天然電場選頻法日變規(guī)律觀測試驗

陳卓超,鄧漢洋,楊天春,2*,戴世鑫,周林,楊追

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2.湖南科技大學(xué) 巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室,湖南 湘潭 411201;3.湖南普奇地質(zhì)勘探設(shè)備研究院, 湖南 長沙 410005)

天然電場選頻法是以天然電磁場為工作場源,以地下巖礦石電性差異為基礎(chǔ),通過測量大地電磁場在地表產(chǎn)生的電場水平分量,來研究地下地電斷面的電性變化,解決水文地質(zhì)及工程地質(zhì)問題的一種交流電勘探方法[1].該方法由音頻大地電磁法(AMT)演化而來,所采用的工作頻率為n～1.5 kHz.常規(guī)電法中高密度電阻率法、激發(fā)極化法以及電阻率測深法等在找水定井及工程勘察方面受到廣泛應(yīng)用[2],但常規(guī)電法儀器笨重,測線的布置對場地有較高的要求.天然電場選頻法能在低阻體上方測得非?？煽康牡碗娢划惓?并且其方法操作簡便、成本低、探測速度快、適用范圍廣,逐漸被大家認可,特別在尋找地下水資源和礦山水害調(diào)查上具有良好的應(yīng)用效果[3-6].大地電磁場的場源組成復(fù)雜,主要有太陽風(fēng)與磁層、電離層的相互作用,雷電活動所產(chǎn)生的電磁場,以及工業(yè)電流和人文因素的影響.其中楊杰提出工業(yè)游散電流是游散電流場的主要來源[7],而林君琴等認為天然電場選頻法是以雷電活動和游散電流場為場源[8],王齊仁經(jīng)過多年的實測試驗發(fā)現(xiàn)并認識到天然交變電場動態(tài)信息的存在[9].復(fù)雜的場源導(dǎo)致眾多學(xué)者對選頻法所測異常的成因有不同的見解,楊天春等從三維空間的角度對其異常成因進行理論分析和模擬計算,得出天然電場選頻法的異常主要是由自然因素、人文因素所產(chǎn)生的水平交變磁場和水平交變電場共同作用的結(jié)果[10];張瑜麟針對天然電場選頻法在工程勘察中的應(yīng)用,提出對選頻異常曲線進行圓滑處理和歸一化處理,以壓制干擾場源和背景場對有效異常的掩蓋[11];張輝等在試驗研究中只進行了單一環(huán)境下大地電磁場的日變化觀測,未考慮到工作環(huán)境變化時大地電磁場的場源也會隨之變化[12].只有深入了解并分析不同環(huán)境下大地電磁場的場源構(gòu)成,才能壓制背景場對有效異常的影響.在實際工作中,工作場地往往不會是單一環(huán)境,有時甚至?xí)瑫r跨越工廠、居民區(qū)和山區(qū),工業(yè)用電和人文因素會給觀測結(jié)果帶來極大的干擾.根據(jù)工業(yè)電流及人文因素的不同程度干擾,本次試驗選擇在工業(yè)園區(qū)、城鎮(zhèn)及遠離工業(yè)用電的山區(qū)3個不同的工作環(huán)境下進行天然電磁場的日變規(guī)律觀測,希望通過探索不同環(huán)境下天然電磁場的日變規(guī)律能對天然電場選頻法工作場源有所發(fā)現(xiàn),并且對其分析驗證.

1 試驗內(nèi)容

本次試驗所用儀器為湖南普奇勘探設(shè)備研究院研發(fā)生產(chǎn)的PQWT-TC300找水儀.為方便試驗研究,觀測所用儀器通過系統(tǒng)程序設(shè)定為自動采集數(shù)據(jù),采集時間間隔為10 min(采集時間+時間間隔),試驗觀測所用頻率是從1～6 000 Hz中選取40個經(jīng)驗頻率,即每次都將采集40個不同頻率的數(shù)據(jù),所采集的數(shù)據(jù)為大地電磁場電場的水平分量,以10 m作為測量極距.

試驗內(nèi)容主要分為3個部分,即不同儀器同點同時刻觀測、不同儀器異點同時刻觀測以及單點日變規(guī)律觀測.第一步同點同時刻觀測目的在于驗證儀器之間的一致性;第二步異點同時刻觀測是為了研究所選場地大地電磁場的變化特征;第三步是在不同地區(qū)進行單點日變規(guī)律觀測.試驗觀測日期是2018年6月—8月,每次試驗觀測時長都大于24 h,也就意味著每組數(shù)據(jù)都可以用作對比分析.由于時間及成本等條件的限制,此次試驗只研究不同環(huán)境對大地電磁場的場源的影響,目的在于比較不同環(huán)境下日變規(guī)律的變化情況,說明其一次場的來源,指導(dǎo)實際工作.

2 工業(yè)園區(qū)不同儀器同時刻觀測

該步驟主要是檢測2臺不同儀器之間的一致性,為異點同時刻觀測做準備工作,同時對工業(yè)園區(qū)大地電磁場的日變規(guī)律進行觀測.此次試驗地點為佳海工業(yè)園一期A15,A16之間的綠化帶( 28.345293°N,112.993462°E),由于工業(yè)園干擾場源多且變化快,所以要盡量減少2臺儀器采集時間不同導(dǎo)致的時間差,以減少對觀測結(jié)果的影響;并且縮短采集時間間隔,以便獲得更加精確的實時日變曲線.為減少人為因素及其他偶然因素干擾,本次試驗共進行3次觀測,觀測時長分別為24,36,48 h,試驗均從8:30開始,數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 min.數(shù)據(jù)處理采用grapher繪制出不同檔位的曲線圖,圖1為第2次(左)和第3次(右)同點同時刻觀測部分結(jié)果對比圖,觀測頻率依次為25,67,170,400,2 000 Hz,其中在第3次觀測過程中第二天6:30～8:40為停電時間.

