CN104597506A - 频率域地空电磁勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种频率域地空电磁勘探方法，该方法采用地面发射，空中接收电磁波信号的工作模式，提取信号的频谱并通过全区视电阻率法反演解释地下电性结构，是一种新型的电磁勘探方法。工作于地面的发射系统，通过多台级联向地下发射多频伪随机波，激发一次可获得多个频率的信号，大大提高了探测效率。接收系统搭载在飞行器上，在测区上空测量磁场，能够适应地表结构复杂的环境同时减弱了近场影响引起的静态效应，拓展了电磁勘探的探测范围。系统可在测量多个磁场分量的情况下对被测磁场分量进行校正和补偿，提高了磁场测量的分辨能力。此方法适用于地表条件恶劣区域的深部探测，具有探测范围广、探测深度大、探测效率高等特点。

Description

频率域地空电磁勘探方法

技术领域：

本发明涉及一种航空电磁法，尤其是一种适用于地表环境复杂区域深部勘探的频率域地空电磁勘探方法。

技术背景：

电磁法作为一种重要的勘探地球物理方法,应用领域广泛,分支众多。金属矿产勘探是电磁法的传统应用领域。随着我国经济的发展,电磁法的应用领域己经拓展到地下水勘探、工程勘探、油气资源勘探、海洋资源勘探以及地质调查等众多领域，特别是近几年地球深部构造和地球动力学研究的兴起,为电磁法发展提供了良好的契机。

电磁法种类繁多,按其勘探方式可分为电磁测深法和电磁剖面法,而电磁测深法又包括时间域方法和频率域方法。频率域电磁测深法发展较快，应用广泛，是地下深部电性结构探测的主要方法。20世纪50年代,法国的Cagniard和前苏联的Tikhonov提出了大地电磁法(MT)；20世纪60年代的Berdiehevski等(1969),提出了音频大地电磁法(AMT)；1971年和1978年,20世纪70年代初由加拿大多伦多大学D.W.Strangway和Myron Goldtein提出可控源音频大地电磁法(CSAMT)。大地电磁法(MT)和音频大地电磁法(AMT)测量由太阳风或太阳黑子活动及赤道区的闪电雷击等天然场源在地球表面产生的各种频率的水平电磁场,通过卡尼亚视电阻率公式计算各频率的视电阻率，从而了解地下不同深度的电性结构。这些方法不受高阻屏蔽影响,设备轻便,勘探深度能达到数百公里，但缺点是场源不可控且信号微弱,易受环境噪声影响。尤其是在矿山、城区附近，很难开展工作。可控源音频大地电磁法(CSAMT),通过人工发射电磁波解决了天然场源微弱和多变性问题,增强了信噪比。其不足在于需要大功率发射机,增加了野外工作的难度。

大地电磁法、音频大地电磁法和可控音频大地电磁法和瞬变电磁法，均为地面电磁勘探方法，接收机布置在地面，逐个测点进行数据采集。在进行大面积内地下结构勘探时，需要花费大量的时间和人力、物力,勘探效率低，勘探成本高。这种地面电磁勘探方法在地表条件恶劣的区域，则无法施工。为了提高勘探效率和降低成本，上世纪中期就有人提出了航空电磁法，并得到快速发展。航空电磁法分为频率域航空电磁法及时间域航空电磁法，以飞机为测量平台，具有快速、成本低、效率高、探测范围大等特点。但对于有源(人工源)的航空电磁勘探系统，由于发射功率和载重量的限制,勘探深度远远小于地面电磁勘探系统。而对于无源(天然源)的航空电磁勘探系统则因信号弱难以获取高质量数据。为了融合地面时间域电磁法和航空时间域电磁法的优势,有人提出了一种半航空时间域电磁勘探方法，即在地面布置发射源,在空中利用直升机或无人机接收电磁信号。该方法实现了大功率发射,提高了勘探深度，但探测深度仍远小于地面频率域电磁法的探测深度，且存在观测范围较小的不足。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种频率域地空电磁勘探方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

