TXM-22张量可控源发射系统

电偶源张量CSAMT

引言

自1978年以来可控源声频大地电磁法（CSAMT）在矿产资源勘探，地热和地下水资源勘探，地下溶洞和工程以及环境勘探等方面逐渐获得广泛应用。在过去30年中，CSAMT方法的接收系统，即大地电磁有了几次革命性的变化，但CSAMT的发射系统几乎没有重大改变，仍是两个接地电极组成的单一偶极发射装置。这种发射装置只能在地下建立单一方向的电流矢量，因此只能求取标量阻抗值，仅适合于探测水平层状一维电性结构。此外，单一偶极发射装置在以偶极子为中心的30角范围内场强很弱，不能进行观测；在长剖面观测中，由于地下构造的非一维性，在移动发射装置位置后，在相同测点上的观测结果往往不重合。

德国Metronix公司最近研发成了世界上唯一的电偶极张量CSAMT发射装置TXM-22，它不仅可以求取张量阻抗要素值，适合探测二维、甚至三维电性结构，而且可以在发射装置周围空间进行全方位观测。此外，发射机可以记录不同频率的偶极电流值，对近场的接收数据和高导体进行精确反演。

一、标量CSAMT和张量CSAMT

当地下构造是水平层状、电性仅沿垂直方向变化时，称其为一维电性结构。由于电性沿水平方向不变，所以电性为标量，称其为标量阻抗Z。

当地下构造是二维或三维结构时，电性除沿垂直方向变化外，还沿倾向变化，称其为二维电性结构；若电性沿垂直方向，倾向方向和走向方向都变化时，称其为三维电性结构。定义二维电性结构需要四个电性参数，即Zxy、Zyx、Zxx、Zyy，定义三维电性结构需要六个电性参数，即Zxy、Zyx、Zxx、Zyy、Zzx和Zzz。此时电性为张量，称其为张量阻抗。

在一维构造情况下，为求取标量阻抗Z只需在地面观测磁场分量Hy及其在地下感应的、互为垂直的电场分量Ex，此时Z=Ex/Hy

测点下的视电阻率为：ρ=0.2T∣Z∣*∣Z∣，T是所观测的电磁波周期。

目前应用的CSAMT发射装置，如图1所示：该装置只有一组发射电偶极子，发射的电流矢量方向与电偶极子方向一致，场的极化方向不变，因此只能求取标量阻抗Z，并且在以发射偶极子为中心的30角范围不能进行观测。我们称改装置为标量CSAMT发射装置。图1 标量CSAMT观测装置

在二维和三维构造情况下其电磁场关系式为：

（3）

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：

Ex=ZxxHx+ZxyHy

Ey=ZyxHx+ZyyHy

可见，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Zxy，由Hx感应的Ex依赖张量阻抗Zxx，张量阻抗值Zyx，Zyy也有类似依赖关系。

三、张量阻抗发射装置

Metronix公司最近研发出由三个接地电极组成的旋转偶极发射装置（图2）.该发射装置融合了发射电流自动控制，发射装置任意组合，高精度GPS同步等新技术，并具有无线局域网访问、可任意编辑发射波形、可任意旋转发射偶极方向，可全自动操控发射机，可通过移动电话（GPRS，3G网络）操控接收机等特点。

图2 张量CSAMT发射装置

发射机TXM-22在控制器TXB-07控制下可分别向三个接地电极发送不同频率、强度和极性的电流，从而在地下建立不同方向的合成电流矢量，形成不同极化方向的磁场信号H1，H2，H3等等。这样就能得到不同极化特征和相位的电磁场信号，从而解出四个张量阻抗值Zxx、Zyy、Zxy和Zyx。我们称该装置为张量CSAMT发射装置。

可见此时在同一测点上，必须观测不同极化方向的磁场分量。例如，H1x、H1y、H2x、H2y…,及其感应的、互为垂直的电场分量E1y 、E1x、E2y 、E2x…。

有两种张量CSAMT发射装置，一种叫“旋转偶极”装置，一种叫“交替偶极”装置。“旋转偶极”装置发射的合成电流矢量方向可以旋转，“交替偶极”装置发射的电流矢量在两个方向之间交替改变。图2是“旋转偶极”装置，该装置有三个接地电极U，V，W。它们分别与发射机TXM-22连接。发射波形，发射频率，发射时间（叠加次数）和发射电流强度均由发射控制器TXB-07控制，发射与接收之间由高精度GPS同步。发射系统内置方波、正弦波、三角波和锯齿波发射波形，用户也可以自己定义其他发射波形。

例如（见图3），当对三个电极U、V、W注射的电流分别为I1=-0.5 X I2=-0.5 X I3时，则在地下建立的合成电流矢量为0方向（SN向），磁场极化方向也为0；当对三个电极注射的分别为I2=-0.5 X I1=-0.5 X I3时，在地下建立的合成电流矢量为120方向，磁场极化方向也是120。以此类推，可见该装置可在地下建立六个方向的合成电流矢量，产生不同极化方向的磁场H1，H2,…等。

由于电流矢量方向是可以控制的，所以发射的场强也是可以控制的，因此接收系统可以布置在场强最佳的位置上。

I1=-0.5 X I2=-0.5 X I3 I2=-0.5 X I1=-0.5 X I3

图3 “旋转偶极”装置建立不同方向的合成矢量电流

图4是“交替偶子”装置。该装置由三个接地电极组成两组发射偶极子，即SN向和EW向。它们在地下建立起SN向电流矢量和EW向电流矢量。根据方程式（6），只要有两种不同极化方向的磁场H1和H2，便可解出四个张量阻抗，因此在实际工作中经常采用由该发射装置。“交替偶子”方式能快速的在线处理观测数据，例如，发射的基本频率是128Hz，交替记录时间为8秒，也即初始4秒钟向SN偶子供电，建立SN向电流矢量和磁场极化方向，随后向EW偶子供电，建立EW向电流矢量和磁场极化方向，则对每组电偶极子记录的样品数为1024个，对两组电偶极子记录的样品数为2048个。如果对发射的128Hz基本频率的叠加次数为20次，则总的记录时间为160秒，总的样品数为40960个，数量很小，能快速地进行在线处理。

