湯井田 ， 胡雙貴,2， 肖 曉,2*

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410083)

?

接地電阻穩(wěn)定性對(duì)音頻大地電磁法測(cè)量的影響

湯井田1， 胡雙貴1,2， 肖 曉1,2*

(1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)沙 410083)

音頻大地電磁測(cè)深已經(jīng)成為一種研究地球中淺部電性結(jié)構(gòu)的重要方法，其需要采集微弱且易受環(huán)境噪聲影響的天然電磁場(chǎng)信號(hào)，接地電阻穩(wěn)定性是影響其測(cè)量精度的重要因素。這里基于大地電磁測(cè)量的等效電路，計(jì)算了均勻半空間條件下測(cè)量電場(chǎng)以及AMT視電阻率和相位的響應(yīng)，并進(jìn)行了野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明：接地電阻的變化對(duì)測(cè)量電場(chǎng)、視電阻率和相位影響不可忽視，尤其是高頻；接地電阻變化范圍很大時(shí)，高的接地電阻可以給電場(chǎng)和相位帶來(lái)最大50%的誤差，給視電阻率帶來(lái)最大75%的誤差。

音頻大地電磁法； 接地電阻； 穩(wěn)定性

0 引言

音頻大地電磁測(cè)深(AMT)具有勘探深度大、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種研究地球中淺部電性結(jié)構(gòu)的重要方法，已被廣泛應(yīng)用于金屬礦、水文等勘查領(lǐng)域。AMT需要采集正交的天然電磁場(chǎng)信號(hào)，其采集的信號(hào)微弱且容易受環(huán)境噪聲的影響，AMT數(shù)據(jù)采集時(shí)難免會(huì)遇到接地電阻很大的情況，因此研究接地電阻對(duì)AMT測(cè)量的影響十分必要。1980年Zonge等[1]提出了CSAMT的數(shù)據(jù)會(huì)受到接地電阻的影響，但沒(méi)有做詳細(xì)的分析；1985年Zonge等[2]在理論上說(shuō)明了均勻介質(zhì)模型下接地電阻的大小影響CSAMT電場(chǎng)高頻信號(hào)采集； Thomas等[3]在Zonge的理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了接地電阻的大小對(duì)CR測(cè)量的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)接地電阻在直流電法測(cè)量的影響研究比較晚，張友山等[4]在1993年從電路出發(fā)研究了接地電阻的大小對(duì)地電場(chǎng)的影響，提出了一系列改善的方法；李汝傳[5]基于Zonge的理論提出了接地電阻的大小影響卡尼亞電阻率的高頻部分；王輝等[6]據(jù)野外試驗(yàn)說(shuō)明了接地電阻的大小對(duì)MT測(cè)量的影響，得出了比較相似的結(jié)論。

除了接地電阻的大小，在AMT/MT的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量過(guò)程中，由于地質(zhì)環(huán)境各方面因素的影響，接地電阻常呈現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象[7-9]，接地電阻不穩(wěn)定性對(duì)AMT測(cè)量的影響規(guī)律少見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。這里根據(jù)大地電磁數(shù)據(jù)采集的等效電路圖，重點(diǎn)討論在均勻半空間下接地電阻對(duì)電場(chǎng)、視電阻率和阻抗相位的影響，并且通過(guò)野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論計(jì)算的結(jié)果。

1 考慮接地電阻均勻半空間AMT響應(yīng)的理論計(jì)算

在野外進(jìn)行AMT測(cè)量時(shí)，由于電極周圍介質(zhì)的不均勻性及介質(zhì)電性的不穩(wěn)定性，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)接地電阻不穩(wěn)定的情況。這個(gè)不穩(wěn)定性必然會(huì)影響AMT數(shù)據(jù)采集的精度和質(zhì)量，因此從理論上來(lái)研究接地電阻穩(wěn)定性對(duì)AMT響應(yīng)的影響十分必要。

在均勻半空間地表上，大地電磁法阻抗公式[10]為式(1)。

(1)

(2)

假設(shè)電極M、N相對(duì)參考電極產(chǎn)生的電場(chǎng)一樣，則

Vx,tot=Vr,M+Vr,N=2Vr

(3)

為了求電極M與參考點(diǎn)之間的接收回路實(shí)測(cè)的電位差Vr，在Zonge等[3]提出的大地電磁測(cè)量的等效電路的基礎(chǔ)上加以修改(圖1)，則有：

(4)

圖1 接收回路的簡(jiǎn)化等效電路圖

(5)

在計(jì)算的頻率范圍內(nèi)忽略儀器的輸入阻抗(Zi=∞)和導(dǎo)線的阻抗(Zw=0)，式(5)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為式(6)。

(6)

電壓隨接地電阻的變化率為：

(7)

