CN102062876A - 一种全区电偶源频率域电测深方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量水平电场分量Ey的全区电偶源频率域电测深方法。包括如下步骤：(1)布置发送电源和供电偶极；(2)选择测量频率，观测扇区的范围为：与偶极矩方向的夹角为5°～85°，选定收发距dL；布置测线，测点；(3)布置并连接测量电极及接收机；同步多道测量垂直于供电偶极矩的水平电场(Ey)分量，同时记录测点位置(相对偶极中心的坐标)；(4)存储数据并根据相应公式计算视电阻率。本发明适合于在全区进行地下电性分布观测；本发明仅需测量一个方向的电场数据，观测范围广，效率高，成本低，装备简单，观测数据受静态效应影响小，本发明可用于查明地下地质构造及矿产分布或者解决其他工程、水文及环境地质问题。

Description

一种全区电偶源频率域电测深方法

技术领域

本发明涉及一种勘察地球物理领域的电磁测深方法，特别涉及一种测量水平电场分量E_y的全区电偶源频率域电测深方法。

背景技术

在勘察地球物理电磁法领域，有多种电磁场测量及视电阻率计算方法，但均还存在一定的缺陷和不足。例如，现有的可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequencyMagnetotelluric，CSAMT)，需要在“远区”(收发距等于趋肤深度的7-9倍)测量一组相互正交的电、磁场水平分量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_xy/H_y(或者Z_yx＝E_y/H_x)，进而获得地下的视电阻率分布

(或者

)，以达到查明地下电性结构分布特征的目的。由于需要在远区测量两个相互正交的电、磁场水平分量，可以部署的测量面积十分有限。使用的装备必须具备既能测量电场又能测量磁场的功能。在野外作业的时候，需要同时测量电场和磁场，还要保证E_x、H_y(或者E_y、H_x)相互正交。测量E_x、H_y(或者E_y、H_x)的误差都被带入结果中，再通过平方使误差更加放大。并且通常所进行的标量E_x、H_y测量所测定的E_x是电场的法向分量，由于界面的积累电荷效应，受其静态效应影响明显。测量装置复杂，效率低下，受测量装备特别是磁探头的测量精度影响严重。因磁探头的制造技术受限于国外，导致整套仪器设备价格昂贵，使得现有的单点测量成本也较高。又由于在“远区”测量，信号微弱，势必要加大发送电流，使得发送装备笨重。因此，现有的CSAMT法还存在装置笨重、测量区域有限、手续繁琐、效率低下、测量成本高、精度不足、易受静态效应影响等缺点。

