2010, Vol. 53
超低频电磁探测技术分为人工源[1~3]和天然源[4~6]两种.人工源超低频电磁探测需要用人工方法产生大功率交变电磁场[7]，其感应产生的二次场的相对场强较小(地层界面反射波与地表入射波场强比值量级在10-6~10-4)，在频率更低时人工发射功率受到限制[8, 9]，并且，人工源电磁探测设备较笨重[10]，野外探测不灵活.
天然源超低频电磁法是一种在地表接收来自地下3~3000 Hz频段的天然源超低频电磁信号，并对接收信号进行处理与解释的地球物理勘探方法.该方法采用天然源电磁探测装置，具有体积小便于携带，探测效率高、探测成本低、探测深度大，无损伤探测等优点，在地壳电性结构探测中具有优势，在石油勘探、地质构造、地下水[11]、地热资源[12]、天然气[13]、煤层气[14~16]的勘探中具有广泛的应用前景.
一般认为天然超低频电磁波来自以下的场源：(1)大气层雷电现象引起的超低频电磁波[17~22].它是地层中一些固体、液体、气体目标层的探测场源之一，如金属电法勘探中的天电法(AFMAG)就是利用频率为102~103 Hz的雷电信号作为场源[23]; (2)日-地作用产生的磁流体波中的超低频电磁部分，也可以成为探测场源之一.(3)地震[24~27]及大范围分布、具有强辐射物质产生的超低频电磁信号；(4)人类活动导致的超低频电磁信号.
研究表明，对于天然源超低频电磁探测而言，除了接收大地电磁一次场和来自地下的二次感应电磁场的综合信息外，还要接收到部分地表、地上的干扰源信息，这些干扰源属于天然源的一部分，也可以在地下激发二次场.天然场源导致的一次场具有随机性[20]、时变性[28]等特点，其对大地电磁测深等频率域电磁法(FEM)观测结果带来了不可忽视的影响[29].为此，本文使用天然源超低频电磁探测仪对北京大学校园内两口地热井进行了超低频电磁探测试验，基于所获得的探测数据，开展了地热井的天然源超低频探测影响因素的研究.
2 观测原理与试验过程 2.1 仪器对地观测原理试验采用的超低频电磁设备为北京大学自主研发的BD-6型天然源超低频电磁探测仪(图 1)，该探测仪由探测系统、数据采集系统、信息转化系统和记录系统四部分组成; 从外观上看，由磁探头、主机、直流电源三部分组成，其中磁探头实现了探测系统的功能，主机由笔记本电脑控制，包括数据采集系统、信息转化系统和记录系统的功能，直流电源供给主机和探头用电.探测仪的工作原理框图见图 2, 信号由磁场传感器(磁探头)接收到，经前置放大(调节探头倍率控制放大增益)、二次放大(调节主机倍率控制放大增益)、模数转换后变为数字信号，将数字信号数据进行频率-深度转换，获得视深度-相对振幅数据，笔记本电脑屏幕可以对该数据进行实时显示和打印输出.
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图 1 BD-6型天然源超低频电磁探测仪 Fig. 1 BD-6 Natural Source SLFE lectromagnetic Detector |
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图 2 探测仪工作原理框图 Fig. 2 Principle diagram of Detector |
该型号探测仪磁探头最小感应电压值为0.1 μV.仪器在前置放大器输出端设有抗干扰电路(串联的低通滤波器和高通滤波器)和增益调节电路，其增益值为60 dB，可以将输入端微伏级弱信号放大106倍，为有效识别天然场源中的弱信号提供了硬件支持.仪器具有去噪功能.有的地区电场瞬态干扰很严重[30]，如工用、民用电产生的工频(50 Hz)及其谐波，在其干扰较大时可以开启硬件陷波器进行噪声抑制.
探测仪采用数字扫频技术，测点处的天然交变电磁场通过磁探头产生感应电动势，该电动势在一定程度上反映了地下的电性结构，例如关于地质体的电性、位置、大小和产状等方面的信息[31].仪器可以用不同的频谱分辨率采集目标数据，例如在频段100~3000 Hz范围内，采用最宽频率间隔采集到的频点数为195个，采用最窄频率间隔采集到的频点数为1941个.
