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.

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
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.

(9)

3 探测影响因素综合分析
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).

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
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.

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.

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%.

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°
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.

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°
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.