2019, Vol. 62
2. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室, 北京 100083
2. Key Laboratory of Geo-detection, Ministry of Education, Beijing 100083, China
电法是用于金属矿勘查的重要方法，主要借助电阻率和极化率等参数探明地下介质电性异常(傅良魁, 1983)，然而目前最突出的问题是探测深度与分辨率之间的矛盾，解释还面临“非唯一性”的难题(Wilt et al., 1995; 李金铭, 2005; 汤井田等, 2015).坑(井)-地多参数电磁探测工作示意图见图 1，利用矿区或勘探区已有的坑道、矿井、钻井，将电法的多制式激励场源和多参数测量装置放在地面不同位置和地下，组合成地面动源发射，地面、地下(坑、井)准三维接收的技术装置.将发射源及观测装置更靠近矿体或穿过矿体，可实现地面发射-地面/井中/坑道接收，井中发射-地面/井中/坑道接收的观测装置.这种地面和地下相结合的观测方式可以从不同方位激励异常体，获取地下介质导电性和电化学特性的大量信息，因而有可能提高探测深度和分辨率，并减少资料解释的非唯一性.
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图 1 坑(井)-地多参数电磁探测工作示意图 Fig. 1 Diagram of the surface tunnel borehole EM prospecting system |
坑(井)-地多参数电磁探测工作示意图见图 1，多台接收机分布式同步观测，观测频率范围DC~10 kHz，地面及坑道还可以进行传统的方法观测(MT、AMT、SIP、TDIP、CSAMT)，以期获得视电阻率、视极化率、谱激电参数.井中发射时，位于地面及坑道的接收机观测水平电场分量及三轴正交磁场分量，位于井中的接收机观测垂直电场分量及三轴正交的磁场分量.相比现有的地面电磁勘探系统，除了在大功率、分布式观测、多通道、高精度时间同步等方面，还具有以下优势：1)地面、坑道、井中准三维接收；2)井中、地面多源发射；3)观测装置靠近矿体，异常更明显；4)同时获得视电阻率、视极化率、谱激电参数.
国内外以往对井-地电磁法的研究，主要集中在跨孔电磁成像技术和井中激发、地面观测系统的研究，并没有涉及地面或坑(井)激发、地面与坑(井)准三维接收，也没有准三维数据采集与处理以及准三维反演成像方面的理论研究.现有井-地观测方法技术如瞬变电磁测井和井中无线电波透视等技术，均采用一对一的观测方式，即一个点发射一个点接收，因此，无法实现多测点同步测量，也无法获取真正意义上的电磁成像信息.此外，现有的井-地观测技术和装置由于发射功率较小，探测深度和抗干扰能力受到很大限制.
在国内外同行方法技术需求引导和IT技术发展的共同作用下，应用于地面电磁观测的接收系统正朝着高精度、高集成度、多功能、小体积、便携式方向发展(底青云等, 2013; 林品荣等, 2015; 张文秀, 2012; 陈凯等, 2015; 柳建新等, 2017)，大多支持CSAMT、AMT、MT、SIP、TDIP、TEM等成熟方法观测，在观测方式、多通道、时钟同步等方面趋于同质化，具有代表性的有Phoenix的V8(Phoenix Geophysics, 2018)、Zonge的GDP32Ⅱ(聂桂平, 2008)、Metronix的ADU08e(Metronix, 2018).井中电磁设备代表有EMIT的Altantis(EMIT, 2018)和Crone的PEM两套系统(Crone geophysics, 2018).EMIT的特色在于软硬件设计新，全波形记录，配备数值模拟软件；Crone的特色在于在测量磁感应场强度基础上还支持测量dB/dt分量，动态范围大，不足在于无法实现三通道同步观测，一方面影响了数据同步，另一方面降低了现场作业效率.
然而现有的接收系统还无法满足坑(井)-地多参数电磁探测的方法技术的特殊要求，主要体现在以下几方面：1)受限于GPS信号，地面接收系统无法直接移植至坑道中；2)坑道狭窄，现有磁传感器尺寸过大无法使用，坑道表面无法开挖；3)现有不极化电极存在接地困难；4)尚未有同时支持三分量磁场和垂直电场的成熟井中设备.因此需要针对以上特殊要求，进行坑(井)-地电磁接收系统的关键技术开发和硬件研制.
1 接收系统原理坑(井)-地多参数电磁接收系统实现强干扰条件下的地面、坑道及井中电磁场观测，支持多方法模块多参数数据采集，为后续资料处理提供高质量原始数据支撑.针对强干扰条件下的电磁场高精度观测问题，在硬件设计环节中采取了以下有效措施：1)降低观测仪器自身噪声，包括现有不极化电极的噪声和采集通道的低频1/f噪声；2)降低增益(将电道前放增益降低为原来的1/3)，扩大通道量程，降低强干扰导致数据溢出的概率；3)全时段全波形采样，原始时间序列全部本地保存，延长弱干扰情况下的有效数据长度，复杂的噪声抑制处理程序及参数计算交由运算能力强的上位机运行.
