CN101216566A - 一种适合于准远区的电偶源频率域电测深方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种适合于准远区的电偶源频率域电测深方法及装置，该方法包括在指定的勘查地区布置发送电源；将电源产生的电能送到多频率电流发送机，发送机产生并发送含有n个主频率成分的电流，并经由发送电极送入地下；在选定的发－收距，布置接收电极并测量出发－收距r；大地产生的含有地下物质电性分布信息的电压响应，经由接收电极传送到多频率电压响应接收机，接收机通过接收电极测量来自地下的n个主频率成分的电压响应，并按照本发明提出的公式和方法解算勘查地区的视电阻率等步骤。本发明还包括相应的装置。本发明不必要求在准远区进行测量；仪器装备简单，测量手续简便；适合于对准远区的地下地质构造及矿产分布等的测深。

Description

一种适合于准远区的电偶源频率域电测深方法及装置

技术领域

本发明涉及一种勘查地球物理领域的探测方法及装置，具体地说，是涉及一种适合于在离场源不很远的准远区(Quasi Far Field，指发-收距r＝3δ→7δ的区域，式中δ为电磁波的趋肤深度)，用于查明地下地质构造及矿产分布特点，或者解决其它工程、水文及环境地质问题的人工源频率域电测深方法及装置。

背景技术

在勘查地球物理领域，现有的人工源频率域电(磁)测深方法有两种：一种是可控源音频大地电磁测深法(CSAMT法-Controlled Source Audio-frequencyMagneto-Tellurics)，另一种是频率测深法(FS法-Frequency Sounding)。可控源音频大地电磁测深法需要在所谓“远区”(r＝7δ→9δ)测量一组相互正交的电、磁场分量E_x、H_y(或者E_y、H_x)，通过计算二者之比(称为阻抗)Z_xy＝E_x/H_y(或者Z_yx＝E_y/H_x)，进而获得地下的视电阻率分布 ${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{{\left|Z_{\mathrm{xy}}\right|}^2}{\mathrm{\ω\μ}}$ (或者 ${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{{\left|Z_{\mathrm{yx}}\right|}^2}{\mathrm{\ω\μ}}$ )，借以达到查明地下地质构造或矿产资源的目的。由于需要测量两个相互正交的电、磁场分量E_x、H_y，使用的装备必须具备既能测量电场E又能测量磁场H的功能。进行野外作业的时候，需要一边测量E_x一边测量H_y，同时还要保证E_x和H_y相互正交。又由于需要在“远区”测量，采集到的信号微弱，所以现行的CSAMT法具有装备笨重，信号微弱，效率低的缺点。此外，分别测量E_x和H_y计算二者的比值，测量E_x和H_y的误差都被带入结果中，再通过平方使误差更加放大。频率测深法(FS)虽然不一定要求在远区测量，也可以只测量电磁场的一个分量，但需要对观测结果进行多项校正，数据整理繁琐，效率低下，精度也不高。因此，现行的CSAMT法和频率测深法都不同程度地存在着误差较大，工效低，精度不高的缺点，难以适应经济快速发展对资源勘查的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有CSAMT法及FS法的缺点，提供一种效率高、观测精度高、仪器装备简单的电偶源频率域电测深方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明方法的技术方案依据的原理如下。

根据电磁理论，敷设于地面的电偶极源，在地下激起的电磁响应与地下电阻率之间存在着固有的关系。其在地面任意一点产生的电场的水平分量E_x为

其中的I是供给偶极源的电流，dL是两供电电极之间的距离，r是接收点到偶极源中心的距离(称为发-收距)，是偶极源正向与r之间的夹角，k是电磁波在地下介质中传播的波数，k²＝-iωμσ，ω是电流的圆频率，μ为地下物质的导磁率，σ为地下物质的平均电导率，σ＝1/ρ，ρ为地下物质的平均电阻率。上列各参数中，对于非铁磁性物质而言，μ可视为常数。其它l，dL，r，ω也是由人为控制或可以测定的。

