CN106873041A - 一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其包括：发送电流信号至待测目标区域；根据待测目标区域对所述电流信号产生的反馈响应信号，获取所述待测目标区域内两个测量电极间的电位差实测值；基于两个供电电极和所述两个测量电极的位置信息，构建电磁效应函数；基于所述电磁效应函数，建立用于计算所述两个测量电极间的电位差计算值的关系函数；迭代计算所述关系函数，直至所述电位差计算值与电位差实测值的差值满足精度要求，以获取视电阻率。本发明能够有效降低人为误差，提高待测目标区域测量电极的布设灵活度和效率。

Description

一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘查技术，更具体地，涉及一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法。

背景技术

视电阻率是用来反映岩石和矿石导电性变化的参数，在地下存在多种岩石的情况下，视电阻率不是某一种岩石的真实电阻率，而是与地下各岩石电阻率、矿石的分布状态、电极排列等综合影响因素有关。

人工源频率域电磁法视电阻率获取方法，通常可采用CSAMT法(中文解释：可控源音频大地电磁法)的做法，基于电磁波的阻抗定义，采用卡尼亚视电阻率计算公式计算视电阻率。CSAMT法是Goldtein于1971年提出的，其采用人工场源代替天然场源，在距离场源很远的地区进行测量，并计算卡尼亚视电阻率。CSAMT法克服了场源随机和信号弱的缺点。但是，采用CSAMT法时，计算视电阻率时采用卡尼亚公式，舍弃了许多代表非远区特点的高次项，引入了人为误差，在非平面波区失效，只能在远区测量，限制了其适用范围。

E-E_x和广域电磁法严格从电磁波方程表达式出发，定义了适用于广大区域(全区)的视电阻率参数，解决了传统人工源电磁法探测深度小、测量效率低、三维探测能力差等重大难题，实现了地质结构的大面积、大深度、高精度、高效率、多参数探测。但采用E-E_x和广域电磁法时，两个测量电极连线和两个供电电极连线的角度关系被严格固定，在地形复杂地区想要做到上述要求又是非常困难的，角度或测量电极距离偏差会对数据质量造成很大的误差，这无疑给野外施工和数据解释带来了很多问题。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，该方法能够有效减小人为误差以及测量电极布设位置固定的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其包括：

步骤S1、发送电流信号至待测目标区域；

步骤S2、根据待测目标区域对所述电流信号产生的反馈响应信号，获取所述待测目标区域内两个测量电极间的电位差实测值；

步骤S3、基于两个供电电极和所述两个测量电极的位置信息，构建电磁效应函数；

步骤S4、基于所述电磁效应函数，建立用于计算所述两个测量电极间的电位差计算值的关系函数；

步骤S5、迭代计算所述关系函数，直至所述电位差计算值与电位差实测值的差值满足精度要求，以获取视电阻率。

进一步地，步骤S1中所述电流信号为电流发送机生成的单频或2ⁿ序列伪随机多频电流信号。

进一步地，所述两个供电电极连线的中点与所述两个测量电极连线的中点的连线为发射-接收连线，所述两个供电电极间连线与所述发射-接收连线之间形成的第一夹角的范围为0-360°。

进一步地，所述两个供电电极间的连线与所述两个测量电极间的连线形成的第二夹角的范围为0-360°。

进一步地，所述供电电极和测量电极的位置均设置有用于记录实时位置的定位装置。

进一步地，步骤S2中所述反馈响应信号为所述两个测量电极连线方向上的电场强度。

进一步地，步骤S3中所述电磁效应函数反映电磁波在地下的传播属性，是与电流信号频率、磁导率、地下电阻率，以及两个供电电极和两个测量电极相对位置相关的函数。

进一步地，步骤S3中所述电磁效应函数反映电磁波在地下的传播属性，其具体公式为：

式中，ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；为两个供电电极间的连线与发射-接收连线形成的第一夹角；α为两个测量电极间的连线与两个供电电极间的连线形成的第二夹角；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

