CN106291719B - 一种阵列人工源磁场频率测深方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阵列人工源磁场频率测深方法，包括步骤：(1)发送端布设N个不接地磁偶极子场源；各场源在多个时窗内发送变化的电流值，记录空间位置及不同时刻的发送磁矩值；(2)接收端设置K个不接地磁偶极子测站，记录其空间位置及不同时刻的观测磁场；(3)根据测站观测数据构建时空矩阵X，根据场源的发送磁矩数据构建场源极化矩阵C；(4)利用X和C求解空间模数矩阵W，再从W中解算出各测站对应于不同场源的视电阻率。本发明采用阵列采集方式，发送及接收装置的数量及空间位置均无限制，施工灵活高效；发送端和接收端均采用不接地装置，适合在硬化地面开展无损探测；一次处理可同时获得所有测站的视电阻率参数。

Description

一种阵列人工源磁场频率测深方法

技术领域

本发明涉及一种勘察地球物理领域的电磁探测方法，特别涉及一种阵列人工源磁场频率测深方法。

背景技术

在勘察地球物理电磁法领域，天然场源大地电磁法(Magnetotelluric，MT；Audio-frequency Magnetotelluric，AMT)探测深度大，采集装置轻便，但信噪比低，抗噪能力弱；可控源音频大地电磁法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric，CSAMT)采用人工电磁场源作为激励，在一定的观测区域内观测人工电磁场，提高了数据信噪比；但是有效的阻抗数据需要在“远区”获取，在人工场源的“近区”和“过渡区”，阻抗数据会产生畸变并导致错误的解释结果。而且这两种方法均需要在观测磁场的同时，观测两个正交方向的电场；因此必须进行接地操作。在城市物探工作中，由于地面多已进行硬化处理，接地要求常常造成了施工效率及数据采集质量的降低，并且可能造成对地面的损伤。

因此，有必要设计一种施工高效、信噪比高的磁场探测方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种阵列人工源磁场频率测深方法，施工高效、信噪比高。

本发明的技术方案为：

一种阵列人工源磁场频率测深方法，包括以下步骤：

(1)在测区内或周边布设N个不接地水平或垂直磁偶极子场源；各场源需在多个时窗内发送不同大小的电流值，并记录不同时刻发送磁矩的大小；N为大于或等于1的整数；

(2)在测区内设置K个测站，K为大于或等于1的整数；每个测站处布设1个不接地水平或垂直磁偶极子传感器，记录水平或垂直磁场；

(3)根据测站的观测磁场数据以及场源的发送磁矩数据，分别利用时频转换，计算频率域数据，并分别构建测站时空数据矩阵X以及场源极化参数矩阵C；

(4)利用X和C求解空间模数矩阵W，并利用W中的元素求解各个测站对应于各个场源的视电阻率参数。

上述阵列人工源磁场探测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、观测设计：

确定观测目标及目标勘探深度，设计测线和测站；根据目标勘探深度及测区大地背景电导率确定观测频率范围；并根据观测频率范围确定测站的观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时间长度除以时窗宽度得到各观测频率对应的观测时窗个数；

步骤2、布设发送端装置和接收端装置：

布设发送端装置：在测区内或周边布设N个不接地水平或垂直磁偶极子场源各场源需在多个时窗内发送不同大小的电流值，并记录不同时刻发送磁矩的大小。

布设接收端装置：在测区内设置K个测站；每个测站处布设1个不接地水平或垂直磁偶极子传感器，用于观测水平或垂直磁场；

步骤3、数据采集：

数据采集分为设备空间位置记录、接收部分的数据采集、发送部分的数据采集；

设备的空间位置记录：利用GPS或北斗对场源和测站进行定位，进而计算第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的发收距r_kn；

接收部分的数据采集、发送部分的数据采集：同步采集各个测站处的水平或垂直磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；各个观测频率对应的数据相互独立，处理方式相同；对其中任一观测频率，设其观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测站观测数据和人工场源的发送电流数据两个部分的数据；

第一部分，磁偶极子场源的发送电流数据：记录各个磁偶极子场源在各个时窗内的发送磁矩值，并赋值给场源极化参数矩阵C：

其中，C为N×I阶矩阵，仅与各个磁偶极子场源的时窗变化有关；N为磁偶极子场源的个数，C_ni为第n(n＝1,2,…,N)个磁偶极子场源在第i(i＝1,2,…,I)个时窗的发送磁矩值；

第二部分，测站观测数据：包括测区内所有测站所记录的数据；根据测站观测数据构建测站时空数据矩阵X：

其中，X为K×I阶矩阵；X_ki为第k(k＝1,2,…,K)个测站处第i(i＝1,2,…,I)个时窗的水平或垂直磁场分量；

步骤4、数据处理：

数据处理分步进行，第一步，求解测站的空间模数矩阵W；测站时空数据矩阵X与空间模数矩阵W及场源极化参数矩阵C间的关系为

X＝WC+R, (3)

