CN105891892A - 全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法，该装置包括：发送电源、电流发送机、与电流发送机相连的供电电极、至少一台电磁接收设备以及与电磁接收设备连接的磁棒，电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；发送电源布置在指定区域，与电流发送机连接，以供电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流，并通过供电电极送入地下；电磁接收设备布置在与发送电源相距指定收发距的目标区域，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的垂直方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，实现地下电性分布的全区探测。

Description

全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法

技术领域

本发明涉及勘查地球物理领域，尤其涉及一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法。

背景技术

1950年代初，前苏联的Tikhonov和法国的Carniard分别独立地提出测量相互正交的电场和磁场来计算大地的视电阻率，奠定了大地电磁法(MT)的理论基础。MT具有利用天然场源、采用平面波理论和探测深度大等优点，但同时也有信号微弱和场源随机的缺点。Goldtein于1971年对大地电磁法进行了改进，提出采用人工场源代替天然场源，在距离场源很远的地区(远区，一般为9倍的探测深度)进行测量，从而也得到了卡尼亚电阻率公式，形成了可控源音频大地电磁法(CSAMT)。CSAMT克服了MT场源随机和信号弱的缺点，但它要求在远区测量，且仍采用卡尼亚公式计算视电阻率，舍弃了许多代表非远区特点的高次项，引入了不小的人为误差。现行的CSAMT法误差较大，工效低，精度低，难以适应经济快速发展对资源勘查的需要。

发明内容

本发明提出了一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法，适合于在全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，大大拓展了CSAMT法的观测范围，提高了观测速度、精度和工作效率，加大了勘探深度。

根据本发明的第一方面，提供了一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置，该装置包括：

发送电源、电流发送机、与所述电流发送机相连的供电电极、至少一台电磁接收设备以及与电磁接收设备连接的磁棒，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；

所述发送电源布置在指定区域，所述发送电源与电流发送机连接，以将所述发送电源产生的电能发送到电流发送机，以供电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流；

所述与所述电流发送机相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；

所述电磁接收设备布置在与所述电源相距指定收发距的目标区域，与电磁接收设备连接的磁棒竖直埋入地下至少2/3长度，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的垂直方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

可选地，所述装置还包括：

计算机，所述计算机与电磁接收设备分别连接，以接收电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量，并根据磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电单极A、B之间的距离dL计算每一目标区域的区视电阻率。

可选地，所述电流发送机包括：中央处理器和电流发射器；

每一电流发射器在所述中央处理器的控制下产生并发送含有指定数量、波形、频率以及大小的电流。

可选地，所述电磁接收设备为内置有中央处理器的单频或多频电磁测量装置。

可选地，所述装置还包括测距装置，所述测距装置用于测量所述指定发送和接收的空间距离。

可选地，所述电源为发电机。

根据本发明的第二方面，提供了一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法，该方法包括：

在指定区域布置发送电源，将所述发送电源与电流发送机连接，所述发送电源产生的电能发送到电流发送机，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；

所述电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流，并通过所述与所述电流发送机相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；

在与所述电源相距指定收发距的目标区域内布置至少一台电磁接收设备，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的Z方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

可选地，所述方法还包括：

将所述电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电电极A、B之间的距离dL上传到计算机；

所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率对应的视电阻率；

根据所述目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率确定所述目标区域的地质构造。

可选地，所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率，具体为：

根据电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量以及初始电阻率，采用迭代算法计算目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率。

可选地，所述方法还包括：

根据勘查需要，设定并测量收发距，所述收发距大于或等于3D，所述D是探测深度。

本发明提供的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法，摒弃了CSAMT方法远区信号微弱的劣势，扩展了观测使用的范围，保留了计算公式中的高次项。既不是沿用卡尼亚公式，也不是把非远区校正到远区，而是用适合于全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和工作效率，加大了勘探深度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1为本发明实施例一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置的结构示意图。参照图1，本发明实施例提出的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置，包括：

发送电源1、电流发送机2、与所述电流发送机相连的供电电极A、B、至少一台电磁接收设备(即图1中示出的接收机)3以及与电磁接收设备连接的磁棒4，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；所述发送电源1布置在指定区域，所述发送电源1与电流发送机2连接，以将所述发送电源1产生的电能发送到电流发送机2，以供电流发送机2产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流；所述与所述电流发送机2相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；所述电磁接收设备3布置在与所述电源1相距指定收发距的目标区域，与电磁接收设备连接的磁棒4竖直埋入地下，电磁接收设备3通过与之连接的磁棒4接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的垂直方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

