CN102707323A - 用于地质勘探的可控源音频磁场测深法 - Google Patents

用于地质勘探的可控源音频磁场测深法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于地质勘探的可控源音频磁场测深法，包括如下步骤：（1）.确定测线并布设人工场源；（2）.根据勘查任务设置场源频率范围；（3）.分别用水平磁棒和垂直磁棒在测点测磁场垂直量及磁场水平量；（4）.按如下公式计算频率倾子
Figure 2012102259492100004DEST_PATH_IMAGE002
（5）.将频率倾子转换为视电阻率，采用如下公式进行转换：
Figure 2012102259492100004DEST_PATH_IMAGE004
（6）.利用现行的反演方法，反演出地下介质的电阻率和深度。（7）.根据反演结果，绘制图件，推断解释地下介质构造等地质信息。本发明能避免电场测量引起的静态效应；能实现倾子对一维地质体的测量；采用频率倾子作为其换算参数增加了频率倾子对地下介质电性纵向变化的分辨率，且可实现频率倾子的定量反演，实现高速、高密度电磁测量。

Description

用于地质勘探的可控源音频磁场测深法
技术领域
本发明涉及一种用于地质勘探的可控源音频磁场测深法。
背景技术
随着国民经济的发展，大地电磁测深法（MT）、音频大地电磁测深（AMT）和可控源音频大地电磁测深（CSAMT）在国民生活中应用广泛。这些方法主要是基于Cagniard电阻率来研究地下地质情况，当地表横向电性不均匀或地形起伏时，都会产生静态效应。这种效应总是与二维或三维构造相关，且强度可达两个数量级，引起反演模型产生误差，使推断深度引起大的偏移，并使构造的解释复杂化。许多学者针对静态效应的消除提出很多种方法，但是，静态效应是必须测量电场的Cagniard电阻率所固有的，不可能从理论上根本地消除,因此到目前为止，尚没有一种方法能将静态效应进行彻底地消除。
音频磁场测深法（AFMAG）仅测量磁场，受静态效应影响极小，但是AFMAG采用天然源作为其场源，场源具有随机性、微弱性、极化不确定性等，和采用天然场源的MT、AMT法一样，AFMAG法需要花费巨大努力来记录和分析野外数据。并且由于天然平面波在地电介质一维或近似一维的情况下，没有垂直磁场，因此AFMAG对一维地质体无法探测。
MT、AMT、CSAMT、AFMAG等频率域电磁测深法中使用的倾子（Tipper）对于地下电性介质的横向变化响应灵敏度高，且其倾角可以反映断层、破碎带等的倾向信息，但是，倾子无法反映地下复杂电性介质的电阻率变化，不可通过倾子的值推断地下介质的电阻率变化情况，且其纵向分辨率低。
对于应用广泛的MT、AMT、CSAMT等频率域电磁场测深法，野外必须测量电场，对于地形复杂的地区，布设电极和放线通常非常困难，大大降低了野外采集数据的效率。且对于电场测量，难以实现高密度电磁测深，严重影响电磁勘探精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能较准确推断地下介质的电阻率变化情况，有效提高勘探精度的用于地质勘探的可控源音频磁场测深法。
本发明提供的这种用于地质勘探的可控源音频磁场测深法，包括如下步骤：
（1）.确定测线并布设人工场源；
（2）.根据勘查任务设置场源频率范围，按照该场源频率范围发射具有一系列频率的谐变电磁场信号，该谐变电磁场信号按照频率由低到高的顺序进行顺序循环发射，保证测线中每个测点测量过程中，场源至少发射一个完整频率循环的信号；
（3）.分别用水平磁棒和垂直磁棒在测点测磁场垂直分量及磁场水平分量；
（4）.按如下公式计算频率倾子
                                                               
