可控源电磁法中关键技术研究与应用

2022-06-22李建华林品荣郑采君孙夫文丁卫忠周海涛齐方帅刘昕卓

吉林大学学报（地球科学版） 2022年3期

李建华，林品荣，张强，郑采君，孙夫文，丁卫忠，周海涛，齐方帅，刘昕卓

1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000 2.自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，河北廊坊 065000 3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北廊坊 065000

0 引言

可控源电磁法(controlled source electromagnetic method，CSEM) 是近年来在可控源音频大地电磁法(controlled source audio-frequency magnetotellurics，CSAMT)基础上发展起来的一种新方法，二者均是主动源频率域测深方法，通过测量大地介质对人工发射电磁场的响应，获得地质体电导率结构信息[1]。传统的CSAMT中，采集从低频到高频(0.1～10 000.0 Hz)相互正交的电场和磁场分量，因采用大地电磁法(MT)的阻抗视电阻率定义方式[2]，既要兼顾观测数据满足平面波场条件，又要保证接收点信号的强度，这样就需要收发距足够大但又不能过大；因而采集的CSAMT资料常同时包含近区场、中间区场和远区场。为了准确反映地下电性结构变化只能采用远区场数据，CSAMT有效探测深度一般只有1 000～2 000 m[1,3]。CSEM中，将低频拓展至0.025 Hz，且不采用阻抗视电阻率来进行反演计算，而是通过对测量电磁场分量进行直接反演，不限于“远区”观测，能将探测深度提升至3 000～5 000 m。因此，CSEM包含了CSAMT，但又不同于CSAMT。

CSAMT已经在地热、煤层气以及金属矿产勘查中得到了广泛的应用[4-7]。CSEM作为在CSAMT基础上发展起来的一种大深度的主动源电磁法，其发展潜力巨大，将会在深部地质结构探测与资源的勘探中发挥越来越重要的作用[3,8]。在CSEM中，接收信号强度和测量精度主要受人工场源发射信号强度和外界噪声干扰影响[9-10]，数据处理解释中若沿用MT的卡尼亚视电阻率计算，则会因信号需满足远区平面波观测条件而使探测深度受限。要提升勘探能力与测量精度，如何提高高频信噪比、压制人文干扰噪声和加大勘探深度是CSEM中值得深入研究的关键问题。近年来，电子技术和数值计算技术快速发展，基于团队已研发的大功率多功能电磁法系统[11-13]，从仪器硬件研制和数据处理解释方面针对上述关键问题开展了系列研究。本文将基于电容补偿的高频供电技术、50 Hz工频及其谐波的干扰压制数据采集与处理方法，以及大深度探测的处理解释技术3个方面进行探讨分析，并建立理论模型进行数值模拟和在干扰区开展已知地热田的大深度探测试验，以验证CSEM中这几项关键技术应用的有效性。

1 基于电容补偿的高频供电技术

传统的人工源电磁法测量中，由于长数百m以上的供电电缆中分布电感的存在，在高频(1 000～10 000 Hz)供电时，供电电流会随工作频率的升高而快速下降，从而引起高频有效信号变小，信噪比降低，影响高频测量数据精度。究其原因，发射电流大小取决于发射机输出电压、发射回路阻抗和输出信号的频率，在同等发射电压的条件下，由于回路分布电感的存在，回路阻抗会随着发射信号频率的升高而升高，阻抗越高发射电流越小，导致高频信号的发射电流较低频信号要小很多[14]。针对CSEM高频区电流信号小这一问题，我们开展了基于电容补偿装置提升高频发射电流的研究。

大功率发射机电容补偿技术，是将一个电容网络自动串联接入供电线路中，使之与分布电感一起谐振于同一工作频率，此时整个负载网络在工作频率上表现出纯电阻特性且阻抗最小，使得在谐振频率上供电电流得到明显提升。电容单元接入供电回路示意和基本补偿网络原理图分别如图1和图2所示。