仪器对地观测原理如下：平面电磁波入射到地面后，由于地下介质的电导率远远高于空气的电导率，所以该平面电磁波向地下垂直入射传播，并随深度场强按指数衰减.当电磁波场强幅度衰减至原始幅值的1/e时，称其为趋肤深度P，计算式如公式(1)所示.其中，ρa为趋肤深度范围内的视电阻率值，f是电磁波频率.频率域电磁法期望的勘探深度H的计算式如公式(2)所示，公式(1)、(2)可以改写成公式(3)、(4)形式.
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在仪器设计之初，频率-深度转换关系是通过大量的野外试验获得的经验公式，如(5)式和(6)式所示，其中考虑到岩性、地层界面、钻孔资料等实际地质信息.对于一个确定的勘探地点，假设视电阻率已知且为一定值，实际的勘探深度与采用的频率关系密切，勘探深度范围内的视电阻率值隐含在经验公式中的系数里，这种假设在一定程度上简化了仪器探测过程中的初始深度反演.
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(5)式和(6)式中，h为深度值，f为频率值，H(f)为深度函数，F(h)为频率函数.(5)式为频率值转换为深度值的经验公式，(6)式为深度值转换为频率值的经验公式.在数据采集时，仪器通过对采集模拟信号进行模数转换和频率-深度转换，在此基础上获得视深度-相对振幅数据.有的时候需要直接用到频率-相对振幅数据，而利用(6)式可以将采集到的视深度-相对振幅数据转换为频率-相对振幅数据.对于新的探测区域，需要利用该区域钻孔、录井柱状图等资料进行参数校正，以适应该区的探测需要.
2.2 试验过程试验地点选择在北京大学校内的1号地热井(JR-119井)和2号地热井(JR-168井)，两井相距670 m左右.1号地热井位于静园草坪，探测点坐标为116°18'06. 9〃E，39°59'24. 3〃N，离附近人文干扰源(各种电线)20~30 m左右的距离，水泵电机正在运转; 2号地热井位于建筑工棚旁，东距中关村大街30 m左右，探测点坐标为116°18'31.7〃E，39°59'34.6〃N，附近水泵电机尚未运转，周围无高压线干扰，地热井空间位置见图 3.
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图 3 地热井位置图 Fig. 3 The location of two geothermal wells |
针对天然源超低频电磁信号的变化可能与时间(天、时刻)、干扰信号、磁场传感器方向及天气等有关，试验设计如下：观测连续5天同一时刻天然场源的变化、同一日期中不同时刻天然场源的变化、不同的探头摆放方向与工频谐波干扰的变化、不同的天气与噪声的变化.具体试验过程如下：
(1) 在1号地热井进行连续5天的观测.从早晨6时开始第一次试验，每天试验4次，时间间隔约为6个小时，最终获得2007年8月15日~8月19日的6时、12时、18时、24时(北京时间)的21组观测数据.其中，8月16日为雨天环境，探测场地积水未排净，夜晚24时的数据未取得，而取得了雨后8时和20时的两组数据.其他试验日为多云和晴天，空气湿度有所不同.
在试验点，将天然源超低频电磁仪探头长轴初始方向与磁正北方向重合，每次试验以探头长方体外壳底面中心为轴心，以45°角间隔旋转(见图 4)，分别获得0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共八个方向的探测数据；为保证探测结果的稳定性，每个方向重复采集3条探测曲线，共用时2 min左右.探测参数设置如表 1中第一行所示，仪器信号放大倍率(探头倍率3.5和主机倍率2.0)、观测频率范围、频点个数保持不变，使试验中不同日期、不同时刻和不同方向的试验结果具有可比性.
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图 4 探测仪探头放置不同方向观测示意图 Fig. 4 The schematic diagram of the sensor′s orientation |
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表 1 试验中BD-6型天然源超低频电磁探测仪参数设置表 Table 1 The parameter setting of the BD-6 Passive SLF Electromagnetic Detector |
(2)同样在2号地热井(JR-168井)进行不同磁探头方向的场源信号观测试验.试验时间选在2007年12月20日14时43分至15时48分，该时间段天气晴朗、无云，天然场源变化平稳.
具体试验方法如下：每次试验以磁探头长方体外壳底面中心为轴心，对仪器探头长轴一个标记端做0°~360°旋转，以45°角间隔对每个方向重复采集3条探测曲线；共获得了0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个方向的探测数据.JR-168井测点探测参数设置如表 1第二行所示.