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE004
为磁场垂直分量，为磁场水平分量，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE008
为角频率，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE012
为人工场源的谐振频率；
（5）.将步骤（4）获得的频率倾子转换为视电阻率，采用如下公式进行转换：
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE016
为人工场源谐振频率的序号，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE018
为谐振频率的总个数，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE020
为视电阻率，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE022
为某测点
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE024
，第
Figure 134259DEST_PATH_IMAGE016
个频率时，测量出的频率倾子，为1ohm-m（欧姆·米）均匀半空间，相同场源布置时，同一测点，第个频率时，人工模拟出的频率倾子；
（6）.利用现行的反演方法，反演出地下介质的电阻率和深度；
（7）.根据反演结果，绘制图件，推断解释地下介质构造等地质信息。
本发明由于仅测量磁场，避免了电场测量引起的静态效应；采用人工场源，克服了现有AFMAG天然场的缺陷，实现了对一维地质体的测量；采用频率倾子作为其换算参数，增加了倾子对地下介质电性纵向变化的分辨率，且可实现频率倾子的定量反演；仅测量磁场，不用布置电极，可以实现高速、高密度电磁测量。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2 是本发明场源发射信号示意图。
图3 是一个场源的工作区域，该场源采用的是水平电偶源。
图4a是一种张量测量的示意图。
图4b是另一种张量测量的示意图。
图4c是矢量测量示意图。
图4d是标量测量示意图。
图5是本发明在 N层水平均匀层状模型下，单一水平电偶极源空间布设图。
图6a是本发明频率倾子（FT）在单一电偶源x=y=6000m远区均匀半空间测深图。
图6b是现有技术AFMAG倾子（T）在单一电偶源x=y=6000m远区均匀半空间测深图。
图7a是二层D型模型频率倾子的响应曲线。
图7b是二层G型模型频率倾子的响应曲线。
图8a是对应于图7a频率倾子转换的视电阻率。
图8b是对应于图7b频率倾子转换的视电阻率。
具体实施方式
从图1可以看出本发明方法的工作过程如下:
1、测线的确定：此步骤与其它地球物理方法类似。首先，根据勘查任务的要求，如测区范围、勘查的深度等，在已知的地质和地球物理勘查信息的基础上，如测区的地层、地质构造信息，以前测区的物探勘查成果等，分析异常体可能的走向、倾向等信息，设计出一条或几条测线，使这些测线尽可能的垂直异常体走向，覆盖测区。
2、场源布设：在确定测线以后布设场源，场源布设中要尽可能的保证测线的所有测点处在远区。场源的选择有水平电偶源、水平磁偶源、垂直磁偶源以及它们的组合形式，如正交水平磁偶源等。其中磁偶源衰减快，适合于勘测浅部的地质信息；而电偶源相对衰减慢，适合于勘测深部的地质信息；而场源的组合形式，可以得到地下更丰富的信息，但代价相对也高。从图3可以看出本实施方式采用的是水平电偶源，长1-3千米，AB表示电偶极源的两个电极，
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE028
表示最低频率的趋肤深度，测区为以AB中点为中心，AB中垂线为轴线，左右30度且大于3
Figure 373149DEST_PATH_IMAGE028
的范围内。
3、场源发射信号：在布设完场源后，就开始发射具有一系列频率的谐变电磁场信号，通过发电机向电偶源的导线或磁偶源的线圈供入谐变电流产生，其中场源频率的设置与勘查任务有关，高频场源适合于浅部勘查，低频场源适合于深部勘查。谐变电磁场信号按着频率由低到高的顺序进行顺序循环发射，并保证，每个测点测量过程中，场源至少发射一个完整频率循环的信号，如图2所示，场源信号为周期为T 1 ，T 2 ，……的信号，按一定顺序，依次循环发射。
4、磁棒测量磁场：场源发射信号后，就可以进行磁场测量了。磁场的测量都是通过磁棒进行的，其中垂直磁场通过与水平面垂直的垂直磁棒测量，水平磁场通过与水平面平行的水平磁场测量，且两根水平磁棒一根与测线平行，一根与测线垂直。磁棒测量出的是磁场的时间序列信号，通过FFT（快速傅里叶变换）得到磁场在频率域的频率、幅值等信息。磁场的测量根据场源设置的不同，分为张量、矢量、标量等三种测量方式，图4a显示的是张量测量方式中的一种，它采用了两个水平场源，这两个场源相互分离但相互垂直，图4b显示的是张量测量方式中的另一种，它采用的两个场源垂直相交，磁棒测量时它将得到六个磁场分量的信息（HX1、HX2、HY1、HY2、HZ1、HZ2），因此张量测量方式得到信息最多、最能真实反应地下地质情况。图4c显示的是矢量测量方式，它采用一个场源，磁棒测量时得到三个磁场分量的信息（HX、HY、HZ），因此矢量测量得到的信息次之。标量得到信息最少，如图4d所示，它采用一个场源，磁棒测量得到两个磁场分量的信息（HX、HZ），因此标量测量最简单，经济，张量测量最复杂，花费最高，所以兼顾考虑，野外一般采用矢量测量。
5、计算FT及绘图：得到各个频率对应的磁场频率、幅值等信息后，就可以根据频率倾子公式求出频率倾子等信息，然后根据频率倾子与频率的关系，绘制出其变化关系图。
Figure 509732DEST_PATH_IMAGE002
由于本实施方式中采用的是矢量测量方式，式中Hτ为磁场水平分量，HZ是磁场垂直分量，
Figure 365561DEST_PATH_IMAGE008
为角频率，
Figure 358925DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 50937DEST_PATH_IMAGE012
为人工场源的谐振频率，FT是频率倾子。比如根据张量测量得到六个磁场分量的信息（HX1、HX2、HY1、HY2、HZ1、HZ2），Hτ磁场水平分量可以是HX1、HX2、HY1、HY2，根据所述频率倾子的公式，能分别得到四个频率倾子：
、
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE034
、
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE036
同理如果采用矢量测量方式得到三个磁场分量信息（HX、HY、HZ），Hτ磁场水平分量可以是HX或者HY，根据所述频率倾子的公式，将分别得到两个频率倾子：
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE040
作为本发明的一种实施方式在 N层水平均匀层状模型下，单一水平电偶极源空间布设图如图5所示。按照这种模型测绘了频率倾子（FT）在单一电偶源x=y=6000m远区均匀半空间测深图，其中电流为10A，偶极矩为1000m，频率60个，在10Hz-100kHz对数等间距分布，如图6a所示,其中FTx是指频率倾子在x方向的分量，FTy是指频率倾子在y方向的分量。还是按照图5所示模型对现有技术AFMAG倾子（T）在单一电偶源x=y=6000m远区均匀半空间测深图，其中电流为10A，偶极矩为1000m，频率60个，在10Hz-100kHz对数等间距分布，如图6b所示。将图6a与图6b相对比，可以看出频率倾子可以更直观地反应地下介质的电阻率变化。图7a为两层D型模型，第一层电阻率
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE042
（欧姆·米），层厚为
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE044
，第二层
Figure 2012102259492100002DEST_PATH_IMAGE046
时，频率倾子在测点station：x=y=6000m处的测深曲线，其中横坐标为60个频率，由于此图为人工模拟结果，因此此60个频率在10Hz-100kHz对数等间距分布，而野外工作中则按步骤4获取频率，纵坐标为频率倾子值；图7b为两层G型模型，第一层电阻率（欧姆·米），层厚为
Figure 872187DEST_PATH_IMAGE044
，第二层时，频率倾子在测点station：x=y=6000m处的测深曲线，其中横坐标为60个频率，并10Hz-100kHz对数等间距分布，纵坐标为频率倾子值。
6、求解视电阻率：野外获取了频率倾子等信息后，由于其与地下介质的电阻率是一种隐线性函数的关系，为了可以使用现存的各种数据处理方法，将其首先转换为视电阻率。
Figure 668290DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 881097DEST_PATH_IMAGE022
为某测点
Figure 711518DEST_PATH_IMAGE024
，第
Figure 46685DEST_PATH_IMAGE016
个频率时，野外测量出的频率倾子，为1ohm-m（欧姆·米）均匀半空间，相同场源布置时，同一测点，第个频率时，人工模拟出理论计算的频率倾子。图8a为图7a频率倾子的转化视电阻率，其横坐标为60个频率，并10Hz-100kHz对数等间距分布，纵坐标为频率倾子的转化视电阻率值；图8b为图7b频率倾子的转化视电阻率，其横坐标为60个频率，并在并10Hz-100kHz对数等间距分布，纵坐标为频率倾子的转化视电阻率值。
7、反演求解地下异常体的电阻率和深度：求取频率倾子转换视电阻率后，采用合适的反演方法，如若数据完全在远区，MT的反演方法（如Bostick等）都可以借鉴，但若数据不完全在远区，即包含近区、过渡带的信息时，可以采用最小二乘、Occam等反演方法，获取地下异常体的电阻率和深度。
8、绘制断面图等图件：获取各个测点、各个深度的异常体电阻率信息后，可以绘制其断面图等图件，更加直观的反映地下介质的构造信息。

