電偶源張量CSAMT
引言
自1978年以來可控源聲頻大地電磁法（CSAMT）在礦產資源勘探，地熱和地下水資源勘探，地下溶洞和工程以及環境勘探等方面逐漸獲得廣泛套用。在過去30年中，CSAMT方法的接收系統，即大地電磁有了幾次革命性的變化，但CSAMT的發射系統幾乎沒有重大改變，仍是兩個接地電極組成的單一偶極發射裝置。這種發射裝置只能在地下建立單一方向的電流矢量，因此只能求取標量阻抗值，僅適合於探測水平層狀一維電性結構。此外，單一偶極發射裝置在以偶極子為中心的30°角範圍內場強很弱，不能進行觀測；在長剖面觀測中，由於地下構造的非一維性，在移動發射裝置位置後，在相同測點上的觀測結果往往不重合。
德國Metronix公司最近研發成了世界上唯一的電偶極張量CSAMT發射裝置TXM-22，它不僅可以求取張量阻抗要素值，適合探測二維、甚至三維電性結構，而且可以在發射裝置周圍空間進行全方位觀測。此外，發射機可以記錄不同頻率的偶極電流值，對近場的接收數據和高導體進行精確反演。
一、標量CSAMT和張量CSAMT
當地下構造是水平層狀、電性僅沿垂直方向變化時，稱其為一維電性結構。由於電性沿水平方向不變，所以電性為標量，稱其為標量阻抗Z。
當地下構造是二維或三維結構時，電性除沿垂直方向變化外，還沿傾向變化，稱其為二維電性結構；若電性沿垂直方向，傾向方向和走向方向都變化時，稱其為三維電性結構。定義二維電性結構需要四個電性參數，即Zxy、Zyx、Zxx、Zyy，定義三維電性結構需要六個電性參數，即Zxy、Zyx、Zxx、Zyy、Zzx和Zzz。此時電性為張量，稱其為張量阻抗。
在一維構造情況下，為求取標量阻抗Z只需在地面觀測磁場分量Hy及其在地下感應的、互為垂直的電場分量Ex，此時Z=Ex/Hy
測點下的視電阻率為：ρ=0.2T∣Z∣*∣Z∣，T是所觀測的電磁波周期。
目前套用的CSAMT發射裝置，如圖1所示：該裝置只有一組發射電偶極子，發射的電流矢量方向與電偶極子方向一致，場的極化方向不變，因此只能求取標量阻抗Z，並且在以發射偶極子為中心的30°角範圍不能進行觀測。我們稱改裝置為標量CSAMT發射裝置。圖1 標量CSAMT觀測裝置
在二維和三維構造情況下其電磁場關係式為：
（3）
稱為張量阻抗關係式。
除了極高頻率之外，Ez分量很小，很難觀測到，因此張量阻抗關係歸結為：
Ex=ZxxHx+ZxyHy
Ey=ZyxHx+ZyyHy
可見，在二維或三維構造情況下，電場Ex不僅由Hy感應出，而且部分由Hx感應出。由Hy感應的Ex依賴於張量阻抗Zxy，由Hx感應的Ex依賴張量阻抗Zxx，張量阻抗值Zyx，Zyy也有類似依賴關係。
三、張量阻抗發射裝置
Metronix公司最近研發出由三個接地電極組成的旋轉偶極發射裝置（圖2）.該發射裝置融合了發射電流自動控制，發射裝置任意組合，高精度GPS同步等新技術，並具有無線區域網路訪問、可任意編輯發射波形、可任意旋轉發射偶極方向，可全自動操控發射機，可通過行動電話（GPRS，3G網路）操控接收機等特點。
圖2 張量CSAMT發射裝置
發射機TXM-22在控制器TXB-07控制下可分別向三個接地電極傳送不同頻率、強度和極性的電流，從而在地下建立不同方向的合成電流矢量，形成不同極化方向的磁場信號H1，H2，H3等等。這樣就能得到不同極化特徵和相位的電磁場信號，從而解出四個張量阻抗值Zxx、Zyy、Zxy和Zyx。我們稱該裝置為張量CSAMT發射裝置。
可見此時在同一測點上，必須觀測不同極化方向的磁場分量。例如，H1x、H1y、H2x、H2y…,及其感應的、互為垂直的電場分量E1y 、E1x、E2y 、E2x…。