发明内容

为了解决上述现有CSAMT法的缺点，本发明的目的在于提供一种新的全区电偶源频率域电测深方法。本发明测量装置简单、测量区域宽广、效率高且成本相对较低。

本发明提出的全区电偶源频率域电测深方法，只测量电偶极源产生的垂直于供电偶极矩的水平电场分量E_y，测量收发距r，观测点与偶极矩正向的夹角

记录供电电流I，供电偶极A和B的距离dL，根据本发明提出的公式和方法进行计算，可获得任意大小收发距的全区视电阻率。

根据电磁场理论，准静态极限下，水平谐变电偶极子在均匀半空间表面所产生的电场分量可在柱坐标系中表述如下：

式中：E_r、

分别为柱坐标系下测点沿法向、切向的电场分量，r为测点距偶极中心的收发距，σ为均匀半空间的电阻率值，k为波数，在准静态条件下：

$k=(1+i)\sqrt{\frac{\mathrm{\μ\ω\σ}}{2}}---\left(3\right)$

μ为磁导率，ω为谐变电流的圆频率。

利用柱坐标与直角坐标之间的转换关系：

可以得到在直角坐标系中，均匀半空间表面电场y分量表达式：

同样，可以得到均匀半空间表面谐变电偶极子源的电场x分量表达式及磁场y分量表达式，并由此计算出均匀大地上电偶极子源的电磁场分布。据此可以得出在此条件下电磁场各分量在某一频率时与观测点位置的关系对比(详见图1)，E_y的信号强弱区域与E_x、H_y不同，因此，采用E_y来提取视电阻率信息，可以扩展CSAMT的野外观测范围。同时，在二维或近似二维地电条件下的实际数据采集过程中，偶极矩的方向垂直于地质构造的走向，而E_y沿着地质构造的走向，因其受法向电性界面的积累电荷效应影响较小，故受静态效应影响也小，利用E_y提取视电阻率信息，可以减小静态效应的影响。

由(5)式可定义视电阻率：

由(6)式可知，均匀半空间的E_y表达式与频率无关，也即不存在所谓近区、远区、过渡带的概念；由其定义的E_y视电阻率(6)式是“全区视电阻率”，由其所作的视电阻率曲线不会存在过渡区和近区畸变。需要指出的是，虽然电场y分量E_y在均匀半空间中其表达式与频率无关，但在层状条件或更复杂的二三维条件下并非如此。事实上，由柱坐标系中水平层状大地表面上电场分量的表达式：

(8)

及柱坐标与直角坐标之间的转换关系式(4)可知：

(9)

式中：

$R^{*}=\coth [m_1{h}_1+{\coth }^{-1}\frac{m_1}{m_2}\coth (m_2{h}_2+\mathrm{\Λ}+{\coth }^{-1}\frac{m_{N-1}}{m_N})]$

$R=\coth [m_1{h}_1+{\coth }^{-1}\frac{m_1}{m_2}\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\coth (m_2{h}_2+\mathrm{\Λ}+{\coth }^{-1}\frac{m_{N-1}}{m_N}\frac{{\mathrm{\ρ}}_{N-1}}{{\mathrm{\ρ}}_N})]$

$m_j=\sqrt{m^2-k_j^2};$ $k_j^2=\mathrm{i\ω\μ}/{\mathrm{\ρ}}_j$

m称为空间频率，它具有距离倒数的量纲。

由(9)式可知，E_y在层状介质条件下的表达式与频率存在关系。正是因为在层状条件下E_y表达式与频率的关系，才使得(6)式具有频率测深的意义。

本发明的全区电偶源频率域电测深方法包括以下步骤：

(1)布置发送电源及偶极矩；在指定勘察地区布置电偶源，连接交流发送电源与发送机，测量发送偶极距dL，偶极矩的方向选择垂直于地质构造的走向，同时记录供电电极A和B的坐标；

(2)选择测量频率范围、观测扇区的范围，布置测线、测点；根据实际勘探深度需要及测区大地背景电阻率选择测量频率范围，观测区域为扇形区域，扇区的范围为：与电偶极矩方向的夹角为5°～85°，最小收发距r可取到近区，最大收发距r则根据可探测到的最小电场强度幅值确定；测线可平行或垂直构造走向布置；

(3)布置并连接测量电极及接收机；测量垂直于供电偶极矩的水平电场(E_y)分量，记录测点位置；

(4)存储数据并根据公式(6)计算视电阻率。

本发明的积极效果：

(1)适合于在全区(包括近区、过渡区和远区)进行地下电性分布观测；可进行观测的区域范围宽广，与传统的CSAMT标量测量范围不同，可有效扩大野外数据观测扇区；

(2)本发明仅需测量一个方向的电场数据，可同步进行多道数据观测，不需进行装置更笨重且易受环境噪声干扰的磁场测量，可以有效的提高数据采集效率，减少采集成本；

(3)视电阻率计算方法简洁方便，适于进行后续反演解释；

(4)在二维或近似二维的地电条件下，沿平行构造方向布置测量电极，所测量的电场分量E_y沿地质构造的走向分布，其受法向电性界面的积累电荷效应影响较小，故受静态效应影响也小，可以减小静态效应的影响。