“交替偶子”发射装置的两个偶子夹角可在20-110之间变动，但夹角最好不要小于35。

图4 “交替偶子”装置示意图

由于TXM-22发射机可以记录不同发射频率下的电流值，因此可以在近场条件下观测电场随频率的变化，对电性结构、特别是高阻体进行反演解释，因为地下电流分布对高阻体特别敏感

四、张量CSAMT设备组成和技术指标

Metronix公司的张量CSAMT包括发射装置和接收系统两大部分。发射装置由TXM-22发射机，TXB-22控制器，供电电极和电缆，400V、50Hz、三相发电机组成，电极电缆长500-1000m。接收系统由两个或三个磁场传感器（MFS-07e），两对电场传感器（不极化电极）和一台ADU-07e主机组成。发射装置和接收系统之间由高精度GPS同步（图6）。

图6 张量CSAMT系统配置

从图6可见，张量CSAMT观测系统可在同一侧点分别进行CSAMT观测和MT观测，对两者观测数据可进行联合反演解释，互相验证和补充。

由于CSAMT方法主要用于详查和精查阶段，测点距离一般为20m-100m，所以可采用带卫星站的接收系统，即一台ADU-07e主机可同时完成四个测点观测任务（图7）。各测点之间由电缆同步，发射机与主机ADU-07e之间由高精度GPS同步。

图7

由于发射系统中控制器TXB-22内置与接收系统性能完全一致的ADU-07e，于是可预先把不同频率的发射信号置入控制器内的ADU-07e中，并由ADU-07e计算它们的频谱分布；用于接收的ADU-07e主机将接收到CSAMT信号，并计算出它们的频谱分布；然后将预置的发射信号频谱与接收信号频谱的相同频率之频谱值参与CSAMT参数计算，以压制电磁噪声干扰，类似于地震勘探方法中利用可控震源进行的相关处理。

1.TXM-22发射机技术指标

频带　128秒—8192Hz

功率输入　40KVA，3X400V（10%），三相，50Hz 交流发电机，插头类型需配套

功率输出　最大40A，连续输出

输出电压　560V

负载类型　接地电极或发射线圈

要求的负载电阻范围　5欧姆—10000欧姆

发射信号波形　预设的波形有：正弦波、矩形波、三角波、伪随机方波

系统控制　由TXB-07发射控制器通过电缆控制

测试功能　对所有重要的功能均可自动自检

外壳　牢固的防水铝合金外壳

重量　35kg

外形尺寸　480mmX514mmX354mm

工作温度　0℃—50℃

存储温度　-20℃—70℃

湿度范围　相对湿度可达90%2.ADU-07e接收机技术指标

频率范围：　直流—256KHz

道数：　每个ADU-07e含有10个通道

带宽：　两个频带（直流—500Hz，1Hz—250KHz）；用数字滤波器可建立任何带宽的亚频带

A/D转换器：　每个通道有两个24位A/D转换器：低频采样率4000Hz高频采样率600000Hz

动态范围：　> 130 dB

系统控制器：　32位嵌入式控制器，LINUX

存贮介质：　8GB闪烁硬盘，可扩充，USB接口

测试装置：　对所有的重要功能，包括传感器和仪器指标都可自动检测、标定和显示并建立文档

输入阻抗：　电道>10兆欧，磁道20千欧

网络连接：　标准的100兆双绞电缆；USB 1.1, 2.0, （无线/蓝牙技术）

同步：　GPS钟30ns,时间精确同，可确定和存贮测点位置

接口种类：　网络，磁传感器，电极传感器，电源，GPS天线，USB,无线蓝牙

外壳：　牢固和防水玻璃纤维加筋外壳

重量：　8Kg

外型尺寸：　400×330×170mm

功耗：　3-5W低频，15W高频

工作温度范围：　-40C—+70C3.磁场传感器MFS-07e技术指标

频率范围：　0.001Hz—50KHz

频带：　0.001Hz—500Hz（斩波器开）10Hz—50KHz（斩波器关断）

传感器噪声：　3×10nT/√Hz@0.01Hz3×10nT/√Hz@1Hz5×10nT/√Hz@1000Hz （斩波器关断）

输出灵敏度：　0.02 V/(nT*Hz)f<<32Hz0.64 V/nT f>>32Hz精确值请参照随机的标定文件

输出电压范围：　+/-10V

功能：　对感应线圈施加反馈磁场

接头：　8极PT02SE12-10S

标定输入灵敏度：　1.6nT/V

负反馈截断频率：　32 Hz

电源电压：　+/- 12V to +/-15V

电流：　+/- 25mA

外壳：　牢固，防水的玻璃纤维加筋外壳

重量：　接近5.5Kg

外部尺寸：　长700 mm, 直径70mm

工作温度：　-25℃----+ 70℃结论：

Metronix的张量CSAMT系统可以求解四个张量阻抗要素值，适合探测复杂的二维，甚至三维电性结构；张量CSAMT发射系统，通过旋转偶极可在地下建立不同方向的合成电流矢量，在观测范围内的任何地点都可获得最佳场强；张量CSAMT系统可观测对高阻层敏感的电场-频率曲线，精确反演高导薄层结构；张量CSAMT系统可在同一测点获得MT数据和张量CSAMT数据，两者联合反演，互相验证补充。