进一步地，步骤S4中所述关系函数为：

式中，ΔV_MN计算为两个测量电极间的电位差计算值，V；E_MN计算为两个测量电极间的电场强度计算值，V/m；MN为两个测量电极之间的距离，m；为电磁效应函数；ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；I为电流发送机发送的供电电流，A；dL为两个供电电极间的直线长度，m；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

进一步地，所述精度要求满足：其中，δ<1％。

其中，ΔV_MN实测为两个测量电极间的电位差实测值；ΔV_MN计算为两个测量电极间的电位差计算值；δ为精度。

本申请提出的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其有益效果主要如下：

(1)在获取视电阻率时，构建的电磁效应函数，充分考虑测量电极相对供电电极的所有位置信息的影响，极大的降低了待测目标区域内测量电极的角度和距离布设要求，能够使测量电极布设时，避开不利地形和接地困难位置，从而有效的提高测量准确性和可靠性；同时，由于综合考虑了测量电极相对供电电极所有位置关系的影响，大大扩展了频率域测深的测量范围，从而能够在近区、过渡区或远区内的全区测量；

(2)采用定位装置定位供电电极和测量电极的位置，以便于准确确定两个测量电极相对两个供电电极的位置关系，进一步提高测量的准确性和可靠性；

(3)建立电磁效应函数与测量电极间电位差计算值的关系函数，并对该关系函数进行迭代计算，结合测量电极间的电位差实测值，以获取视电阻率，计算过程中不会人为舍弃代表非远区特点的高次项，从而提高了计算精度和可靠性。

附图说明

图1为根据本发明实施例的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法的流程示意图；

图2为根据本发明实施例的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法的装置结构示意图；

图3为根据本发明实施例的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法的坐标分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1所示，一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其包括以下步骤：

步骤S1、发送电流信号至待测目标区域；

步骤S2、根据待测目标区域对所述电流信号产生的反馈响应信号，获取所述待测目标区域内两个测量电极间的电位差实测值；

步骤S3、基于两个供电电极和所述两个测量电极的位置信息，构建电磁效应函数；

步骤S4、基于所述电磁效应函数，建立用于计算所述两个测量电极间的电位差计算值的关系函数；

步骤S5、迭代计算所述关系函数，直至所述电位差计算值与电位差实测值的差值满足精度要求，以获取视电阻率。

实现该方法的装置包括电源1、电流发送机2、两个供电电极3，以及包含两个测量电极的电磁接收设备4。

参见图2所示，电源1为电流发送机2提供电能，电源1可采用发电机。电流发送机2能够提供一个或多个电流信号，与电流发送机2相连的两个供电电极3，即供电电极A和供电电极B，将电流发送机2的电流信号发送至待测目标区域。

在该待测目标区域对应设置有电磁接收设备4。地下的待测目标区域对供电电极A和供电电极B发送的电流信号产生反馈响应信号，设置在该待测目标区域的电磁接收设备4接收该反馈响应信号。根据该反馈响应信号，电磁接收设备4的两个测量电极，即测量电极M和测量电极N之间会产生电位差。电磁接收设备4记录该电位差值，即为电位差实测值ΔV_MN实测，以用于获取该测量位置的视电阻率。

待测目标区域内设置至少一台电磁接收设备4。在待测目标区域内的多个位置可以对应设置多台电磁接收设备4，用于接收待测目标区域对不同频率电流信号产生的任意水平电场分量的反馈响应信号，并分别记录其对应的电位差实测值ΔV_MN实测，用于获取不同位置、不同频率的视电阻率。

基于供电电极和测量电极的位置信息所构建的电磁效应函数，能够反映电磁波在地下的传播特性，并考虑了供电电极与测量电极的位置关系对电磁波地下传输的影响。由于能够在近区、过渡区和远区在内的全区进行测量，扩展了频率域测深的测量范围。

因此，在获取视电阻率的过程中，引入电磁效应函数，使供电电极与测量电极的相对位置能够灵活设置，而不必限定于特定的相对位置。在实际操作过程中，能够针对实际情况，避免接地条件较差和地形复杂的区域，提高信号测量的可靠性。