根据工作频率的不同，在0～1 000 Hz频段，分布电感的影响不是很明显，可不考虑接入补偿电容网络。在1 000～10 000 Hz频段，随工作频率的升高，分布电感影响逐渐变大，需要接入补偿电容网络，此时可以根据供电电流的变化和工作频率，计算出需要接入的补偿电容值，并计算出最佳补偿网络连接方式，从而保障接入的电容值最接近目标值；且应尽量采用多电容串接方式实现，以减小对单个电容耐压值的要求，提高工作安全性。串联谐振电容的计算与网络连接方式的确定过程可采用如下步骤实现。

LineH，LineL. 系统供电总线；H，L. 基本补偿网络输入输出连接端；B1,B2,…，Bn.基本补偿网络；S1，S2,S3. 基本补偿网络控制端；ML，MR. 基本补偿网络之间的串并连接点。下同。

图1 电容单元接入供电回路示意图

Fig.1 Schematic diagram of capacitor unit connected to circuit

K1，K2，K3. 继电器开关；C. 电容。

1)确定回路分布电感。一般低频供电时，回路的分布电感影响可忽略不计，这样在正式工作之前，我们先以恒定的电压分别发射1 000 Hz和1 Hz的电流，记录高频电流IHF和低频电流ILF，设回路电阻为R，回路分布电感为L，供电电压为V，在不考虑相位影响的条件下，则有式(1)成立。

(1)

由式(1)可解出回路分布电感L。

图3 补偿电容网络组合示意图

3)对该设计进行野外试验验证。测试采用电性源供电，发射电极AB直线距离相距1 km，供电电压设定为200 V。发射信号频率为1 Hz时，供电电流为21.00 A，分别选择不带补偿模式和带电容补偿模式进行供电，依次记录各频率电流。测试结果如图4所示。统计各频点两次发射电流如表1所示。由实验测试结果可知：当发射信号频率为6 400 Hz时，串入值为0.20 μF的电容，有效电流值从0.60 A提高至4.23 A，发射电流强度提高了6倍，同时7 680 Hz和5 120 Hz两个频点的发射电流也得到了提高；当串入值为0.56 μF的电容时，频率为3 840 Hz频点的电流变化最大，发送电流强度提高了10倍。发射回路中针对不同频率串入不同容值电容，可以提高不同频率发射信号的发射电流，且串入电容值越小，中心频率越高，影响频点范围越窄[14]。

图4 电压200 V时加入补偿电容前后电流对比图

表1 串入不同容值电容的串联谐振供电电流记录

2 抗干扰数据采集与处理

在电磁数据采集中，人文噪声会给原始时间域数据带来很大污染，严重影响电磁探测应用效果[15]。在CSEM中，尽管人工源的引入克服了MT法受场源随机性影响较强的缺点，提升了数据观测质量；但是，CSEM电磁场信号随着收发距R的增大，衰减为1/Rn0(其中n0为自然数，介于1～4之间)，有效信号的振幅比接收站的电力线干扰信号的振幅低2～3个数量级[16]。随着经济的发展，随处可见的输电线、铁路网、工业和民用电器等干扰源的存在，会导致CSEM测量中原始时域数据充满了50 Hz基波及其谐波噪声，很难分辨出由发射电流产生的有效信号[17-18]。因此，工频干扰抑制技术是仪器研制和数据处理的重点。

为压制工频基波及其谐波对采集数据的影响，针对CSEM供电和数据采集的特点，我们设计了一种基于频点优化、数字滤波能够抑制工频干扰的发射采集方案和数据处理技术。在进行离散傅里叶变换时，使得干扰部分傅里叶变换的实部和虚部的和为0，即保证n个离散数据点要满足其同时为测量频率f1、f0+f1和f0-f1的整倍数周期(其中：f1为电磁场信号的频率；f0为50 Hz工频基波及其谐波的频率，谐波的频率为基波频率的整数倍)。当满足上述条件时，以50 Hz及其谐波为主的工频干扰即可得到极大压制，并可提取微弱信号。其实现过程如下。