对每个方向采集到的3组重复观测数据，利用统计分析方法剔除个别离群点.从同一观测方向的3组数据中筛选出1组数据.利用深度向频率转换公式(6)将不同观测时间、同一观测方向的筛选数据从深度域转换到频率域进行分析.采用的分析方法：计算单组数据中的所有频点的相对振幅均值、标准差及两组数据间的相关系数，制成不同时刻、不同方向的统计表格.(7)、(8)式分别为均值和标准差计算公式，式中Xi, 为单组数据第i个频点的相对振幅值，n为数据包含的频点总数；(9)式为相关系数计算公式，Xi, Yi分别为两组数据中各自第i个频点处的相对振幅值，X为第一组频谱数据均值，Y为第二组频谱数据均值.
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探测仪接收到的信号来自地上、地表和地下等多源信息，由不同的自然作用过程激励产生[5]，性质各异[6].其中，既包括一次场在地下传播时产生与地下介质电阻率分布有关的二次场信号，也包括不同采样时刻、探头摆放方向以及天气等因素影响下的一次场信号.超低频电磁探测曲线变化的幅度，既与地下二次场信号有关，也与外场源等因素有关.为了掌握天然场源超低频电磁变化规律，提高天然源超低频电磁探测的质量和精度，本节依据试验结果对探测影响因素进行分析.
3.1 不同日期同一邻近时刻探测结果的比较分析我们对1号井连续5天，每天4个时刻的观测数据进行了整理，并绘制了不同日期同一邻近时刻的探测数据曲线图，其中图 5给出了15日、17日、18日、19日18: 14~18 : 24 1号井的观测数据(16日为雨天环境的数据未在此做对比)的比较结果.该图显示18:14~18:24, 相同探测参数(如探头方向45°、放大倍率一致)的探测曲线具有很好的重复性，表 2为上述四个时刻中任意两个时刻数据计算的相关系数矩阵表，也进一步说明不同日期间、邻近时刻探测数据具有较好的相关性(相关系数在0. 56~0. 75之间).
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图 5 不同日期同一邻近时刻探测曲线的重复情况 Fig. 5 The repetition of detection curves around the same time of different days |
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表 2 1号井测点不同日期同一邻近时刻探测数据的相关系数 Table 2 The correlation coefficients of detection data at well-1 around the time of different days |
表 3是探头长轴方向270°时，连续5天、共18个时刻探测数据在100~3000 Hz范围内所有频点相对振幅值计算的平均值填充的图表，分析该表数据同样可以发现，天然源超低频电磁信号的强度与观测日期无关，不同日期同一邻近时刻探测曲线的相对振幅均值变化不大.同时发现探头长轴方向270°时工频谐波的影响最小，该数据能基本反映天然场源中工频谐波之外的其他源变化规律.
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表 3 1号井测点天然源超低频电磁探测曲线在100~3000 Hz范围内的相对振幅的平均值 Table 3 Themean values of relative amplitude of the SLF detection curves from 100 to 3000 Hz at well-1 |
上述分析表明，不同日期同一时刻的超低频电磁探测数据具有较高的重复性和相关性，这为利用天然源电磁波在不同日期同一邻近时刻进行探测提供了场源上的稳定性保障案例.
3.2 同一日期中不同时刻探测结果的比较分析本节对1号井与2号井同一日期不同时刻的观测数据进行了整理，绘制了不同时刻的探测数据曲线图，其中图 6给出了18日6时、12时、18时、24时附近时刻1号井的观测数据的比较结果.该图显示同一日期、不同时刻、相同探测参数(如探头方向45°、放大倍率一致)下的探测数据曲线变化较大.从图 6可以看出：早晨的探测数据受到干扰程度最小，探测曲线振幅无明显畸变，基本能反映地下的地质界面信息；中午的探测曲线“尖锐”噪声增加，在整个频段范围内均有分布，探测曲线振幅畸变较大，严重压制了该频段上的有用信息；旁晚噪声干扰较大，尤其高频段噪声较强；夜晚高频段干扰较小.