容易推知    ikr＝(1+i)p    (2)

p＝r/δ是勘查地球物理中通称的“电距离”，其中 $\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω\μ}}}$ 是电磁波在地下的趋肤深度。

借助(2)，(1)式变为

当频率为0时，p＝0，(3)式转变为直流偶极子的电场

测量出E_x0，便可以得到直流视电阻率

其中： ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^0=E_{x0}\mathrm{gMN},$ MN是两接收电极之间的距离，系数

$K_0=\frac{2\mathrm{\π}}{(\frac{1}{r_{\mathrm{AM}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{AN}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{BM}}}+\frac{1}{r_{\mathrm{BN}}})}---\left(6\right)$

是频率为0时的装置系数。其中r_AM，r_AN，r_BN，r_BN分别是供电电极A、B与测量电极M、N之间的距离。当AB(AB＝dL)和MN与r相比，均小很多时

经过研究，对于测量的工作频率ω为任何值时，在地表测量出两接收电极M、N之间的电位差 ${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^{\mathrm{\ω}}=E_x^{\mathrm{\ω}}\mathrm{gMN},$ 并将装置系数改为

$K_j=\frac{{2\mathrm{\πr}}^3}{\mathrm{MNgdLgf}\left(p_j\right)}---\left(8\right)$

其中：

(9)

它可展为如下的级数形式：

式中2n！！＝2g4g6g8ggg2n    (11)

(2n-3)！！＝1g3g5g7ggg(2n-3)    (12)

$p_j=r{\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\μ}}{2_{{\mathrm{\ρ}}_a(j-1)}}}}_{j=\mathrm{1,2},\mathrm{gggn}}---\left(13\right)$

同样按照公式

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}}=K_j\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^{\mathrm{\ω}}}{I}---\left(14\right)$

求视电阻率ρ_aj。

由于在(8)-(13)式中，电距离p_j中也含有待求的未知电阻率ρ_a，本发明提出以下计算步骤：

命ρ＝ρ_a0    (15)

顺次代入(13)、(10)、(8)，得到ρ_a的一级近似值ρ_a1

${\mathrm{\ρ}}_{a1}=K_j\left({\mathrm{\ρ}}_{a0}\right)\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^0}{I}---\left(16\right)$

接着命ρ＝ρ_a1    (17)

同样代入(13)、(10)、(8)，得到ρ_a的二级近似值ρ_a2

${\mathrm{\ρ}}_{a2}=K_j\left({\mathrm{\ρ}}_{a1}\right)\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^{\mathrm{\ω}}}{I}---\left(18\right)$

仿此继续命ρ＝ρ_a2，不难得到ρ_a3，由ρ_a3又可以得到ρ_a4，……。如此进行下去，直到获得的ρ_an与ρ_a(n-1)的相差达到满意的程度为止。经过多次迭代，得到精确的的ρ_an，它就是该观察点某频率时的视电阻率ρ_a。不需要对导出的公式和ρ_a进行任何校正，就可得到准远区的视电阻率。

本发明之电偶源频率域电测深装置，包括一台智能(即含有CPU)多频率电流发送机和一台多频率电压响应接收机，及与之配套的发电机、发送电极、接收电极以及测距装置。装置硬件可采用现有公知的装置。所述发送机产生并发送的电压、电流、频率，可由人工操作调节控制，一次同时发送含有n个主频率的电流；接收机可同时接收n个主频率的地下电压响应，能够在准远区(r＝3δ→7δ)进行电偶源频率域电测深，获得地下深部的电性分布信息；能够自动测量、计算、储存获得的地电信息，并绘制成图。

