AMT野外最佳观测时间及人工源信号作用的探讨

2014-11-12乔宝强程纪星张濡亮

铀矿地质 2014年3期

乔宝强，程纪星，刘祜，张濡亮

（核工业北京地质研究院，中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京100029）

由于作为音频大地电磁法信号源的天然电磁场在不同时间段和不同频率范围内的信号强度分布特点不同，所以在野外不是在任何时间段内都可以获得所测频率范围内足够强的天然电磁场信号。实测表明不同时期内获得的音频大地电磁测量数据质量差异较大。通常，自然界中大于1Hz的音频电磁场主要由雷电产生，因此在雷雨季节天然电磁场信号强度大，这个季节获取的音频大地电磁测量数据质量也最好。而其它季节得到的数据经常在500～5000Hz频率范围内出现 “死频点”现象，直接影响了原始数据质量。

本文根据不同季节获取的音频大地电磁测量数据的对比分析，总结出最适宜开展音频大地电磁法野外工作的时间，并提出在不佳季节工作时应采取人工发射电磁场的方式弥补天然场信号的不足，以提高原始数据质量。

1 音频大地电磁法简介

音频大地电磁法（Audio magneto－tellurics）简称为AMT，是大地电磁（MT）法的一个分支。它与MT法一样，利用天然电磁场作为场源，测定地下岩石的电性参数，并通过研究地电断面的变化达到了解地质构造、找矿、找水等地质目的的一种地球物理勘探方法[1]。该方法所利用的场源主要是由远处的雷电活动引起的频率约为几至几千赫兹的天然电磁场。根据探测到的天然电磁场频率的高低，相关测量数据将反映不同深度的地层信息。频率较高的数据反映浅部地层的特征，频率较低的数据反映较深的地层信息[2]。与电阻率法相比，AMT具有装置轻、工作效率高、不需人工供电、成本低、勘探深度大等特点，还具有不受高阻层屏蔽和对低阻层有较高分辨力的优点。所以20世纪70年代年代以来，该方法愈来愈受到各国地球物理工作者的重视，在地球物理勘探工作中发挥着越来越重要的作用。

2 仪器介绍

目前国内常用的音频大地电磁法仪器主要有V8多功能电法仪和EH4电导率测量仪。V8多功能电法仪集成了多种电法勘探功能，包括时间域常规电剖面、电测深、瞬变电磁测量方法；也具备频率域MT（大地电磁法）、AMT（音频大地电磁法）、CSAMT（可控源音频大地电磁法）、SIP（频谱激电）电法勘探功能。数据处理方面具备功能齐全的正反演解释软件。

EH4系统是由美国EMI公司和Geometrics公司，于1996年联合研制生产的全新概念的电导率张量测量仪。该仪器采用天然和人工电磁场信号，属于混合源音频大地电磁测深系统，能在各种地形条件下获得电导率连续剖面。仪器用反馈式高灵敏度低噪音磁棒和特制的电极，分别接收X、Y两个方向的磁场和电场。

EH4系统还配置了特殊的人工电磁波发射源。这种发射源的天线是一对十字交叉的天线，组成X、Y两个方向的磁偶极子，发射频率从500～75000Hz，扫频发射，配备这种磁偶极子发射源的EH4测量频段为10～100000Hz。为探测到更深部的地层信息，也有加强型发射源及低频磁探头可供选择，其低频段可延伸至0.1Hz[3]。该系统配备的发射装置均由12V、60Ah电瓶供电，功耗较低。用于弥补大地电磁场弱信号区和几百赫兹附近的人文电磁干扰谐波[4]。

3 天然电磁场特点

地球的天然电磁场是大地电磁法观测研究的对象，它包括各种不同的频谱成分，并以不同的形态出现。天然电磁场的结构十分复杂，它随时间和空间位置变化[5]。它的产生原因也十分复杂。一般认为，频率低于1Hz的天然大地电磁场是由周期性和非周期性的地磁场微变引起的，频率大于1Hz的音频大地电磁场信号一般都是由雷电引起的。雷电是由大气层放电引起的，它是振幅较大的一系列高频脉冲。雷电能量的最大值约出现在傍晚时间，而能量最小值约出现在凌晨。雷电产生的电磁能量以传导波的方式传播，并在地面与大气电离层之间来回反射。随着电磁波的传播，电磁能量迅速减弱，并趋于均匀。由于地球上几乎每时每刻都在某些地方发生雷阵雨，所以从远处雷电所产生的电磁场是一个近似均匀的信号源。这种由雷电活动引起的频率大于1Hz的音频大地电磁场，为我们提供了一个频谱很宽，能量丰富，噪声水平近似均匀的天然场源，只要我们掌握它的变化规律，完全可以利用它作为电法勘探的场源[1]。

但这种由雷电引起的天然电磁场信号不稳定，某些频段先天不足，干扰强，信号弱。频率在1Hz左右，电场和磁场信号都很弱；而频率在1000Hz处磁场信号十分微弱，几乎达到了信号强度的最低值，该频段的电场信号也相对较弱。在几十赫兹到10000Hz范围内，人文活动的电磁场干扰又特别严重。通常对于音频大地电磁法测量的频率范围（1～20000Hz），天然电磁场信号并不是都很强，特别是500～5000Hz范围，经常无法采集到满意数据，这一频率范围通常称为数据的 “死频点”。该频段数据也会受到季节变化的影响，在夏季雷雨较多的季节数据质量明显好于冬季。天然场信号本身的这种特点，必然会影响不同季节观测数据的采集质量。

4 不同季节获得的音频大地电磁数据对比分析

我们采用EH4电导率仪，观测天然场信号的时间序列，将时间序列转化为频率域数据，进而得出视电阻率及相位曲线[6]。图1为本次研究中较为有代表性的不同月份音频大地电磁仪观测到的标量视电阻率曲线。考虑到我国南方1～4月为梅雨季节，北方天气寒冷，基本上不适宜开展野外工作，所以把试验研究的时间选为5月至12月。

