MT和CSAMT

新型ADU-07e MT仪和张量CSAMT

The New MT System GMS-07e and Tensor CSAMT

俞历朱自串

Yu Li Zhu Zichuan

北京欧华联科技有限责任公司

Beijing Ouhualian Science and Technology Ltd.

德国Metronix公司积36年研发和生产大地电磁仪的基础上，于2008年和2009年相继推出第七代产品ADU-07和改进版和ADU-07e大地电磁测深系统，2011年又推出当今世界上唯一的三组偶极子发射的张量CSAMT可控源电磁观测系统。在过去三年半时间，国内已先后定购了60套ADU-07和ADU-07e电磁观测系统，并在不同领域获得应用，得到用户一致好评。

ADU-07e由主机ADU-07e、磁场传感器、电极和软件系统组成，总重38kg（图1）

图1 ADU-07e大地电磁测深系统

ADU-07e MT Syetem

一、ADU-07e主要特点

1. ADU-07e是全频段电磁观测系统：

用于地下勘探的电磁波频率为1,000kHz-10,000S。其中10kHz-1,000kHz称为无线电MT （RMT）主要接收无线电台发射的电磁波；10Hz-50kHz称为声频MT（AMT），主要接收大气层雷电活动产生的电磁波；10,000S-10kHz为MT+AMT，主要接收太阳活动和大气层雷电活动产生的电磁波，它是大地电磁法的主要频带；1kHz-100,000S称其为超低频MT。

ADU-07e的频带为256kHz-DC，基本覆盖了用于地下勘探的全部电磁波频带范围。为了适应不同应用目的，ADU-07e分成三个观测频段（图2）：

图2 ADU-07e三个观测频段的带宽示意图

Frequency Bands of three ADB boards in ADU-07e

高频板（ADB HF）：256kHz-1Hz，可延至100 S；

中频板（ADB MF）：20kHz-1000 S；

低频板（ADB LF）: 1kHz-DC

每个频段的ADB板都配置两个24位A/D转换器，以保证频段范围内的高分辨率。2. ADU-07e有10个观测道

由于每台ADU-07e都配有10个观测道，每个观测道都可设置多种采样率，所以用户可以根据自己需要配置一种、两种或三种观测频段的ADB板。

3. ADU-07e是完全的模块化系统：

ADU-07e由最多10块ADB板，CPU板，时钟模块，标定模块和电源模块组成，所有模块都安插在底板上，组成一个完全的模块化系统（图3），这非常便于更换和检修。

图3 ADU-07e 模块结构

Modularized boards of ADU-07e

频率周期

ADB LF

4. ADU-07e是完全的网络化系统：

可多达32台ADU-07e组成网络观测系统，由高精度GPS同步。无需专门配备操作软件可通过因特网或局域网遥控，包括主机操作，工作任务和参数设置，数据下载、传输和处理，故障诊断；也可通过优盘，手机或笔记本电脑实现上述任务。简单、快捷、方便。

5. 具有多种抗干扰功能。

例如，低频板有六个模拟滤波器，其中四个根据电极接地电阻设置滤波参数，滤除高频干扰，两个根据记录频带设置滤波参数，滤除工业频率等干扰。通过磁耦合阻断数字电路对模拟电路的串扰[1]（图4）。

图4 ADB LF 电路板流程图

Circuit diagram of ADU-07e

二、磁场传感器的主要特点

MT和AMT法的天然场源，变幅非常小，在磁平静日时0.1Hz-10Hz磁场变化幅度仅有0.001nT，而且覆盖的频带又非常宽，仅就MT和AMT而言其频宽达8个数量级（1,000Hz-10,000秒）[2]。观测这种磁场信号最理想的是感应式磁场传感器，但频率响应能达到或接近达到8个数量级感应式磁场传感器只有MFS-06e（10,000Hz-10,000秒）和MFS-07e （50,000Hz-1,000秒）。目前Metronix公司有四种磁场传感器覆盖了用于地下探测目的电磁波全部频率范围（300kHz-200,000秒）图5。