其中，

W为K×N阶矩阵，与测站及场源个数相关，W_kn为第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的空间模数；R为观测噪声矩阵；

利用(3)式可求得：

其中，上角标表示共轭转置矩阵，上角标^-1表示矩阵的逆；

第二步，计算各测站的视电阻率：

利用求得的空间模数矩阵W的元素W_kn计算第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的视电阻率ρ_kn；其定义公式为，

ρ_kn＝F^-1(W_kn) (5)

其中，F^-1为F的反函数；F为在背景电阻率为ρ₀的均匀半空间表面，空间模数W₀与ρ₀的映射函数，即W₀＝F(ρ₀)，F根据发送及接收磁偶极子姿态的不同，其表达式不同^[1,2,3,4]，并可分别定义波区视电阻率及全区视电阻率^[4]。例如，在垂直磁偶极子发送，垂直磁偶极子接收的条件下，上述表达式的具体形式为：

其中，

i为虚数符号，k为电磁波波数，准静态条件下可取为e为自然对数的底数。

波区视电阻率的计算公式为，

其中为第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的波区视电阻率，ω＝2πf为谐变电流的圆频率，f为谐变电流的频率，μ为介质磁导率，一般近似取为真空中的磁导率μ₀＝4π×10^-7H/m，|·|为绝对值符号；

又如，在垂直磁偶极子发送，垂直磁偶极子接收的条件下，全区视电阻率的计算公式为，

其中，为第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的全区视电阻率，且

为迭代计算中在前一次计算的结果^[4]，其初值按公式(8)给出。

步骤5、后期处理：根据数据处理所获得的视电阻率参数进行综合数据分析、反演成图及资料解释。

有益效果：

本发明提供了一种阵列人工源磁场频率测深方法，输入端采用多个供电水平或垂直磁偶极子作为场源，输出端采用阵列水平或垂直磁偶极子进行数据采集，将输入-输出关系写入统一的数据方程，一次处理同时获得各测站对应于不同场源的响应信息。

与传统的人工场电磁法相比，本发明采用阵列观测方式，场源及接收装置的数量及空间位置均无限制，施工灵活，采集高效；发送端和接收端(输入端和输出端)均采用不接地装置，适合在硬化地面开展工作，并且对观测介质无损伤；基于统一的数据方程，一次处理可同时获得所有测站对应于不同场源的响应信息，包括空间模数及视电阻率参数；各参数间的互补解释可提供更丰富的地电信息；利用这些响应信息，可有效压制传统可控源电磁法数据的近区畸变问题，获得更宽的有效数据频率范围。

使用本发明，通过接收不同频率的电磁信号，可以获得地下不同深度的电性介质分布，通过观测地下的电性分布，可以查明地下地电特性分布、地下管线分布及构造分布或者解决其它工程、水文及环境地质问题。基于本发明的特点，本发明特别适用于城市地球物理勘探。

附图说明

图1为观测系统简化模型。其中，C_ni为第n(n＝1,2,…,N)个磁偶极子场源在第i(i＝1,2,…,I)个时窗的发送磁矩值，X_ki为第k(k＝1,2,…,K)个测站处第i(i＝1,2,…,I)个时窗的磁场分量观测值。模型中，发送和接收均以垂直磁偶极子为示例。

图2为本方法在图1所示模型下观测数据的视电阻率估计结果示意；地下介质为地下电阻率为ρ₁的均匀半空间，地表存在2个垂直磁偶极子场源，K个垂直磁偶极子测站；其中，第1个测站与第1个场源的距离为825m，第1个测站与第2个场源的距离为2800m。横坐标为观测频率，纵坐标为计算数据；ρ^ω/ρ₁表示根据公式(8)计算的波区视电阻率与真实电阻率ρ₁的比值，其中的表示第1个测站对应于第1个场源的波区视电阻率；的表示第1个测站对应于第2个场源的波区视电阻率。

图3为本方法在图1所示条件下观测数据的视电阻率估计结果示意；地表存在2个垂直磁偶极子场源，K个垂直磁偶极子测站；其中，第1个测站与第1个场源的距离为825m，第1个测站与第2个场源的距离为2800m；地下介质为2层D型介质，模型第二层电阻率ρ₂与首层ρ₁的比值为ρ₂/ρ₁＝1/10，首层介质的厚度为200m；表示根据公式(8)计算的波区视电阻率与模型首层电阻率ρ₁的比值，坐标轴、图例等意义与图2相同。

