CN105911595A - 可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法与装置 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法与装置，涉及煤田水文地质与地球物理领域，包括：获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；通过所述电位差数据获得视电阻率数据；根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据，突破“远区”限制，在缺少磁场数据的情况，利用电场单分量数据，获取视相位信息，从而为可控源音频大地电磁法数据解释提供重要的参考依据。

Description

可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法与装置

技术领域

本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法与装置。

背景技术

大地电磁法(Magnetotelluric，MT)和可控源音频大地电磁法(Controlledsource audio-frequency magnetotelluric，CSAMT)是频率域电磁法中最常用和最重要的两种工作方法。其中CSAMT法是为了克服天然场源信号微弱而在MT的基本理论之上建立的一种人工源电磁法。实际野外工作中，CSAMT通常观测一组正交的电、磁场分量数据，然后根据电、磁场分量数据的比值计算视电阻率ρ_s，同时计算视相位

${\mathrm{\ρ}}_s=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ω}}\frac{|E_x{|}^2}{|H_y{|}^2}$

式中，ρ_s为卡尼亚视电阻率，μ₀为真空中磁导率，ω代表角频率，E_x代表电场x方向分量的响应值，H_y代表磁场y方向分量的响应值。

式中，为视相位，Im代表电磁场的虚部，Re代表电磁场的实部，E、H分别代表CSAMT的电场分量和磁场分量。

视相位参数对薄中间层和高阻基底的反映比振幅曲线更为明显，并且视相位曲线不受静态效应影响。因此，在进行CSAMT处理时，视相位参数是不可或缺的信息。

CSAMT法需要在“远区”(R＞6h，其中r为观测点到发射源点的距离，h为目的层或地质目标体埋藏深度)进行测量(图1A，其中，A为第一接地发射电极，B为第二接地发射电极，M为第一接地测量电极，N为第二接地测量电极)，当达不到远区要求时，CSAMT法无法按照卡尼亚公式计算视电阻率，也无法利用电场和磁场数据计算视相位，否则会引起不小的误差。为了克服CSAMT只能远区测量的缺点，许多学者做了大量研究。方文藻等(1992)采用将均匀半空间场的精确公式与远区公式比较，求得一个校正系数K，将远区定义视电阻率乘上校正系数K，即可求得全区定义视电阻率值，该方法简便且容易实现。汤井田等(1994、2011)先后提出多种全区视电阻率定义，均形象地反映了地下介质的变化特征。佟铁钢等(2009)对CSAMT全区视电阻率法的数值模拟进行了探讨，利用汉克尔数值滤波算法和逆样条插值算法对水平层状电磁场进行正演计算，取得了很好的效果。

CSAMT电场单分量观测模式突破“远区”限制(图1B)，这种观测方式可以在中区观测(r＞3h)。冯兵等(2013)对CSAMT探测中电场E_x分量视电阻率定义进行了研究，讨论了CSAMT电场x方向全区视电阻率的应用，采用积分方法将多个偶极子进行叠加，获得双极源电磁场，并通过模型分析和实测资料验证了该方法的有效性。何继善院士(2012)提出的广域电磁法突破了CSAMT法远区测量的限制，把提取视电阻率的观测范围拓展到更广的区域。

在这种缺少磁场数据的电场单分量观测模式中，如何计算视相位是需要解决的问题。

发明内容

本发明为了解决目前缺少磁场数据的电场单分量观测模式中无法获得视相位信息的问题，提供一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法与装置，利用地球物理方法获得视相位信息。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法，包括：

获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

优选地，获得音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据包括：

通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

优选地，对CSAMT电场分量进行观测包括：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

优选地，通过所述电位差数据获得视电阻率数据包括：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

优选地，根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据包括：

根据计算的视电阻率，视相位表示如下：

式中，是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。

为解决上述技术问题，本发明还提供可控源音频大地电磁法视相位信息的获取装置，包括：

采集模块，用于获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

迭代模块，用于通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

相位模块，用于根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

优选地，所述采集模块获得音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据包括：

通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

优选地，所述采集模块对CSAMT电场分量进行观测包括：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

优选地，所述迭代模块通过所述电位差数据获得视电阻率数据包括：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

优选地，所述相位模块根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据包括：

根据计算的视电阻率，视相位表示如下：

式中，是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

利用本发明的方法和装置，突破“远区”限制，在缺少磁场数据的情况，利用电场单分量数据，获取视相位信息，从而为可控源音频大地电磁法数据解释提供重要的参考依据。

附图说明

图1是相关技术观测方式与单分量观测方式的比较图；

图2是本发明实施例的一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法的流程图；

图3是本发明实施例的一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取装置的结构示意图；

图4是本发明实施例的感应电压曲线图；

图5是本发明实施例的视电阻率与视相位曲线图；

图6是本发明实施例的电场单分量综合解释图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。

如图2所示，本发明实施例提供一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法，包括：

S101、获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

S102、通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

S103、根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

步骤S101包括：

S1011、通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

S1012、在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

S1012中距离发射电磁场预设的偏移距内，对CSAMT电场分量进行观测包括：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

步骤S102包括：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

步骤S103包括：

利用如下公式，根据视电阻率数据计算视相位数据

此式为视相位表达式，式中是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。因此，视相位是视电阻率频率的变化率，可以通过视电阻率求取视相位。

