李 萌 底青云

(①中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029； ②中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029)

1 概況

大地電磁法(MT)、可控源音頻大地電磁法(CSAMT)等頻率域電磁法在國內迅速發(fā)展[1-15]，而頻率域電磁法儀器、設備的研制工作進展緩慢，使用的儀器基本依靠進口。隨著中國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，勘探需求不斷增加，電磁法儀器、設備的本土化逐漸受到重視，需要研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的電磁法勘探儀器設備系統(tǒng)[16-22]。這是為了打破國外對勘探設備的壟斷，更主要的原因是中國潛在的油氣、礦產(chǎn)資源賦存環(huán)境越來越復雜、深度越來越大，國外進口設備不能完全滿足資源、能源勘探的需求。

地面電磁探測系統(tǒng)是由電磁信號采集站、感應式磁傳感器以及大功率發(fā)射機組成的，可用于MT、AMT和CSAMT等方法的電磁法勘探。系統(tǒng)采用分布式接收機，每臺接收機最多可同時采集3通道磁場信號和9通道電場信號；在保證單臺儀器的施工效率的同時，可以方便地組網(wǎng)進行三維觀測。

圖1 試驗區(qū)地理概況 (a)試驗區(qū)交通位置圖； (b)試驗地點地表照片

為了檢驗SEP系統(tǒng)各部分在實際應用中的性能和可靠性，在研發(fā)過程中曾在河北固安、內蒙興和、甘肅金昌等地進行了多次系統(tǒng)集成與優(yōu)化試驗，取得了良好的效果[23-26]。在此基礎上，SEP接收系統(tǒng)進行了小批量生產(chǎn)，共生產(chǎn)出30套SEP接收系統(tǒng)。為了檢驗這批SEP接收系統(tǒng)的穩(wěn)定性、一致性和可靠性(簡稱三性)，在河北省張北縣進行了全面測試。

2 試驗設計

2.1 試驗區(qū)情況

試驗點(圖1)位于河北省張家口市張北縣公會鎮(zhèn)汽車橋村附近。試驗區(qū)域距離最近的S245省道4km左右，距離汽車橋村1.72km，距最近的電力線大于1km，測區(qū)電磁干擾非常小，十分有利于儀器系統(tǒng)的測試。

2.2 施工設計

共設計10條測線，對30套儀器分三批進場測試，主要進行天然場源和人工場源電磁數(shù)據(jù)的采集試驗，具體布設如圖2所示。

10條測線每兩條(LA，LB)組成一組，形成五組測線，同組的兩條測線間隔為2m，組之間的間隔為60m。每條測線布設9個測深點，采集站主機布設3分量磁傳感器(Hx,Hy,Hz)，測量9個通道的電場，電極距均為20m，電道沿南北方向布設，具體布設情況據(jù)場源的不同而不同。

圖3為一組采集天然場數(shù)據(jù)的儀器布設圖。圖中A01～A10為采集站A的南北方向的接地電極，電極間距為20m；對稱的A01與A10為一組南北電極，以此類推； A05與A06不連接儀器，是為了測量人工場信號放置的。因此會形成60、100、140、180m共4種電極距的接地方式。A11與A12組成一組采集站A的東西方向電極，極距為60m。A13為A采集站的接地電極。AHy、AHz和AHx分別為連接到A采集站上的三根感應式磁傳感器。采集站B與采集站A的連接方式相同。

圖4為一組人工場源法測試時的儀器布設圖。圖中A01～A10為采集站A的測量電極，電極距為20m，共計得到9個電場分量；A13為采集站接地電極。3根磁傳感器均測量Hy分量，磁棒平行埋設，由南到北分別連接儀器三個磁通道的第2、第3、第1通道，磁傳感器埋設方向為磁傳感器的遠接線端指向東。

使用V8系統(tǒng)的發(fā)射機發(fā)射信號。如圖5所示，發(fā)射偶極長度為1.5km，收發(fā)距為7km，發(fā)射偶極位于測區(qū)西南側，使用兩套發(fā)射頻率：1～7680Hz，共24個頻點；0.1～9600Hz，共計22個頻點。