當(dāng)接地電阻不穩(wěn)定時(shí)，將公式(3)、公式(6)代入公式(2)，得到均勻半空間的AMT響應(yīng)：

(8)

(9)

對(duì)公式(9)其進(jìn)行歸一化 可得公式(10)。

(10)

2 接地電阻穩(wěn)定性對(duì)AMT測(cè)量的影響

2.1 理論計(jì)算結(jié)果

利用公式(6)和公式(7)計(jì)算實(shí)測(cè)電場(chǎng)和電場(chǎng)的變化率，設(shè)L=25 m，Cw=25 pf/m，V1=1.0 V/m，其結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 電場(chǎng)幅值隨接地電阻的變化關(guān)系圖

圖3 不同頻率觀測(cè)電場(chǎng)隨接地電阻的變化率

由圖2和圖3可以看出：接地電阻的變化首先影響AMT數(shù)據(jù)的高頻信號(hào)，接地電阻在1 000 Hz～10 400 Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，高頻的變化要比低頻的變化大，隨著接地電阻的不斷增大，影響的頻率范圍越來(lái)越寬，逐漸向低頻轉(zhuǎn)移；在理想條件下(R=0 Ω)，所計(jì)算的電場(chǎng)與頻率無(wú)關(guān)，電場(chǎng)幅值趨于V1，隨著接地電阻的增大，同一頻率下所測(cè)得的電場(chǎng)幅值也不斷下降，最后達(dá)到最小值，即Vr=V1/2。由此可見(jiàn)，接地電阻的變化必然導(dǎo)致系統(tǒng)采集的電場(chǎng)的變化，接地電阻的不穩(wěn)定必然引起采集信號(hào)的不穩(wěn)定，尤其是對(duì)高頻信號(hào)的影響非常靈敏。

圖4 接地電阻對(duì)視電阻率的影響

采用前面的參數(shù)，用公式(8)、公式(9)、公式(10)計(jì)算大地電阻率100 Ω·m的均勻半空間的AMT響應(yīng)，其結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖5 接地電阻對(duì)阻抗相位的影響

由圖4可知，高頻視電阻率值對(duì)接地電阻比較敏感，當(dāng)接地電阻大于 2 000 Ω時(shí)，視電阻率值很明顯地下降，當(dāng)接地電阻大于 100 000 Ω時(shí)，視電阻率值已經(jīng)下降到原來(lái)的1/4；隨著接地電阻的增大，其影響的范圍逐漸向低頻延伸。由圖5可以看出，接地電阻逐漸增大，相位先減小后增大，中間出現(xiàn)極小值，這個(gè)極小值為原來(lái)的1/2；同視電阻率一樣，大于 2 000 Ω的接地電阻首先使高頻的相位絕對(duì)值下降，當(dāng)接地電阻進(jìn)一步增大時(shí)，逐漸影響到中低頻的相位。綜上所述，當(dāng)接地電阻不穩(wěn)定的情況下，接地電阻不僅會(huì)使高頻的視電阻率和相位曲線畸變，同時(shí)也會(huì)影響低頻的視電阻率值；接地電阻越大，視電阻率和相位曲線畸變的頻率范圍越寬，下降幅度越大，從而影響AMT數(shù)據(jù)采集的精度和質(zhì)量。

2.2 野外對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了從實(shí)際數(shù)據(jù)上說(shuō)明接地電阻穩(wěn)定性對(duì)AMT測(cè)量的影響，于BL06174C號(hào)點(diǎn)上進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)電極坑進(jìn)行處理，即每個(gè)電極坑大小為50 cm*50 cm*50 cm，取出石塊草根等，電極坑填充滿黃泥土，加入大量食鹽攪勻，并澆取大量飽和鹽水，埋入泥土固定和壓實(shí)，每一個(gè)小時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量接地電阻，測(cè)量3 h。其中yx方向上接地電阻有很明顯地變化，測(cè)量結(jié)果分別為 2 600 Ω、2 200 Ω、2 000 Ω，結(jié)束時(shí)接地電阻為 2 000 Ω，視電阻率和相位曲線如圖6和圖7所示。