接收系统位于坑道作业时区别于地面观测，相比传统地面电磁法仪器，存在以下几点不同：1)坑道无法借助现有的GPS实时授时；2)坑道表面多为硬岩，现有不极化电极难以布设，不利于电场观测；3)坑道空间狭窄，现有感应式磁传感器尺寸受限难以适用.针对以上问题，坑(井)-地多参数电磁接收系统采取了以下有效措施：1)时间保持模块：为保证时间同步精度，开发了更高精度的时间保持模块，仪器下坑道前借助GPS授时，坑道作业时全程不掉电，依赖自身高稳时钟，保持模块提供时钟和同步信号；2)非接触电场传感器：借助电容耦合原理实现电场传感，区别于传统的电化学原理，无须开挖硬岩表面，旨在解决坑道表面硬岩条件下的接地困难；3)微型三分量音频磁传感器：借助磁聚焦技术将现有感应式线圈细长型结构优化至短粗型，将三轴正交线圈集成至一个小型立方体箱子里，长度大幅压缩，实现高集成度和小型化，旨在解决坑道狭窄空间条件下的三轴磁场低噪声测量.
电磁接收机的井中探管集成三轴磁通门传感器和钛电极，实现井中条件下的三轴磁场与垂直分量电场测量，并开发了采集、供电、测斜、通讯模块，支持多方法多参数宽频带观测，原始时间序列井中数字化并存储，发送状态信息至井口控制单元.
仪器装备的轻便化主要体现在：1)数据记录器内置了大容量锂电池，同时注重低功耗设计，可连续工作24 h以上，无需外部笨重的铅酸电池，整机重量约5.6 kg，同时也支持外置电池供电；2)降低感应式磁传感器重量，单支重约3.2 kg，提升了野外装备的轻便性；3)支持以太网不间断数据采集在线数据浏览，无须断电拔卡下载数据；4)集成GPS天线，无需额外GPS天线，提高了可靠性.
研制的接收系统硬件实物照片见图 2，主要包括数据记录器、不极化电极、非接触电极、音频感应式磁传感器、感应式磁传感器、小型三轴感应线圈、电极线、磁传感器电缆、井中探管、绞车、铠装电缆、井口控制单元等.
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图 2 仪器实物照片(从上至下依次为：微型三轴音频磁传感器、不极化电极、数据记录器、非接触电极、感应式磁传感器、音频感应式磁传感器、井中探管) Fig. 2 Picture of the multi-parameter electromagnetic receiver (from up to down: micro three-axis audio frequency induction coil, non-polarization electrode, data acquisition unit, non-contacted electrode, induction coil, audio frequency induction coil, borehole EM probe) |
数据记录器完成3通道磁场传感器和3通道电极输出的模拟电压信号高精度采集，并为原始时间序列提供高精度时间戳.硬件上由采集电路、锂电池组、机壳、接插件等组成，框图见图 3，外围接口包括GPS天线、IP66防水等级的RJ45插座、3通道磁场插座、3通道电场插座、高亮LED指示灯、软开关按钮、外置铅酸蓄电池输入及内置锂电池充电口；所有接插件安装在铝制机壳的顶部，机壳为铸铝机壳，IP66防水等级；机壳内置采集电路和锂电池组，锂电池组容量为12.6V 20Ahr.采集电路分为前端接口板、磁场通道板、电场通道板、FPGA板、ARM控制板、时钟板与电源板共七部分.
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图 3 数据记录器原理框图 Fig. 3 Diagram of the data acquisition unit |
各模块原理描述如下：①前端接口板实现外部机壳安装的接插件至内部电路的接口转换，同时实现电磁传感器输出信号的防雷保护、接地、电源整合、磁传感器电源驱动.②磁场通道板完成三分量磁场信号Hx、Hy、Hz模拟信号的前端放大、滤波、模数转换等，并集成磁传感器标定、通道标定功能.③电场通道板与磁场通道板功能类似，区别在于电场信号幅值微弱、源阻抗不同，在前置放大器的增益、输入阻抗等方面存在差异.④FPGA板完成ARM主控板与电磁通道板之间的逻辑粘连，通过BUS_AD总线与电磁通道板连接，借助BUS_ARM与ARM主控板连接.电源、时钟信号则分别取自电源板和时钟板，主要完成时间戳生成、6通道数据整合、实时减采样滤波等数字信号处理工作.⑤ARM板完成用户从NET接口命令响应，并对上传的参数文件进行解编、工作状态汇总，通道板参数配置、数据存储、传输等.⑥时钟板为整个观测系统提供高稳时钟和同步秒脉冲，锁定GPS信号后，即使GPS信号丢失，借助内置高稳OCXO在相当一段时间内仍然可以提供较高的频率和时间精度.⑦电源板将内部锂电池或外置电源转换为各部件所需的+5 V数字电源和±5 V、±15 V模拟电源，同时还具备软开关功能，对内外电源自动切换.
1.2 不极化电极为进一步降低不极化电极自身引起的电场观测误差，从提高电极极差稳定性和降低温度系数出发，从电极结构和泥浆配方方面对现有的Pb/PbCl2不极化电极进行了改进(王辉等, 2010).结构方面：将原有极罐的短粗圆柱结构改为细长型，并将内部分割为独立的上下腔体，上下腔体之间由一个小“隧道”导通，腔体内部填充PbCl2泥浆.借助“隧道”减缓泥浆与地下介质的离子交换速率，有助于提升极差稳定性.泥浆配方方面：制作过程中将泥浆PH值配置为3~4区间，PbCl2浓度配置为50 g/L，NaCl溶度过饱和(1100 g/L).