使用本发明，通过观测地下的电性分布，可以查明地下地电特性分布、地质构造及矿产分布或者解决其它工程、水文及环境地质问题。

附图说明

图1、图2分别是取ρ₁＝100Ω·m均匀大地上将参数PE＝IdL/2π归一化为1后的电场E_x、E_y分布。图中的电场数值经过了求对数处理，其中

f为选定的测深频率，x和y分别为沿偶极矩和垂直偶极矩方向的收发距，也即测点的相对偶极中心的坐标。由图可见，E_y的信号强弱区域与E_x不同，利用该图也可以圈出合适测量不同电场的区域。

图3是本方法的一种装置及观测方法实施例示意图。其中，发送电偶极垂直构造走向布置，测线及接收电极平行走向布置。

图4是本方法的另一种装置及观测方法实施例示意图。其中，发送电偶极及测线垂直构造走向布置，接收电极平行走向布置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

它是通过测量电偶极源产生的垂直于供电偶极矩的水平电场分量E_y，测量收发距r，观测点与偶极矩正向的夹角

记录供电电流I，供电偶极A和B的距离dL，来获得任意大小收发距的全区视电阻率。

本发明的具体操作步骤如下：

(1)布置交流发送电源，将发送电源与发送机连接，将电流发送机与两供电电极A和B连接，供电电极A和B之间的距离dL根据勘察需要确定，偶极矩的方向选择垂直于地质构造的走向；记录供电电极A和B的坐标；

(2)根据实际勘探深度需要及测区大地背景电阻率选择测量频率范围，一般来说，测量的最低频率应比要求的最大勘探深度所对应的频率还低几个频率，以确保合适的探测深度；观测扇区的范围为：与偶极矩方向的夹角为5°～85°，最小收发距可取到近区(小于等于0.01倍最低探测频率所对应的趋肤深度)，最大收发距则根据可探测到的最小电场强度幅值确定，其值受测区环境噪声水平制约；如图3或图4布置测线，具体测量排列布置方式可根据实际地形勘察目标区域确定，测点密度根据实际勘察需要确定；

(3)启动发送电流；如图3或图4布置测量电极，连接测量电极及信号接收机；启动接收机，同步多道测量垂直于供电偶极矩的水平电场(E_y)分量数据，同时记录测点位置(相对偶极中心的坐标)；

(4)由接收机存储数据并根据本发明所提供的公式(6)计算视电阻率；关闭接收机并继续进行下一排列的测量。

Claims (2)

1.一种全区电偶源频率域电测深方法，其特征在于，它是通过测量电偶极源产生的垂直于供电偶极矩的水平电场分量E_y，测量收发距r，观测点与偶极矩正向的夹角

记录供电电流I，供电偶极A和B的距离dL，来获得任意大小收发距的全区视电阻率，它包括以下步骤：

第一步，在指定勘察地区布置电偶源，测量供电偶极A和B的距离dL，偶极矩的方向选择垂直于地质构造的走向，同时记录供电电极A和B的坐标；

第二步，根据实际勘探深度需要及测区大地背景电阻率选择测量频率范围，观测区域为扇形区域，扇区的范围为：与电偶极矩方向的夹角为5°～85°，最小收发距r取到近区，最大收发距r则根据可探测到的最小电场强度幅值确定；测线可平行或垂直构造走向布置；

第三步，启动发送电流，同步多道测量垂直于供电偶极矩的水平电场E_y分量数据，同时记录测点位置；

第四步，由接收机存储数据，并根据如下公式计算视电阻率：

其中，

即为所得视电阻率，r为收发距，I是供电电流，dL是供电偶极A和B的距离，E_y即实际测量的电场分量数据，

是观测点与偶极矩正向的夹角。

2.根据权利要求1所述的一种全区电偶源频率域电测深方法，其特征在于最小收发距的大小取至r_min≤0.01δ(f_L)，其中δ(f_L)是最低探测频率f_L所对应的趋肤深度。

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