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图 6 同一日期不同时刻探测曲线的变化情况 Fig. 6 The variation of detection curves at different time on the same day |
分析表 3列向数据可以发现：6时~18时场强升高幅度较大，18时~24时场强迅速减小，24时~次日6时场强有微弱变化(增大或减小)，且变化缓慢.
上述现象的出现可能与中午、傍晚时分测点附近的用电高峰期有关.
表 4和表 5分别是2号井探头长轴方向0°和315°时，邻近数据在100~3000 Hz范围内所有频点相对振幅值计算的平均值、标准差填充的图表，分析该表数据可以发现:超低频信号随时间不断变化，其振幅均值和标准差在不断波动，数值没有统一的增减规律.同时从表 4、表 5还可以看出，超低频电磁信号在半个小时后变化会较大，通常会在原有信号强度的基础上增加13%~34%.
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表 4 2号井探头方向0°时不同时刻天然源超低频电磁探测曲线在100~3000 Hz范围内的相对振幅的均值和标准差 Table 4 The mean values and standard deviations of relative amplitude of natural SLF detection curves at different time from 100 to 3000 Hz at well-2 with sensor direction of 0° |
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表 5 2号井探头方向315°时不同时刻天然源超低频电磁探测曲线在100~3000 HZ范围内的相对振幅的均值和标准差 Table 5 The mean values and standard deviations of relative amplitude of natural source SLF detection curves at different time from 100 to 3000 Hz at well-2 with sensor direction of 315° |
表 6和表 7分别为探头长轴方向0°和315°时、任意两个邻近时刻数据计算的相关系数矩阵表，两表均显示不同时刻探测曲线相关性随时间推移而呈现出递减的趋势，如表 6第一列相关系数变化范围在0. 47~0. 89之间，而表 7第一列相关系数的变化范围则在0. 5~0. 74之间，与此相反的是邻近时刻各探测曲线的相关性较大(表 6:0. 81~0. 89, 表 7: 0. 63~0. 9).另外，数据标准差较大，整条曲线的幅值变化程度较大表明探测到的综合场源中的某一信号源强度可能发生大幅度增减.由于探头方向315°时工频谐波的影响最小，因此表 5和表 7数据基本反映天然场源中工频谐波之外的其他源时变规律.
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表 6 2号井探头方向0°时不同时刻天然源超低频电磁探测曲线相关性 Table 6 The correlation of natural source SLF detection curves at different time at well-2 with sensor direction of 0° |
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表 7 2号井探头方向315°时不同时刻天然源超低频电磁探测曲线相关性 Table 7 The correlation of natural source SLF detection curves at different time at well-2 with sensor direction of 315° |
以上试验结果表明随时间推移，出现不同时刻探测数据相关程度降低、曲线重复性减小的现象.这种递减现象直接导致的结果就是同一测点不同时刻探测曲线在形态和幅值上随时间推移变化很大，间接反映了天然源超低频电磁场的不稳定性，即能量和频谱随时间波动.导致以上变化的原因可能是一天之中太阳高度角的变化导致太阳辐射对电离层中带电离子的运动会产生直接影响，进而影响到在电离层中激发产生、传播到地表的超低频电磁波，这与天然场源超低频电磁信号强度受太阳辐射影响的实验结果相吻合.
3.3 探头摆放方向与接收工频谐波干扰关系的分析针对仪器探头方向与工频干扰场方向的关系问题，本节分别对1号井和2号井的观测数据进行了整理，在此基础上开展了探头摆放方向与接收工频谐波干扰关系的分析.
1号井测点探测结果表明（图 7为该井8月19日中午12时的探测结果)，随着仪器探头长轴方向的旋转，250 Hz谐波的干扰强度呈现有规律的递增、递减变化.其中在0°、45°、180°、225°方向上的噪声干扰最大，对250 Hz附近的有效信息形成了强压制；而90°、135°、270°、315°处噪声影响较小，以上四个角度中315°受250 Hz谐波影响最小，但该方向上相对振幅发生畸变，强烈影响到3000~530 Hz的振幅，因此可以推断周围工频干扰场的等效主轴方向在90°~135°（270°~315°)之间，且偏向于90°（270 ).比较15~19日的21组数据，均发现这一规律，即工频干扰场的等效主轴方向不变.