1.3 非接触电极为实现坑道硬岩表面条件下的电场有效测量，借鉴用于观测生物电信号医疗设备中的耦合式电极原理，借助电容极板耦合地电场信号，并进行电荷放大、电压转换，放大及带通滤波器，最后将电压信号输出至数据采集器输入端.该非接触电极结构图见图 4，由电容极板、放大电路、机壳、屏蔽层、外置电池盒组成.区别于电化学原理，省去了野外作业时的地表开挖环节，无须浇灌盐水，将传感器平放于地面，即可实现高效率地电场信号传感.
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图 4 非接触电极原理框图 Fig. 4 Diagram of the non-contacted electrode |
针对现有感应式磁传感器存在的尺寸大、功耗高、笨重等不足，在保证低噪声的前提下，围绕小体积、低功耗、轻便化的目标，进行了感应式磁传感器的重新定制(朱万华等，2013).采取以下有效措施：1)降低线圈前置放大器噪声；2)降低放大器电路功耗；3)改善线圈绕组参数和磁芯参数；4)减小固定装置的空间并增大磁芯空间.磁传感器外径缩小至45 mm，重量降低至3.2 kg，功耗降至100 mW.
1.5 微型三轴音频磁传感器为适应狭窄的坑道空间中作业，有必要对现有细长型音频感应式线圈进行小型化改造.图 5给出了微型三轴音频磁传感器的内部结构示意图，将三个音频感应式线圈集成至一个外尺寸边长为32 cm的立方箱体中，借助磁通聚焦技术将原有的细长型结构修订为短粗型(Yan et al., 2013)，有效克服了短粗型结构对噪声不利的影响.短粗型线圈的长径比为2:1，最大程度利用正方体空间，线圈长30 cm，外径15 cm.三轴音频感应线圈及其放大电路保持相互独立，在安装过程中实现了较高的正交度，相比传统的磁棒在野外施工过程中有更小的正交误差.为方便现场作业，在箱体的顶部安装了一个用于指示水平的气泡.
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图 5 微型三轴音频磁传感器原理框图 Fig. 5 Diagram of the micro three-axis audio induction coil |
井中电磁探管实现钻孔中电磁场信号的高精度观测，其中电磁传感器包括三分量低噪声磁通门磁传感器，垂直分量的钛电极，电极距间隔50 cm.井中电磁接收机由井口控制单元、绞车、铠装电缆、井中探管四部分组成.井口控制单元实现绞车电缆收放控制、电缆长度记录、与井中电磁探管通讯、数据显示、计算、存储等工作；铠装电缆和绞车为信号提供物理链路，并为井中电磁探管提供承载力；井中电磁探管实现四分量电磁场信号的传感、采集、存储、传输.图 6为设计的井中电磁探管构成图，主要有前端马龙头、铝合金管、内置锂电池组、电源模块、通信模块、测斜模块、控制板、ADC、磁通门传感器和钛电极等组成.
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图 6 井中电磁探管硬件构成图 Fig. 6 Diagram of the borehole EM probe |
前端马龙头完成铠装缆与通讯缆分离，实现电缆承载力转接，并保证电缆高压下的水密，与探管连为整体.探管采用铝合金管加工而成，具有较好的耐腐蚀、屈服强度，外径4.7 cm，长160 cm.通讯模块实现控制电路与井口单元的全双工通讯.出于降低电源对有效电磁信号干扰及减小铠装缆重量的考虑，电缆仅实现通讯，放弃供电功能，井中探管电源供给由内置电池组供电.磁通门传感器选用Bartington Mag03低噪版，本底噪声约为6 pT/rt(Hz)@1 Hz，灵敏度为100 μV/nT，实现三轴正交磁场至电压信号的高精度转换.采集电路将磁通门输出的三道电压及电极电压信号进行低噪声放大、滤波、模数转换、数据编排.控制电路读取采集电路输出的数据流并进行预处理组成数据包，控制电路读取温度传感器信息、测斜模块、电池电压和温度信息组成状态包，借助通讯模块发送至井口单元.
2 关键技术 2.1 全频带低噪声技术在面向矿区的电磁观测需求时，抗干扰能力是观测仪器的重要技术指标.矿区电磁环境复杂，噪声主要包括随机噪声、工频及其谐波干扰、阶跃噪声.对于观测仪器来说，一方面要高保真记录有用的信号，另一方面要防止噪声及干扰影响通道数据采集.因此对观测仪器来说，需要尽量降低本底噪声水平，同时还应保证较大的瞬时动态范围.根据这一目标需求，实现接收机的低噪声、大动态范围.采用高低速通道组合工作的原理，其中高速通道实现AMT/CSAMT模块数据采集，低速通道实现TDIP/SIP/MT模块的数据采集.低速通道工作带宽为DC~500 Hz，高速通道工作带宽为0.1 Hz~10 kHz.
为降低低频的1/f噪声，低速通道采用斩波稳零技术，通道采用ADS1282，该器件内置PGA与ADC，其中PGA为斩波放大器，斩波开时本底噪声约为6 nV/rt(Hz)@100 Hz，1000 Hz采样率条件下，SNR可到124 dB.ADS1282兼顾了低噪声与大动态范围的优势，具有极佳的低频性能.高速通道ADC选用ADS1271，并在前端配置了低噪声IA、PGA、带通电路、ADC驱动电路.IA选用AD8429，AD8429具有超低的本底噪声，在增益为10的条件下，噪声水平仅约为4 nV/rt(Hz)，转角频率约为10 Hz，在10 Hz~10 kHz频段范围内具有优秀的噪声特性.ADS1271最大采样率可达105 kHz，满足工作带宽需求，在32 kHz高分辨率采样模式，SNR可到109 dB.