圖1 同點同時刻觀測結(jié)果對比

根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),2臺儀器的曲線同步性較好,曲線的相似度在95%以上,2臺儀器觀測的日變規(guī)律基本相同.總體而言,夜間(18:00～7:00)的觀測值明顯小于白天(8:00～18:00)的觀測值且更加平緩;在停電時間段,觀測值明顯降低,且尖銳峰值出現(xiàn)的頻率極大地減少.由此可以看出在觀測數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的飛點絕大部分是工廠機械運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的工業(yè)電流干擾導(dǎo)致的結(jié)果,并且工業(yè)園區(qū)工業(yè)游散電流極大地增強了工業(yè)園區(qū)電磁場的強度,是該區(qū)大地電磁場的主要來源.排除儀器本身的誤差影響及個別偶然因素的存在,基本可認為2臺儀器的同步性達到預(yù)期要求,可進行下一步試驗.

3 工業(yè)園區(qū)及城鎮(zhèn)同時刻觀測

1號儀器位于佳海工業(yè)園一期16棟樓下綠化帶,2號儀器位于普奇試驗基地(沙坪街道長青路對面約100 m小山坡上, 28.363912°N,113.017044°E).兩處試驗場地相距約3.2 km,觀測時間從9:40開始,到第三天9:40結(jié)束,共計48 h,儀器自主讀數(shù)間隔為10 min,測量電極MN間距為10 m, N端上方約3 m有進戶線通過.圖2為異點同時刻觀測部分結(jié)果對比圖,觀測頻率依次為25,67,170,400,2 000 Hz.為方便對比,1號儀器觀測結(jié)果的縱坐標(biāo)對應(yīng)坐標(biāo)系中左側(cè)實線軸,2號儀器觀測結(jié)果的縱坐標(biāo)對應(yīng)坐標(biāo)系中右側(cè)實線軸,左右兩側(cè)縱軸的單位一致.

圖2 異點同時刻觀測結(jié)果對比

根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),右側(cè)縱軸的數(shù)值明顯大于左側(cè),這是由于進戶線的影響導(dǎo)致2號儀器數(shù)值整體偏大;兩處的觀測結(jié)果同步性較差,其根本原因是兩者場源不一致,工業(yè)園區(qū)的場源基本受工業(yè)游散電流控制影響較大;2號儀器觀測頻率為67和170 Hz時在18:00～1:00有一個波峰期,這是由于晚上用電高峰期游散電流的出現(xiàn)導(dǎo)致大地電磁場增強,進而導(dǎo)致觀測數(shù)值的增大與減少.

4 山區(qū)單點日變觀測

本次試驗的場地位于湖南漣源湄江石陶坪,遠離(不受人文因素干擾)居民區(qū)的一荒田上(27.914882°N,111.733946°E),電極MN西北垂直方向約100 m有380 V電線通過,基本遠離人文因素的干擾.此次觀測時間從8:00開始,至第三天8:00結(jié)束,共計48 h.第二天20:00左右開始下雨,伴隨有雷電活動,對試驗結(jié)果有一定的影響.數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 min,測量極距MN為10 m.圖3為單點單臺儀器日變規(guī)律觀測結(jié)果對比圖,觀測頻率依次為25,67,170,400,2 000 Hz.

圖3 單點單臺儀器日變規(guī)律觀測結(jié)果對比

從圖3可知,大地電磁場在24 h內(nèi)的變化幅度比較大,具有明顯的波動性.總體而言,2天的日變規(guī)律曲線重合度較好,具有一定的規(guī)律性,夜間的觀測數(shù)值低于白天,符合大地電磁場的場源分析.其中觀測頻率為67和170 Hz的日變規(guī)律曲線在18:00～24:00存在一個高峰期,是因為夜晚用電高峰的出現(xiàn),游散電流極大地增強了大地電磁場的強度;而觀測頻率為170,400,2 000 Hz的日變規(guī)律曲線在第二天20:00左右出現(xiàn)的不規(guī)律波動,是受到雷電活動的影響所導(dǎo)致.

5 結(jié)論

1)工業(yè)園區(qū)的天然電磁場主要受工業(yè)游散電流控制,高頻信號受機械運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的工業(yè)用電影響較大,在工業(yè)園區(qū)作業(yè)時需要壓制干擾信息或者通過數(shù)據(jù)處理來挑選有效信息,在這個方面還需要進一步研究.

2)游散電流和雷電是山區(qū)大地電磁場的重要來源,其中游散電流對大地電磁場的影響與居民作息用電息息相關(guān),白天具有一段較長的平緩作業(yè)期.

3)工業(yè)園區(qū)、居民區(qū)及山區(qū)的天然交變磁場具有波動性,雖然工業(yè)園區(qū)的干擾源比較復(fù)雜,但3種環(huán)境下的日變曲線基本保持一致,均服從各自的日變規(guī)律.