CN103809204B - 一种野外音频大地电磁的数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种野外音频大地电磁（AMT）的数据采集方法。具体包括以下步骤：（1）在室内设计好面积性AMT采集的测线和测点坐标；（2）利用测量设备，对设计好的测线和测点进行实地定位，清除南北向测线上的障碍物；（3）布设电极；（4）在中央测点L4M4，布设南北向水平磁传感器Hx和东西向水平磁传感器Hy；（5）测量各测点的电位U_LiMj和测网中央的磁场；（6）移动测网，完成整个测区的工作；（7）利用测点周围4个点所测电位，计算电场强度；（8）计算每个测点的张量阻抗和视电阻率、相位数据；（9）计算各测点的张量阻抗和视电阻率，得到均匀化，高密度的阻抗和视电阻率、相位数据。

Description

一种野外音频大地电磁的数据采集方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及一种野外音频大地电磁（AMT）的数据采集方法。

背景技术

音频大地电磁法(AMT)是基于麦克斯韦尔电磁感应原理，利用岩石导电性差异的一种频率域电磁勘探方法。当变化的电磁波入射到地下，地下的电性介质由于电磁感应将产生二次场，通过在地表测量这种感应场和并通过相关的数据处理即可得到地下介质的电性分布。电磁波向地下传播时，其场强随深度增加而衰减，低频电磁波衰减慢，可穿透深部地质体，高频电磁波衰减快，穿透深度小，只能解决浅部地质问题。通过测量不同频率的电磁场，就可以探测不同深度地下地质体电阻率的分布特征，解决具有电阻率差异的各种地质问题。

在二维非均匀介质中，音频大地电磁法通常测量电磁场的4个分量，即Hx，Hy，Ex，Ey。根据测量的4个电磁场分量，可计算介质的张量阻抗和视电阻率（公式1、2）

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right]=\left[Z\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中 $\left[Z\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$ 称为张量阻抗，Zxy和Zyx称为主阻抗，Zxx和Zyy称为辅助阻抗。

ρ_ij＝0.2T|Z_ij|

ρ_ij为视电阻率， 为相位，i,j取值为x，y。

再根据数据的反演计算，就能得到不同深度电阻率的分布特征，推测地下地质特征，解决相关的地质问题。

AMT利用的场源是由于太阳风或雷电引起的天然场源，不需要人工场源，使得AMT的设备简单轻便。AMT探测的电磁场频率范围通常为1～10000Hz，能探测到地下深部信息，可较好的解决1000m内的地质问题。同时由于AMT测量的电磁场频率较多，对地质体具有较高的分辨率。这些特点使得AMT成为当前金属矿勘探的一种重要方法，同时在工程地质、水文地质等领域也得到了广泛应用。

目前，AMT的野外数据采集方法通常为有两种，一种为单站数据采集，如附图1所示，这种数据采集方法一次只能测量一个测点，测量时同时测量4道电磁场分量数据，2道电场Ex、Ey，2道磁场Hx、Hy，如美国Geometrics公司生产的EH4仪器就是单站测量方式。其需布设十字交叉的4个电极，同时清除4个方向的障碍物（荆棘、杂草、灌木等），如果需完成一个面积性测量任务，则测量时只能沿测线一个测点的移动测量，工作量大，效率低，数据采集时间长。这种方式只适合于工程量较小，不需要精细研究地质构造的问题。

第二种为一个主机配套2个或多个采集盒子的方式，如附图2所示的三站测量方式，中间的仪器同时测量4道电磁场分量数据，2道电场Ex、Ey，2道磁场Hx、Hy，前后2台仪器只测量2道电场数据Ex、Ey，在计算电阻率和相位时利用中间仪器的2道磁场数据Hx、Hy,这种测量方式前后2台仪器较简单，价格便宜，又能同时采集3个测点的数据，野外工作效率相对较高，目前加拿大凤凰公司生产的V8系统，可实现此种数据采集方式。这种采集方式是根据磁场在一定范围内变化很小的前提下，共享主机采集的磁场数据，其它采集盒子只采集电场数据，这种采集方式利用GPS时间同步，能同时采集多个测点的数据，但仍然需要在每个测点布设十字交叉的电极，清除4个方向的障碍物，工作量大，效率提高不多，如果是详勘性面积测量工作，这种测量方式野外数据采集时间仍较长。