2.2 高精度同步技术坑(井)-地多参数电磁探测方法要求发送系统与接收系统以及各个接收系统之间高精度时间同步.其中接收系统与发送系统同步，是为了获取每个时间的发送电流值以及所发送的频率值，为后续数据处理提供相应的现场数据.而接收系统之间进行同步观测，为后续远参考处理奠定基础.所研发的发送系统与接收系统均采用GPS卫星同步方式，在进行坑道内观测时，由于坑道内接收不到卫星信号，无法进行卫星通信对钟，仪器在地表接收GPS信号对钟后，持续开机进入坑道内完成数据采集.因此对时钟系统的精度提出更高的要求.
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图 7 时钟同步硬件原理框图 Fig. 7 Diagram of the time synchronization |
高精度时间同步技术可以实现多台仪器之间的一致性，为MT/AMT的远参考、SIP的相位求取奠定基础.高精度时间同步分为高稳晶振、高精度同步信号发生、相对时间获取三步骤.
高稳晶振：对于SIP方法，最高频点为128 Hz，假如相位精度控制在1 mrad，那么可以计算得到，时间误差δt=1 m/2π/128 Hz=1.2 μs，一次128 Hz发射时间设置为1 min，那么频率误差应该控制在1.2 μs/1 min=20 ppb范围.实现10 ppb精度的时钟发生器，OCXO仍是最佳选择，相比原子钟具有较好的性价比.此处选用KVG生产的OCXO，典型的频率误差为±10 ppb.
同步信号：各台仪器的启动采集具有同步信号触发.借助FPGA与OCXO，在GPS信号有效的条件下实现PPS锁定，在GPS无效时实现频率自适应调整，使得输出的PPS与标准PPS的误差控制在一定范围内，如若超过误差门限，立即进行频率调准，以上过程均在MCU与CPLD的参与下自动完成.
绝对时间获取：采集过程需要对采样点数据的时间打上精确的时间戳.采取绝对时间+相对时间的方案，首先获取启动触发信号的绝对时间，然后在启动采集后，触发一个小时钟，根据小时钟的计数值，可获得当前采集点的相对时间，与初始绝对时间求和得到当前采集点的绝对时间.
2.3 非接触电场传感技术非接触电场传感技术面向难以开挖的条件下进行地电场观测，实现高效率地电场数据采集.区别于传统的不极化电极的电化学原理，非接触电极的电容耦合不受环境温度、离子溶度变化、腐蚀影响，具有更好的稳定性，对环境更友好.
电极结构见图 4，电容极板直径15 cm，厚0.2 mm，由PCB敷铜得到，外部为阻焊层，电容极板连接至电荷放大器，电荷放大器完成电荷至电压转换，后续的放大器完成电压放大，增益为6 dB；后续为带通滤波器，滤波器-3 dB带宽为0.1 Hz~100 kHz.电压转换电路完成锂电池组电源电压至±3 V转换，为放大电路提供电源.外置锂电池组为两节18650锂电池串联，输出±3.0~4.2 V，单颗锂电池容量为2.5 Ahr，放大电路功耗约2 mA，可连续工作500 h.PVC外壳为各部件提供固定载体，除底面外其他5面均安装屏蔽层.
放大电路包括电荷转换电路、带通滤波器、电源转换电路.电荷放大电路完成极板耦合电荷至电压信号的转换，增益为6 dB；带通滤波器带宽为0.1 Hz~100 kHz，有效抑制低频直流漂移以及高频噪声；电源转换电路实现锂电池电压至放大电路所需±3 V电源低噪声转换.屏蔽层为了抑制外部干扰，仅进行电容极板下方的电场耦合，屏蔽层采用铁氧体贴膜，厚0.2 mm.
3 室内及野外测试仪器开发过程中，开展了大量不同程度和不同方法的室内、野外测试评估仪器功能及性能.测试包括室内条件下的各电学参数测试，分为电磁传感器的本底噪声、磁传感器频率响应，数据采集器的动态范围、噪声水平、功耗、通道一致性、时间同步精度、稳定可靠性、带宽，各方法模块功能等；弱干扰野外条件下的各模块功能测试，包括TDIP、SIP、AMT、MT、CSAMT方法模块对比测试.限于篇幅，下文重点突出关键环节及功能模块的测试方法与结果.
3.1 室内测试 3.1.1 不极化电极本底噪声测试现有不极化电极的评价内容主要集中在初始极差及其稳定性方面，为进一步全面评估所开发的不极化电极性能，从初始极差、极差温度系数、本底噪声水平、内阻等多方面进行测试.极差测试过程中，借助多通道万用表Agilent 34972A对若干个电极极差采样，采样间隔设置为10 min，连续观测数天，同时记录环境温度，结果表明温度变化8 ℃以内条件下极差稳定在±1 mV以内，温度系数约为120 μV/℃.借助阻抗分析仪，测定其在1 Hz~10 kHz频带范围内阻为100~80 Ω，基本呈阻性.借助动态信号分析仪SR785测定本底噪声水平，图 8给出了测量结果，SR785自噪声水平约为10 nV/rt(Hz)@100 Hz，电极对与SR785叠加的噪声水平约为100 nV/rt(Hz)@1 Hz，低频1/f噪声不明显，表明电极对的本底噪声约为100 nV/rt(Hz)@1 Hz.
