張化鵬,錢(qián)衛(wèi),劉瑾,武立林,宋澤卓
(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)
通訊作者: 錢(qián)衛(wèi)(1963-),男,河海大學(xué)特聘教授,主要從事地球物理專(zhuān)業(yè)相關(guān)的教學(xué)和科研工作。Email:wei.geoserve@gmail.com
磁測(cè)電阻率法(magnetometric resistivity method,MMR)是以地下地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ),根據(jù)電磁感應(yīng)原理來(lái)觀(guān)測(cè)地下電流所激發(fā)的一次磁場(chǎng)分量,通過(guò)異常場(chǎng)的分布來(lái)推斷地下地質(zhì)體的分布規(guī)律,從而達(dá)到尋找礦床、油氣、地下水或解決其他地質(zhì)問(wèn)題的一種技術(shù)方法,簡(jiǎn)稱(chēng)磁電法。
磁電法的研究始于20世紀(jì)70年代[1-5],由于該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的電阻率法在良導(dǎo)覆蓋層下的異常體成像方面具有一定的優(yōu)越性,因此得以迅速發(fā)展。在國(guó)內(nèi),磁激發(fā)極化法(magnetic induced polarization method,MIP)[6]最先引起相關(guān)學(xué)者的關(guān)注,隨后,磁電法(MMR)[7-10]也逐漸進(jìn)入人們的視野,該技術(shù)探測(cè)深度大、靈敏度高、適用范圍廣,是進(jìn)行地質(zhì)勘探的有效手段。由于該技術(shù)無(wú)接地電極,靈敏度高,受覆蓋層影響較小,且在探測(cè)地下滲流等長(zhǎng)走向的良導(dǎo)地質(zhì)體方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì),因此有相關(guān)學(xué)者提出將之應(yīng)用于壩基滲漏檢測(cè)等工程領(lǐng)域。但該方法極易受到外部環(huán)境的影響,而堤壩等工程現(xiàn)場(chǎng)外部環(huán)境往往十分復(fù)雜,抗干擾能力弱成為其發(fā)展的掣肘。如何提高其抗干擾能力成為現(xiàn)階段相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者的重點(diǎn)研究方向。
近年來(lái),無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)迅速發(fā)展,偽隨機(jī)編碼技術(shù)被運(yùn)用于通訊行業(yè)中并獲得了廣泛應(yīng)用。由于其強(qiáng)大的降噪功能,早在1980年即有相關(guān)學(xué)者將偽隨機(jī)序列應(yīng)用于電磁法勘探系統(tǒng)中。而進(jìn)入21世紀(jì)后,越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者將目光聚集于此。2001年,愛(ài)丁堡大學(xué)的David Wright提出MTEM系統(tǒng),并于2006年首次將偽隨機(jī)序列應(yīng)用于此系統(tǒng)。隨后在挪威Peon油氣田,愛(ài)丁堡大學(xué)基于MTEM瞬變電磁系統(tǒng)進(jìn)行了淺??碧絒11-14],經(jīng)過(guò)對(duì)比分析,證明了偽隨機(jī)辨識(shí)技術(shù)可以有效提高其抗干擾能力。
在國(guó)內(nèi),柴治媛等[15]通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)可控震源技術(shù)中偽隨機(jī)序列的應(yīng)用效果進(jìn)行了一系列的研究;張群英等[16]將偽隨機(jī)序列應(yīng)用于探地雷達(dá)中,以此來(lái)提高信號(hào)的能量及分辨率;何繼善院士[17]發(fā)明了偽隨機(jī)多頻信號(hào),并以此為基礎(chǔ)創(chuàng)立了新型的電磁勘探方法“廣域電磁法”;羅延鐘等[18-19]以維納—何甫方程為基礎(chǔ)發(fā)明了偽隨機(jī)信號(hào)系統(tǒng)辨識(shí)的“第二方案”算法,并基于該算法研發(fā)了國(guó)內(nèi)首款偽隨機(jī)信號(hào)電法儀。
基于上述研究現(xiàn)狀及研究背景,本文結(jié)合磁電法的勘探原理及偽隨機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)原理,提出將偽隨機(jī)信號(hào)應(yīng)用于磁電法中來(lái)提高其抗干擾能力,并通過(guò)一系列的滲漏模型試驗(yàn)對(duì)其可行性及抗干擾能力進(jìn)行分析。