圖2 采集站批量測試測站布設示意圖

圖3 天然場源測試測站布設圖 A、B分別代表兩臺采集站

圖4 人工場源測試測站布設圖 A、B分別代表兩臺采集站

磁傳感器一致性測試(圖6)設計選取兩組(4臺)采集站，每臺儀器的三個磁場通道分別連接到三個平行的相近布設的指向東(或西)的磁傳感器，磁傳感器距離采集站15 m左右，磁傳感器間距為5m。

圖5 人工場源發(fā)射—接收位置示意圖

為驗證系統(tǒng)的通道一致性，設計了人工場源方法進行通道一致性試驗。每臺儀器選取一組(兩個)測量電極接地，將所有的電場通道短接，相當于所有的電場通道測量一對接地電極。

圖6 磁傳感器一致性測試布置圖

本文所說的“相近位置”均指試驗設計中相近的兩條測線(圖件及文中表述為同一個測站中的A與B)，“相同位置”指在試驗設計中某一個測站中的A或B。

3 試驗結果分析

結果分析主要采用電磁方法常用的檢查物理點觀測質量的均方相對誤差來衡量。

首先計算某個頻點的某個物理量(可能為電場強度、磁場強度、視電阻率或阻抗相位)的相對誤差為

(1)

然后計算單個物理點l的物理量均方相對誤差

(2)

式中n為觀測頻點總數(shù)。

最后整體的適量評價用所有對比點的觀測質量

Ml的均方相對誤差統(tǒng)計

(3)

式中k為全區(qū)系統(tǒng)檢查觀測的全部對比點數(shù)。

3.1 一致性測試

3.1.1 單臺采集站通道一致性試驗

測試采集人工場數(shù)據(jù)，僅將其中的兩個電極接地，所有電場通道均測量這兩個電極之間的信號，將測得的電場值與同一根磁傳感器測量的磁場值進行計算，得到視電阻率和阻抗相位。這樣通過對比不同通道所得到的電場數(shù)據(jù)與計算得到的視電阻率和阻抗相位數(shù)據(jù)進行對比(圖7)，檢驗儀器通道的一致性。由圖可見，無論電場幅值、視電阻率還是阻抗相位，所有9個通道所采集到的數(shù)據(jù)，都能完好地重合在一起。根據(jù)計算，圖中視電阻率的相對誤差為0.48%，阻抗相位的相對誤差為0.87%； 全部數(shù)據(jù)的視電阻率相對誤差為0.77%，阻抗相位相對誤差為1.05%，證明了采集站的通道一致性良好。

圖7 人工場源通道一致性測試結果 (a)電場強度隨頻率變化圖; (b)磁場強度隨頻率變化圖; (c)視電阻率隨頻率變化圖; (d)阻抗相位隨頻率變化圖

3.1.2 磁傳感器一致性試驗

(1)天然場磁傳感器一致性試驗

數(shù)據(jù)采集時間約為15h，同時由于試驗區(qū)電磁干擾較小，有效低頻數(shù)據(jù)可以達到1/3000Hz左右。對三個磁場通道的磁場功率譜密度進行對比(圖8)。

由于采集站僅有3個磁場通道，在進行平行測試時，雖然三根磁傳感器測量的是同一磁場分量，但是為了對比方便，依舊標記成Hx、Hy、Hz。由圖8可見，除在50Hz工頻干擾附近有跳躍外，曲線都比較光滑，三條曲線均重合在一起，功率譜密度相對誤差為1.58%，說明磁傳感器在中—低頻數(shù)據(jù)采集時具有很好的一致性。

(2)人工場磁傳感器一致性試驗

人工場磁傳感器一致性測試的布設方式與天然場方法一致，發(fā)射頻率范圍為9600～0.1Hz。圖9所示為人工源激發(fā)磁傳感器一致性測試結果，可見三條曲線能夠完好地吻合在一起，相對誤差為0.64%，所有測試的總相對誤差為0.76%，表明磁傳感器在中、高頻的一致性很好。

