长期以来，电法勘探在地球物理勘查中发挥着重要的作用，尤其在金属矿和油气藏勘探中找矿效果明显(李金铭，2005；严建民等，2008).但是，受场源激发能量和激发方位的限制，传统的勘探方法不利于找深部矿以及强干扰条件下的金属矿.因此，国内外的主动源电法勘探工作者们发挥了积极能动性，通过各种途径，对方法和仪器设备进行了大幅改进和优化.其中比较常用的就是加大发射功率，即加大发射电压和发射电流，从以前的30 kW(Zonge公司的GGD30，凤凰公司的T30)、42 kW(Wang et al., 2011)、50 kW(底青云等, 2013)，一直升至70 kW(Shi et al., 2009)、160 kW(凤凰公司的T-200)、200 kW(中石油东方地球物理公司的时频电磁发射机和中南大学研制的广域电磁发射机)，输出电流的能力逐渐增强.虽然这样可以提高接收信号的信噪比，增加抗干扰能力，但是发射系统将会变得笨重、结构复杂、成本增加且可靠性降低(Agrawal, 2001).目前国内开发的大功率发射机输出电压一般都是800~1600 V，而金属矿区的接地电阻都较大，一般为20 Ω以上，导致单个发射系统虽然具备了输出200 A电流的能力，但实际难以达到真正的大功率输出.

早在20世纪70年代，前苏联就已经利用了井-地电法圈定油气藏边界(岳建华和刘志新，2005).近年来，利用井中供电在地面研究电磁场变化规律的新技术也得到了很好的关注(刘雪军等，2006).因此，本文提出了一种借助多台井-地电磁发射机，实现组合式多源同步激发的发射系统，进而提高电磁场信号的信噪比，为金属矿或油气勘探提供了一种新的探测手段.

基于前期工作，本文提出一种如图 1所示的组合式多源同步发射系统供电模式，具体在矿山实施时，可以参照如图 2所示的组合式发射系统与接收系统施工示意图.在勘探目标的周边，分布着若干套具备地面或井中同步发射能力的激发源，如图 2所示的4个方向的发射系统.发射电极可以铺设在地面，也可以立在已有的矿井当中.虽然这样可能会增加一些人力、物力(需要多次布设发射电缆和发射电极)，但是在这种模式情况下，一次布站可以解决人工源勘探的多个方面的问题.每套发射系统只需要具备40 kW的功率输出能力，4套叠加起来可以接近或者达到160 kW的发射效果.这样全新的工作方式简单看来可以解决一些问题，以传统的可控源音频大地电磁方法(CSAMT)勘探而言，电磁场各分量在360°张角范围内都存在一定的探测盲区、阴影效应、复印效应和高频供电困难的问题(Weidelt, 1975; 石昆法，1999)，通过多个场源的同步激发，减少探测盲区.这类似于高频通信领域通过建设多个信号发射塔和医疗仪器设备中的无影灯，使得信号加强的同时，也减少了观测盲区.也就是说，每个发射系统无需大功率，但整体的效果不但可以起到单套超大功率发射的效果，而且能够克服单套发射情况下的一些缺点.

图 1

Fig. 1

图 1 新型组合式发射系统的工作示意图 Fig. 1 Schematic diagram of a new type of combined transmitter system

图 2

Fig. 2

图 2 组合式发射系统与接收系统的施工示意图 Fig. 2 Schematic diagram of the combined transmitter system and receiving system

国内的王显祥等(2014)曾研究了CSAMT的“L”型多偶极子装置源特征与张量测量，论文也提到了单偶极子源和标量测量的不足，他们认为多个偶极子源可以根据电磁场矢量合成的原则进行叠加，叠加后的偶极子源在某点产生的电磁场等于这些偶极子源分别在该点产生的电磁场.他们采用单点同一套发射系统接多个偶极子源分时发射的方式，同一个单位时间内，只有一个偶极子源在一个地点激发.

德国Metronix公司研制成功的全区张量可控源大地电磁法(TCSMT)的发射系统是由三个发射电极(U、V、W)组成的多偶极发射装置，与“L”型多偶极子装置类似，TCSMT装置同样发挥了全方位和张量测量的作用，通过三个偶极子源的电流频率、强度和极性的多种组合产生叠加的电磁场，可计算得到在磁场不同极化方向时的多组张量阻抗要素值.采用发射机的三个电极捆绑在一起并同时发射电流的方式，这种装置同样也相当于一个偶极子源在一个地点激发.

然而，上述新的同步发射模式看似简单可行，实则存在若干问题.第一个问题是同步发射的理论依据是什么?第二个问题是如何保证各个发射系统的同步？

针对上述问题，目前电磁场理论只提到矢量叠加原理，没有详细的阐述多个发射源同步发射情况下的场源分布情况.另外，从电磁场方法诞生至今，都是讨论的是同一个发射机激发和若干个接收机采集的问题(Cagniard, 1953; Strangway et al., 1973; Goldstein and Strangway, 1975; 石昆法，1999)，并未涉及多个发射源同步发射，多个接收机同步采集的问题(Boerner et al., 1993; Bromley, 1993; Wannamaker, 1997a, 1997b; Garcia et al., 2003).