磁測(cè)電阻率法是一種三維空間電磁勘探技術(shù),裝置主要包括電流發(fā)射機(jī)與三分量磁通門(mén)磁力儀兩部分,觀(guān)測(cè)測(cè)量的數(shù)據(jù)主要是地下電流所激發(fā)的一次磁場(chǎng)分量。其具體原理是在目標(biāo)地質(zhì)體附近埋置電極,利用電流發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電流,與大地系統(tǒng)構(gòu)成閉合回路,由于目標(biāo)地質(zhì)體與周?chē)鷰r體存在電性差異,因此地下電流分布存在異常,從而在空間產(chǎn)生異常磁場(chǎng)。此時(shí)在地表利用磁通門(mén)磁力儀對(duì)空間磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè),即可獲得在空間范圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度B。
在磁測(cè)電阻率法中,測(cè)量得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度B通常由3部分組成:
B=Bc+Bn+Bg,
(1)
式中:B表示測(cè)量總磁感應(yīng)強(qiáng)度的大?。籅c表示導(dǎo)線(xiàn)中電流激發(fā)的磁場(chǎng);Bn表示磁場(chǎng)背景值;Bg表示地下電流變化所引起的異常場(chǎng)(圖1)。其中,背景值Bn可另行測(cè)得,導(dǎo)線(xiàn)所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bc可使用畢奧—薩伐爾定律計(jì)算解析解:
(2)
圖1 線(xiàn)電流磁場(chǎng)計(jì)算Fig.1 Calculation of line current magnetic field
式中:μ0為真空磁導(dǎo)率;I為電流大小;α、β分別為導(dǎo)線(xiàn)兩端點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)之間的夾角;r為測(cè)點(diǎn)到導(dǎo)線(xiàn)的距離,磁場(chǎng)方向符合右手定則。
通過(guò)測(cè)量可得總磁感應(yīng)強(qiáng)度B與背景值Bn,再經(jīng)過(guò)計(jì)算可得導(dǎo)線(xiàn)所激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bc的解析解,由此即可計(jì)算目標(biāo)地質(zhì)體所產(chǎn)生的異常場(chǎng)大小。
磁電勘探技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯,該技術(shù)在進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)其磁場(chǎng)接收裝置不需接地,因此受沙漠、沼澤和冰川等復(fù)雜地質(zhì)條件的影響較小,使得空間磁場(chǎng)的測(cè)量更加簡(jiǎn)單,在一些無(wú)法接地的地區(qū)進(jìn)行電磁勘探成為可能。同時(shí),由于不用接地,也避免了電極與大地接觸導(dǎo)致的電化學(xué)作用產(chǎn)生的影響,且受地表覆蓋層的影響較小,勘探結(jié)果更加精確?;谏鲜鰩c(diǎn)技術(shù)優(yōu)勢(shì),該方法滿(mǎn)足地下滲流檢測(cè)、壩基滲漏檢測(cè)等工程應(yīng)用。
但另一方面,由于其信號(hào)相對(duì)較弱,可見(jiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度一般只有幾納特,對(duì)儀器設(shè)備的要求較高,發(fā)射系統(tǒng)往往需要大功率的電流發(fā)射機(jī)。且在地面進(jìn)行的測(cè)量深度分辨能力不足,在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有一定的局限性[4-5]。為克服上述缺點(diǎn),本文提出將偽隨機(jī)相關(guān)辯識(shí)技術(shù)應(yīng)用于磁電法中,使用偽隨機(jī)電流來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電流,通過(guò)對(duì)沖激響應(yīng)及階躍響應(yīng)進(jìn)行卷積運(yùn)算來(lái)達(dá)到降噪目的,極大地提高了該方法的抗干擾能力,使其適用范圍大大增加。
偽隨機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)原理是根據(jù)輸入、輸出時(shí)間函數(shù)與系統(tǒng)的特點(diǎn)來(lái)確定系統(tǒng)沖激響應(yīng),進(jìn)而計(jì)算其階躍響應(yīng)的一種方法。大地系統(tǒng)通??煽闯删€(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)(LIT),故在該系統(tǒng)中,若我們?nèi)斯な┘与妶?chǎng)信號(hào)為I(t),磁力儀觀(guān)測(cè)計(jì)算所得的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化為輸出信號(hào)ΔB(t),I(t)作為時(shí)間t的函數(shù)會(huì)隨時(shí)間變化,而此時(shí)ΔB(t)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。
