CN103869371A - 人工场源频率域全梯度电磁测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人工场源频率域全梯度电磁测量方法，在测区内布置测线和测点；人工场源发射不同频率电磁波，通过测量单元，完成测区内所有测点上对应发射频率下电磁场信号的测量；采用差分求取相关测点的电磁场梯度信号；根据测得的电磁场梯度信号对地下介质的电磁梯度信息进行反演，实现对地下目标体的勘探。与现有技术相比，消除了相邻测点电场信号中相同的噪声信号，增强了采集单元的抗干扰能力，提高了信噪比，降低了对人工场源发射功率的要求，具有比电场本身高的分辨力，能够对地质体边界进行圈定，反映地质体空间分布细节，对深部电性变化反映灵敏。提高了野外测量效率，降低了施工成本，提高了对地质异常解释的准确度。

Description

人工场源频率域全梯度电磁测量方法

技术领域：

本发明涉及一种地球物理电磁勘探方法，尤其是适用于在噪声干扰的测区环境下采用人工场源对地下异常体边界进行圈定识别的人工场源频率域电磁梯度测量方法。

背景技术：

电磁法勘探是利用电磁感应原理研究天然场源或人工场源在大地中激励的交变电磁场分布，并由观测到的电磁场分布研究地下电性及地质特性的一种地球物理方法，在矿产资源勘探和地质、工程环境调查中广泛应用。电磁法主要分为时间域电磁法和频率域电磁法，其中频率域电磁法根据探测深度与频率的关系，利用不同发射频率实现对不同深度电性结果的探测，通常探测深度较大，测量效率较高。按照场源的不同，频率域电磁法可以分为天然场源电磁法和人工场源电磁法，主要包括大地电磁法（MT）、音频大地电磁法（AMT）、可控源音频大地电磁法（CSAMT）、电磁阵列剖面法（EMAP）、混场源电磁法（HSMT）和广域电磁法（WFEM）。其中，人工源频率域电磁探测方法采用人工供电产生音频电磁场，使得所观测的电磁场的频率、场强和方向可控，具有抗干扰能力较强、分辨率较高的优点，近年来已经被广泛应用于金属矿、石油、天然气、地热、水文勘察及工程、地质调查等领域。人工源频率域电磁法通常测量各工作频率f由人工场源激发大地产生的电磁场信号E，通过对电磁场信号的绝对测量来计算出相应频率所对应的电阻率，进而达到测定地下结构的目的。目前，市场上主流的人工源频率域电磁法勘探仪器包括GDP32、GMS-07、V8和EH-4等，实际应用中人工源频率域电磁法勘探仪器通常测量沿测线方向的电场绝对量Ex和垂直于测线方向的磁场绝对量Hy，进而由这两个绝对量计算相应的视电阻率，以实现对地下结构进行探测的目的。

采用人工源频率域电磁法进行野外测量时，尽管信号比天然场源电磁法要强，但接收系统采集到的信号仍然包含大量的噪声。噪声干扰来源广，形式多样，影响频率范围宽，常规方法难以取得较好的压制效果。受此影响，在一些干扰较为严重区域或收发距较大时，仪器获得的数据信噪比较低，有时甚至出现有用信号被强噪声干扰淹没，严重影响数据质量。当采用受噪声干扰的数据进行资料解释时，将会导致电磁资料产生畸变，且分辨率降低，因此反映地下电性结构容易失真，有时甚至是错误的。为了压制噪声干扰，目前常用做法是加大人工场源发射功率。该措施有利于增强深部地质体的绝对电磁响应幅度，便于接收机检测，然而受野外施工条件和器件水平限制，大发射功率发射的拓展空间受到限制，对噪声的压制水平有限。

此外，当前人工源频率域电磁法通过绝对电磁场对地下结构进行探测时，由于地下异常体引起的视电阻率沿测线的变化是平缓渐变的，测量结果只能确定异常体的大致位置，而无法对异常体的边界细节（包括纵向分界面）进行圈定识别。同时，这种测量方法对于一些较小的异常体和一些控制油气藏或矿体的次级断裂带无法识别，容易漏掉，难以满足深部精细探测的需要。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有方法技术的不足，提供一种人工场源频率域全梯度电磁测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种人工场源频率域电磁梯度探测方法，包括以下步骤：