频率域地空电磁勘探方法采用频率域地空电磁探测的工作装置，通过地面发射，空中接收的工作方式获取频率域地空电磁探测数据。

频率域地空电磁勘探方法，采用频率域地空电磁探测装置，通过地面发射，空中接收的工作方式获取频率域地空电磁探测数据；

所述的探测装置由位于地面的发射系统、位于空中的接收系统和位于地面的GPRS远程监控系统组成。

所述的发射系统是由一台或一组平行等间距分布的接地长导线、发射机和发射电流记录装置组成，接地长导线间距依据勘探要求的发射功率和勘探区域的面积而定，通常为30米～100米。

频率域地空电磁勘探方法，包括以下步骤：

A、根据测量任务和目标确定测区位置、发射系统的位置及发射频率，并在测区正上方沿平行或垂直接地长导线方向设计测线，保证最大收发距处的接收机能够接收到有效信号；

B、布置发射系统并记录接地长导线的长度dl，启动发射机并控制接地长导线源向地面激发单频方波或多频伪随机波，同时启动发射电流记录装置，记录发射频率及发射电流并按时间序列存储；

C、飞行器搭载接收系统在测线正上方固定高度上匀速飞行，GPRS远程监控系统控制接收机通过GPS与发射机同步采集空中x,y,z三个方向的响应磁场信号，同时记录接收机的高度H及位置坐标P并按时间序列存储；

D、以存储时间为依据整理数据得到各测点的采集数据，获取采集信号的归一化频谱，并通过全区视电阻率法对数据进行处理，反演解释地下电性结构信息。

步骤D所述的数据整理按以下步骤进行：

a、将测线所有时间序列按时间分段，分段时间间隔t依据飞行器的速度v、满足勘探要求分辨率的测点间距D为50～500m以及最低发射频率f_l而定，保证t时间满足采样定理即保证t时间内采集到a(a＞2)个整周期的频率为f_l的信号，且t时间内飞行器飞过的路程不超过测点间距D，即保证：且v×t≤D；

b、将各时间段数据通过多次叠加合成为一个测点的数据，并通过计算数据段对应的飞行器的平均位置坐标确定测点的位置坐标P_m；

c、通过频谱分析提取第n条测线位置坐标为P_m的测点，发射频率f_k对应的x，y，z方向磁场的幅度，分别记为H_x(n，P_m，f_k)、H_y(n，P_m，f_k)、H_z(n，P_m，f_k)；

d、对发射电流记录装置的采集数据进行处理，得到发射频率f_k对应的发射电流I_k，对磁场的幅度进行归一化，即：

$H_y^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_y(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}},H_z^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_z(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}}.$

有益效果：频率域地空电磁勘探方法，实现地下深部电性结构的快速探测，特别是解决地表条件恶劣区域的深部探测问题，使地面频率域电磁法在探测深度方面的优势与航空测量在效率方面的优势有机结合。与现有技术相比，采用地面发射，空中接收电磁波信号的工作模式，提取信号的频谱并通过全区视电阻率法反演解释地下电性结构，是一种新型的电磁勘探方法。工作于地面的发射系统，通过多台级联向地下发射多频伪随机波，激发一次可获得多个频率的信号，大大提高了探测效率。接收系统搭载在飞行器上，在测区上空测量磁场，能够适应地表结构复杂的环境，同时减弱了近场影响引起的静态效应，拓展了电磁勘探的探测范围。系统可在测量多个磁场分量的情况下对被测磁场分量进行校正和补偿，提高了磁场测量的信噪比和分辨能力。此方法适用于地表条件恶劣区域的深部探测，具有探测范围广、探测深度大、探测效率高的特点，具有良好的应用前景和推广价值。