如图3所示，本发明实施例还提供一种可控源音频大地电磁法视相位信息的获取装置，包括：

采集模块，用于获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

迭代模块，用于通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

相位模块，用于根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

所述采集模块获得音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据是指：

通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

所述采集模块对CSAMT电场分量进行观测是指：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

所述迭代模块通过所述电位差数据获得视电阻率数据是指：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

所述相位模块根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据是指：

根据计算的视电阻率，视相位表示如下：

式中，是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。。

实施例一

选取地电模型为K型地电断面，地电参数为ρ₁＝10Ω·m、ρ₂＝ρ₃＝320Ω·m、h₁＝200m，h₂＝400m。发射源长度dL＝1000m，极距r＝1200m，MN＝40m。按照下式计算CSAMT电场E_x响应数据，然后按照公式计算各频点的感应电压数据。

$E_x=\frac{IdL\mathrm{\ρ}}{2{\mathrm{\πr}}^3}$

${\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}=E_x\·\stackrel{\‾}{MN}$

其中

式中，I为偶极子源的电流强度；dL为偶极子长度；r为收发距；ω为角频率；ρ为均匀半空间电阻率；。

具体计算结果如图4所示，并将成图所用K型地电模型电场E_x感应电压部分数据列成表1。

表1

根据理论模型计算得到的CSAMT电场E_x分量的响应值，通过公式计算视电阻率数据。进而得到视电阻率曲线如图5中实线所示，并将成图所用K型地电模型电场E_x视电阻率数据列成表2。

表2

根据得到的视电阻率数据，运用公式计算相应的视相位数据，进而的到视相位曲线如图5中虚线所示。

由图5看出，视相位曲线比视电阻曲线变化幅度大，而且视相位曲线的极值点正好对应视电阻率曲线的拐点。正因为如此，视电阻率曲线反映K型断面并不明显，而相位曲线却有清楚的显示。这说明相位曲线虽不含有新的信息，但分辨地层的能力比振幅曲线强。如将视电阻率曲线与视相位曲线结合起来，从不同的角度进行分析，综合起来解释频率测深资料，将会得到更好的地质效果。

实施例2

测区位于太原市境内，太原盆地的北端，地形系山前丘陵，沟壑发育呈树枝状分布，地形地面貌复杂。构造类型为裂陷盆地型构造。测区为次级隆起区的一凹陷带，即向斜带，在向斜带内有含煤地层保存。区内普遍为第四系覆盖，且黄土覆盖很厚，大部分在300-400m之间。

通过观测两个接地电极之间的平均电位差来实现E_x分量的观测，采用赤道偶极装置：r＝2000m，AB＝500m，MN＝200m，线距离为1000米，点距为250米，记录点设在r的中点。

在进行电磁频率测深时，局部近地表电性不均匀体(冲积物、河床、山坡局部潮湿带岩石露头等)经常严重地影响所观测到的视电阻率数据，使视电阻率数据产生与频率无关的平移，最终影响资料的解释结果。为消除这一现象，对全区资料进行了视相位提取处理。

按照模型实例的计算顺序和计算方法逐点逐频率进行视电阻率和视相位的提取。通过进一步的成图处理得到该区域的频率测深曲线、视电阻率断面、视相位断面图以及地质推断解释图如图6所示。

综合解释各断面，推断出该条剖面含有断层构造和煤系地层赋存。通过利用CSAMT电场单分量视电阻率提取视相位法方法在测区内的应用，查明本区为一向斜构造，并发育了次一级的褶曲，综合解释推断本测区构造形态为深掩盖断陷盆地型构造，控制了含煤分布面复合1000余平方公里，提供了10亿的D级储量，获得了满意的地质效果。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.可控源音频大地电磁法视相位信息的获取方法，其特征在于，包括：

获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：获得音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据包括：

通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：对CSAMT电场分量进行观测包括：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述电位差数据获得视电阻率数据包括：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据包括：

根据计算的视电阻率，视相位表示如下：

式中，是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。

6.可控源音频大地电磁法视相位信息的获取装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于获得可控源音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据；

迭代模块，用于通过所述电位差数据获得视电阻率数据；

相位模块，用于根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述采集模块获得音频大地电磁CSAMT电场分量电位差数据包括：

通过第一接地发射电极和第二接地发射电极向地下发射电磁场；

在距离发射电磁场预设的偏移距内布设第一接地测量电极和第二接地接测量电极，对CSAMT电场分量进行观测，采集获得CSAMT由第一接地测量电极和第二接地测量电极之间的平均电位差，获得电场单分量电位差数据。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述采集模块对CSAMT电场分量进行观测包括：

当观测点与发射源之间的距离与目标体埋藏深度的距离之比大于3时，观测第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的平均电位差。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述迭代模块通过所述电位差数据获得视电阻率数据包括：

利用CSAMT电场Ex分量定义的视电阻率公式表示如下：

${\mathrm{\ρ}}_a=K\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\stackrel{\‾}{MN}}}{I}$

其中为装置系数；为测量电压，为第一接地测量电极与第二接地测量电极之间的距离，AB为第一接地发射电极与第二接地发射电极之间的距离，r为收发距，I为偶极子源的电流强度。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述相位模块根据所述视电阻率数据，采用比值计算视相位数据包括：

根据计算的视电阻率，视相位表示如下：

式中，是频点k的转换视相位，ω_k是频点k的圆频率，ω为圆频率。