本文在理论方面进行了多源情况下的初步模拟计算分析.根据电偶源在均匀半空间的表达式，将各方位电偶源分别计算其在目标区域产生在x和y方向上的电场强度，最后沿某一方向(α)矢量叠加，得到最后的总场强度.电场强度合成如图 3所示.电场强度计算公式如下：

图 3

Fig. 3

图 3 多偶极源矢量叠加示意图 Fig. 3 Vector superposition diagram of electric field intensity of multi-dipole sources

西侧单源x方向电场强度：

(1)

西侧单源y方向电场强度：

(2)

北侧单源x方向电场强度：

(3)

北侧单源y方向电场强度：

(4)

东侧单源x方向电场强度：

(5)

东侧单源y方向电场强度：

(6)

南侧单源x方向电场强度：

(7)

南侧单源y方向电场强度：

(8)

四源发射在某一方向的电场强度：

(9)

其中，

无限大均匀半空间的理想模型下模拟电磁场矢量叠加情况如图 4所示.图 4中a，b，d，e四个子图分别是不同方位单个电偶极源作用下的电场强度分布图(f=90 Hz)，黑框是距源8 km的模拟目标区，子图c和f分别是两源叠加和四源叠加下的场值分布情况，从图中明显可以看到在目标区域内出现了电场强度加强的现象，且目标区域场值强弱排序为：四源叠加>两源叠加>任一单源作用，因此，多方位多源同步发射系统将会弥补多年来单源CSAMT方法的局限性，成为一种新的电磁场源发射系统.

图 4

Fig. 4

图 4 不同方位单源和多源叠加下的电磁场矢量叠加情况(Eα分布，α=45°，f=90 Hz) Fig. 4 The superposition of electromagnetic field vectors Eα with single and multiple sources in different directions, α=45°, f=90 Hz

结合国家“十二五”863计划项目“深部矿产资源勘探技术”中的“大功率井-地电磁成像系统”课题，研制了大功率多功能井-地同步电磁发射系统，该系统框图如图 5所示，由大功率发电机、大功率变压整流单元、发射机(如图 6所示)、发射机外控盒(如图 7所示)、发射电流记录仪、发射电缆和发射电极等组成.系统通过发电机输出三相380 VAC/50 Hz交流电，经过变压整流单元将输入的交流电转换成电压可调的直流电(0~1000 VDC)，然后利用发射机内部的高压逆变单元和逆变驱动单元将高压直流电逆变成不同频率制式的信号，最后通过发射电极将人工源电场信号发送到待测区域.其中控制器内采用了GPS对钟、高精度温度补偿晶振和实时时钟等模块实现了发射系统之间的精确同步，同步精度小于0.1 μs，频率稳定度优于10^-8s/s.上位机通过无线WiFi信号控制发射机的运行并实时监控发射机状态信息.发射电流记录仪实时对激发的人工源信号进行全波形记录.发射机为了满足多功能的需求，支持了多种发射波形，比如CSAMT、时间域激电(TDIP)、频率域激电(FDIP)等，发射频率覆盖了0.01 Hz到10 kHz.单套发射系统的最大发射功率为48 kW，发射电流大于60 A.

图 5

Fig. 5

图 5 大功率多功能井-地同步电磁发射系统结构框图 Fig. 5 Block diagram of high power multi-function synchronous electromagnetic transmitter

图 6

Fig. 6

图 6 大功率多功能井-地同步电磁发射机实物 Fig. 6 Photo show of high power multi-function synchronous electromagnetic transmitter

图 7

Fig. 7

图 7 发射机外控盒实物 Fig. 7 External control box of the transmitter

为了能够保证在勘探区周边的发射系统能够同步激发人工源信号，需要实现高精度的时间同步技术.已经实现的同步技术基于高精度温度补偿晶振、GPS卫星时间信息和秒脉冲信号(PPS)，利用微控制器和可编程逻辑器件(CPLD)的混合编程，保证了初始对钟偏差小于30 ns.每个发射系统内部的时钟信号均与GPS的秒脉冲信号保持同步，如图 8所示，图 8中横坐标每格代表 10 ns，蓝线代表PPS脉冲，海兰线代表仪器内部的时钟同步线.在陆地野外情况下，微控制器实时监测仪器内部时钟和PPS之间的偏差，一旦超过0.1 μs，则利用模数转换器调整压控晶振，将时钟同步至PPS的上升沿.通过这种方式，将发射系统之间以及发射系统和采集系统之间的时钟保持一致.