附图说明：

图1、频率域地空电磁勘探系统示意图

图2、频率域地空电磁勘探野外施工方式图

2a平行接地长导线方向布置测线

2b垂直接地长导线方向布置测线

图3、频率域地空电磁勘探数据处理流程图

图4、频率域地空电磁勘探方法正演结果图

4a磁场响应幅度随偏移距y变化曲线

4b磁场相对异常随偏移距y变化曲线

图5、地空电磁勘探实验归一化磁场幅度曲线

图6、野外勘探实验发射频率及对应发射电流

图7、本发明与地面频域电磁勘探方法的勘探效率对比表。

1发射系统，2接收系统，3GPRS远程监控系统，4发射机，5接地长导线，6发射电流记录装置，7磁传感器，8接收机，9飞行器，10目标体，11测线。

具体实施方式：

下面结合附图和实例作进一步的详细说明：

图1所示为频率域地空电磁勘探系统示意图，地空电磁勘探系统由工作于地面的发射系统1、工作于空中的接收系统2以及基于GPRS的远程监控系统3组成。发射系统由一台或一组平行等间距分布的接地长导线4、发射机5和发射电流记录装置6组成。每台发射机通过接地长导线向地面发射单一频率的方波或含有多个频率成分的伪随机波。接收系统由磁传感器7、接收机8和飞行器9组成，在GPRS监控系统3的控制下测量空中的磁场信号。

频率域地空电磁勘探方法中上述勘探系统按以下步骤进行：

A、根据测量任务和目标确定测区位置、发射系统的位置及发射频率，并在测区正上方沿垂直或平行接地长导线方向设计测线；接地长导线间距为50米，平行分布的接地长导线做发射源；

B、布置发射系统，启动发射机并控制接地长导线向地面激发单频方波或多频伪随机波，同时启动发射电流记录装置，记录发射频率及发射电流并按时间序列存储；

C、飞行器搭载接收系统在测线正上方固定高度上匀速飞行，GPRS远程监控系统控制接收机通过GPS与发射机同步采集空中x,y,z三个方向的磁场，同时记录接收机的高度H及位置坐标P并按时间序列存储；

D、以存储时间为依据整理数据得到各测点的采集数据，获取采集信号的频谱，并通过全区视电阻率法对数据进行处理，反演解释地下电性结构信息。

图2所示为针对已知地质走向的目标体8，发射系统位置分别如图2a和2b所示时，可以沿平行或垂直于接地长导线方向设计并布置测线。

图3所示为频率域地空电磁勘探方法数据处理流程图，图中展示了地空电磁勘探方法采集数据的处理流程。

步骤D所述的数据整理按以下步骤进行：

a、将测线所有时间序列按时间分段，分段时间间隔t依据飞行器的速度v、勘探要求的测点间距D为100m，保证t时间满足采样定理即保证t时间内采集到a(a＞2)个周期的频率为f_l的信号，且t时间内飞行器飞过的路程不超过测点间距D，即保证：且v×t≤D；

b、将各时间段数据通过多次叠加合成为一个测点的数据，并通过计算数据段对应的飞行器的平均位置坐标确定测点的位置坐标P_m；

c、通过频谱分析提取第n条测线位置坐标为P_m的测点，发射频率f_k对应三个方向磁场的幅度，记为H_x(n，P_m，f_k)、H_y(n，P_m，f_k)、H_z(n，P_m，f_k)；

d、对发射电流记录装置的采集数据进行处理，得到不同发射频率f_k对应的发射电流I_k，对磁场幅度进行归一化：

$H_y^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_y(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}},H_z^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_z(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}}.$

e、通过全区视电阻率法计算视电阻率，并应用视电阻率反演解释地下电性结构信息。

针对已知模型，应用地空电磁勘探方法正演计算，分析发射频率为64Hz是距地面高度100m处响应幅度与响应相对异常情况，计算结果如图4所示，已知模型各层的电阻率和厚度如下表所示。