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图 8 电极本底噪声水平测试结果 Fig. 8 Self-noise power spectrum density test result of the electrode |
采用方波激励、扫频方法对两种规格的磁传感器进行标定，获得磁传感器频率响应，测试结果见图 9，AMT磁传感器平坦带宽内灵敏度为100 mV/nT，有效带宽为1 Hz~10 kHz；MT磁传感器平坦带宽内灵敏度为300 mV/nT，转角频率约为1 Hz.
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图 9 磁传感器频率响应测试结果 Fig. 9 Frequency response test result of the induction coil |
在磁屏蔽室条件下开展磁传感器噪声测试，磁屏蔽室内噪声低于磁传感器本底噪声水平，磁传感器视为输入短接，其电压噪声输出即为磁传感器本底噪声水平.借助动态信号分析仪SR785对电压噪声输出进行功率谱密度测量，结果见图 10，MT磁传感器本底噪声水平约为0.1 pT/rt(Hz)@1 Hz，AMT磁传感器本底噪声水平约为1 pT/rt(Hz)@1 Hz，低频噪声随频率降低而升高，显示为1/f2特征.
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图 10 磁传感器本底噪声功率谱密度测试结果 Fig. 10 Self-noise power spectrum density test result of the induction coil |
将数据记录器(型号：EMR6)电道输入对地短接，数字增益设置为1，设置为AMT工作模式，连续采集3 h，对Phoenix的MTU5A同样设置.借助Phoenix提供的SSMT2000软件计算噪声功率谱密度，处理结果见图 11，相比MTU5A，EMR6在高频和低频端的噪声均优于MTU5A，约为10 nV/rt(Hz)@1 Hz，且低频无明显的1/f噪声，证明了采集通道的全频段低噪声特性.
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图 11 通道本底噪声功率谱密度测试结果 Fig. 11 Self-noise power spectrum density test result of the data acquisition channel |
白噪声具有宽频带、随机的特征，数据记录器直接采集白噪声信号相当于直接观测近场源信号.白噪声信号源输出两组独立的随机信号，其中Ex与Hy接一组，Ey与Hx接另一组.数据记录器分别工作在AMT和MT模式下，采集长度分别设置为10 min和120 min.将采集的时间序列借助SSMT2000软件的白噪声处理功能，得到全频段卡尼亚视电阻率和阻抗相位，结果见图 12，ρxy和ρyx幅值约为70 Ωm，相位接近为零.借助白噪声信号，间接证明了数据记录器AMT及MT采集功能的正确性.
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图 12 白噪声条件下的MT & AMT测深曲线计算结果 Fig. 12 Data processing result of MT & AMT mode with white noise |
在开展矿山试验之前，有必要选取弱干扰条件场地开展仪器功能验证及性能评估.2014年至2017年期间，我们分别在河北省康保县、张北县，内蒙古林西县、苏尼特左旗选取弱干扰地区开展了多次多种方法模块的野外对比测试工作.
3.2.1 TDIP方法模块测试测试地点：内蒙古林西县，工作参数：AB极距1300 m，发射电流10 A，中梯装置、脉宽2 s、占空比1:1，MN极距25 m.接收机工作于TDIP模式下，三通道电场依次排开，同步观测，全波形采样，采样率2400 Hz.图 13a给出了某一时间段观测到的电场时间序列波形，总场及干扰幅值约为160 mVpp，一次场及二次场过程明显，信噪比较高.对时间序列进行计算得到视极化率，延时100 ms，划分7个窗口，窗口长度分别为10 ms、20 ms、40 ms、80 ms、160 ms、320 ms、640 ms，图 13b为视极化率计算结果，7个窗口视极化率计算结果位于1%至4%区间.
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图 13 (a) 单点TDIP全波形时间序列；(b) TDIP视极化率计算结果 Fig. 13 (a) Full wave time series of the TDIP mode; (b) Apparent polarizability test result of the TDIP mode |
测试地点：河北省康保县，工作参数：AB极距25 m，发射电流10 A，偶极-偶极装置、发射频率表 128 Hz~16 s、频点数12，发射循环时间周期15 min，MN极距25 m.接收机工作于SIP模式下，三通道电场依次排开，同步观测，全波形采样.采样率根据发射频率切换，可设置为2400 Hz、150 Hz或15 Hz.图 14a给出了某一时间段观测到的电场时间序列波形，三通道总场幅值约为30~60 mVpp，信噪比较高.将上述采集Ex1通道电压时间序列进行时频谱分析，结果见图 14b.图中清晰地显示了观测到的人工场源信号及较强的工频50 Hz干扰，在15 min循环时间内基频信号0.0625 Hz、0.125 Hz、128~0.25 Hz依次发射，各频点随频率降低发射持续时间逐渐延长，奇次谐波分量丰富且明显.三通道电压经装置系数、发射电流归一化，计算得到复阻抗的模及幅角，计算结果见图 14c，模位于200~300 Ωm区间，幅角位于-20°~0°区间.模在全频段基本为常量，幅角在高频段增大，三通道趋势接近.