Claims (1)

1.一种用于地质勘探的可控源音频磁场测深法，包括如下步骤：
（1）.确定测线并布设人工场源；
（2）.根据勘查任务设置场源频率范围，按照该场源频率范围发射具有一系列频率的谐变电磁场信号，该谐变电磁场信号按照频率由低到高的顺序进行顺序循环发射，保证测线中每个测点测量过程中，场源至少发射一个完整频率循环的信号；
（3）.分别用水平磁棒和垂直磁棒在测点测磁场垂直分量及磁场水平分量；
（4）.按如下公式计算频率倾子
                                                               
式中，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE004
为磁场垂直分量，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE006
为磁场水平分量，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE008
为角频率，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE012
为人工场源的谐振频率； 
（5）.将步骤（4）获得的频率倾子转换为视电阻率，采用如下公式进行转换：
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE016
为人工源谐振频率的序号，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE018
为谐振频率的总个数，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE020
为视电阻率，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE022
为某测点
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE024
，第
Figure 167904DEST_PATH_IMAGE016
个频率时，测量出的频率倾子，
Figure 2012102259492100001DEST_PATH_IMAGE026
为1ohm-m（欧姆·米）均匀半空间，相同场源布置时，同一测点
Figure 271995DEST_PATH_IMAGE024
，第
Figure 989415DEST_PATH_IMAGE016
个频率时，人工模拟出的频率倾子；
（6）.利用现行的反演方法，反演出地下介质的电阻率和深度；
（7）.根据反演结果，绘制图件，推断解释地下介质构造等地质信息。
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