。吉林大学张文秀等人15和刘立超等人16研究了伪随机信号标定方法并设计了标定电路，得到了分布式电磁法仪器各个通道的幅值系数和相位。这里主要讨论采集通道不一致性对梯度测量精度

11、的影响方式，以确定合适梯度测量的采集和标定方法。野外测量时，传感器获取大地电磁响应信息，并传至接收机输入端。接收系统获得的测量数据包含了两个部分：1）大地的电磁响应及外界电磁噪声，包含有地下电性结构信息；2）接收系统自身的响应，不含地下电性结构信息。通道不一致性正是由接收系统自身响应引起。只有去掉接收系统自身的响应，才能准确获得大地真实的响应信号。5对比测试分析5. 1两种差分方式误差对比测试为了确定合适的差分方式，对两种方式进行误差对比测试。首先对比分析了幅度、相位和频率完全相同的输入信号时硬件差分与软件差分的误差情况。测试采用图2的硬件系统结构，当继电器切换到C1、C2、C3、C4时获得是

12、输入信号经过通道1和2后的结果（绝对场）。当继电器切换到D1、D2、D3、D4时,通道1和2的信号还经过了差分放大器BO,获得是硬件差分结果（梯度场）。在保证信号不饱和的情况下,测试采用的输入信号为200mV。测试结果如表1所示，表1中数据均为硬件系统采集数据经傅里叶变换所得的幅度和相位。5.2软件差分校准后对比分析根据本文校准原理，针对软件差分方式，对每通道的信号进行校准处理。向系统输入幅值为1mV,频率为4000Hz的标准信号，通过多次测量各通道输出信号并求取平均值，作为各通道的校准系数，测试结果如表3所示。利用该校准系数，对表2中各测量通道输出信号经通道校准后，再次计算软件差分结果，得到

13、梯度值。如图10所示，与之前的测试结果相比，此时梯度相对误差更小，更加逼近真实值。6野外测试依据本文理论研制了频率域可控源电磁法梯度采集系统，可同时采集多通道绝对场和梯度场数据。2016年12月，在江苏省南通市如东县滩涂，本课题组利用新研发的梯度采集系统进行了频率域电磁场梯度测试，现场如图11所示。发射接收基频64Hz的三频伪随机电磁场信号（64、128、256Hz）为例，测量极距30m07结论进行电场梯度测量时，所采用的测量方式对于梯度值的获取精度有重要影响。本文分析了两种典型的梯度测量方式，指出了两种方式的原理及误差来源，并进行了仿真计算和实际测试。结果表明，在用硬件差分获取梯度值时，两个

14、测量通道的不一致性将导致信号经过通道后出现额外的相位差，而该相位差对差分后的梯度值有直接的影响。随着相位差的增大，测量结果的误差也越来越大，当输入信号梯度值较小的时，该相位差将导致测量结果完全失真。而且通道校准技术在硬件差分的测量方式中也难以应用。若采用先测量两相邻通道绝对场然后通过软件差分计算梯度场的方式，则可以降低两通道相位不一致性对梯度场的影响。进一步利用测量通道校准技术，可以提高软件差分方法的梯度测量精度。理论和实验结果表明，对电磁法梯度测量而言，软件差分的方法更加方便有效。本文研究结果为电磁梯度测量系统的开发提供了有益借鉴。参考文献1何继善.广域电磁测深法研究J中南大学学报：自然科学版,208,41(3)：IO65TO722汤井田，任政勇，周聪，等.浅部频率域电磁勘探方法综述地球物理学报,285,58(8)：.3底青云方广有,张一鸣.地面电磁探测系统(SEP)研究地球物理学报,2015,5-6(11)：36-3639.4何继善.可控源音频大地电磁法M.长沙：中南工业大学出版社，SNABIaHIANMN,GRAUCHVJSrHANSENRO,6NABlCHANMN,ANDERME1RAU6,HVJS17边少锋，纪兵.重力梯度仪的发展及其应用地球物理学进展，2。&,21(2)：GGo-GG4