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图 14 (a) SIP时域波形；(b) SIP信号时频谱(Ex1分量)；(c) SIP测量复阻抗计算结果(弱干扰条件下) Fig. 14 (a) Raw time series of the SIP mode; (b) Time frequency spectrum result of the SIP mode (Ex1 component); (c) Complex impedance result of the SIP mode (with weak noise) |
测试地点：内蒙古苏尼特左旗，工作参数：AB极距1300 m，最大发射电流50 A，发射频率表范围9600~0.9375 Hz，频点数41，循环发射时间周期50 min，MN极距50 m.接收机工作于CSAMT模式下，矢量观测，全波形采样，采样率根据发射频率切换，设置为24000 Hz、2400 Hz、150 Hz或15 Hz.对所观测的电磁场分量信号进行时频分析，图 15a给出了电场Ex分量的计算结果，体现以下几点特征：1)50 Hz工频干扰成分全程持续；2)高频发射区间显示1000~3000 Hz频段范围内天然场源信号能量较弱；3)低频发射区间能量较强，信噪比较高；4)低频段干扰能量较强.
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图 15 (a) CSAMT信号时频谱(Ex分量)；(b) CSAMT模块测试结果(红：xy、黑：yx) Fig. 15 (a) Time frequency spectrum result of the CSAMT mode (Ex component); (b) Apparent resistivity and phase result of the CSAMT mode (red: xy, black: yx) |
多台接收机同步完成若干站位测量，借助自主开发的资料处理软件对测量的时间序列阻抗估算分别得到卡尼亚视电阻率及阻抗相位，部分站位计算结果见图 15b.受较小的收发距影响，计算结果显示在约300 Hz以下频段进入过渡区及近场，视电阻率曲线呈45°上升趋势，相位接近0°.
3.2.4 AMT与MT方法模块测试AMT方法模块测试，测试地点：河北省康保县，电极距50 m，AMT模式采集时间长度20 min.同点布置Phoenix的MTU5A仪器，数字增益：E和H均为4.对采集的时间序列借助SSMT2000软件进行资料处理，得到卡尼亚视电阻率及阻抗相位.结果对比见图 16a，其中1000~3000 Hz频段信噪比较差，视电阻率曲线存在“掉点”现象；10~1000 Hz频段范围内一致性较好，两支视电阻率曲线均方相对误差分别为2.6%和1.5%；10 Hz以下频段EMR6的4支曲线数据质量均优于MTU5A观测结果.MT方法模块测试，测试地点：河北省张北县，电极距100 m，MT模式下采集时间长度12 h.同点布置Phoenix MTU5A，数字增益：E和H均为4.对采集的时间序列借助SSMT2000软件进行资料处理，得到卡尼亚视电阻率及阻抗相位，结果对比见图 16b，除yx模式视电阻率曲线存在一定差异外，xy模式视电阻率和两支相位曲线一致性较好，其中xy模式视电阻率均方误差为3.8%.
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图 16 (a) AMT测深曲线对比测试结果；(b) MT测深曲线对比测试结果 Fig. 16 (a) Apparent resistivity result of the AMT mode; (b) Apparent resistivity result of the MT mode |
为验证矿区强干扰条件下的仪器性能，在位于内蒙古林西县边家大院矿区开展试验.该矿区是典型的铅锌银多金属伴生矿，开采程度较高，在地面以下120 m至地下440 m深处分布了8层坑道，坑道间隔约50 m，布置竖井斜井3条.坑道以东西走向为主，不同层位坑道长度约1~2 km.试验时正值开采旺季，坑道内运行着大量运输矿石和工具的直流机车.电磁干扰源主要来自竖井、斜井卷扬机、坑道内的直流机车断续接触，以及放炮振动、矿山机械振动等.矿区强干扰条件下的功能测试，开展了地面AMT、CSAMT、SIP、TDIP方法观测试验，坑道中的CSAMT观测，井中CSAMT观测试验.试验历时63天，完成地面AMT站位约100个，地面张量CSAMT站位约100个，地面SIP站位约50个，地面TDIP站位约200个，坑道CSAMT站位约50个，井中发射地面接收CSAMT站位约40个.限于篇幅，仅展示代表性站位的观测结果.
4.1 地面AMT与张量CSAMT方法测试在矿区观测网南部和西部分别布设了两台大功率发射机，南收发距约7 km，西收发距约6 km，最大发射电流50 A，AB极距1.3 km，MN极距50 m，循环发射频率表 9600~0.9375 Hz，循环持续时间50 min，频点数41.每个站位均进行了AMT和张量CSAMT观测，其中CSAMT依次进行南部发射机发射、西部发射机发射、西南两台发射机同步发射三步骤.图 17给出了4种观测模式计算得到的卡尼亚视电阻率和阻抗相位.
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图 17 地面AMT及CSAMT观测结果(从左至右依次为：AMT、CSAMT南发、CSAMT西发、CSAMT西南发，红色：xy、黑色：yx) Fig. 17 Apparent resistivity result of the AMT mode and CSAMT mode (from left to right: AMT, CSAMT (southern source), CSAMT (western source), CSAMT (southwestern source), red: xy, black: yx) |
根据计算结果，AMT条件下受本地近场源强噪声干扰，视电阻率全频段呈45°上升趋势，相位接近0°.南发CSAMT条件下，Ey和Hx信号增强，信噪比得到改善，yx模式曲线数据质量提高.同理西发CSAMT条件下xy模式得到改善.南发和西发同步作用下，xy模式和yx模式均得到明显改善.
