作者简介　秦其明 , 男 ,1955年生, 教授, 研究方向 : 定量遥感. E m a i l:qm q in@pku.edu.cn通讯作者　李百寿, 男 ,1980年生, 博士研究生, 研究方向 : 空间 信息 智 能处理与理解. E m a i l:lb s zhb@163.com犃状 犪 犾狔 狊 犻 狊狅 犳犳 犪 犮 狋 狅 狉 狊犪 犳 犳 犲 犮 狋 犻状犵状 犪 狋狌 狉 犪 犾狊 狅 狌 狉 犮 犲犁犔犉犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅犿 犪犵状 犲 狋 犻 犮犲 狓狆 犾狅 狉 犪 狋 犻狅状犪 狋犵 犲 狅 狋犺 犲 狉犿 犪 犾 狑 犲 犾 犾 狊Q IN Q i M ing,L I B a i Shou,CU I Rong Bo,J IANG Hong Bo,WANG Q ing P e i,ZHANG Z e Xun,ZHANG N ing犐状 狊 狋 犻 狋狌 狋 犲狅犳 犚犁 牔 犌 犐犁,犘犲犽 犻状犵 犝 状 犻狏 犲狉 狊 犻 狋狔,犅 犲 犻 犼犻状犵 100871,犆犺 犻状犪犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋　Th e Sup e r Low F r equ en cy(SLF)e l e c t rom agn e t i cex p lo r a t ion w a s p e r fo rm edby u s ingan a tu r esou r c e SLFe l e c t rom agn e t i cd e te c to ra ttwo g eo th e rm a l w e l l sin P ek ing Un iv e r s i ty. Th ed a t ao fth e SLF e l e c t rom agn e t i c ex p lo r a t ion a t w e l l JR 119 and JR 168 w e r e ob ta in ed w i thth eob se rv a t iono fcon t inu edf iv ed ay sandf ou rt im e sp e rd aya t w e l lJR 119ando fon ed aya t w e l lJR 168. B a sed onth e se d a t a,th ein f lu en c ing f a c to r s o fth e SLF e l e c t rom agn e t i c ex p lo r a t ion w e r ean a ly z ed,wh i chin c lud edth er e l a t ion sh ipbe tw e enth en a tu r esou r c ee l e c t rom agn e t i cf ie ldandth et im e o f ob se rv a t ion, r e l a t ion sh ip be tw e en th e sen so r o r i en t a t ion and th e r e c e iv ed a r t i f i c ia le l e c t rom agn e t i cin te r f e r en c e,in f lu en c e o f w e a th e rcond i t ion s onth e d a t a qu a l i tyandso on. Th er e su l t sshow ed th a t (1) Th e r e i s an obv iou s d ay n igh t v a r i a t ion in th e n a tu r a l SLF s ign a l s,wh e r e a sth e g en e r a l env e lope s o f r e l a t iv e amp l i tud e  f r equ en cy cu rv e s a r e r epe a t ab l e and s t ab l ea round th e sam e t im e o f d i f f e r en t d ay s; (2) Th e a r t i f i c i a l e l e c t rom agn e t i c in t e r f e r en c e f ie ldo r i en t a t ion i s on e o f th e in f lu en c ing f a c to r s.Wh en th e long ax i s o f sen so r i s p a r a l l e l to th e 地 球 物 理 学 报(Ch in e seJ. G eophy s.)53卷　in t eg r a t edax i so fth ea r t i f i c ia le l e c t rom agn e t i cin t e r f e r en c ef ie ld,th e no i sei s w e ak e s t. (3) R a inc anex e r t g r e a tin f lu en c eonth e h ighf r equ en cy bando fn a tu r a l SLFs ign a l s.犓 犲狔狑 狅 狉 犱 狊 　 SLF e l e c t rom agn e t i c ex p lo r a t ion,G eo th e rm a l w e l l,Na tu r a l sou r c e s ign a l,In f lu en c ingf a c to r san a ly s i s1　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, 信号图1　BD 6型天然源超低频电 磁探测仪F i g.1　BD 6 N a tu r a lS ou r c eSLF E l e c t r om a g n e t i c D e t e c t o r图2　探测仪工作原理框图F ig.2　P r in c ip l ed i ag r amo f D e t e c to r686 　3期秦其明 等: 地热井的天然源超低频电 磁探测影响因 素分析由 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.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60dB, 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 趋肤深度犘 , 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,犳是电 磁波频率.频率域电 磁法期 望的 勘探深度犎的计算式如公式(2) 所示, 公式(1)、(2) 可以 改写成公式(3)、(4)形式.犘 = 503ρa( )犳1/2,(1)犎 = 犘 ×2-1/2= 356ρa( )犳-1/2,1/2,(2)犘 = 503ρ犺 = 犎(犳)=(356ρ　　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1/2a()犳(3)(4)1/2a )犳-1/2.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.犺 = 犎(犳)= 107355犳犳 = 犉(犺)= 86959犺-0.9817.　 　(5) 式 和 (6) 式 中,犺 为 深度 值,犳为 频 率值,犎(犳) 为深度函 数,犉(犺) 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3 0 m左右,探测点坐标为116 ° 18 ′3 1.7 ″E,3 9 ° 59 ′3 4.6 ″N,附近水泵电 机尚 未运转, 周围无高压线干扰, 地热井-1.0184,(5)(6)空间位置见图3.图3　地热井位置图F ig.3　Th elo ca t iono ftw o g eo th e rm a l w e l l s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786 地 球 物 理 学 报(Ch in e seJ. G eophy s.)53卷　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 m in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.表1　试验中犅犇 6型天然源超低频电 磁探测仪参数设置表