對(duì)于線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)而言,此時(shí)有:
(3)
式中:b(t)為該系統(tǒng)的沖激響應(yīng),即供電電流為單位沖擊函數(shù)時(shí)該系統(tǒng)的相應(yīng);*為卷積運(yùn)算符號(hào),此時(shí)通過(guò)反卷積運(yùn)算可得沖激響應(yīng)b(t),對(duì)b(t)進(jìn)一步進(jìn)行積分即可得到大地系統(tǒng)的階躍響應(yīng)B(t)。
利用上述計(jì)算可對(duì)任意給定信號(hào)的輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,但計(jì)算繁雜且常存在系統(tǒng)誤差。為簡(jiǎn)化上述步驟并提高計(jì)算精度,可采用m序列變化的供電電流源I(t)進(jìn)行供電,使用自相關(guān)及互相關(guān)辨識(shí)計(jì)算與傅里葉變換進(jìn)行降噪計(jì)算。其計(jì)算步驟如圖2,其中,I(t)為供電電流,H(t)為異常磁場(chǎng),n(t)為外部噪聲,Z(t)為總磁場(chǎng)大小,RI,I(t)為發(fā)射電流的自相關(guān)函數(shù),RI,Z(t)為發(fā)射電流I(t)與Z(t)的互相關(guān)函數(shù),H(jω)為異常磁場(chǎng)的頻譜密度。
圖2 偽隨機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)計(jì)算步驟Fig.2 Identification calculation steps of pseudo random system
為檢驗(yàn)偽隨機(jī)相關(guān)辨識(shí)系統(tǒng)在磁電勘探技術(shù)應(yīng)用中的可行性,現(xiàn)進(jìn)行水槽滲漏模型對(duì)比試驗(yàn)。本次模型試驗(yàn)使用儀器由KGR—1b型偽隨機(jī)電法儀改裝而來(lái),主要包括偽隨機(jī)電流發(fā)射機(jī)、偽隨機(jī)碼接收機(jī)以及磁通門(mén)磁力儀等(圖3)。
本次試驗(yàn)使用水槽模型進(jìn)行實(shí)際模擬,在兩水槽之間設(shè)置滲漏通道來(lái)模擬良導(dǎo)體,待測(cè)區(qū)域?yàn)閮伤壑g1/2區(qū)域,裝置布置如圖4所示。
試驗(yàn)所使用水槽尺寸為0.65 m×0.45 m×0.4 m,兩水槽之間設(shè)置滲漏通道(如圖4b),滲漏通道長(zhǎng)度為0.85 m,距水槽底部0.2 m;電極位置位于兩水槽遠(yuǎn)離滲漏通道一側(cè)底部(如圖3所示),電纜呈半框型布置,以方便后期的模擬計(jì)算及降噪處理;測(cè)量區(qū)域位于滲漏通道中部0.4 m×0.8 m,測(cè)線(xiàn)方向垂直于兩電極連線(xiàn)方向(如圖5所示),測(cè)線(xiàn)高度為滲漏通道上方0.05 m處,每條測(cè)線(xiàn)上設(shè)置測(cè)點(diǎn)21個(gè),4條測(cè)線(xiàn)共84個(gè)測(cè)點(diǎn);供電電壓為100 V,電流為0.1 A隨機(jī)交變電流;測(cè)量時(shí)需盡量保證磁通門(mén)磁力儀保持水平以減少誤差,且每個(gè)測(cè)點(diǎn)需至少測(cè)量?jī)纱我詼p少誤差。
圖3 偽隨機(jī)磁電儀Fig.3 Pseudorandom magnetoelectric meter
圖4 水槽滲漏模型對(duì)比試驗(yàn)裝置布置Fig.4 Arrangement of comparative test equipment for flume leakage model
圖5 測(cè)量區(qū)域Fig.5 Measurement area
試驗(yàn)步驟為:① 按照上述要求布置試驗(yàn)?zāi)P?,檢查確保各儀器可正常使用;② 按要求連接儀器,打開(kāi)偽隨機(jī)電流發(fā)射機(jī)與接收機(jī),使用GPS定位儀將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)連接,選擇100 V電壓檔,發(fā)射大小為0.1 A的隨機(jī)交變電流;③ 按要求將三分量磁通門(mén)磁力儀與偽隨機(jī)接收機(jī)相連接,磁力儀置于測(cè)點(diǎn)上;④ 按預(yù)先布置的測(cè)點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量?jī)纱?,若兩次測(cè)量結(jié)果相差小于5%,即可進(jìn)行下一點(diǎn)的測(cè)量;⑤ 測(cè)量完成后將接收機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,整理計(jì)算。
現(xiàn)假設(shè)兩水槽之間為均勻介質(zhì),建立如圖2所示坐標(biāo)系,則其x軸方向符合以下磁場(chǎng)分布公式:
(4)
式中:I為供電電流大小,為0.1 A;l為半電極距大小,實(shí)驗(yàn)中為0.875 m;x,y為平面坐標(biāo)系中任意點(diǎn)的坐標(biāo),坐標(biāo)系如圖2所示,經(jīng)計(jì)算后繪制磁場(chǎng)等值線(xiàn)圖,其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小如圖6所示。
在均勻場(chǎng)中,其x軸方向磁感應(yīng)強(qiáng)度大小關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng),磁場(chǎng)變化均勻,具體表現(xiàn)為兩邊高、中間低,由兩側(cè)邊緣向中間緩慢降低,反映在等值線(xiàn)圖上表現(xiàn)為中間等值線(xiàn)稀疏,邊緣處等值線(xiàn)密集;其最大值出現(xiàn)在測(cè)區(qū)邊緣處,為30 nT,而最小值出現(xiàn)在原點(diǎn)處,為24 nT。
由于滲漏通道的存在,上述正常均勻場(chǎng)會(huì)遭到破壞,在滲漏通道處形成電流集中,產(chǎn)生磁異常。此時(shí)可根據(jù)畢奧—薩法爾定律計(jì)算其x軸磁場(chǎng)大小分布情況,根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制磁場(chǎng)等值線(xiàn)圖(圖7)。
經(jīng)計(jì)算可知,在測(cè)量區(qū)域內(nèi)越靠近滲漏通道位置,其磁場(chǎng)值越大,越遠(yuǎn)離滲漏通道位置,其磁場(chǎng)值越小。與均勻場(chǎng)(圖6)相比,在測(cè)區(qū)邊緣處幾個(gè)測(cè)點(diǎn)上其磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)減小,減小值為10~20 nT;而在滲漏通道上方,其磁感應(yīng)強(qiáng)度值迅速增大,最大值為均勻場(chǎng)的7倍左右,反映在圖7上表現(xiàn)為滲漏通道上方磁場(chǎng)等值線(xiàn)密集,測(cè)區(qū)測(cè)量邊緣處迅速變得稀疏;每條測(cè)線(xiàn)上均可見(jiàn)兩處峰值,一處峰谷,兩處峰值的大小大致相同,峰谷位置位于兩峰值之間,將磁場(chǎng)等值線(xiàn)圖與實(shí)際滲漏通道位置圖進(jìn)行擬合(圖8)可知,其磁場(chǎng)8處峰值位置均位于滲漏通道正上方,峰谷位置為兩滲漏通道之間。
圖6 均勻場(chǎng)磁場(chǎng)等值線(xiàn)Fig.6 Contour map of uniform magnetic field
圖7 模擬場(chǎng)磁場(chǎng)等值線(xiàn)Fig.7 Contour map of simulated magnetic field
按照上述要求及步驟進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后繪制磁場(chǎng)等值線(xiàn)圖,其結(jié)果如圖9所示。在實(shí)際的測(cè)量結(jié)果中,磁場(chǎng)大小變化趨勢(shì)與模擬計(jì)算結(jié)果完全一致,越靠近滲漏通道位置,其磁場(chǎng)值越大,越遠(yuǎn)離滲漏通道位置,其磁場(chǎng)值越小,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小由滲漏通道上方向兩側(cè)迅速降低。其磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值位置分別為測(cè)點(diǎn)7、12、28、33、49、55、70、77,峰谷位置分別為測(cè)點(diǎn)9、31、52、73,與模擬計(jì)算結(jié)果基本一致,其磁感應(yīng)強(qiáng)度大小也基本一致。將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際滲漏通道位置進(jìn)行擬合,其結(jié)果如圖10所示。
圖8 模擬擬合Fig.8 Simulation fitting diagram
圖9 實(shí)測(cè)磁場(chǎng)等值線(xiàn)Fig.9 Contour map of measured magnetic field
圖10 實(shí)測(cè)擬合Fig.10 Actual measurement fitting diagram
通過(guò)圖7與圖9中磁場(chǎng)等值線(xiàn)的形態(tài)對(duì)比以及圖8與圖10中磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值位置及衰減情況的對(duì)比可以看出,實(shí)際的測(cè)量結(jié)果與進(jìn)行的模擬計(jì)算結(jié)果大致相同,變化趨勢(shì)基本一致。為更直觀(guān)地比較均勻場(chǎng)、模擬場(chǎng)及實(shí)測(cè)場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì),現(xiàn)根據(jù)計(jì)算及測(cè)量結(jié)果繪制4條測(cè)線(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化圖(圖11)。