有兩種張量CSAMT發射裝置，一種叫“旋轉偶極”裝置，一種叫“交替偶極”裝置。“旋轉偶極”裝置發射的合成電流矢量方向可以旋轉，“交替偶極”裝置發射的電流矢量在兩個方向之間交替改變。圖2是“旋轉偶極”裝置，該裝置有三個接地電極U，V，W。它們分別與發射機TXM-22連線。發射波形，發射頻率，發射時間（疊加次數）和發射電流強度均由發射控制器TXB-07控制，發射與接收之間由高精度GPS同步。發射系統內置方波、正弦波、三角波和鋸齒波發射波形，用戶也可以自己定義其他發射波形。
例如（見圖3），當對三個電極U、V、W注射的電流分別為I1=-0.5 X I2=-0.5 X I3時，則在地下建立的合成電流矢量為0°方向（SN向），磁場極化方向也為0°；當對三個電極注射的分別為I2=-0.5 X I1=-0.5 X I3時，在地下建立的合成電流矢量為120°方向，磁場極化方向也是120°。以此類推，可見該裝置可在地下建立六個方向的合成電流矢量，產生不同極化方向的磁場H1，H2,…等。
由於電流矢量方向是可以控制的，所以發射的場強也是可以控制的，因此接收系統可以布置在場強最佳的位置上。
I1=-0.5 X I2=-0.5 X I3 I2=-0.5 X I1=-0.5 X I3
圖3 “旋轉偶極”裝置建立不同方向的合成矢量電流
圖4是“交替偶子”裝置。該裝置由三個接地電極組成兩組發射偶極子，即SN向和EW向。它們在地下建立起SN向電流矢量和EW向電流矢量。根據方程式（6），只要有兩種不同極化方向的磁場H1和H2，便可解出四個張量阻抗，因此在實際工作中經常採用由該發射裝置。“交替偶子”方式能快速的線上處理觀測數據，例如，發射的基本頻率是128Hz，交替記錄時間為8秒，也即初始4秒鐘向SN偶子供電，建立SN向電流矢量和磁場極化方向，隨後向EW偶子供電，建立EW向電流矢量和磁場極化方向，則對每組電偶極子記錄的樣品數為1024個，對兩組電偶極子記錄的樣品數為2048個。如果對發射的128Hz基本頻率的疊加次數為20次，則總的記錄時間為160秒，總的樣品數為40960個，數量很小，能快速地進行線上處理。
“交替偶子”發射裝置的兩個偶子夾角可在20°-110°之間變動，但夾角最好不要小於35°。
圖4 “交替偶子”裝置示意圖
由於TXM-22發射機可以記錄不同發射頻率下的電流值，因此可以在近場條件下觀測電場隨頻率的變化，對電性結構、特別是高阻體進行反演解釋，因為地下電流分布對高阻體特別敏感
四、張量CSAMT設備組成和技術指標
Metronix公司的張量CSAMT包括發射裝置和接收系統兩大部分。發射裝置由TXM-22發射機，TXB-22控制器，供電電極和電纜，400V、50Hz、三相發電機組成，電極電纜長500-1000m。接收系統由兩個或三個磁場感測器（MFS-07e），兩對電場感測器（不極化電極）和一台ADU-07e主機組成。發射裝置和接收系統之間由高精度GPS同步（圖6）。
圖6 張量CSAMT系統配置
從圖6可見，張量CSAMT觀測系統可在同一側點分別進行CSAMT觀測和MT觀測，對兩者觀測數據可進行聯合反演解釋，互相驗證和補充。
由於CSAMT方法主要用於詳查和精查階段，測點距離一般為20m-100m，所以可採用帶衛星站的接收系統，即一台ADU-07e主機可同時完成四個測點觀測任務（圖7）。各測點之間由電纜同步，發射機與主機ADU-07e之間由高精度GPS同步。
圖7
由於發射系統中控制器TXB-22內置與接收系統性能完全一致的ADU-07e，於是可預先把不同頻率的發射信號置入控制器內的ADU-07e中，並由ADU-07e計算它們的頻譜分布；用於接收的ADU-07e主機將接收到CSAMT信號，並計算出它們的頻譜分布；然後將預置的發射信號頻譜與接收信號頻譜的相同頻率之頻譜值參與CSAMT參數計算，以壓制電磁噪聲干擾，類似於地震勘探方法中利用可控震源進行的相關處理。