其中，供电电极A和B之间的距离dL根据勘查需要确定，优选为1km左右。

其中，本发明实施例中的发送电源可为发电机或其他发电设备。

在实际应用中，当在信号微弱的地区(例如低阻地区)工作，可以用增加探头线圈匝数来增大信号强度，提高信噪比。

本发明实施例提供的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置，摒弃了CSAMT方法远区信号微弱的劣势，扩展了观测使用的范围，保留了计算公式中的高次项。既不是沿用卡尼亚公式，也不是把非远区校正到远区，而是用适合于全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和工作效率，加大了勘探深度。

在实际应用中，通过在与选定的目标区相隔一定收发距的发送位置上，布置发送电源，将发送电源与变频或2ⁿ序列的伪随机多频电流发送机连接，将电流发送机与供电电极A和B连接；一次向地下发送包含一个或多个频率的电流；在选定的目标区接收位置上，布置至少一台电磁接收设备，一次同时测量来自地下的一个或多个频率的z方向的磁场响应Hz；对包括近区、过渡区和远区在内的目标区电场数据通过电磁场精确公式，采用计算机迭代算法逐次逼近，求取目标区视电阻率的最佳值。本发明适合于在全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，可以查明地下地质构造及矿产分布，解决常规油气、页岩气及其它工程、水文、环境等地质问题。观测效率高，精度高，施工简单。

在本发明的一个可选实施例中，所述装置还包括：计算机，所述计算机与所述电磁接收设备分别连接，以接收电磁接收设备测量获得的不同频率对应的磁场垂直分量，并根据每一磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的参数，如强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电电极A、B之间的距离dL计算每一目标区域的区视电阻率。

本发明实施例通过测量来自地下的一个或多个频率的z方向的磁场响应Hz，实现每一目标区域的区视电阻率的计算。与测量Ex相比，观测Hz的最大优点是不需要接地，特别有利于在接地条件差的地方工作。

在本发明的一个可选实施例中，所述电流发送机包括：中央处理器和电流发射器；每一电流发射器在所述中央处理器的控制下产生并发送含有指定数量、波形、频率以及大小的电流。

本发明实施例中，电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机，该单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机2可产生和同时发送指定波形的电流，此单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机2所含频率的高低和频率的个数n可事先确定并人工调节；它产生的电压、电流大小及频率均可根据勘查需要进行人工调节和选择。

在本发明的一个可选实施例中，所述电磁接收设备为内置有中央处理器的单频或多频电磁测量装置，电磁接收设备的工作频率与发送机的工作频率一一对应。

在本发明的一个可选实施例中，所述装置还包括测距装置，所述测距装置用于测量所述指定发送和接收的空间距离，所述测距装置可采用GPS实现。

图2为本发明实施例一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法的流程图。参照图2，本发明实施例的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法，包括以下步骤：

S11、在指定区域布置发送电源，将所述发送电源与电流发送机连接，所述发送电源产生的电能发送到电流发送机，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；

S12、所述电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流，并通过所述与所述电流发送机相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；

S13、在与所述发送电源相距指定收发距的目标区域内布置至少一台电磁接收设备，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地反馈的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的Z方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

本发明实施例提供的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法，只测量电偶极源产生的垂直磁场分量Hz，测量出发送和接收的空间距离，按本发明提出的公式和方法计算，能获得包括近区、过渡区和远区在内的全区视电阻率。摒弃了CSAMT方法远区信号微弱的劣势，扩展了观测使用的范围，保留了计算公式中的高次项。既不是沿用卡尼亚公式，也不是把非远区校正到远区，而是用适合于全域的公式计算视电阻率，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和工作效率，加大了勘探深度。

在本发明实施例中，所述方法还包括以下步骤：

将所述各个电磁接收设备测量获得的不同频率对应的电磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的参数，如强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电电极A、B之间的距离dL上传到计算机。

所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率对应的视电阻率。

在本发明实施例中，所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率对应的视电阻率，具体为：根据各个电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量以及初始电阻率，采用迭代算法计算目标区域内测试位置的不同频率对应的视电阻率。

根据所述目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率确定所述目标区域的地质构造。

在实际应用中，根据电磁场理论，均匀半空间上水平电偶极源产生的垂直磁场分量Hz的表达式为：

根据(1)式可以定义广域意义上的视电阻率ρ_a：

${\mathrm{\ρ}}_a=K_{E-H_z}\frac{\left|H_z\right|\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}}{I\left|F_{E-H_z}\left(ikr\right)\right|}---\left(2\right)$

其中，

$F_{E-H_z}=1-e^{-ikr}(1+ikr-\frac{1}{3}{k}^2{r}^2)---\left(4\right)$

I为供电电流强度，ω为供电电流圆频率，dL为供电电极A、B之间的直线长度；为测试点与供电电极A、B之间的中点的连线与供电电极A、B之间连线的夹角；r为指定发送和接收的空间距离，i为虚数单位；k为电磁波在地下介质中传播的波数。