测距装置优选GPS。

本发明之电偶源频率域电测深方法具体包括以下步骤：

(1)在指定的勘查地区布置发送电偶源，在与发送电偶源相距为r＝3δ→7δ的发-收距的地方布置接收电极M和N，式中δ是电磁波的趋肤深度；

(2)根据勘查需要，选定并测量出发-收距r；

(3)将发电机产生的电能送到多频率电流发送机，多频率电流发送机产生并发送圆频率为ω，强度为I，含有n个主频率成分的多频电流，经由发送电极A和B送入地下；(4)经由接收电极M和N接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的电压响应ΔV_MN并传送到多频率电压响应接收机，所述多频率电压响应接收机工作频率与多频率电流发送机的工作频率一一对应；多频率电压响应接收机在CPU的控制下，一次同时测量出来自地下的含有n个主频率成分的电压响应ΔV_MN(响应电压ΔV_MN通常小到10^-8V，甚至更小)；(5)将多频率电压响应接收机测量获得的ΔV_MN和发送、接收的各个参数I，r，ω，发送电极A、B之间的距离dL及两个接收电极之间的距离MN通过键盘输入接收机内的计算机，计算机按照公式

${\mathrm{\ρ}}_{a0}=K_0\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^0}{I}---\left(5\right)$

其中 $K_0=\frac{2\mathrm{\π}}{(\frac{1}{r_{\mathrm{AM}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{AN}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{BM}}}+\frac{1}{r_{\mathrm{BN}}})}---\left(6\right)$

ΔV_MN ⁰是频率为0时接收到的响应电压，

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}}=K_j{\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^{\mathrm{\ω}}}{I}}_{j=\mathrm{1,2},\mathrm{gggn}}---\left(14\right)$

其中 $K_j=\frac{{2\mathrm{\πr}}^3}{\mathrm{MNgdLgf}\left(p_j\right)}---\left(8\right)$

ΔV_MN ^ω是频率为ω时接收到的响应电压，

$p_j=r{\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\μ}}{2_{{\mathrm{\ρ}}_{a(j-1)}}}}}_{j=\mathrm{1,2},\mathrm{gggn}}---\left(13\right)$

式中下标j表示迭代的次数，μ＝4π×10^-7H/m，

自动进行解算，多次迭代，逐次逼近，获得地下的精确视电阻率ρ_a，并自动绘制成图，同时将数据和图件自动储存在接收机的内存中。

本发明的方法事先测定发-收距r，摆脱了以往电磁测深中需要借助测量两个彼此正交的电、磁分量E_x、H_y(或者E_y、H_x)，以消去距离因子r的做法。

由于本发明使用的测量仪器只需要具备测量一个电场分量E_x的功能，不需要同时具备测量E_x和H_x的功能，仪器装备比CSAMT法减少一半。野外工作时只需要测量E_x，不需要测量H_y，工效提高一倍。直接从测量的ΔV_MN ⁰和ΔV_MN ^ω按照公式(5)→(14)解算，获得地下视电阻率，不需要进行任何校正，不会引入测量H_y的误差，也不会经过平方使误差放大，或者引入由校正引起的误差，因而能够获得比现行的CSAMT法以及FS法更高的精度。由于本发明的各个公式中没有对发-收距r的大小作任何限定，故本发明适合于r＝3δ→7δ的准远区。

本发明对于电磁法勘探理论和方法的发展以及提高电磁法勘探的野外效率和观测精度，从而更快、更准确地为经济建设的发展高效地提供矿产资源和地质基础资料，具有很高的理论意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明装置构成及布置框图。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本实施例之电偶源频率域电测深装置，包括智能多频率电流发送机2和多频率电压响应接收机3，与发送机2配套连接的发送电极A、B，与接收机3配套连接的接收电极M、N，以及提供电能的发电机组1和测距装置GPS 4。