在野外进行实际测量时，能够根据实际的地形情况合理地布置测量电极的位置，而不用严格的要求与预设的测量电极位置相一致，大大降低了发射源选址和电磁接收设备4布设的难度，提高野外施工的灵活度，加快施工进度，提高工作效率。

根据电磁效应函数，建立电磁效应函数与电磁接收设备4的测量电极M和测量电极N之间电位差的关系函数，即由基于电磁效应函数的关系函数以计算测量电极M和测量电极N之间的电位差计算值V_MN计算。

对该关系函数进行迭代计算，以使电位差计算值ΔV_MN计算与电位差实测值ΔV_MN实测之间的差值满足一定的精度要求，即可得到测量位置的视电阻率。

由于关系函数是基于电磁效应函数，而电磁效应函数综合考虑了供电电极与测量电极的相对位置关系的影响，同时，视电阻率的获取过程中只涉及一个观测量，即只涉及地下的待测目标区域内的测量电极间电位差实测值ΔV_MN实测。因此，基于该关系函数计算得到视电阻率，避免了采用两个观测量计算时产生的误差。

此外，CSAMT法的视电阻率测算方法中，由于只能在远区测量，其舍弃了许多代表非远区特点的高次项，引入了人工误差，计算精度低。相比于CSAMT的视电阻率测算方法，本发明的方法中，能够有效的避免采用卡尼亚公式时，非平面波区视电阻率计算失效，以及其平方差计算所产生的误差放大问题，从而大大提高视电阻率的准确度。

在一个实施例中，步骤S1中的电流信号为单频或2ⁿ序列伪随机多频电流信号，由电流发送机2生成，并由与电流发送机2相连的两个供电电极3发送至待测目标区域。具体地，当需发送单频电流信号时，对应地，电流发送机2采用单频电流发送机；当需发送2ⁿ序列伪随机多频电流信号时，对应地，电流发送机2采用2ⁿ序列伪随机多频电流发送机。

电流发送机2配备中央处理器，当发送不同频率的单频或2ⁿ序列伪随机多频电流信号时，只需在中央处理器上预先设置并进行相应的调节即可，即电流发送机2产生的电流信号的电压、电流大小及频率，均可以根据勘探需要进行调节和选择。

在一个具体的实施例中，步骤S1中用以发送电流信号至待测目标区域的供电电极A和供电电极B间的距离根据勘探需要确定，通常为0.5km-3km。当供电电极A和供电电极B之间的距离太短，其发射能量小，会使得其所发射的信号较弱，不利于勘探需要；当供电电极A和供电电极B之间的距离太长，不仅施工难度大，而且，高频阻抗过高，高频信号的发射能量小。

供电电极A和供电电极B之间的连线为第一连线AB，设置在待测目标区域的电磁接收设备4的测量电极M和测量电极N之间的连线为第二连线MN。在一个具体的实施例中，测量电极M和测量电极N之间的距离通常为5m-200m。

第一连线AB与第二连线MN均为虚拟的直线，而非供电电极A与供电电极B直接连接或测量电极M与测量电极N直接连接。第一连线AB的中点O和第二连线MN的中点O′的连线为发射-接收连线OO′，发射-接收连线OO′也为虚拟的直线，而非第一连线AB的中点O和第二连线MN的中点O′直接相连。

在一个实施例中，第一连线AB与发射-接收连线OO′形成的第一夹角的范围为0-360°。即测量电极M和测量电极N的位置是任意的，相对于供电电极A和供电电极B，没有特殊要求。

在一个实施例中，第一直线AB与第二直线MN形成的第二夹角的范围为0-360°。即测量电极M和测量电极N的连线方向相对于供电电极A和供电电极B的连线方向是任意的，没有特殊要求。

由于两个测量电极相对于两个供电电极的位置和方向都没有特殊的要求，因此，在实际的野外勘探测量中，测量电极M和测量电极N的布设不需要严格按照预先设定的与第一连线AB平行或呈直角或预先设定的角度位置设置，测量电极的距离也可根据现场实际情况调整，极大的降低了测量电极M和测量电极N的布设难度，提高作业效率。

