亓慶新，席振銖，徐昱，木仁

(1.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南 長沙 410205; 2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.湖南省計量檢測研究院，湖南 長沙 410014)

0 引言

瞬變電磁法[1-3](TEM)，也稱時間域電磁法，在地球物理勘探領(lǐng)域中是一種非常重要的人工源電磁法[4-5]。TEM受地形影響小、施工效率高，廣泛應(yīng)用于地?zé)?、煤炭、水資源、礦產(chǎn)勘查、工程勘查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、考古探測、軍事探測、城市管線檢測等諸多方面[6-8]，近幾年已逐漸向大深度礦產(chǎn)[9]和油氣資源勘探[10-11]方向發(fā)展。此方法以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，通過不接地回線向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的激勵下，地下地質(zhì)體將產(chǎn)生感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次磁場不會隨一次磁場消失而立即消失，在一次脈沖磁場間歇期間利用天線或接地電極觀測二次磁場,通過研究感應(yīng)二次場響應(yīng)幅值和衰減速度變化規(guī)律，從而達到探測目標(biāo)體空間展布的目的[12-13]。

在實際應(yīng)用中，發(fā)射線圈與接收線圈作為相鄰線圈，兩者之間會發(fā)生互感現(xiàn)象，在關(guān)斷一次場后，接收線圈受一次場變化影響會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而且此一次場電動勢通常比二次場在接收線圈中產(chǎn)生的電動勢大得多，并難以區(qū)分、無法剔除，導(dǎo)致瞬變電磁法在淺層探測中出現(xiàn)盲區(qū)[14-16]，嚴(yán)重干擾早期接收信號精度。Smith 等[17]、嵇艷鞠等[18]、Walker等[19]通過對瞬變響應(yīng)和發(fā)射電流波形的實時監(jiān)測，再根據(jù)數(shù)值計算方法把接收信號中受一次場影響產(chǎn)生的感應(yīng)信號剔除，獲得純二次場響應(yīng)，但是實際勘探中受地質(zhì)條件等原因影響，線圈大小和位置與理論值存在偏差，導(dǎo)致計算值與實際感應(yīng)值不符；范濤等[20]研究了多匝小線圈的自感和互感引起的接收信號失真問題，采用曲線偏移的方法修正信號；楊海燕等[21]根據(jù)場源提出了一種新型圓錐型瞬變電磁場源裝置，可減弱線圈間的互感耦合，提高淺部探測能力?？傊?，在淺層瞬變電磁法中，收發(fā)線圈的互感尚沒有較理想的解決方案，因此導(dǎo)致的早期信號失真而產(chǎn)生淺層探測盲區(qū)的問題依然存在。

為了消除一次場對接收線圈的影響，實現(xiàn)瞬變電磁早期純二次場響應(yīng)觀測，提出了等值反磁通瞬變電磁法(opposing coils TEM，簡稱OCTEM)。這是一種新型的瞬變電磁法，其原理與傳統(tǒng)的瞬變電磁法一致，不同的是：OCTEM以等值反磁通的規(guī)律作理論依據(jù)，采用通以大小相同、方向相反電流的大小相同、平行共軸的天線作為發(fā)射源發(fā)射一次場，在反向?qū)ε即旁吹恼虚g平面接收二次場信號，測量地下純二次場的響應(yīng)[22]。根據(jù)矢量疊加原理，正負(fù)反向磁源產(chǎn)生的一次場始終存在至少一個磁場的垂直分量為零的平面，該位置稱為等值反磁通的零磁通面。由于需要將接收天線設(shè)置在所述的等值反磁通零磁通面，因此對于等值反磁通瞬變電磁法的零磁通面的位置確認(rèn)就顯得尤為重要。目前，等值反磁通瞬變電磁法的零磁通面的位置確認(rèn)一般采用機械調(diào)節(jié)接收天線的位置，通過目測二次場衰減曲線早期沒有比較明顯的過渡過程(明顯畸變)，來定性判斷零磁通面的位置。但是，這種方法主觀性較大，無法科學(xué)、準(zhǔn)確地確認(rèn)零磁通面的位置。為此，本文提供了一種能夠快速、準(zhǔn)確對零磁通面位置進行確定的方法。

1 零磁通調(diào)零方法原理

根據(jù)上述頻率的取值規(guī)則，本次實驗以20 kHz頻率為例，在等值反磁通調(diào)零模式發(fā)送20 kHz雙極性方波，使用式(1)對采集的數(shù)據(jù)進行離散傅里葉變換，計算出0～40 kHz的頻譜數(shù)據(jù):

。

(1)

式中：xn為采集的離散時間序列;N為變換區(qū)間長度;k為諧波序號,k=0,1，…，N-1。

信號的平均功率Pavg為

(2)