图4为本方法在图1所示条件下观测数据的视电阻率估计结果示意；地表存在2个垂直磁偶极子场源，K个垂直磁偶极子测站；其中，第1个测站与第1个场源的距离为825m，第1个测站与第2个场源的距离为2800m；地下介质为2层G型介质，模型第二层电阻率ρ₂与首层ρ₁的比值为ρ₂/ρ₁＝10，首层介质的厚度为200m；曲线、坐标轴、图例等意义与图3相同。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明涉及的勘探方法包括以下步骤：

步骤1、观测设计：确定观测目标及深度范围，根据实际勘探深度需要及测区大地背景电导率确定观测频率范围，并根据所需观测频率确定测站的观测时间长度及信号采样率；根据探测目标及测区范围等设计测线、测站；

步骤2、装置布设：在测区内或周边布设N个不接地水平或垂直磁偶极子场源，N为大于或等于1的整数；在测区内设置K个测站，K为大于或等于1的整数；每个测站处布设1个不接地水平或垂直磁偶极子传感器；

步骤3、数据采集：在发送端，在多个时窗内发送不同大小的电流值，并记录发送磁矩的时变量；在接收端，利用GPS、北斗或其他方法，同步采集各测站水平或垂直磁场分量数据；

步骤4、数据处理：利用记录的发送及接收数据，根据本发明所提供的处理步骤及公式求解不同频率的视电阻率参数；

步骤5、后期处理：根据数据处理所获得的视电阻率参数进行综合数据分析、反演成图及资料解释。

图1为观测系统简化模型。其中，C_ni为第n(n＝1,2,…,N)个磁偶极子场源在第i(i＝1,2,…,I)个时窗的发送磁矩值，X_ki为第k(k＝1,2,…,K)个测站处第i(i＝1,2,…,I)个时窗的磁场分量观测值。不难看出，由于采用阵列观测方式，发送端和接收端的布设选择更为灵活，无需选择特殊的位置，并且多站同步采集可使施工更高效，有效节约采集时间。由于发送端和接收端均采用磁偶极子，均无需进行接地操作，不仅大幅节约了施工布设时间，而且对地面无损伤操作，特别适合于在接地条件不佳的地区进行施工，如路面硬化的城市内。

图2为本方法在图1所示条件下观测数据的视电阻率估计结果示意；模型为地下电阻率为ρ₁的均匀半空间，地表存在2个垂直磁偶极子场源，K个垂直磁偶极子测站；其中，第1个测站与第1个场源的距离为825m，第1个测站与第2个场源的距离为2800m。横坐标为观测频率，纵坐标为计算数据；表示根据公式(8)计算的波区视电阻率与真实电阻率ρ₁的比值，其中的下角标表示第1个测站对应于第1个场源的波区视电阻率。不难发现，利用本发明所提供的方法，获得了第1个测站处对应于不同场源的视电阻率；该视电阻率具有频率测深的意义，在高频部分，视电阻率值与地下真实电阻率值吻合。在低频部分，由于“非平面波效应”的影响，视电阻率值出现了一定的畸变。由于第1个测站与第1个场源的距离更近，的低频畸变更为明显，而第1个测站与第2个场源的距离更远，的有效频率更低。另外，在供电功率相当的情况下，距离更近的场源信号强度更大，信噪比更高；因此，结合和既可获得更高信噪比的高频数据，也可在低频部分获得更宽频率的有效数据。

图3和图4分别给出了2种不同类型的2层介质表面的视电阻率估计结果示意。其中，观测条件均与图2条件相同，曲线、坐标轴、图例等意义与也图2相同。图3所示为2层D型介质，第二层电阻率ρ₂与首层ρ₁的比值为ρ₂/ρ₁＝1/10，首层介质的厚度为200m。图4所示为2层G型介质，模型第二层电阻率ρ₂与首层ρ₁的比值为ρ₂/ρ₁＝10，首层介质的厚度为200m。

可以看出，在两层条件下，可以获得与前述均匀半空间条件下类似的结论。所求得的视电阻率具有频率测深的意义，在高频端，视电阻率反映首层电阻率随着频率的降低，视电阻率的值逐渐向底层电阻率过渡。在2层D型介质中(图3)，视电阻率在低频先呈现低阻，然后因“非平面波效应”的影响而畸变(迅速降低)；在2层G型介质中(图3)，视电阻率在低频先呈现高阻，然后因“非平面波效应”的影响而畸变(迅速降低)。这一结果表明，在不同的地电结构条件下，本发明所得到的视电阻率值具有不同的特征，分析这些特征，结合进一步的反演处理，即可推知地下的电性结构分布。进一步的，与图2所示类似，可获得更高的信噪比，的有效频率更低，结合和既可获得更高信噪比的高频数据，也可在低频部分获得更宽频率的有效数据。

以上分析表明，采用本发明所提供的一种阵列人工源磁场频率测深方法，通过接收不同频率的电磁信号，可以获得地下不同深度的电性介质分布，达到电磁勘探的目的。并且，本方法采用阵列观测方式，在发送端和接收端均采用不接地装置，成本低廉，布设灵活，施工高效，对观测介质无损伤；可提供更丰富的地电信息。

参考文献

[1]Nabighian M N.Electromagnetic Methods in Applied Geophysics,Theory[M].Tulsa,Oklahoma,USA:Society of Exploration Geophysicists,1988,130-311.