A、根据实际的探测任务和目标，确定人工场源发射机和测区的位置，并且按照特定的测网布置规则在测区内对测线和测点进行布置；

B、人工场源发射不同频率的电磁波，通过测量单元，完成测区内所有测点上对应发射频率f下电磁场信号E的测量，其中电磁场信号E的采集与人工场源电磁波的发射保持同步；

C、根据测区内相邻测点上的电磁场信号E，采用差分的方式求取相关测点的电磁场梯度信号ΔE，其中相邻测点上的电磁场信号E采用特定方式获取，为同步测量的同一时间段的数据；

D、根据测得的电磁场梯度信号ΔE，并结合人工源发射电磁波的频率f，对地下介质的电磁梯度信息进行反演解释，以实现对地下目标体的勘探。

步骤A中所述的测网布置规则包括：

——在测区内建立平面直角坐标系，沿测线方向为x方向，测线偏移的方向为y方向，x方向与y方向互相垂直；

——每条测线的起始点为0列测点，沿x方向增大，终点为n列测点，每条测线等间隔分布n+1个测点，相邻测点间的距离l_x根据需要设置，一般为20m～200m之间的某一特定值；

——测区内第一条测线为0号测线，沿y方向增大，最后一条测线为m号测线，测区内等间隔布置m+1条测线，相邻测线的偏移距离l_y根据需要设置，一般为20m～200m之间的某一特定值。

步骤B中所述的电磁波发射频率f为一系列不同发射频点的集合，集合中某一发射频率f_k对应的趋肤深度为

其中ρ为大地电阻率，发射频率由所需探测深度和纵向分辨率确定。

步骤B中所述的电磁场信号E包括x方向的电场信号Ex、y方向的电场信号Ey、x方向的磁场信号Hx、y方向的磁场信号Hy和垂直于大地平面的z方向的磁场信号Hz共5个分量，实际测量中可根据情况对5个电磁场信号分量进行选择性测量，测区内第i条测线上第j列测点的在发射电磁波频率为f_k时任意分量电磁场信号用E（j，i，f_k）表示。

步骤C中所述的测区内相关测点的电磁场梯度信号ΔE包括沿测线x方向的电磁场梯度ΔxE，垂直于测线y方向的电磁场梯度ΔyE，以及垂直于大地平面的z方向的准梯度ΔzE，电磁场梯度信号ΔE包括Ex、Ey、Hx、Hy和Hz在内的x、y方向上的10个电磁场梯度信号和z方向的5个准梯度信号，实际应用中根据具体要求选择对需要的ΔE分量进行测量，其中：

——沿x方向的第m号测线上的测点没有y方向的电磁场梯度ΔyE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时y反向的电磁场梯度ΔyE（j，i，f_k）=[E（j，i+1，f_k）-E（j，i，f_k）]/l_y；

——所有测线上沿y方向的第n列测点没有x方向的电磁场梯度ΔxE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时x反向的电磁场梯度ΔxE（j，i，f_k）=[E（j+1，i，f_k）-E（j，i，f_k）]/l_x；

——测区内所有测点在最后一个发射频点上没有z方向的准梯度ΔzE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时z方向的电磁场准梯度ΔzE（i，j，f_k）=[E（i，j，f_k+1）-E（i，j，f_k）]/[logf_k+1-logf_k]。

步骤C中所述的获取相邻测点上电磁场信号E采用的特定方式包括：

——分布式测量，采用（n+1）×（m+1）个采集单元覆盖测区内所有的测点，对测区内所有测点电磁场信号实施一次性同时测量，保证相邻测点上采集到的电磁场信号E为同步测量的同一时间段的信号；

——阵列滚动式测量，由少量的采集单元组成测量阵列，对测区内所有测点的电磁场信号E进行逐次滚动式测量，相邻两个测量阵列中第一个测量阵列的末端电磁场信号和第二个测量阵列的首端电磁场信号进行重复交叉测量，以保证求取电磁场梯度时相邻两个测点的电磁场信号为同步测量的同一时间段的信号，其中，每个测量阵列中x方向至少包含2个测量单元，y方向至少包含2个测量单元，每个测量阵列中所有的测量单元同步采集电磁场信号。