操作步骤：在指定的勘查地区，布置发电机组1；根据勘查需要，选择和测定发送电极A和B之间的距离dL，将发电机组1产生的电能送到多频率电流发送机2，多频率电流发送机2产生并发送含有n个主频率成分的电流，多频率电流发送机产生的圆频率为ω、强度为I的多频电流经由发送电极A和B送入地下；根据勘查的目的和勘查地区的具体情况，选定发-收距r并用GPS4进行测量，在与发送电源相距为r＝3δ→7δ的地方，布置接收电极M和N，大地产生的含有地下物质电性分布信息的电压响应经由接收电极M和N传送到多频率电压响应接收机，所述多频率电压响应接收机工作频率与发送机的工作频率一一对应；接收机在CPU的控制下，一次同时测量出来自地下的n个主频率成分的电压响应ΔV_MN；将多频率电流接收机测量获得的A_VMN和发送、接收的各个参数l，dL，r，ω，和两个接收电极之间的距离MN，通过键盘输入接收机内的计算机，计算机按照公式(6)、(14)、(11)、(9)和(15)自动进行解算，多次迭代，逐次逼近，获得地下的精确视电阻率ρ_a，并自动绘制成图，同时将数据和图件自动储存在接收机的内存中。

使用本发明方法及装置对某地准远区的视电阻率进行观测，发-收距r分别为1Km、3Km、10Km，对于电阻率较低的浅部(深度小于200m)，当工作频率在1000Hz以上，三种发-收距都达到了“远区”，三者的视电阻率分布相当一致；而对于较深部，大的发收距仍符合“远区”条件，小的发收距已进入“准远区”，采用本发明的公式计算，三者获得的视电阻率相当接近。

Claims (3)

1.一种适合于准远区的电偶源频率域电测深方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在指定的勘查地区布置发送电偶源，在与发送电偶源相距为r＝3δ→7δ的发-收距的地方布置接收电极M和N，式中δ是电磁波的趋肤深度；

(2)根据勘查需要，选定并测量出发-收距r；

(3)将发电机产生的电能送到多频率电流发送机，多频率电流发送机产生并发送圆频率为ω，强度为I，含有n个主频率成分的多频电流，经由发送电极A和B送入地下；

(4)经由接收电极M和N接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的电压响应ΔV_MN并传送到多频率电压响应接收机，所述多频率电压响应接收机工作频率与多频率电流发送机的工作频率一一对应；多频率电压响应接收机在CPU的控制下，一次同时测量出来自地下的含有n个主频率成分的电压响应ΔV_MN；

(5)将多频率电压响应接收机测量获得的ΔV_MN和发送、接收的各个参数I，r，ω，发送电极A、B之间的距离dL及两个接收电极之间的距离MN通过键盘输入接收机内的计算机，计算机按照公式

${\mathrm{\ρ}}_{a0}=K_0\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^0}{I}---\left(5\right)$

其中 $K_0=\frac{2\mathrm{\π}}{(\frac{1}{r_{\mathrm{AM}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{AN}}}-\frac{1}{r_{\mathrm{BM}}}+\frac{1}{r_{\mathrm{BN}}})}---\left(6\right)$

ΔV_MN ⁰是频率为0时接收到的响应电压，

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{aj}}=K_j{\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{MN}}^{\mathrm{\ω}}}{I}}_{j=\mathrm{1,2},\mathrm{gggn}}---\left(14\right)$

其中 $K_j=\frac{{2\mathrm{\πr}}^3}{\mathrm{MNgdLgf}\left(p_j\right)}---\left(8\right)$

ΔV_MN ^ω是频率为ω时接收到的响应电压，

$p_j=r{\sqrt{\frac{\mathrm{\ω\μ}}{2_{{\mathrm{\ρ}}_{a(j-1)}}}}}_{j=\mathrm{1,2},\mathrm{gggn}}---\left(13\right)$

式中下标j表示迭代的次数，μ＝4π×10^-7H/m，自动进行解算，多次迭代，逐次逼近，获得地下的精确视电阻率ρ_α，并自动绘制成图，同时将数据和图件自动储存在接收机的内存中。

2.根据权利要求1所述的人工源频率域电测深方法的专用装置，其特征在于，包括一台智能多频率电流发送机和一台多频率电压响应接收机，及与之配套的发电机、发送电极、接收电极以及测距装置。

3.根据权利要求2所述的人工源频率域电测深方法的专用装置，其特征在于，所述测距装置为GPS。

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