目前许多的勘探任务，都需要详细查明地下地质结构，对地下介质进行三维的成像，这就需要高密度的面积性测量数据，提高勘探分辨率，精细地解决相应的地质问题，而上述生产中使用的两种音频大地电磁数据采集方法已不适应目前的勘探需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种野外音频大地电磁的数据采集方法，采用电场和磁场分离采集的方式，不需直接测量单点的十字正交电场分量（Ex，Ey），从而显著提高野外施工效率，简化施工方案，提高数据采集的密度，进而提高AMT方法探测地下地质体的分辨率。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案如下：

一种野外音频大地电磁的数据采集方法，具体包括以下步骤：

（1）在室内设计好面积性AMT采集的测线和测点坐标：南北向测线编号为L1、L2…L7，测点之间的距离为20m；东西向测线编号为M1、M2…M7，测点之间的距离为20m；测网中间的测点编号为LiMj，i∈（1，2，3，4，5，6，7），j∈（1，2，3，4，5，6，7）；

（2）利用测量设备，对设计好的测线和测点进行实地定位，清除南北向测线上的障碍物；

（3）在7×7测网的每个测点上布设电极，每条南北向测线通过多芯电缆将测线上的电极连接好，将7条多芯电缆的南端或北端连接到多通道测量电位的电场测量仪器上；

（4）在中央测点L4M4，布设南北向水平磁传感器Hx和东西向水平磁传感器Hy，南北向水平磁传感器Hx与测网的南北向两边平行，东西向水平磁传感器Hy与测网的东西向两边平行，将南北向水平磁传感器Hx和东西向水平磁传感器Hy与磁场测量仪器连接；

（5）利用步骤（3）中的电场测量仪器和步骤（4）中的磁场测量仪器测量各测点的电位U_LiMj（i=1,2…7;j＝1,2…7）和测网中央的磁场Hx，Hy，两台仪器间利用GPS进行时间同步，并将测量数据记录在存储器中；

（6）在野外测量时，根据音频大地电磁测量实际工作，通过移动7×7测网，重复步骤（2）到（5），直至完成整个测区的工作，完成一个高密度的大面积的测量任务；

（7）室内处理时利用测点周围4个点所测电位，计算电场强度Ex，Ey：

LiMj（i=1,2…7;j＝1,2…7;）测点的电场Ex=（U_LiM(j+1)-U_LiM(j-1)）/40；Ey=(U_L(i+1)Mj-U_L(i-1)Mj）/40；

（8）利用步骤（7）的方法计算测网中部5×5网格中每个测量记录点的电场Ex，Ey，利用测网中央同步测得的磁场Hx，Hy，计算每个测点的张量阻抗和视电阻率、相位数据：

在二维非均匀介质中，音频大地电磁法测量电磁场的4个分量Hx，Hy，Ex，Ey，通过如下公式计算介质的张量阻抗和视电阻率：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right]=\left[Z\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right],$ ρ_ij＝0.2T|Z_ij|，

式中 $\left[Z\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$ 为张量阻抗，Zxy和Zyx为主阻抗，Zxx和Zyy为辅助阻抗；ρ_ij为视电阻率， 为相位，i，j取值为x，y；

（9）在室内回放测量数据，利用步骤（7）到（8）的方法，根据各单个面积性测点的测量电位计算测点的正交电场Ex，Ey；利用测量的磁场Hx，Hy，计算各测点的张量阻抗和视电阻率，得到均匀化，高密度的阻抗和视电阻率、相位数据；对整个测点进行数据反演，得到整个测区内地下介质的电阻率分布特征，以研究地下的精细地质结构。

进一步的，步骤（2）中测量设备的动态定位精度在平面上为：±1cm以内，高程的定位精度为±2cm以内。步骤（2）中的测量设备采用差分GPS系统。步骤（3）中，在7×7测网的每个测点上布设的电极是选自以下两种电极中的一种：钢钎电极、不极化电极。步骤（3）中的多通道测量电位的电场测量仪器测量的电位精度为10^-7v以上，同时测量的数据通道在49道以上。步骤（4）中的水平磁传感器Hx和Hy测量频率范围为0.1~10⁴Hz。步骤（4）中的磁场测量仪器测量频率范围为0.1~104Hz，最高采样率为96000个样点/秒，同步精度为1微秒。