圖6 BL06174C不同時(shí)間段yx方向視電阻率曲線圖

圖7 BL06174C不同時(shí)間段yx方向相位曲線圖

由圖6可以看出，接地電阻不穩(wěn)定對(duì)視電阻率的高頻段影響顯著，中低頻影響較小。接地電阻的測(cè)量結(jié)果表明，第1個(gè)小時(shí)內(nèi)接地電阻變化范圍約在 2 600 Ω～2 200 Ω，第二個(gè)小時(shí)接地電阻在2 200 Ω～2 000 Ω區(qū)間內(nèi)變化，第3個(gè)小時(shí)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，這個(gè)變化導(dǎo)致了前兩個(gè)小時(shí)視電阻率的差異要比后兩個(gè)小時(shí)的大，驗(yàn)證了上節(jié)理論計(jì)算中高頻視電阻率值對(duì)接地電阻敏感這一結(jié)論，同時(shí)可以看出，接地電阻越大，高頻視電阻率值下降幅度越大；隨著接地電阻的穩(wěn)定，變化幅度越來(lái)越小，最終趨于穩(wěn)定；隨著接地電阻 2 600 Ω降到 2 000 Ω，視電阻率曲線的高頻段不斷抬升，并且隨著頻率的降低，視電阻率差異也越來(lái)越小。從圖7也可以看出，相位曲線隨接地電阻的變化跟視電阻率曲線隨接地電阻的變化一致，但相位曲線的變化幅度要小。視電阻率和相位曲線的這些變化與前文的計(jì)算的結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論計(jì)算的結(jié)果。

3 結(jié)論與建議

1)理論推導(dǎo)和計(jì)算表明，接地電阻的穩(wěn)定性首先影響了AMT高頻的數(shù)據(jù)質(zhì)量，接地電阻總是使測(cè)量電場(chǎng)、視電阻率和相位比實(shí)際的小，在接地條件很差的情況下，電場(chǎng)只有實(shí)際電場(chǎng)的1/2倍，視電阻率值只有原來(lái)的1/4，相位出現(xiàn)1/2倍的極小值，并且高頻受到接地電阻的影響比低頻大。

2)野外對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，接地電阻不穩(wěn)定對(duì)視電阻率和相位曲線的高頻段影響很明顯，視電阻率更為敏感。高接地電阻導(dǎo)致視電阻率和相位曲線高頻下降，隨著接地電阻的下降，視電阻率和相位曲線不斷抬升，最終趨于穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，接地電阻的穩(wěn)定性，是影響AMT數(shù)據(jù)采集精度的一個(gè)重要的因素。因此在野外施工時(shí)，要特別注意接地電極的處理，掩埋電極時(shí)應(yīng)加入大量的泥漿和鹽水，將電極安置在濕潤(rùn)的泥漿中，待接地電阻穩(wěn)定后再測(cè)量；另外，有必要時(shí)應(yīng)該在接收機(jī)和接地電極間安裝一個(gè)補(bǔ)償式高阻抗前置放大器，可以克服接地電阻不穩(wěn)定對(duì)測(cè)量的影響。

[1] ZONGE K L, EMER D F, OSTRANDER A G. Controlled source audio-frequency magnetotelluric measurements [C].50th Annual SEG Meeting,1980(5):2491-2521.

[2] ZONGE K L, HUGHES L J. The effect of electrode contact resistance on electric field measurements[C]. 55th Annual International Meeting, SEG, Expanded Abstracts,1985: 231-234.

[3] THOMAS I N. The effect of electrode contact resistance and capacitive coupling on complex resistivity measurements[C]. SEG/New Orleans Annual Meeting, 2006:1376-1380.

[4] 張友山, 何繼善. 接地電阻對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)的影響及克服方法[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1996( 1):1-5. ZHANG Y SH, HE J SH. The effect of grounding resistance to earth electric field observation and overcome methods[J].Chinese journal of nonferrous metals,1996(1):1-5. (In Chinese)

[5] 李汝傳. MN長(zhǎng)度誤差及接地電阻對(duì)卡尼亞電阻率的影響[J]. 地質(zhì)與勘探, 2004 (z1): 188-190. LI R CH. The effects of errors in M-N electrode-spacing and grounding resistance on cagniard resistivity[J]. Geology and Prospecting, 2004 (z1): 188-190. (In Chinese)

[6] 王輝, 葉高峰, 魏文博, 等. 大地電磁測(cè)深中大地電場(chǎng)的高精度采集技術(shù)[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2013 (3): 1199-1207. WANG H, YE G F, WEI W B, et al. High-precision acquisition technology of telluric field on magnetotellurics[J]. Progress in Geophysics, 2013 (3): 1199-1207. (In Chinese)

[7] 楊會(huì)民, 陳珺, 劉波. 影響接地電阻的因素及減小接地電阻的方法[J]. 中國(guó)測(cè)試, 2009, 35(2): 106-108. YANG H M, CHEN J, LIU B. Influence factors and reducing methods of earth resistances[J]. China Measurement&Test, 2009, 35(2): 106-108. (In Chinese)

[8] 劉澤西, 王勇, 謝新萍. 接地電阻的影響因素分析[J]. 電工電氣, 2010 (10): 22-24. LIU Z X, WANG Y, XIE X P. Impact Factor Analysis of Grounding Resistance[J]. Electrotechnics Electric, 2009, 35(2): 106-108. (In Chinese)

[9] ALAN D CHAVE, ALAN G JONES. The magnetotelluric method: Theory and practice. Cambridge: Cambridge University Press, 2012.