[2]朴化荣.电磁测深法原理[M].北京:地质出版社,1990.

[3]何继善.可控源音频大地电磁法[M].长沙:中南工业大学出版社,1991.

[4]汤井田，何继善.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙:中南大学出版社,2005.

Claims (2)

1.一种阵列人工源磁场频率测深方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在测区内或周边布设N个不接地水平或垂直磁偶极子场源；各场源需在多个时窗内发送不同大小的电流值，并记录场源的空间位置及不同时刻发送磁矩的大小；N为大于或等于1的整数；

(2)在测区内设置K个测站，K为大于或等于1的整数；每个测站处布设1个不接地水平或垂直磁偶极子传感器，记录测站的空间位置及观测磁场；

(3)根据测站的观测磁场数据以及场源的发送磁矩数据，分别利用时频转换，计算频率域数据，并分别构建测站时空数据矩阵X以及场源极化参数矩阵C；

(4)利用X和C求解空间模数矩阵W，并利用W中的元素求解各个测站对应于各个场源的频率域视电阻率参数；

上述方法具体包括以下步骤：

步骤1、观测设计：

确定观测目标及深度范围，设计测线和测站，根据实际勘探深度需要及测区大地背景电导率确定观测频率范围；并根据所需观测频率确定测站的观测时间长度及信号采样率；对于各个观测频率，根据时频转换计算单个频谱所需的时间域采样点数，确定时窗宽度，利用观测时间长度除以时窗宽度得到各观测频率对应的观测时窗个数；

步骤2、装置布设：

布设发送端装置：在测区内或周边布设N个不接地水平或垂直磁偶极子场源；

布设接收端装置：在测区内设置K个测站；每个测站处布设1个不接地水平或垂直磁偶极子传感器，用于观测水平或垂直磁场；

步骤3、数据采集：

利用GPS或北斗定位并记录场源和测站的空间位置，进而计算第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的发收距r_kn；

同步采集各个测站处的水平或垂直磁场分量数据，进行时频转换后，得到各观测频率对应的频域观测数据；对其中任一观测频率，设其观测时窗个数为I，对应的观测数据包括测站观测数据和磁偶极子场源的发送电流数据两个部分的数据；

第一部分，磁偶极子场源的发送电流数据：记录各个磁偶极子场源在各个时窗内的发送磁矩值，并赋值给场源极化参数矩阵C：

$C=\left(\begin{array}{cccc}{C}_{11}& C_{12}& \mathrm{..}& C_{1I}\\ C_{21}& C_{22}& \mathrm{..}& C_{2I}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ C_{N1}& C_{N2}& \mathrm{..}& C_{NI}\end{array}\right),---\left(1\right)$

其中，C为N×I阶矩阵，仅与各个磁偶极子场源的时窗变化有关；N为磁偶极子场源的个数，C_ni为第n(n＝1,2,…,N)个磁偶极子场源在第i(i＝1,2,…,I)个时窗的发送磁矩值；

第二部分，测站观测数据：包括测区内所有测站所记录的数据；根据测站观测数据构建测站时空数据矩阵X：

$X=\left(\begin{array}{cccc}{X}_{11}& X_{12}& \mathrm{..}& X_{1I}\\ X_{21}& X_{22}& \mathrm{..}& X_{2I}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ X_{K1}& X_{K2}& \mathrm{..}& X_{KI}\end{array}\right),---\left(2\right)$

其中，X为K×I阶矩阵；X_ki为第k(k＝1,2,…,K)个测站处第i(i＝1,2,…,I)个时窗的水平或垂直磁场分量；

步骤4、数据处理：

第一步，求解测站的空间模数矩阵W；

其中，上角标表示共轭转置矩阵，上角标^-1表示矩阵的逆；

第二步，计算各测站的视电阻率：

利用求得的空间模数矩阵W的元素W_kn计算第k(k＝1,2,…,K)个测站对应于第n(n＝1,2,…,N)个场源的视电阻率ρ_kn；其定义公式为，

ρ_kn＝F^-1(W_kn) (4)

其中，F^-1为F的反函数；F为在背景电阻率为ρ₀的均匀半空间表面，空间模数W₀与ρ₀的映射函数，即W₀＝F(ρ₀)，F与发送及接收磁偶极子的姿态以及r_kn相关。

2.根据权利要求1所述的阵列人工源磁场频率测深方法，其特征在于，还包括步骤5、后期处理：根据数据处理所获得的视电阻率参数进行综合数据分析、反演成图及资料解释。