对50 Hz工频基波及其谐波干扰进行离散傅里叶变换后的实部Re(Ag)和虚部Im(Ag)分别如公式(2)和(3)所示：

(2)

(3)

式中：A0、t、φ0均为常数；n为采样点数。

设采样率为φ，则采样时间为n/φ，基频为φ/n，要求f0+f1和f0-f1是基频的整数倍，即

(4)

则有：

(5)

(6)

式中，n1、n2、n3为正整数，则要求(f0/f1)n3为整数。因此，在数据采集中合理选择CSEM信号发射的采样率和采样长度至关重要。通过优化设计发射机的频率与接收机的采样率和采样长度，可有效压制工频基波及其谐波对采集数据的影响。采用上述方法，基于自主研发的大功率多功能电磁法系统，我们合理选择了CSEM信号发射的采样率和采样长度，设置了发射频点。形成的抗干扰数据处理步骤主要包括：1)采用傅里叶变换进行频谱计算，分析测量数据中信号与干扰的特征；2)采用高低通滤波或带通滤波技术，在时间域中压制带外干扰；3)采用上述方法对以50 Hz及其谐波为主的工频干扰进行压制处理；4)对获得的电磁场的幅值和相位进行系统响应参数改正及归一化；5)采用中位数搜索、均值与方差估算等数据统计方法，研究测量数据的精度。

在河北雄安新区安新县的某一高压线密集区，开展了强干扰条件下的CSEM测深实验，供电极距AB=2 880 m，收发距R约9 000 m，测点位于220 kV高压线旁，测点上方高压线纵横交错(图5)。由于工频干扰信号强，测点196接收用的磁传感器输出饱和，电道虽未饱和但也受到强烈干扰。图6显示了发射电流I=31.8 A、发射频率f=16.67 Hz时，发射电流波形(图6a)、该测点观测的电压波形(图6b)和经抗干扰处理后的电压波形(图6c)。相较于发射电流波形，从实测的电压曲线看，完全看不出二者有对应关系。常规情况下采用电场和磁场之比来求取卡尼亚视电阻率的处理方法，在该测点是无法获取电阻率信息的。经频谱分析可知，该区工频基频为50.018 Hz，经计算在16.67 Hz时，工频干扰高达有效信号的1 904倍，通过上述的抗干扰数据处理后，基本恢复出有效信号。测点194和198磁场和电场虽均未饱和，通过常规处理求取的卡尼亚视电阻率如图7a和图7b所示，可见两个测点的视电阻率与阻抗相位杂乱无章，看不出随频率变化的任何趋势，显然这样的参数也是无效的。经本文所述的基于频点优化及数字滤波的抗干扰数据处理之后，获取的归一化电场的振幅如图7c和图7d所示，曲线光滑、基本无跳点，可见数据质量得到了很大的提升。

a. 野外实地干扰场景；b. 实验点与高压线位置关系示意图。192/310代表测点/线号。

3 大深度高分辨探测

CSAMT测深中，一般沿用在远区测量一对正交的电磁场分量，并按远区近似公式定义视电阻率，但收发距增大，信号强度又大幅度衰减；因此CSAMT的探测深度有限，一般小于2 000 m。随着资源大深度的探测需求，如深部地热、油气等其探测深度要求达到3 000～5 000 m，开展大深度可控源方法技术的探测非常重要[19-20]。