根據(jù)帕塞瓦爾定理(Parseval's theorem)有：

(3)

可以得出：

。

(4)

考慮到功率譜密度(PSD)，平均功率有：

，

(5)

式中：Δf=fs/N，因此可得：

。

(6)

式中，PSD的單位為V2/Hz。

對PSD取對數(shù)，使振幅較低的成分相對高振幅成分得以拉高，以便觀察掩蓋在低幅噪聲中的周期信號：

。

(7)

2 零磁通調(diào)零方法應(yīng)用

本次測試使用自主研發(fā)的等值反磁通瞬變電磁儀。此電磁儀分為主機和天線兩部分，天線設(shè)計采用微線圈發(fā)射(線圈直徑不超過2 m)、中心回線接收的一體機裝置，即將2個多匝小線圈分為2段串聯(lián)安裝在接收骨架上作為發(fā)射天線，正中間平面放置接收天線，上下線圈導(dǎo)線材料、繞制方法、匝數(shù)、大小都相同。采用微線圈發(fā)射可以在淺層得到高聚集度能量的一次場，能保證淺層探測的激勵場，而收發(fā)一體機裝置能保障每個測點發(fā)射一次場以及發(fā)射、接收相對位置的一致性，不僅大大減小了野外施工布線誤差，還降低了由記錄點位置不同導(dǎo)致的二次場誤差。除此之外，線圈一體機裝置的設(shè)計使在實際勘探工作中無需野外布線，既節(jié)省時間、降低成本，又能在高密度掃面測量工作中實現(xiàn)快速移動，提高了效率，有利于實現(xiàn)高精度的淺層勘探。

本次實驗選取編號為1、2的2臺等值反磁通瞬變電磁儀進行實驗，發(fā)射50%占空比雙極性方波，實際發(fā)射波形見圖1，近似線性關(guān)斷。

圖1 發(fā)射電流波形

通過天線上的調(diào)零旋鈕實時調(diào)整接收天線的位置，直至實時接收數(shù)據(jù)的功率譜密度A位于功率譜密度曲線的第N個極小值時(N為自然數(shù))，此時接收天線的位置即為等值反磁通瞬變電磁法中零磁通面的位置。首先大幅調(diào)節(jié)接收天線的上下位置，同時觀測采集數(shù)據(jù)的功率譜密度曲線，如果功率譜值逐漸增大，則向相反方向調(diào)節(jié)；當(dāng)功率譜密度明顯下降至一個極小值A(chǔ)1后上升時，則繼續(xù)向同一方向調(diào)節(jié)天線位置，開始細(xì)調(diào)；當(dāng)功率譜密度再次出現(xiàn)一個極小值A(chǔ)2時，此時改變調(diào)節(jié)方向，進入微調(diào)，直至對應(yīng)的極小值為細(xì)調(diào)調(diào)零系數(shù)A3，應(yīng)A3

對2臺儀器進行上述的調(diào)零操作，實時調(diào)整天線上的調(diào)零旋鈕，得到如圖2所示的儀器隨時間變化的功率譜曲線。在調(diào)零前后分別進行一次數(shù)據(jù)采集，并繪制成如圖3所示的2臺儀器衰減曲線對比。計算出2臺儀器每個取樣道調(diào)整前與調(diào)整后的數(shù)值差異的百分比，繪制隨時間變化的百分比圖(圖4)。

圖2 功率譜曲線

根據(jù)圖3和圖4可以看出，調(diào)零前的數(shù)據(jù)曲線在早期過渡現(xiàn)象明顯，經(jīng)過幅度起伏較大的過渡過程后數(shù)據(jù)曲線才變得平滑。經(jīng)過調(diào)零后，早期的過渡過程得到了抑制，采集信號比較平滑，振蕩減弱，對于中、晚期則無明顯影響，能夠符合野外工作條件，可以用于實際勘探任務(wù)。

(a)1號機 (b)2號機

(a)1號機 (b)2號機

3 結(jié)論

通過實時采集接收信號，并進行離散傅里葉變換得到頻譜數(shù)據(jù)，獲得功率譜密度隨時間變化的曲線，并根據(jù)其變化確定零磁通面的位置。通過對實際研制的等值反磁通儀器進行測試，得出如下結(jié)論：

1)使用此方法確定零磁通面位置，精度高，測試方法簡便可行。

2)使用此方法可準(zhǔn)確找到零磁通面位置，抑制早期的過渡過程，減弱早期信號的振蕩幅度。

3)此零磁通面位置確定方法可為高性能等值反磁通瞬變電磁儀器的設(shè)計和制造提供參考。