图 8

Fig. 8

图 8 秒脉冲PPS和发射机内部时钟之间的同步测试结果(Wang et al., 2011) Fig. 8 Synchronization between the PPS and clock line of the transmitter (Wang et al., 2011)

采用高精度实时时钟RTC和GPS秒脉冲的方式实现了多源发射机之间周期性信号的同步.发射机发送频率表的流程如图 9所示，首先在上位机上选择需要发射的频率表，上位机会解析频率表，并且重新设定频率表中频点的先后顺序，然后将频率表信息发送至发射机外部控制器，控制器会根据频率表信息自动定时开启发射，这保证了多台发射机在同一时刻发送的频点相同.发送的触发信号由RTC定时闹钟和PPS共同组成，发射机将会在收到RTC闹钟后的下一个PPS上升沿开启.

图 9

Fig. 9

图 9 频率表发送流程 Fig. 9 Process of frequency table transmission

2017年5月，在内蒙古林西县边家大院铅锌矿区开展了一次陆地野外试验，试验位置和野外布置如图 10所示.矿区位于内蒙古自治区林西县城南东方向，如图中的红色方框所示.工作区为大兴安岭主脉南西段南坡，地势北高南低.前期面积性时间域激电测量共发现激电异常10处，推测均为金属硫化物引起，均有找矿意义.具体的仪器布设如放大的红框所示，施工区位置在以五边形标记的范围内.L300和L500是其中的两条测线，在每条测线上，分别布设了若干接收机站位.在拟探测工区的南向和西向各布设了一套发射机.发射电极距(A1B1和A2B2)为1.2 km.发射电流约为30 A.接收机采集用的接收极距为100 m，采用传统的CSAMT方式布站.图 11中(a, b, c)分别为南发、西发和双发人工源信号时，采用井-地多参数电磁软件系统处理得到的L300线130号点采集的视电阻率与相位曲线，可以发现在强噪声的环境中，三种发送模式都得到了可靠的视参数结果，但是双发模式下处理得到的视电阻率和相位曲线质量要优于单发射源的曲线.双发模式比较单发射源情况下出现的高频部分视电阻率的“飞点”得到了明显改善.

图 10

Fig. 10

图 10 野外试验位置及其布置图 Fig. 10 Location and configuration of the field test

图 11

Fig. 11

图 11 不同发射情况下的视电阻曲线与相位曲线对比 (a)南发射源; (b)西发射源; (c)双发射源. Fig. 11 Comparison of apparent resistivity and phase curves in two directions (a) South transmission source; (b) West transmission source; (c) Double transmission source.

需要注意的是，由于勘探工区在矿区内部，并在采集过程中并没有暂停采矿工作，从各测点的视电阻率曲线来看，采集到的数据受到了工业生产的影响.由此可见，在工业活动区域开展电磁法探测工作是一个非常困难的任务，但多源发射可以较好压制电磁干扰，仍然能够得到可靠结果.具体效果对比情况如表 1所示.目前仅做了双源同步发射，后续有机会可尝试四源，甚至多于四源的发射试验.上述试验内容是对人工源电法勘探的有益尝试.

表 1 (Table 1)

表 1 单源和多源同步发射情况下的效果对比 Table 1 Comparison of single source and multiple source synchronous transmission 项目名 单源发射 多源同步发射 备注(单源发射时为单位1，多源以两源为例) 覆盖范围 1 ≥2 多源情况下，探测盲区大大减小 信噪比 1 ≥2 信噪比有所提升，但难于量化 硬件成本 1 2 多源情况下，发射系统硬件成本多于单源情况 勘探效率 1 ≥2 发射系统一次布站，满足所有探测需求 勘探时间 1 ≤1 虽增加了仪器台数，但效率高，所用时间少 发展程度 1 ≤0.1 单源激发的发展程度已很成熟 综合成本 1 ≤1 效率提高后，整体成本下降

表 1 单源和多源同步发射情况下的效果对比 Table 1 Comparison of single source and multiple source synchronous transmission

为了提高深部和强干扰条件下的金属矿产资源勘探，我们提出了一种组合式的大功率多功能井-地同步电磁发射系统，该系统具有如下特点.

(1) 同步发射装置的正演结果表明，在目标区域内出现了电场强度加强的现象，且目标区域场值强弱排序为：四源叠加>两源叠加>任一单源作用.

(2) 发射机时间同步技术基于高精度温度补偿晶振、GPS卫星时间信息和秒脉冲信号(PPS).在陆地野外情况下，每个发射机均通过PPS作为时间基准来完成系统之间的同步激发.初始对钟偏差小于30 ns.

(3) 初步的野外试验结果表明，两个发射机在两个相互正交的方位同时发射频率域的电磁场可以显著压制噪声并提高接收信号的信噪比.

(4) 组合后的发射系统在待测区产生的实际场值分布与叠加效果受收发距、时间同步精度以及场源激发方式等多个因素影响，若能从理论角度对上述因素进行深入分析，这将对组合式大功率多功能井地同步电磁发射系统的发展起到积极的推动作用.