圖8 天然場磁傳感器(C120)平行測試結果

圖9 人工場磁傳感器(C128)平行測試結果

3.1.3 不同采集系統(tǒng)一致性試驗

(1)天然場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一致性試驗

圖10所示為天然場源條件下兩臺儀器(C120和C140)在位置測站5-A處(圖6)的觀測結果，采集時間約為12h。由圖可見，無論是xy模式，還是yx模式，阻抗相位的兩類曲線在周期低于500s時均能夠完美地重疊在一起；只有當周期大于500s時，由于采集時間有限，疊加次數(shù)過少，同時也由于磁傳感器的位置并不完全重合，所以存在一定的差異；同時，由于采集時間僅為12h，周期大于500s的這部分數(shù)據(jù)已基本屬于由于數(shù)據(jù)時長不足帶來的無效數(shù)據(jù)，所以會產(chǎn)生差異； 對視電阻率結果(圖10a)，可以看出對于yx模式，只有個別頻點有所跳動，其他部分能很好地吻合；而對于xy模式，雖然有部分頻帶曲線幅值出現(xiàn)一定的差別，但是曲線整體形態(tài)一致，圖中頻率高于0.01Hz頻點的視電阻率相對誤差為1.24%、阻抗相位相對誤差為0.89%，所有結果的視電阻率及阻抗相位的相對誤差與之相當，分別為1.30%和1.00%，說明整套系統(tǒng)在天然場的采集上的一致性較高。

(2)人工場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一致性試驗

由于人工發(fā)射信號的強度足夠大，所以地表情況的較小差異對測量結果的影響有限。選擇相近位置的數(shù)據(jù)(這里選取測站3處C115與C116儀器的數(shù)據(jù)中Ex3通道的數(shù)據(jù))進行對比，驗證采集系統(tǒng)的一致性。

如圖11所示，在測站3位置上的兩臺儀器(C115和C116)采集的電場和磁場曲線的趨勢和幅值均能很好地重合，僅在高頻段的4個頻點有一定差異，但是趨勢也是一致的；從圖11b和圖11c也可以看出，兩條視電阻率曲線基本能夠重合在一起，阻抗相位僅有一個頻點不能重合，其余頻點均能夠重疊在一起。視電阻率和阻抗相位的相對誤差分別為1.33%和1.11%，總均方相對誤差分別為1.98%和2.15%，表明整套系統(tǒng)在人工場數(shù)據(jù)采集時的一致性很強。

圖10 天然場采集系統(tǒng)一致性測試結果(測站5-A) (a)視電阻率曲線； (b)阻抗相位曲線

3.2 穩(wěn)定性測試

3.2.1 人工場數(shù)據(jù)采集單套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

穩(wěn)定性測試采用一套采集系統(tǒng)在同一點(測站3-B)同一天多次進行接收并對比其結果，人工源發(fā)射一次后，儀器關機，再重新開機后進行下一次人工源發(fā)射測試。圖12為人工場源條件下的單套采集站采集的測站3-B的Ex2通道數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性實驗結果。

從圖12可見，視電阻率和阻抗相位除了在4個高頻點誤差稍大，在別的頻點都能完好地重疊在一起。這是由于采集高頻數(shù)據(jù)時發(fā)射電流較小，所采集到的信號較弱，信噪比相對較低。但是通過Ex、Hy計算卡尼亞視電阻率(圖12c)后，三次測量的結果能夠很好地重合。圖12中視電阻率和阻抗相位的相對誤差分別為0.74%和0.85%，對全部結果進行統(tǒng)計所得到的均方根相對誤差分別為0.93%和1.07%。圖12所示結果證明了單套采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖11 人工場采集系統(tǒng)一致性測試結果 (a)電場強度曲線; (b)磁場強度曲線; (c)視電阻率曲線; (d)阻抗相位曲線

圖12 人工場單套采集系統(tǒng)C116穩(wěn)定性測試對比 (a)電場強度曲線; (b)磁場強度曲線; (c)視電阻率曲線; (d)阻抗相位曲線

3.2.2 天然場多套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

在測站2-A位置上，分別用三臺儀器、共三天、每天采集大約15h的數(shù)據(jù)，測量時均采用不同的采集站及不同的磁傳感器，但是測線所用線纜、測量電極、接地電極都沒有改變。圖13所示為南北60m、東西60m極距的采集數(shù)據(jù)曲線。