4.2 地面SIP方法测试工作参数：发射AB极距25 m，接收MN极距25 m，发射电流5 A，单台接收机同步观测3通道.发射频率表 128 Hz~16 s，包含12个发射频点，循环发射时间周期持续15 min.对Ex1分量进行时频谱分析，计算结果见图 18a，矿区强干扰条件下相比弱干扰条件的低频干扰能量较强，但整体信噪比较高.与偶极-偶极装置条件下收发距较小有关，抗干扰能力较强.借助自主开发的资料处理程序计算得到复阻抗的模及幅角，结果见图 18b.三通道模及幅角在高频段相比低频段减小，未出现受到强干扰导致信噪比下降现象.
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图 18 (a) SIP时频谱图；(b) SIP测试结果 Fig. 18 (a) Time frequency spectrum of the SIP mode; (b) Complex impedance amplitude and phase of the SIP mode |
TDIP工作参数：发射AB极距1600 m，接收MN极距25 m，发射电流10 A，脉宽4 s，中梯装置，收发AM极距600 m，单台接收机同步观测3通道.为提高数据质量，单点观测时间延长全波形采样至10 min以上，直接切除超强干扰时间序列，挑选相对干扰较小的时间段进行后续迭加处理.图 19a为切割后的相对干扰较小的200 s数据.有效信号幅值约为200 mVpp，干扰幅值约为50 mVpp，其中干扰以阶跃、脉冲波形为主.
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图 19 (a) 矿区强干扰条件下TDIP方法观测的时间序列(红：Ex1、黑：Ex2、粉：Ex3)；(b)矿区强干扰条件下的视极化率计算结果 Fig. 19 (a) Raw time series of the TDIP mode with strong noise (red: Ex1, black: Ex2, pink: Ex3); (b) Apparent polarizability result of the TDIP mode with strong noise |
对图 19a中的时间序列进行迭加处理，计算视极化率.窗口参数：延时200 ms，窗口长度200 ms、400 ms、800 ms、1600 ms，视极化率分布于4%~8%之间.计算结果表明上述干扰强度条件下，受益于较大的发射电流，一次场及二次场信号较强，通过多次迭加有效抑制噪声干扰.
4.4 坑道CSAMT方法测试在位于地下120 m、260 m、440 m的3层巷道进行了CSAMT观测试验，坑道主要以东西方向为主，受限于坑道空间，仅进行了yx模式标量观测，电极距根据实际坑道空间条件设置为20~50 m，仅在矿区南部布置了大功率发射机，其他参数与地面接收时一致.坑道CSAMT数据采集时，矿山正常生产，装载矿石的机车频繁在测点通过，电道磁道均受到严重干扰.图 20a给出了某一个站位的电场通道时频谱图，图中隐约观测到了人工场源信号，但是噪声频带分布宽，低频高频均有体现.通过噪声识别、将强干扰数据段剔除、多次叠加、robust估计等手段，获取大部分有效的数据，图 20b给出了三个站位的初步处理结果.
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图 20 (a) 坑道CSAMT观测时频谱图(Ey分量)；(b)坑道中CSAMT测量结果 Fig. 20 (a) Time frequency spectrum of the CSAMT mode in tunnel (Ey component); (b) Apparent resistivity result of the CSAMT mode in tunnel |
为测试井中电磁探管功能，在矿区条件下开展了探管测试工作.在井中电磁探管南部2.4 km布置了发射机，AB极距1.3 km，发射机按照地面CSAMT方法频率表发射，发射频率为0.9375~9600 Hz，完整周期持续时间50 min，发射最大电流30 A.井中探管工作在CSAMT模式下，对观测的四分量电磁信号时间序列进行时频谱分析，其中By分量计算结果见图 21，表明各通道观测到了有效的人工场源信号，200 Hz以低频段数据体现了较高的信噪比.
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图 21 井中探管时频谱图(By分量) Fig. 21 Time frequency spectrum in borehole (By component) |
本文所研制的坑(井)-地多参数电磁接收系统的关键指标如表 1所示.
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表 1 主要技术参数列表 Table 1 Key parameter index |
根据坑(井)-地多参数电磁探测方法技术要求，开展了坑(井)-地多参数电磁接收系统硬件装备的研制工作，并开展了室内、野外、矿区等条件下的测试工作，得到以下结论：
(1) 根据方法技术特殊要求，进行了接收系统的创新研制，开发了低噪声的数据采集器通道并验证了全频段低噪声特性；开发了低噪声的不极化电极、小型化感应式磁传感器；根据坑道条件下开发的非接触电极能够应用于CSAMT及AMT方法观测，开发的小型三轴感应式磁传感器能够用于坑道狭窄空间内CSAMT方法观测.
(2) 弱干扰条件下验证了接收机各模块功能，其中AMT及MT测试结果优于国外同类仪器.开展了矿区强干扰条件下的试验，获取了大量站位实测数据.数据处理结果表明大功率电磁发射有助于提高信噪比，张量观测有助于改善数据质量，同等干扰条件下SIP方法相比CSAMT、AMT、TDIP等方法具有较强的抗干扰能力.
(3) 开发的坑(井)-地多参数电磁接收系统实现了地面、坑道多方法模块多参数电磁数据采集，为提高矿区深部探测精度和分辨率，降低解释的非唯一性提供了技术支撑.通过室内及野外测试，坑(井)-地多参数电磁接收系统已达到设计的预期目标，为方法技术提供了关键技术支撑.