可知，上述(2)式右边分布的函数中，含有参数k，而参数k中含有未知的电阻率ρ，(2)式只不过是含有未知电阻率ρ的一个方程，而不是方程的解。由于(2)式含有复变量的指数函数，采用一般的代数方法无法简单地提取出其中含有的电阻率信息。为了从(2)式中提取电阻率，本发明提出的方法是，采用计算机迭代的办法，首先任取一个可能的电阻率ρ值，将它与发送电流I、源尺寸dL、收发距r、方位角工作频率ω等参数一同代入(1)式，编程并上机计算，看得到的Hz与实测到的Hz相差多少，反复修改选取的ρ值，逐次迭代，直到得到的Hz与实测到的Hz符合满意的精度为止，并且把最后选取的ρ值作为该装置、该工作频率条件下大地的视电阻率的最佳值。

优选地，为了减少迭代次数，尽快地找到最佳值，可以采用数学上的“优选法”实现上述迭代过程。

进一步地，为了实现对感兴趣的目标区域的地质探测，所述方法还包括：根据勘查需要，设定并测量收发距，所述收发距大于或等于3D，所述D是探测深度。

本发明实施例克服了以往CSAMT法只能在远区分别测量一组正交的Ex和Hy，因而使得信号微弱，装备笨重、复杂，野外工作效率低等缺点。

本发明实施例可以在包括近区、过渡区和远区在内的全区进行测量，扩展了频率域测深的范围；野外工作时只需测量Hz，工作效率提高一倍；直接从测量的Hz获取目标区的视电阻率，观测精度只和一个观测量有关，不会引入两个观测量的误差，也不会经平方使误差放大，比现有的CSAMT精度更高。

本发明实施例可以在全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，可以查明地下地质构造及矿产分布，解决常规油气、页岩气及其它工程、水文、环境等地质问题。观测效率高，精度高，施工简单。既有重要的理论意义，又有重要的实用价值。

综上所述，本发明提供的全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置及方法，摒弃了CSAMT方法远区信号微弱的劣势，扩展了观测使用的范围，保留了计算公式中的高次项。既不是沿用卡尼亚公式，也不是把非远区校正到远区，而是用适合于全区(近区、过渡区和远区)进行地下电性分布的探测，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和工作效率，加大了勘探深度。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的装置，其特征在于，该装置包括：

发送电源、电流发送机、与所述电流发送机相连的供电电极A、B、至少一台电磁接收设备以及与电磁接收设备连接的磁棒，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；

所述发送电源布置在指定区域，所述发送电源与电流发送机连接，以将所述发送电源产生的电能发送到电流发送机，以供电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流；

所述与所述电流发送机相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；

所述电磁接收设备布置在与所述电源相距指定收发距的目标区域，与电磁接收设备连接的磁棒竖直埋入地下至少2/3长度，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的垂直方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

计算机，所述计算机与电磁接收设备分别连接，以接收电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量，并根据磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电单极A、B之间的距离dL计算每一目标区域的全区视电阻率。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电流发送机包括：中央处理器和电流发射器；

每一电流发射器在所述中央处理器的控制下产生并发送含有指定数量、波形、频率以及大小的电流。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电磁接收设备为内置有中央处理器的单频或多频电磁测量装置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括测距装置，所述测距装置用于测量所述指定发送和接收的空间距离。

6.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述电源为发电机。

7.一种全区测量电流源频率域磁场垂直分量的方法，其特征在于，该方法包括：

在指定区域布置发送电源，将所述发送电源与电流发送机连接，所述电源产生的电能发送到电流发送机，所述电流发送机为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流发送机；

所述电流发送机产生并发送含有一个或多个主频率成分的电流，并通过所述与所述电流发送机相连的供电电极A和B将产生的电流送入地下；

在与所述发送电源相距指定收发距的目标区域内布置至少一台电磁接收设备，电磁接收设备通过与之连接的磁棒接收大地产生的含有地下物质电性分布信息的一个或多个频率的Z方向的磁场响应，得到当前测试位置的不同频率的磁场垂直分量，其中，所述电磁接收设备的工作频率与电流发送机的工作频率对应设置。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

将所述电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量、对应的指定发送和接收的空间距离、电流发送机产生电流的强度I和圆频率ω，测点与供电电极AB中点的连线与供电电极AB连线的夹角以及供电电极A、B之间的距离dL上传到计算机；

所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率对应的视电阻率；

根据所述目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率确定所述目标区域的地质构造。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述计算机根据接收到数据计算目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率，具体为：

根据电磁接收设备测量获得的不同频率的磁场垂直分量以及初始电阻率，采用迭代算法计算目标区域内测试位置的不同频率的视电阻率。

10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据勘查需要，设定并测量收发距，所述收发距大于或等于3D，所述D是探测深度。