由圖13可見，三次重復測量結果整體上曲線形態(tài)、幅值均一致，但第一天的結果數(shù)據(jù)中1Hz頻點的數(shù)據(jù)質量很差，這是由于第一天晚上下雨和雷電影響了數(shù)據(jù)質量，第二天與第三天的曲線能夠很好地吻合。由此可見，儀器的穩(wěn)定性很好，使用相同的接地電極能夠得到一致的結果。忽略第一天的數(shù)據(jù)而只計算天氣情況較好時的兩臺儀器采集到的數(shù)據(jù)的相對誤差，得到的視電阻率和阻抗相位的相對誤差均在3%左右。

3.3 可靠性測試

通過對比使用同一套采集系統(tǒng)分別采集的人工場與天然場數(shù)據(jù)，分析該系統(tǒng)的可靠性。由于兩者的施工方式不盡相同，為了得到盡可能同一位置的數(shù)據(jù)，選取人工場的第五通道數(shù)據(jù)與天然場的xy模式數(shù)據(jù)進行對比。人工場的數(shù)據(jù)相當于天然場方法的xy模式的數(shù)據(jù)，而人工場的第五通道數(shù)據(jù)與天然場的數(shù)據(jù)反映的是同一位置的數(shù)據(jù)，僅極距不同。無論人工場還是天然場的數(shù)據(jù)采集，使用的都是同一套采集站和磁傳感器，但是人工場源和天然場源的數(shù)據(jù)采集不可能同時進行，因此只能對不同時間段所采集到的人工場和天然場的數(shù)據(jù)進行對比。

圖13 天然場多套采集系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結果(測站2-A) (a)ρxy; (b)ρyx; (c)φxy; (d)φyx

圖14所示為C117采集站某次人工場測量結果與天然場測量結果在頻率重疊頻段對比結果。由于人工場發(fā)射頻率和天然場計算頻率并不完全一致，兩者重合的頻段人工場源頻點稀疏，因此對人工場源的測量結果進行了插值，便于對比人工場源與天然場源在相同頻點上的測量結果。

由圖14可知，在100Hz以上頻段，無論視電阻率曲線還是阻抗相位曲線，人工場與天然場的結果都能夠很好地重合，前4個頻點視電阻率的相對誤差約為3.43%，阻抗相位的相對誤差為4.55%； 隨著頻率的降低，由于人工場源的位置較近，因此在人工場源的測量曲線上能夠明顯地看到人工源的影響，無論視電阻率還是阻抗相位曲線，均顯示出了明顯的“近場效應”，因此與天然場的測量結果出現(xiàn)了很大的偏差，可見這部分頻點的相對誤差沒有意義。

圖14 天然場源與人工場源測試結果對比(C117) (a)視電阻率曲線； (b)阻抗相位曲線

4 結論

針對批量生產(chǎn)的SEP系統(tǒng)30臺采集站及與其配套的90根感應式磁傳感器進行儀器一致性、穩(wěn)定性和可靠性的測試，根據(jù)試驗結果分析可以得到以下的結論：

(1)采集站和磁傳感器一致性測試結果證明單套采集系統(tǒng)在全頻段具有一致性，天然和人工兩種場源條件下的多套采集系統(tǒng)的一致性測試數(shù)據(jù)能夠很好地吻合，計算結果相對誤差較小，表明采集站具有良好的一致性；

(2)單套采集系統(tǒng)的多次測量和多套采集系統(tǒng)在同一測點的測量結果均能夠很好地吻合，較低的相對誤差也證明了結果的一致性，說明整套系統(tǒng)性能穩(wěn)定；

(3)對比同一套采集系統(tǒng)、不同場源條件下采集到的數(shù)據(jù)，以及不同儀器在相近位置的采集數(shù)據(jù)，可以表明整套采集系統(tǒng)在兩種場源條件下采集到的數(shù)據(jù)在對應的頻帶范圍內有一致的響應，證明了采集系統(tǒng)的可靠性。

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