(4) 本文所研制的非接触电场传感器还可以应用在其他地面电磁方法技术中，所涉及的全频段低噪声技术、高精度时间同步技术可以推广到其他地球物理仪器中.
致谢 感谢课题组成员在仪器开发、室内调试、野外测试过程中辛勤的付出.感谢赤峰市利拓矿业有限公司对矿山试验工作的大力支持.感谢中国科学院电子学研究所对磁传感器研制的大力支持.感谢审稿专家在论文修改过程中提出的宝贵意见！
Chen K, Wei W B, Deng M, et al. 2015. A new magnetotelluric receiver. Geophysical and Geochemical Exploration (in Chinese), 39(4): 780-785. |
Crone geophysics. 2018. Pulse-EM methods. http://www.cronegeophysics.com/pulse-em/methods/. 2018-01-01.
|
Di Q Y, Fang G Y, Zhang Y M. 2013. Research of the Surface Electromagnetic Prospecting (SEP) system. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(11): 3629-3639. DOI:10.6038/cjg20131104 |
ElectroMagnetic Imaging Technology. 2018. Atlantis geophysical borehole probe. http://www.electromag.com.au/atlantis.php. 2018-01-01.
|
Fu L K. 1983. Geoelectrical Prospecting (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.
|
Li J M. 2005. Geoelectric Field and Electrical Exploration (in Chinese). Beijing: Geological Publishing House.
|
Lin P R, Zheng C J, Wu W L, et al. 2015. Techniques and systems for large-depth and multi-function electromagnetic survey. Geological Survey of China (in Chinese), 2(8): 60-66. |
Liu J X, Yan F B, Su Y R, et al. 2017. Research status and development trend of the portable near-surface FDEM instrument. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(11): 4352-4363. DOI:10.6038/cjg20171123 |
Metronix. 2018. ADU-08e. https://www.metronix.de/metronixweb/.
|
Nie G P. 2008. Introduction of multifuntion EM work station GDP32-Ⅱ. Jiangsu Geology (in Chinese), 32(1): 80. |
Phoenix Geophysics. 2018. V8 RECEIVER. http://www.phoenix-geophysics.com/products/receivers/v8/?. 2018-01-01.
|
Tang J T, Ren Z Y, Zhou C, et al. 2015. Frequency-domain electromagnetic methods for exploration of the shallow subsurface: A review. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(8): 2681-2705. DOI:10.6038/cjg20150807 |
Wang H, Ye G F, Wei W B. 2010. The design and implementation of non-polarizable Pb-PbCl2 electrodes. Seismological and Geomagnetic Observation and Research (in Chinese), 31(3): 115-120. |
Wilt M, Morrison H F, Becker A, et al. 1995. Crosshole electromagnetic tomography; a new technology for oil field characterization. The Leading Edge, 14(3): 173-177. DOI:10.1190/1.1437106 |
Yan B, Zhu W H, Liu L S, et al. 2013. An optimization method for induction magnetometer of 0.1 mHz to 1 kHz. IEEE Transactions on Magnetics, 49(10): 5294-5300. DOI:10.1109/TMAG.2013.2264821 |
Zhang W X. 2012. Study on key technology of distributed receiver for combined CSAMT and IP prospecting [Ph. D. thesis] (in Chinese). Changchun: Jinlin University.
|
Zhu W H, Di Q Y, Liu L S, et al. 2013. Development of search coil magnetometer based on magnetic flux negative feedback structure. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(11): 3683-3689. DOI:10.6038/cjg20131109 |
陈凯, 魏文博, 邓明, 等. 2015. 新一代陆用MT观测系统. 物探与化探, 39(4): 780-785. |
底青云, 方广有, 张一鸣. 2013. 地面电磁探测系统(SEP)研究. 地球物理学报, 56(11): 3629-3639. DOI:10.6038/cjg20131104 |
傅良魁. 1983. 电法勘探教程. 北京: 地质出版社.
|
李金铭. 2005. 地电场与电法勘探. 北京: 地质出版社.
|
林品荣, 郑采君, 吴文鹂, 等. 2015. 大深度多功能电磁探测技术与系统集成. 中国地质调查, 2(8): 60-66. |
柳建新, 严发宝, 苏艳蕊, 等. 2017. 便携式近地表频率域电磁法仪器研究现状与发展趋势. 地球物理学报, 60(11): 4352-4363. DOI:10.6038/cjg20171123 |
聂桂平. 2008. GDP-32Ⅱ多功能电法工作站简介. 江苏地质, 32(1): 80. |
汤井田, 任政勇, 周聪, 等. 2015. 浅部频率域电磁勘探方法综述. 地球物理学报, 58(8): 2681-2705. DOI:10.6038/cjg20150807 |
王辉, 叶高峰, 魏文博. 2010. Pb-PbCl2不极化电极的设计与实现. 地震地磁观测与研究, 31(3): 115-120. DOI:10.3969/j.issn.1003-3246.2010.03.020 |
张文秀. 2012. CSAMT与IP联合探测分布式接收系统关键技术研究[博士论文].长春: 吉林大学.
|
朱万华, 底青云, 刘雷松, 等. 2013. 基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制. 地球物理学报, 56(11): 3683-3689. DOI:10.6038/cjg20131109 |