理论上可控源电磁法观测的频段范围越宽、频率个数越多，得到的观测资料越丰富，勘探效果越好。CSEM中，针对大深度探测需求，在数据采集方面采用大电流供电、宽频带测量，将常规CSAMT低频观测频率由0.100 Hz拓展至0.025 Hz，并可根据勘探精度需求进行频点加密设置[21]。在数据处理与解释方面对观测电磁场分量直接处理和反演。不同于CSAMT测深中采用卡尼亚视电阻率进行反演，建立模型真电阻率与视电阻率之间的关系；本反演中初始模型由几何参数和电场幅值计算的全区视电阻率确定，建立模型真电阻率与场分量之间的响应关系[22-23]，采用非线性共轭梯度方法(NLCG)[24-26]对全频段观测的平行于发射源方向的电场Ex直接进行反演。

a. 发射电流波形；b. 观测的电压波形；c. 处理后的电压波形。

a. 测点194卡尼亚视电阻率；b. 测点198卡尼亚视电阻率；c. 测点194电场振幅；d. 测点198电场振幅。T为时间；ρs为卡尼亚视电阻率；φs为阻抗相位。

在河北雄安新区安新县已知深孔的测区开展了CSEM大深度探测实验研究。已知孔为地热井，井深达3 850 m，并打到深部热水。揭示地层为第四系、新近系、古近系、蓟县系，各地层埋深及厚度详见表2。地热目标层位为蓟县系雾迷山组白云岩，呈相对高阻特征，其顶界埋深达3 635 m，此次试验目的正是通过CSEM探测来识别该高阻地层，验证所研究的新方法技术探测深度大于3 000 m的有效性。

利用已知钻孔测井电阻率资料建立了理论地电模型，采用该模型进行可控源电磁法的一维正演模拟，设定AB=1 950 m，收发距R=11 000 m，正演计算得到该点的电场幅值和相位(图8a)。利用正演的电场数据进行层状模型一维反演，得到反演结果(图8b)。由图8可见，反演模型很好地恢复了正演地电模型；表明可控源电磁法采用电场数据直接反演时，其探测深度大于3 000 m，为后期开展实测数据验证奠定了理论依据。

表2 已知地热孔地层分布情况

野外试验中，我们不仅在已知钻孔旁进行了测量，同时在过钻孔实测了一条剖面，测线部署如图9所示，图中给出了发射点、测点与已知地热钻孔的相对位置及分布关系。采用的主要技术参数为：AB=1 951 m，R=10 152 m，频率范围0.025～1 066.670 Hz，最大供电电流达60 A以上。在发射频率范围内，共有46个频点，中高频段和低频段的发射波形分别为单频方波和五频组合波[18]。由于低频段观测时间较长，为提高野外施工效率，在中低频段(0.01～10.00 Hz)采用五频组合波，其最高频率小于10 Hz。采取多频组连续发射模式，并经过多次叠加观测，全频段范围内一次数据采集时间为50 min。随频率变化的发射电流曲线(图10)显示了各频点上的发射电流大小。

a. 正演电场与相位；b. 钻孔地电模型。H为深度。

图9 大深度探测试验发射接收布置图

通过对观测数据采用前述抗干扰数据处理，获得了钻孔旁经过发射电流和测量极距归一的电场幅值和相位(图11)。对该电场数据进行反演，获得了反演地电模型，正反演拟合良好，经21次迭代反演，拟合误差为1.02%。按反演地电模型由浅及深反映的“中高—低—低—高”的电性变化特征，在4 000 m深度范围内划分了3个地层界面，与已知钻孔所揭示的第四系、新近系、古近系的底界面对应良好。

对过钻孔的可控源电磁法剖面测量数据进行处理和反演，获得了剖面反演结果，并结合钻孔资料进行了解释，推断了各地层的分布和地热目标层的展布，反演电阻率断面及解释与已知钻孔的对应情况如图12所示。电阻率反演得到电性变化特征与已知钻孔测井电阻率变化特征一致，同时反演电阻率结果清晰地显示出各地层层状分布特征，且与已知钻孔揭示地层(表2)信息非常吻合：浅层高电阻率对应第四系砂岩、泥岩，中、低阻区属新近系和古近系泥岩；深层高电阻率为蓟县系雾迷山组白云岩的反映，其中蓟县系顶界面埋深达3 635 m，CSEM反演电阻率对该目标层反映清晰。