有益效果：与现有技术相比，（1）本发明通过采用差分方式求取电场梯度，消除了相邻测点采集到的电场信号中相同的噪声信号，增强了采集单元的抗干扰能力，提高了采集数据的信噪比，使仪器系统对噪声的压制更加明显。（2）梯度测量能够提高采集数据的信噪比，允许采集数据中具有一定的噪声信号，降低了对人工场源发射功率的要求，间接地提高了对人工场源发射机的利用效率。（3）电场梯度能够反映电场信号的变化量，具有比电场本身高的分辨能力，能够对地质体边界进行圈定识别，反映地质体空间分布的细节，并对深部电性变化反映灵敏。（4）本方法适用于现有市场上流行的电磁探测系统，如EH4电磁成像系统、GMS-07系统、GDP32和V8地球物理系统等，能够利用分布式电磁法仪器实现，具有良好的适用性和推广价值。（5）本方法还可以与CSAMT、EMAP、HSMT等电磁法同步进行观测，提高了野外测量工作效率，降低了施工成本，增加了对地质异常解释的准确度。

附图说明：

图1：野外测区布置图；

图2：野外电磁场采集方式图：

（a）分布式测量，（b）阵列滚动式测量；

图3：梯度测量方式对噪声的抑制效果图；

图4：梯度测量方式对x方向分辨率的改善效果图：

（a）Ex绝对场值，（b）Ex梯度场值

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

实施例中测区内n=100，m=100，l_x=l_y=50m，测量x方向的电磁梯度：

一种人工场源频率域电磁梯度探测方法，包括以下步骤：

A、根据实际的探测任务和目标，确定人工场源发射机和测区的位置，并且按照特定的测网布置规则在测区内对测线和测点进行布置；

B、人工场源发射特定频率的电磁波，通过测量单元，完成测区内所有测点上对应发射频率f下电磁场信号E的测量，其中电磁场信号E的采集与人工场源电磁波的发射保持同步；

C、根据测区内相邻测点上的电磁场信号E，采用差分的方式求取相关测点的电磁场梯度信号ΔE，其中相邻测点上的电磁场信号E采用特定方式获取，为同步测量的同一时间段的数据；

D、根据测得的电磁场梯度信号ΔE，并结合人工源发射电磁波的频率f，对地下介质的电磁梯度信息进行反演解释，以实现对地下目标体的勘探。

图1所示为野外测区布置示意图，包括人工场源和采集单元。按照特定的测网布置规则对测区进行布置，具体方法为：

——在测区内建立平面直角坐标系，沿测线方向为x方向，测线偏移的方向为y方向，x方向与y方向互相垂直；

——每条测线的起始点为0列测点，沿x方向增大，终点为100列测点，每条测线等间隔分布101个测点，相邻测点间的距离l_x为50米；

——测区内第一条测线为0号测线，沿y方向增大，最后一条测线为100号测线，测区内等间隔布置101条测线，相邻测线的偏移距离l_y为50m。

采集单元分布于测区内，当人工场源发射特定频率的电磁波时，采集单元完成测区内所有测点上对应发射频率f下电磁场信号E的测量。电磁波发射频率f为一系列特定发射频点的集合，集合中发射频率f_k对应的趋肤深度为

其中ρ为大地电阻率，发射频率由所需探测深度和纵向分辨率确定，纵向分辨率由实际反演需要确定，为探测深度与某一系数的乘积。电磁场信号E包括x方向的电场信号Ex、y方向的电场信号Ey、x方向的磁场信号Hx、y方向的磁场信号Hy和垂直于大地平面的z方向的磁场信号Hz共5个分量，当实际测量中对x方向的电磁场信号Ex进行测量，测区内第i条测线上第j列测点的在发射电磁波频率为f_k时电磁场信号Ex用E（j，i，f_k）表示。在进行测量时，要求电磁场信号Ex的采集与人工源电磁波的发射保持同步，同步方式可以通过导线电缆、恒温晶振或者GPS的方式实现。

测区内相关测点的电磁场梯度信号ΔE是由相邻测点上同步采集的同一时间段的电磁场信号E通过差分方式获得的，包括沿测线x方向的电磁场梯度ΔxE，垂直于测线y方向的电磁场梯度ΔyE，以及垂直于大地平面的z方向的准梯度ΔzE，电磁场梯度信号ΔE包括Ex、Ey、Hx、Hy和Hz在内的x、y方向上的10个电磁场梯度信号和z方向的5个准梯度信号，测量中所有测线上沿y方向的第100列测点没有x方向的电磁场梯度ΔxE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时x反向的电磁场梯度ΔxE（j，i，f_k）=[E（j+1，i，f_k）-E（j，i，f_k）]/50；