图5 Metronix 的磁场传感器

Magnetic Sensors of Metronix

现仅将FMS-06e做一简述：

MFS-06e频宽10,000Hz-10,000秒，覆盖了MT和AMT的频带范围，其噪声功率谱在磁平静日时比天然场源的功率谱低10-100倍，图6。

功

率

谱

位

频率（Hz）

图6 MFS-06e噪声谱（实线）和磁平静日时天然场功率谱（虚线）对比

Comparison between noise level and natural spectra of MFS-06e

Metronix公司研发的感应式磁场传感器采用极特殊的线状的、相互高度绝缘的高导磁率软磁材料做磁芯，以扩展频带范围和提高灵敏度，在感应器内部有高度负反馈的前置放大器以降低噪声和提高稳定性，其中的软波放大器在低频段时开启，以补偿传输器的感应电动势随频率降低而成45°下降的趋势。经过精心设计和计算机模拟和精密的加工过程，Metronix 公司的感应式磁场传感器具有极宽的频带，非常低的噪声，很高的灵敏度和平坦的频率响应以及极高的温度稳定性和时间稳定性，同一型号的、任何两支磁场传感器的所有参数都完全一致。

三、软件

Metronix公司新开发了功能强大的软件系统ProcMT。该软件可高效快速的处理MT、AMT、CSAMT及EMAP数据：

1、简单快捷的数据导入功能，只需将原始数据直接拷贝到软件测点文件夹种中即可；

2、随时查看原始时间序列，可轻松删除质量不好的数据段，通过检查每个时间窗口的

功率谱函数后，再自定义处理目标频率表，以排除受人工干扰大的频点；

3、为所用测点设置统一处理参数，然后实现P处理功能，最大程度地提高了处理速度

和便捷性。

4、开放式的处理程序，Metronix公司开发的所有处理软件的源代码都是免费向所有用

户开放的，用户可以根据需要增加处理模块。

5、提供多种处理参数供客户选择，并采用了多种先进的压制噪声的数据处理方法，以

提高数据处理质量。

6、ProcMT强大的处理功能既可满足具有高理论水平的科研机构进行精细处理的要求，

又可满足生产单位在繁重的野外工作中进行快速批量处理的要求。

四、ADU-07e野外观测装置和应用领域

通常MT 和AMT仪只有5个数据观测道，3个用于记录磁场Hx，Hy和Hz，两个记录电场Ex和Ey。但ADU-07e有10个数据采集道和3种不同频带的ADB模拟电路板，因此可以组成不同的野外观测结构：

1. 四点同时观测装置

同时观测四个测点需要8个数据观测道记录电场信号Ex1、Ey1，Ex2、Ey2，Ex3、Ey3，Ex4和Ex4；两个数据观测道记录磁场信号Hx和Hy（图7，图8），四个测点共用Hx和Hy计算各自的张量阻抗。这种观测装置包括一台ADU-07e和10个高频ADB板或10个中频ADB板，连接主机ADU-07e的三个卫星站内置前置放大器，由电缆同步，点距一般不大于100m。

图7 四个测点观测野外装置

One ADU-07e with three Satellite Stations

图8 一台ADU-07e主机同时观测的四个测点上的大地电磁场信号

EM data from four stations recorded by one ADU-07e

在配置高频ADB板时，该装置主要应用于：金属和非金属矿产资源勘探，地下水和热水资源勘探，断层含水性和小煤窑勘探，溶洞勘探，工程勘探。

在配置中频ADB板时，该装置主要应用于：金属和非金属矿产资源勘探，石油天然气勘探，地下水和热水资源勘探，断层含水性和小煤窑勘探，溶洞勘探，工程勘探.

2. 超低频观测装置

ADU-07e的三个数据观测道用于记录感应传感器（MFS-06或MFS-07e）的磁场信号Hx1,Hy1和Hz1，三个数据观测道用于纪录三分量磁通门传感器（FGS-03）的超低频磁场信号Hx2，Hy2和Hz2，两个数据观测道用于记录电场信号Ex和Ey（图9）

磁通门磁力仪

图9 超低频MT观测装置

Ultra low frequency MT configuration with 8 channels

应用领域：金属和非金属矿产资源勘探，石油天然气勘探，地下水和热水资源勘探，断层含水性和小煤窑勘探，溶洞勘探，工程勘探，地壳上地幔电性结构勘探，地震前兆观测，软流圈内部电性研究。