[10]PERRIER F E, PETIAU G, CLERC G, et al. A one-year systematic study of electrodes for long period measurements of the electric field in geophysical environments[J]. Journal of geomagnetism and geoelectricity, 1997, 49(11-12): 1677-1696.

[11]PETIAU G, DUPIS A.Noise, temperature coefficient, and long time stability of electrodes for telluric observations[J]. Geophysical Prospecting, 1980, 28(5): 792-804.

[12]WANNAMAKER P E, STODT J A, PELLERIN L, et al. Structure and thermal regime beneath the South Pole region, East Antarctica, from magnetotelluric measurements[J]. Geophysical Journal International, 2004, 157(1): 36-54.

[13]王艷. 深部礦產(chǎn)資源的時(shí)頻聯(lián)合電磁探測(cè)方法研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2011. WANG Y. The study of time-frequency joint electromagnetic detection to the deep mineral resources[D]. Changchun：Jilin university, 2011. (In Chinese)

[14]湯井田, 化希瑞, 任政勇. 基于鋼筋錨桿接地電阻評(píng)價(jià)錨固質(zhì)量研究[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2006, 21(2): 614-619. TANG J T, HUA X R, REN ZH Y. Evaluating the quality of steel anchor by grounding resistance[J].Progress in Geophysics, 2006, 21(2): 614-619. (In Chinese)

[15]王輝, 葉高峰, 魏文博. Pb—PbCl2 不極化電極的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究, 2010 (3): 115-120. WANG H, YE G F, WEI W B. The design and implementation of non-polarizable Pb-PbCl2 electrodes[J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2010 (3): 115-120. (In Chinese)

[16]張凌云, 劉鴻福, 李成友. 高密度電法測(cè)量中接地電阻試驗(yàn)研究[J]. 勘探地球物理進(jìn)展, 2010, 33(3): 179-183. ZHANG L Y, LIU H F, LI CH Y. Experiment on ground resistance in high-density electrical measurement[J].Progress in Exploration Geophysics, 2010, 33(3): 179-183. (In Chinese)

[17]宋艷茹, 席繼樓, 劉超, 等. 一種 Pb-PbCl2 不極化電極試驗(yàn)研究[J]. 地震地磁觀測(cè)與研究, 2012, 32(6): 97-103. SONG Y R, XI J L, LIU CH, et al. Research on a type of Pb-PbCl2 non-polarizable electrode [J].Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2012, 32(6): 97-103. (In Chinese)

[18]劉俊峰, 鄧居智, 張志勇, 等. 電性源發(fā)射端接地電阻的理論計(jì)算及影響因素分析[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2012, 9(4): 380-384. LIU J F, DENG J ZH, ZHANG ZH Y, et al. The theoretical calculation of the grounding resistance to electrical source and Its affecting factors analysis[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics.2012, 9(4): 380-384. (In Chinese)

[19]ANDREAS H, PETER W, ANITA P. Contact impedance of grounded and capacitive electrodes[J]. Geophysical Journal International,2013, 193:187-196.

The effect of grounding resistance’ stability on AMT

TANG Jing-tian1， HU Shuang-gui1,2， XIAO Xiao1,2*

(1. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, Changsha 410083,China;2.School of Geosciences and Info-Physics, Central South University,Chansha 410083,China)

Audio magnetotelluric (AMT) sounding has become an important method for researching the Earth’s electrical structure, which needs to collect the weak and vulnerable natural telluric signal. The stability of grounding resistance is an important factor that affects the accuracy of measurement. The paper has calculated the electric field and the response of the apparent resistivity and the phase under the condition of homogeneous half-space ，which is based on the theory of the circuit representation of a telluric measurement. The study shows that the influence of grounding resistance changes on the electric field, the apparent resistivity and impedance phase can not be ignored, especially in the high-frequency. High ground resistance may bring errors of 50% to the electrode field and the phase error,and bring the greatest errors of 75% to the apparent resistivity.

audio magnetotelluric sounding; grounding resistance; stability

2014-10-11改回日期：2014-12-19

國(guó)家科技專項(xiàng) (SinoProbe-03)；國(guó)家自然科學(xué)基金 (41104071，41174105，40874072)

湯井田(1965-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁場(chǎng)理論和應(yīng)用、地球物理信號(hào)處理及反演成像等研究，E-mail: jttang@csu.edu.cn。

*通信作者：肖曉(1981-)，男，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事電磁場(chǎng)理論和應(yīng)用研究，E-mail：csuxiaox@csu.edu.cn。

1001-1749(2015)05-0547-05

P 631.3

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.01