图2所示为野外电磁场采集方式示意图。采集单元同步获取相邻测点上电场信号E采用的特定方式包括分布式测量和阵列滚动时测量两种方式。

图2（a）所示为分布式测量方式，采用101×101个采集单元覆盖测区内所有的测点，对测区内所有测点电磁场信号实施一次性同步测量，保证相邻测点上采集到的电磁场信号E为同步测量的同一时间段的信号。

阵列滚动式测量方式，由少量的采集单元组成测量阵列，对测区内所有测点的电磁场信号E进行逐次滚动式测量，相邻两个测量阵列中第一个测量阵列的末端电磁场信号和第二个测量阵列的首端电磁场信号进行重复交叉测量，以保证求取电磁场梯度时相邻两个测点的电磁场信号为同步测量的同一时间段内的信号。其中，每个测量阵列中x方向至少包含2个测量单元，y方向至少包含2个测量单元，每个测量阵列中所有的测量单元同步采集电磁场信号。图2（b）中所示为由x方向的2个采集单元和y方向的2个采集单元组成的测量阵列，每个测量阵列可以同时完成对4个测点电磁场信号的测量，测量阵列可以向x方向滚动测量，也可以向y方向滚动测量，但是相邻两个测量阵列的首端和末端要进行交叉重复测量，以保证求取电磁场梯度时相邻两个测点的电磁场信号为同步测量的同一时间段内的信号。

图3所示为梯度测量方式对噪声的抑制效果图。图中信号是由吉林大学自主研制的JLEM-Ⅱ采集站在点距为50m，人工源发射电磁波频率为10.67Hz时采集到的x方向的电场信号Ex，其中上方为采集的相邻两个测点电场Ex绝对场值的频谱图，下方为测线x方向相邻测点电场值差分后的电场梯度场值的频谱度。由图中可以看出，电场绝对场值的噪声幅值在10^-7数量级，电场梯度场值的噪声幅值在10^-8数量级，通过差分后，噪声得到明显的抑制，而梯度场是由电场绝对场获得，当噪声水平降低后，数据的信噪比得到提高。通过采用差分方式求取电场梯度，消除了相邻测点采集到的电场信号中相同的噪声信号，增强了采集单元的抗干扰能力，提高了采集数据的信噪比，使仪器系统对噪声的压制更加明显。该种方式允许采集到的信号中含有一定的噪声，随着差分后噪声水平的降低，当获得相同的梯度场值时，可以适当的降低绝对场值的幅值，而电场绝对场值的信号幅值与人工源发射电流的大小成正比，与人工源发射功率的二次方成正比。当电场绝对场值降低时，可以大幅度的降低人工场源的发射功率，从而间接地提高了对人工场源发射机的利用效率。

图4所示为梯度测量方式对x方向分辨率的改善效果图。采用长×宽×高为1000m×1000m×200m且电阻率为10Ω·m的低阻异常体埋深于原点位置下方500m处的模型进行正演计算，其中异常体周围介质电阻率为100Ω·m，异常体边界x坐标为-500m和500m。图4（a）所示为电场Ex绝对场在x坐标位置上幅度变化规律，包括均匀大地模型和异常体模型，图4（b）所示为电场Ex沿x方向的梯度场在x坐标位置上幅度的变化规律，包括均匀大地模型和异常体模型。图4（b）中梯度场在-500m和500m的位置上具有明显的极值，而图4（a）中在-500m和500m处没有特殊反应。由图4可知，梯度场能够很好的反应异常体的边界。电磁场梯度能够反映电磁场信号的变化量，具有比电磁场本身更高的分辨能力，因此，能够对地质体边界进行圈定识别，反映地质体空间分布的细节，并对深部电性变化反映灵敏。

Claims (6)

1.一种人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据实际的探测任务和目标，确定人工场源发射机和测区的位置，并且按照特定测网布置规则在测区内对测线和测点进行布置；