3. EMAP 观测装置

四点同时观测装置由于用电缆同步，所以测点距离不宜过大，如果采用多台双电道ADU-07e ，五道或四道ADU-07e 可共同组成EMAP 观测装置。此时各ADU-07e 由GPS 同步，测点距离可以任意改变。

此外，还可采用另一种EMAP 装置，即除上述的“10道四个测点高频MT 设置”外，再多设置2台ADU －07e 。每台10道ADU －07可同时在五个测点上观测电场信号，于是3台10道ADU －07e 可同时完成14个测点的观测任务。ADU －07e 之间由GPS 同步（图10）。

图10 EMAP 阵列观测

五、张量CSAMT

目前国内所用的CSAMT 是由一组电偶极子和发射机及控制箱共同组成的发射系统（图

11），发射的是单一极化的电磁场H ，在地面观测H 场信号及其在地下感应的、与其垂直的电场信号E ，因此只能计算标量阻抗值Z ，仅适合探测水平层状一维构造，并且在以发射偶极子为中心的30°范围内不能进行观测。

H E Z

（1）

图11 标量CSAMT 设置

Scalar CSAMT Configuration

一般情况下地下为二维构造或三维构造，其电磁场关系式为：

Ex Ey Ez

= Zxx Zxy Zxz Zyx

Zyy Zyz Zzx Zxy Zzz Hx Hy Hz

（2）

称为张量阻抗关系式。

除了极高频率之外，Ez 分量很小，很难观测到，因此张量阻抗关系归结为：

Hy Zx ZxxHx y Ex += ZyyHy ZyxHx Ey +=

在二维或三维构造情况下，电场Ex 不仅由Hy 感应出，而且部分由Hx 感应出，由Hy 感应的Ex 依赖于张量阻抗xy Z ，其他三个张量阻抗值xx Z ，yx Z ，yy Z 有类似依赖关系。 从公式（3）中的两个代数方程无法解出四个张量阻抗值，如果有解，至少要有两组相对独立的变化磁场值H 1和H 2[3]。

Metronix 公司最近研发出由三对电偶极子和发射机及控制箱组成的发射系统图12.

图12 三组发射偶极子

Tensor CSAMT Configuration with three dipoles

发射机在控制箱下可分别向三对电偶极子发送或循环发送不同频率的电流，从而产生不同极化方向、互为独立的磁场信号H 1，H 2和H 3.这样方程组（3）便可扩展成方程组（4）或更多：

111ZxyHy ZxxHx Zx += 111Z y y H y Z y x H x Ey +=

222ZxyHy ZxxHx Zx += 222y y y y H y Z x H x Z Z +=

（3）

（4）

联立该四个方程式便可解出四个张量阻抗值：

12211221y Hy Hx Hy Hx Hy Ex H Ex Zxx --= 12212112y Hy Hx Hy Hx Hx Ex H Ex Zxy --=

可见此时在同一测点上，必须在两对或三对电偶极子上发射磁场信号H 1和H 2或H 1，H 2和H 3，必须同时观测相互垂直的电磁场分量Hx 1、Hy 1，Ex 1、Ey 1和Hx 2、Hy 2, Ex 2、Ey 2。三对偶子发射装置可在发射偶极子周围一定距离外的全空间范围内进行观测。 为了提高信噪比，可增加叠加次数。

Metronix 发射系统的控制箱内置与接收系统性能完全一致的ADU-07e 。发射信号预先置入控制箱的ADU-07e ，并由CPU 计算出频谱分布；用于接收的ADU-07e 将接收到的CSAMT 信号和噪声一并记录，也由CPU 计算出频谱分布；将发射信号频谱与接收信号频谱相关的频率参与计算CSAMT 参数，这样可压制电磁噪声干扰。

参考文献：

1. 刘国栋， 电磁法勘探仪器 北京欧华联科技有限责任公司 2010 .

2. 刘国栋、陈乐寿，大地电磁研究 地震出版社 1985.

3. N.Nabighian, Electromagnetic methods in applied geophysics ： application and part B SEG Books, 1993.

21121221x Hy Hx Hy Hx Hx Ey H Ey Zyy --=2

1122112y Hy Hx Hy Hx Hy Ey H Ey Zyx --=（5）