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图 7 探头长轴摆放方向与250 Hz谐波噪声的关系(JR-119井) Fig. 7 The relationship between long axis orientation of sensor and noise of 250 Hz (JR-119) |
在2号井的探测与1号井的探测结论一致.从2号井的探测结果可以看出（图 8为12月20日下午1 4时的探测结果)：随着仪器探头长轴方向的旋转，250 Hz谐波的干扰强度呈现出规律性的递增、递减变化.在0°、45°、90°、180°、225°、270°方向上探测曲线的噪声干扰最大，对250 Hz附近的有效信息形成了强压制；135°、315°方向上受噪声影响最小.以上两个角度中，315°时250 Hz谐波的影响几乎可以忽略不计，且该曲线在其他频率的噪声影响幅度要比135°时小，因此利用315 °探测数据进行地质解释的效果较好，同时推断周围工频干扰场的方向为135°(315°)
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图 8 探头长轴摆放方向与250 Hz谐波噪声的关系(JR-168井) Fig. 8 The relationship between long axis orientation of sensor and noise of 250 Hz (JR-168) |
对上述两口地热井探测数据图表、探测曲线综合分析，可以发现：
仪器探头与工频干扰场等效主轴方向的夹角不仅影响探测信号的强弱，还影响所接收到的噪声大小~当仪器探头的长轴方向与工频干扰场的等效主轴方向平行时，噪声影响最小，但是该方向上所接收的综合场源信号也相对较弱，此时可以通过调大仪器信号增益来增加信号强度；当仪器探头的长轴方向与工频干扰场的等效主轴方向垂直时，接收到的工频电磁干扰最大，探测曲线出现圆滑峰状噪声，真实地下信息的相对振幅受到严重压制.
连续5天的观测数据表明，工频谐波干扰场的方向具有稳定性.
3.4 天气状况对超低频电磁探测的影响在连续5天的观测试验中，其中第二天(8月16日)为大雨天气，分别采集了雨前6时、雨后8时、下午18时、20时的观测数据.不同探头方向的观测数据均显示，天气状况会对探测仪在3000~530 Hz工作产生影响(见图 9):下雨之前，在3000~530 Hz频段范围内超低频电磁信号相对振幅无畸变；而在雨后，该频段范围内的相对振幅出现显著畸变，导致3000~530 Hz频段范围内的浅部探测结果无法用于解释.以上观测事实表明：天气对天然源电磁场环境具有一定的影响.其原因可能是：大雨刚刚过后，地表及浅层电荷重新分布，会产生新的电磁扰动，探测曲线相对振幅值畸变严重.
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图 9 天气状况对探测曲线高频段产生的影响 Fig. 9 The weather′s influence on the high frequency band of the detection curves |
本文基于地热井持续5天、每天4个时刻的试验数据，对天然一次场的变化、天气状况导致地表电磁环境的变化，影响天然源探测的工频噪声等因素进行了综合分析，试验结果表明：
(1) 天然场源超低频电磁探测信号存在明显的日夜交替变化现象，其中相对振幅-频率曲线的包络线在不同日期、同一邻近时刻具有重复性，说明不同日期同一时刻的天然超低频电磁数据相关性高.
(2) 工频谐波干扰场方向是影响因素之一.当仪器探头长轴方向与工频谐波干扰场的等效主轴方向平行时噪声影响最小，这为观测时降低或者避开电磁干扰提供了依据.
(3) 天气因素是影响超低频电磁探测的一个因素之一.对雨天环境下的电磁探测表明，降雨之后观测对超低频信号的高频部分造成较大影响.其他天气下的影响有待进一步研究.
天然源超低频电磁场的变化幅度是超低频电磁合成场综合作用的结果，它既与地下内场源有关，也与外场源有关.超低频磁探头线圈接收的合成场信息，既与地下介质的致密程度、电阻率相关，也与外场源有关，还会受到各种噪声的影响.需要深人研究的内容如下：
(1) 如何从动态变化的超低频电磁合成场中分离出主要反映地下信息的数据.
(2) 不同超低频电磁探测影响因素的作用机理及其影响程度有待于进一步的探讨.
(3) 利用现有的数字信号处理技术对场源信号进行分析，将超低频探测信号与噪声分离.
致谢研究中得到了北京大学地质系侯贵廷教授和无线电系王树元高工的大力帮助，在此表示衷心的感谢.
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