由4條測(cè)線(xiàn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)可知,與均勻場(chǎng)相比,當(dāng)存在滲漏通道(電流集中)時(shí)其磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)劇烈變化,具體表現(xiàn)為在遠(yuǎn)離滲漏通道位置的地方,其磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)相對(duì)減小,而在靠近滲漏通道位置的時(shí)候,其磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)迅速增加,在兩滲漏通道上方達(dá)到峰值;與模擬場(chǎng)相比,實(shí)測(cè)場(chǎng)的變化趨勢(shì)與模擬場(chǎng)基本相同,但數(shù)值上仍存在一定誤差,具體表現(xiàn)為在遠(yuǎn)離滲漏通道位置的地方,實(shí)測(cè)強(qiáng)度會(huì)比模擬強(qiáng)度普遍偏大,越靠近滲漏通道位置,其誤差越小,而在滲漏通道位置正上方,其誤差達(dá)到最小,兩者基本相同。
圖11 磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線(xiàn)Fig.11 Variation curve of magnetic induction intensity
為統(tǒng)計(jì)與量化實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果之間的誤差,現(xiàn)使用相對(duì)誤差公式及均方根誤差公式對(duì)8處峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析:
(5)
(6)
表1 峰值處磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)
由表1數(shù)據(jù)計(jì)算可得:
Mmax=3.64,
即8處峰值的測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的均方根誤差為3.64。
由8處峰值處的計(jì)算分析可知,在8處峰值處測(cè)量所得的磁感應(yīng)強(qiáng)度與模擬計(jì)算所得的磁感應(yīng)強(qiáng)度均方根誤差為3.64,其相對(duì)誤差均在3%以?xún)?nèi),證明了偽隨機(jī)信號(hào)可應(yīng)用于磁電法中,且降噪能力顯著。但在遠(yuǎn)離峰值(滲漏通道)位置處,其誤差較大,現(xiàn)分析原因如下:
1) 電纜中電流的干擾,采用偽隨機(jī)信號(hào)可排除外界電磁干擾,但電纜內(nèi)的供電電流變化規(guī)律與滲漏通道中的電流完全一致,不能屏蔽;
2) 磁力儀探頭放置時(shí)未保證與測(cè)點(diǎn)完全重合;
3) 其他原因,外部可能存在的與試驗(yàn)電流頻率一致的磁場(chǎng)干擾。
本文基于磁電法的勘探原理及偽隨機(jī)系統(tǒng)辨識(shí)原理設(shè)計(jì)了一系列的滲漏模型試驗(yàn),并通過(guò)滲漏模型試驗(yàn)對(duì)其可行性及抗干擾情況進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:
1) 通過(guò)水槽滲漏模型試驗(yàn)驗(yàn)證了偽隨機(jī)信號(hào)應(yīng)用于磁電法中的可行性,試驗(yàn)結(jié)果表明該方法降噪能力顯著,可基本屏蔽外界電磁場(chǎng)的干擾;
2) 實(shí)際的測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算的結(jié)果基本相同,將磁場(chǎng)等值線(xiàn)圖與滲漏通道位置進(jìn)行擬合,其峰值位置與滲漏通道位置完全吻合;對(duì)峰值處的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行均方差計(jì)算,其誤差小于3%,證明該方法完全滿(mǎn)足相關(guān)工程要求,為相關(guān)儀器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ);
3) 偽隨機(jī)信號(hào)可基本消除外部磁場(chǎng)干擾,具有極強(qiáng)的抗干擾能力,但該技術(shù)不能屏蔽供電電纜內(nèi)部電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng),因此在實(shí)際的試驗(yàn)及生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)將供電電纜成半框型布置,在測(cè)量完成后需通過(guò)計(jì)算來(lái)去除電纜自身所帶來(lái)的影響,以提高精度。