1.TXM-22發射機技術指標
頻帶 | 128秒—8192Hz |
功率輸入 | 40KVA，3X400V（±10%），三相，50Hz 交流發電機，插頭類型需配套 |
功率輸出 | 最大±40A，連續輸出 |
輸出電壓 | ±560V |
負載類型 | 接地電極或發射線圈 |
要求的負載電阻範圍 | 5歐姆—10000歐姆 |
發射信號波形 | 預設的波形有：正弦波、矩形波、三角波、偽隨機方波 |
系統控制 | 由TXB-07發射控制器通過電纜控制 |
測試功能 | 對所有重要的功能均可自動自檢 |
外殼 | 牢固的防水鋁合金外殼 |
重量 | 35kg |
外形尺寸 | 480mmX514mmX354mm |
工作溫度 | 0℃—50℃ |
存儲溫度 | -20℃—70℃ |
濕度範圍 | 相對濕度可達90% |
2.ADU-07e接收機技術指標
頻率範圍： | 直流—256KHz |
道數： | 每個ADU-07e含有10個通道 |
頻寬： | 兩個頻帶（直流—500Hz，1Hz—250KHz）；用數字濾波器可建立任何頻寬的亞頻帶 |
A/D轉換器： | 每個通道有兩個24位A/D轉換器：低頻採樣率4000Hz高頻採樣率600000Hz |
動態範圍： | > 130 dB |
系統控制器： | 32位嵌入式控制器，LINUX |
存貯介質： | 8GB閃爍硬碟，可擴充，USB接口 |
測試裝置： | 對所有的重要功能，包括感測器和儀器指標都可自動檢測、標定和顯示並建立文檔 |
輸入阻抗： | 電道>10兆歐，磁軌20千歐 |
網路連線： | 標準的100兆雙絞電纜；USB 1.1, 2.0, （無線/藍牙技術） |
同步： | GPS鐘±30ns,時間精確同，可確定和存貯測點位置 |
接口種類： | 網路，磁感測器，電極感測器，電源，GPS天線，USB,無線藍牙 |
外殼： | 牢固和防水玻璃纖維加筋外殼 |
重量： | 8Kg |
外型尺寸： | 400×330×170mm |
功耗： | 3-5W低頻，15W高頻 |
工作溫度範圍： | -40C—+70C |
3.磁場感測器MFS-07e技術指標
頻率範圍： | 0.001Hz—50KHz |
頻帶： | 0.001Hz—500Hz（斬波器開）10Hz—50KHz（斬波器關斷） |
感測器噪聲： | 3×10nT/√[email protected]×10nT/√Hz@1Hz5×10nT/√Hz@1000Hz （斬波器關斷） |
輸出靈敏度： | 0.02 V/(nT*Hz)f<<32Hz0.64 V/nT f>>32Hz精確值請參照隨機的標定檔案 |
輸出電壓範圍： | +/-10V |
功能： | 對感應線圈施加反饋磁場 |
接頭： | 8極PT02SE12-10S |
標定輸入靈敏度： | 1.6nT/V |
負反饋截斷頻率： | 32 Hz |
電源電壓： | +/- 12V to +/-15V |
電流： | +/- 25mA |
外殼： | 牢固，防水的玻璃纖維加筋外殼 |
重量： | 接近5.5Kg |
外部尺寸： | 長700 mm, 直徑70mm |
工作溫度： | -25℃----+ 70℃ |
結論：
Metronix的張量CSAMT系統可以求解四個張量阻抗要素值，適合探測複雜的二維，甚至三維電性結構；張量CSAMT發射系統，通過旋轉偶極可在地下建立不同方向的合成電流矢量，在觀測範圍內的任何地點都可獲得最佳場強；張量CSAMT系統可觀測對高阻層敏感的電場-頻率曲線，精確反演高導薄層結構；張量CSAMT系統可在同一測點獲得MT數據和張量CSAMT數據，兩者聯合反演，互相驗證補充。