由计算结果知，噪声水平在10^-14T时，频率为64Hz的方波信号在6公里范围内可以测到有效信号，但在3公里之外的范围内，才满足响应的相对异常超过10％,即在3～6km范围内，发射64Hz的方波可以得到反应地下信息的有效信号。

应用本发明在某地进行频率域地空电磁探测实验，实验中发射频率及对应发射电流如下所示：

接地长导线长1km，测线沿垂直接地长导线方向布置，测线长为3.2km，

从距发射中心南侧1km开始至距离发射中心北侧3.2km为止。本次实验选用航速10m/s的飞艇做飞行载体，从测线起点开始每隔100m提取一次数据即测点间距设定为100m，分别得到16Hz-2048Hz的归一化磁场幅度曲线如图5所示。

由实验结果知，应用本方法及本方法对应的仪器系统可以测到有效的响应信号，验证了方法的可行性。

本发明与地面频域电磁勘探方法的勘探效率相比如下所示：

由对比结果知，本发明提出的频率域地空电磁勘探方法大大提高了频率域电磁勘探的勘探效率，具有广阔的应用前景和推广价值。

Claims (5)

1.一种频率域地空电磁勘探方法，其特征在于，采用频率域地空电磁探测装置，通过地面发射，空中接收的工作方式获取频率域地空电磁探测数据。

2.按照权利要求1所述的频率域地空电磁勘探方法，其特征在于，探测装置由位于地面的发射系统、位于空中的接收系统和位于地面的GPRS远程监控系统组成。

3.按照权利要求2所述的频率域地空电磁勘探方法，其特征在于，发射系统是由一台或一组平行等间距分布的接地长导线、发射机和发射电流记录装置组成，接地长导线间距依据勘探要求的发射功率和勘探区域的面积而定，通常为30米～100米。

4.按照权利要求1所述的频率域地空电磁勘探方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据测量任务和目标确定测区位置、发射系统的位置及发射频率，并在测区正上方沿平行或垂直接地长导线方向设计测线，保证最大收发距处的接收机能够接收到有效信号；

B、布置发射系统并记录接地长导线的长度dl，启动发射机并控制接地长导线源向地面激发单频方波或多频伪随机波，同时启动发射电流记录装置，记录发射频率及发射电流并按时间序列存储；

C、飞行器搭载接收系统在测线正上方固定高度上匀速飞行，GPRS远程监控系统控制接收机通过GPS与发射机同步采集空中x,y,z三个方向的响应磁场信号，同时记录接收机的高度H及位置坐标P并按时间序列存储；

D、以存储时间为依据整理数据得到各测点的采集数据，获取采集信号的归一化频谱，并通过全区式电阻率法对数据进行处理，反演解释地下电性结构信息。

5.按照权利要求4所述的频率域地空电磁勘探方法，其特征在于，步骤D所述的数据整理按以下步骤进行：

a、将测线所有时间序列按时间分段，分段时间间隔t依据飞行器的速度v、满足勘探要求分辨率的测点间距D为50～500m以及最低发射频率f_i而定，保证t时间满足采样定理即保证t时间内采集到a(a＞2)个整周期的频率为f_i的信号，且t时间内飞行器飞过的路程不超过测点间距D，即保证：且v×t≤D；

b、将各时间段数据通过多次叠加合成为一个测点的数据，并通过计算数据段对应的飞行器的平均位置坐标确定测点的位置坐标P_m；

c、通过频谱分析提取第n条测线位置坐标为P_m的测点，发射频率f_k对应的x，y，z方向磁场的幅度，分别记为H_x(n，P_m，f_k)、H_y(n，P_m，f_k)、H_z(n，P_m，f_k)；

d、对发射电流记录装置的采集数据进行处理，得到发射频率f_k对应的发射电流l_k，对磁场的幅度进行归一化，即： $H_y^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_y(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}},$ $H_z^1(n,P_m,f_k)=\frac{H_z(n,P_m,f_k)}{I_k\×\mathrm{dl}}.$