本发明利用一台磁场接受机采集矩阵中间的磁场数据Hx、Hy，再利用多通道电场接收机采集矩阵中间的25个测点的电场数据Ex、Ey，从而实现同时采集25个测点的目的，可大大提供工作效率。同时，传统的单点或多点测量方式都需要在纵向和横向布设电缆，而本发明仅需布设纵向电缆，若是在南方山区采集数据时，需砍伐纵横向的荆棘、杂草、灌木等，而本发明仅需在纵向砍伐荆棘、杂草、灌木，可显著减少布设电缆和开路的工作量

附图说明

图1为音频大地电磁单点数据采集方法；

图2为音频大地电磁多点测量方法；

图3为分离式高密度面积性音频大地电磁数据采集方法示意图。

图中：1-电极，2-南北向水平磁传感器，3-东西向水平磁传感器，4-GPS，5-电瓶，6-测量主机，7-电场测量仪器，8-电磁场测量仪器，9-辅助电极，10-测量记录点，11-多芯电缆，12-磁场测量仪器。

具体实施方式

下面结合附图3对本发明所提供的分离式高密度面积性音频大地电磁测量方法实施方式作说明：

一种野外音频大地电磁的数据采集方法，包括以下步骤：

（1）在室内设计好面积性AMT采集的测线和测点坐标：南北向测线编号为L1、L2…L7，测点之间的距离为20m；东西向测线编号为M1、M2…M7，测点之间的距离为20m；测网中间的测点编号为LiMj，i∈（1，2，3，4，5，6，7），j∈（1，2，3，4，5，6，7）；

（2）利用测量设备，对设计好的测线和测点进行实地定位，清除南北向测线上的障碍物；测量设备可使用经纬仪，但目前常用的为差分GPS，商用的差分GPS基本都能满足测点定位的要求，如中海达公司生产的V30GNSS RTK系统完成能满足物探测点的定位要求，其动态定位精度在平面上为：±1cm，高程的定位精度为±2cm；

（3）在7×7测网的每个测点上布设电极1，每条南北向测线通过多芯电缆11将测线上的电极连接好，将7条多芯电缆的南端或北端连接到多通道测量电位的电场测量仪器7上；多通道测量电位的电场测量仪器7测量的电位精度为10^-7v以上，同时测量的数据通道在49道以上；在测网的每个测点上布设的电极是选自以下两种电极中的一种：钢钎电极、不极化电极；

（4）在中央测点L4M4，布设南北向水平磁传感器2和东西向水平磁传感器3，具体可以采用加拿大凤凰地球物理公司的AMTC30，其测量频率范围为0.1~10⁴Hz；南北向水平磁传感器2与测网的南北向两边平行，东西向水平磁传感器3与测网的东西向两边平行，将南北向水平磁传感器2和东西向水平磁传感器3与磁场测量仪器12连接；磁场测量仪器12采用加拿大凤凰地球物理公司的v5仪器，其测量频率范围为0.1~10⁴Hz，24位模数转换，最高采样率为96000个样点/秒，GPS时钟同步，同步精度为1微秒；

（5）利用步骤（3）中的电场测量仪器7和步骤（4）中的磁场测量仪器12测量各测点的电位U_LiMj（i=1,2…7;j＝1,2…7）和测网中央的磁场Hx，Hy，两台仪器间利用GPS4进行时间同步，并将测量数据记录在存储器中；

（6）在野外测量时，根据音频大地电磁测量实际工作，通过移动7×7测网，重复步骤（2）到（5），直至完成整个测区的工作，完成一个高密度的大面积的测量任务；

（7）室内处理时利用测点周围4个点所测电位，计算电场强度Ex，Ey：

LiMj（i=1,2…7;j＝1,2…7;）测点的电场Ex=（U_LiM(j+1)-U_LiM(j-1)）/40；Ey=(U_L(i+1)Mj-U_L(i-1)Mj）/40；

（8）利用步骤（7）的方法计算测网中部5×5网格中每个测量记录点的电场Ex，Ey，利用测网中央同步测得的磁场Hx，Hy，计算每个测点的张量阻抗和视电阻率、相位数据：

在二维非均匀介质中，音频大地电磁法测量电磁场的4个分量Hx，Hy，Ex，Ey，通过如下公式计算介质的张量阻抗和视电阻率：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right]=\left[Z\right]\left[\begin{array}{c}{H}_x\\ H_y\end{array}\right],$ ρ_ij＝0.2T|Z_ij|，

