Key words: SLF electromagnetic exploration Geothermal well Natural source signal Influencing factors analysis
1 引言
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102~103Hz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.

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
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0.1μV.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.

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.

(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.

图3 地热井位置图Fig. 3 The location of two geothermal wells