由图1可见，在5～12月份，10～1000 Hz范围的频段内均可采集到较满意的数据，基本上能满足实际数据处理的需要，仅有个别频点的缺失。而大于1kHz频点的数据质量则随月份的不同而有所不同。根据实测经验，数据质量的优劣与观测时间也有着密切关系。因为频率大于1kHz的天然场信号很弱，尤其在1kHz附近天然场信号更是微弱。所以要采集到满意数据，必须增加采集的时间，提高数据采集的迭代次数，但这就会相应地降低工作效率。

我们观察7～9月份的视电阻率曲线，大于1kHz的频段可获得高质量的音频大地电磁数据，尤其在7、8两月，几乎不存在数据的 “死频点”现象，即使在天然场信号最弱的1kHz附近，频点依然丰富，视电阻率呈现一条近似连续光滑的曲线。这是因为7、8月份正是雷电活动较多的季节，为数据采集提供了很好的天然音频大地电磁场源，弥补了天然场信号在0.5～5kHz频段范围内的不足。随着季节的更替，雷电活动逐渐减小，音频大地电磁场信号也相应变弱，因此9月份的数据与7、8月份相比略差，1kHz附近个别频点缺失或误差较大，但基本上能达到数据处理的要求。

图1 不同月份音频大地电磁法视电阻率曲线Fig.1 The apparent resistivity curves of audio magnetotellurics in different months

5～6月、10～12月则在1～5kHz出现“死频点”现象，尤其在1kHz附近。更有甚者在11月和12月的观测数据中，大于1kHz频率的数据只有固定的6个频点是可以利用的，其余频点均因无法获得较高信噪比而成为了 “死频点”。因为在11月和12月，雷雨季节已过，天然电磁场中的中高频段信号强度较弱，导致无法获得高质量的原始数据，所以11月、12月不适宜开展音频大地电磁法的野外测量工作。但5月、6月及10月仍可作为音频大地电磁法的野外工作时间，因为在这3个月内开展音频大地电磁测量工作时，高频部分（大于4kHz）的天然电磁场的信号强度，在一定程度上可以保证获得较为满意的原始观测数据，只是工作过程中数据采集的时间须适当增加。

5 实际应用效果

以2009年8月份在江西河元背地区部署的一条Hy－3剖面为例，在采集到的较高数据质量的基础上，展示音频大地电磁法在最佳采集季节内获得的效果。

图2给出的是Hy－3已知勘探剖面西侧钻探结果。从图2可见，受剖面水平方向上约700m处断裂构造（河元背－小陂断裂）的影响，在剖面水平方向约600～700m范围的流纹英安岩与碎斑熔岩界面突然向东变陡、变深；碎斑熔岩深度在剖面水平方向200～600 m范围内变化相对稳定。

图2 Hy－3钻探剖面图Fig.2 Boreholes and geologic section along the line Hy－3

在最佳采集季节内，Hy－3剖面所获得的原始视电阻率曲线圆滑，信号丰富，无 “死频点”出现，也未出现曲线零乱、断点、飞点等情况，是一条数据质量比较高的视电阻率曲线。由于篇幅限制，只从该剖面中提取了某一个测点的原始视电阻率曲线（图3），以此展示Hy－3剖面的原始数据质量。对Hy－3剖面的原始数据进行二维电阻率反演，反演结果见图4。

图3 Hy－3剖面单个测点原始视电阻率曲线Fig.3 The initial apparent resistivity curve from the single station in line Hy－3 1—TM极化模式视电阻率；2—TE极化模式视电阻率。

图4 Hy－3物探剖面和地质解释图e geophysical prospecting result and inferred geological section of line Hy－3

在图4a剖面中发现，在沿测线约700m位置有一电性异常，其视电阻率相对两侧较低，可以解释为由断裂引起。其位置恰与图2中的河元背－小陂断裂位置相符，由异常推断的断裂倾向也正好为西倾（图4b）。另外，剖面海拔－300～－1000m深度范围内，断裂两侧视电阻率变化非常明显，断裂东侧视电阻率很低，且等值线很陡（略向西倾），这正好与地质上流纹英安岩与碎斑熔岩的分界面相对应。在剖面海拔约－300m处，高、低阻区的分界明显，这也与实际情况中碎斑熔岩和流纹英安岩在垂向上的分界面相吻合。

如果根据图4a物探剖面解释的图4b地质剖面（西段）与已知的勘探剖面图（图2）相比较，二者非常吻合，一致性很好。

6 人工信号源的作用

为解决天然场信号较弱的问题，有人提出了采用人工发射信号（频率从0.5～75 kHz）弥补天然场的不足，即频率大于0.5 kHz的数据采用人工场源信号，频率小于0.5 kHz的数据采用天然场源信号，这就是所谓的混合源法，EH4连续电导率仪采用的就是这种工作方法。我们在工作中也采用了此方法，实践证明，该方法在提高数据质量上效果良好。

图5为野外工作中同一地点，同一台仪器，同一天内，在无人工源信号和有人工源信号两种情况下的张量视电阻率曲线。在没有人工发射源信号时，0.5～5kHz频率范围内，出现 “死频点”。这是由于在这段时间内，天然场信号太弱或者在这一频段内天然场信号缺失的原因。当有人工发射源时，得到的X、Y两个方向上的视电阻率张量曲线频点数据完整，整条曲线较光滑连续，人工信号弥补了天然电磁场信号在该频段范围内的不足。因此，在天然场信号较弱的时候，采用人工源发射信号，完全可以有效地提高数据的质量。