B、人工场源发射不同频率的电磁波，通过测量单元，完成测区内所有测点上对应发射频率f下电磁场信号E的测量，其中电磁场信号E的采集与人工场源电磁波的发射保持同步；

C、根据测区内相邻测点上的电磁场信号E，采用差分的方式求取相关测点的电磁场梯度信号ΔE，其中相邻测点上的电磁场信号E采用特定方式获取，为同步测量的同一时间段的数据；

D、根据测得的电磁场梯度信号ΔE，结合人工源发射电磁波的频率f，对地下介质的电磁梯度信息进行反演，实现对地下目标体的勘探。

2.按照权利要求1所述的人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，步骤A中所述的特定测网布置规则包括：

——在测区内建立平面直角坐标系，沿测线方向为x方向，测线偏移的方向为y方向，x方向与y方向互相垂直；

——每条测线的起始点为0列测点，沿x方向增大，终点为n列测点，每条测线等间隔分布n+1个测点，相邻测点间的距离l_x根据需要设置，一般为20m～200m之间的某一特定值；

——测区内第一条测线为0号测线，沿y方向增大，最后一条测线为m号测线，测区内等间隔布置m+1条测线，相邻测线的偏移距离l_y根据需要设置，一般为20m～200m之间的某一特定值。

3.按照权利要求1所述的人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，步骤B中所述的电磁波发射频率f为一系列不同发射频点的集合，集合中某一发射频点f_k对应的趋肤深度为

其中ρ为大地电阻率，发射频率f由所需探测深度和纵向分辨率确定。

4.按照权利要求1所述的人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，步骤B中所述的电磁场信号E包括x方向的电场信号Ex，y方向的电场信号Ey，x方向的磁场信号Hx，y方向的磁场信号Hy和垂直于大地平面的z方向的磁场信号Hz共5个分量，实际测量中根据实际情况对5个电磁场信号分量进行选择性测量，测区内第i条测线上第j列测点的在发射电磁波频率为f_k时5个分量中的任意分量电磁场信号用E（j，i，f_k）表示。

5.按照权利要求1所述的人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，步骤C中所述的测区内相关测点的电磁场梯度信号ΔE包括沿测线x方向的电磁场梯度ΔxE，垂直于测线y方向的电磁场梯度ΔyE，以及垂直于大地平面的z方向的准梯度ΔzE，电磁场梯度信号ΔE包括Ex、Ey、Hx、Hy和Hz在内的x、y方向上的10个电磁场梯度信号和z方向的5个准梯度信号，实际应用中根据具体要求选择对需要的ΔE分量进行测量，其中：

——沿x方向的第m号测线上的测点没有y方向的电磁场梯度ΔyE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时y反向的电磁场梯度ΔyE（j，i，f_k）=[E（j，i+1，f_k）-E（j，i，f_k）]/l_y；

——所有测线上沿y方向的第n列测点没有x方向的电磁场梯度ΔxE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时x反向的电磁场梯度ΔxE（j，i，f_k）=[E（j+1，i，f_k）-E（j，i，f_k）]/l_x；

——测区内所有测点在最后一个发射频点上没有z方向的准梯度ΔzE，测区内第i条测线上第j列测点在电磁波发射频率为f_k时z方向的电磁场准梯度ΔzE（i，j，f_k）=[E（i，j，f_k+1）-E（i，j，f_k）]/[logf_k+1-logf_k]。

6.按照权利要求1所述的人工场源频率域全梯度电磁测量方法，其特征在于，步骤C中所述的获取相邻测点上电磁场信号E采用的特定方式包括：

——分布式测量，采用（n+1）×（m+1）个采集单元覆盖测区内所有的测点，对测区内所有测点电磁场信号实施一次性同时测量，保证相邻测点上采集到的电磁场信号E为同步测量的同一时间段的信号；

——阵列滚动式测量，由少量的采集单元组成测量阵列，对测区内所有测点的电磁场信号E进行逐次滚动式测量，相邻两个测量阵列中第一个测量阵列的末端电磁场信号和第二个测量阵列的首端电磁场信号进行重复交叉测量，以保证求取电磁场梯度时相邻两个测点的电磁场信号为同步测量的同一时间段的信号，其中，每个测量阵列中x方向至少包含2个测量单元，y方向至少包含2个测量单元，每个测量阵列中所有的测量单元同步采集电磁场信号。

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