式中 $\left[Z\right]=\left[\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{xx}}& Z_{\mathrm{xy}}\\ Z_{\mathrm{yx}}& Z_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]$ 为张量阻抗，Zxy和Zyx为主阻抗，Zxx和Zyy为辅助阻抗；ρ_ij为视电阻率， 为相位，i，j取值为x，y；

（9）在室内回放测量数据，利用步骤（7）到（8）的方法，根据各单个面积性测点的测量电位计算测点的正交电场Ex，Ey；利用测量的磁场Hx，Hy，计算各测点的张量阻抗和视电阻率，得到均匀化，高密度的阻抗和视电阻率、相位数据；对整个测点进行数据反演，得到整个测区内地下介质的电阻率分布特征，以研究地下的精细地质结构。

Claims (7)

1.一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在室内设计好面积性AMT采集的测线和测点坐标：南北向测线编号为L1、L2…L7，测点之间的距离为20m；东西向测线编号为M1、M2…M7，测点之间的距离为20m；测网中间的测点编号为LiMj，i∈{1，2，3，4，5，6，7}，j∈{1，2，3，4，5，6，7}；

(2)利用测量设备，对设计好的测线和测点进行实地定位，清除南北向测线上的障碍物；

(3)在7×7测网的每个测点上布设电极(1)，每条南北向测线通过多芯电缆(12)将测线上的电极连接好，将7条多芯电缆(12)的南端或北端连接到多通道测量电位的电场测量仪器(7)上；

(4)在中央测点L4M4，布设南北向水平磁传感器Hx(2)和东西向水平磁传感器Hy(3)，南北向水平磁传感器Hx(2)与测网的南北向两边平行，东西向水平磁传感器Hy(3)与测网的东西向两边平行，将南北向水平磁传感器Hx(2)和东西向水平磁传感器Hy(3)与磁场测量仪器(12)连接；

(5)利用步骤(3)中的电场测量仪器(7)和步骤(4)中的磁场测量仪器(12)测量各测点的电位U_LiMj(i＝1,2…7；j＝1,2…7)和测网中央的磁场Hx，Hy，两台仪器间利用GPS进行时间同步，并将测量数据记录在存储器中；

(6)在野外测量时，根据音频大地电磁测量实际工作，通过移动7×7测网，重复步骤(2)到(5)，直至完成整个测区的工作，完成一个高密度的大面积的测量任务；

(7)室内处理时利用测点周围4个点所测电位，计算电场强度Ex，Ey：

LiMj(i＝1,2…7；j＝1,2…7；)测点的电场Ex＝(U_LiM(j+1)-U_LiM(j-1))/40；Ey＝(U_L(i+1)Mj-U_L(i-1)Mj)/40；

(8)利用步骤(7)的方法计算测网中部5×5网格中每个测量记录点的电场Ex，Ey，利用测网中央同步测得的磁场Hx，Hy，计算每个测点的张量阻抗和视电阻率、相位数据：

在二维非均匀介质中，音频大地电磁法测量电磁场的4个分量Hx，Hy，Ex，Ey，通过如下公式计算介质的张量阻抗和视电阻率：

式中为张量阻抗，Zxy和Zyx为主阻抗，Zxx和Zyy为辅助阻抗；ρ_ij为视电阻率，为相位，i，j取值为x，y；

(9)在室内回放测量数据，利用步骤(7)到(8)的方法，根据各单个面积性测点的测量电位计算测点的正交电场Ex，Ey；利用测量的磁场Hx，Hy，计算各测点的张量阻抗和视电阻率，得到均匀化，高密度的阻抗和视电阻率、相位数据；对整个测点进行数据反演，得到整个测区内地下介质的电阻率分布特征，以研究地下的精细地质结构。

2.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(2)中测量设备的动态定位精度在平面上为：±1cm以内，高程的定位精度为±2cm以内。

3.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(2)中的测量设备采用差分GPS系统。

4.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(3)中，在7×7测网的每个测点上布设的电极(1)是选自以下两种电极中的一种：钢钎电极、不极化电极。

5.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(3)中的多通道测量电位的电场测量仪器(7)测量的电位精度为10-⁷v以上，同时测量的数据通道在49道以上。

6.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(4)中的南北向水平磁传感器Hx(2)和东西向水平磁传感器Hy(3)测量频率范围为0.1～10⁴Hz。

7.如权利要求1所述的一种野外音频大地电磁的数据采集方法，其特征在于：步骤(4)中的磁场测量仪器(12)测量频率范围为0.1～10⁴Hz，最高采样率为96000个样点/秒，同步精度为1微秒。