在一个实施例中，包含测量电极M和测量电极N的电磁接收设备4为单频或多频电位差测量装置，以对应接收根据电流发送机2发送的电流信号产生的反馈响应信号。该电磁接收设备4连接有中央处理器。由中央处理器能够方便的预先设置或人工调节电磁接收设备4的工作频率，以使电磁接收设备4的工作频率与电流发送机2的工作频率一一对应，以提高测量的准确性和可靠性。

进一步地，在供电电极A和供电电极B处均设置有第一定位装置，用于记录供电电极A和供电电极B的位置。在测量电极M和测量电极N处均设置有第二定位装置，用于记录测量电极M和测量电极N的位置。在供电电极3和测量电极处均设置定位装置，以便于准确确定两个测量电极相对于两个供电电极3的位置关系，提高计算的准确性和可靠性。在一个具体的实施例中，定位装置采用GPS或北斗卫星导航系统。

在一个实施例中，步骤S2中的反馈响应信号为测量电极M和测量电极N连线方向上的电场强度，即沿第二连线MN的电场强度E_MN。

由于测量电极M和测量电极N相对于供电电极A和供电电极B的位置是任意的，则由测量电极M和测量电极N接收到的电场强度E_MN也是水平方向内的任意方向的电场强度。

参见图3所示，在一个实施例中，步骤S3的基于供电电极和测量电极的位置信息，构建电磁效应函数。其中，电磁效应函数能够反映电磁波在地下的传播属性，是与电流信号频率、磁导率、地下电阻率、供电电极和测量电极间的距离及夹角以及测量角度相关的函数。

进一步地，建立以第一连线AB的中点O为共同原点的直角坐标系。直角坐标系以供电电极A和供电电极B的连线，即第一连线AB所在直线方向为x轴。所构建的电磁效应函数表示为：

其中，ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；为供电电极A和供电电极B间的连线与发射-接收连线形成的第一夹角；α为测量电极M和测量电极N间的连线与供电电极A和供电电极B间的连线形成的第二夹角；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

对于电磁效应函数，由于波数k与预设电阻率ρ具有函数关系，即电磁效应函数是关于预设电阻率ρ的隐函数。在电磁效应函数中，参数和α的引入，考虑到测量电极M和测量电极N相对供电电极A和供电电极B的位置关系对所接收到的反馈响应信号的影响，因此，电磁效应函数的引入，使测量电极M和测量电极N的布设位置没有严格要求，能够避开实际地质勘查中的不利地形，提高工作效率。此外，r是发射-接收连线的长度，即供电电极A和供电电极B的中点到测量电极M和测量电极N的中点的距离，即是考虑了供电电极与测量电极之间的距离对反馈响应信号的影响。

由于电磁效应函数综合的考虑了测量电极M和测量电极N相对于供电电极A和供电电极B的位置关系的影响，因此，极大的简化并降低了测量电极M和测量电极N的实际布设难度要求。

参见图3所示，在准静态极限条件下，供电电极A和供电电极B所构成的电偶极子，即水平电偶极子位于均匀半空间地表，偶极矩为IdL，其中，I为电流发送机2发送的供电电流，dL为供电电极A和供电电极B之间的直线长度。则地表电场在x轴的分量E_x和y轴的分量E_y的表达式可分别表述如下：

其中，ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；I为电流发送机2发送的供电电流，A；dL为供电电极A和供电电极B之间的直线长度，m；为供电电极A和供电电极B间的连线与发射-接收连线形成的第一夹角；α为测量电极M和测量电极N间的连线与供电电极A和供电电极B间的连线形成的第二夹角；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

根据公式(2)和公式(3)，可以计算得到沿测量电极M和测量电极N连线方向的电场强度计算值E_MN计算的表达式为：

其中，ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；I为电流发送机2发送的供电电流，A；dL为供电电极A和供电电极B之间的直线长度，m；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位；为电磁效应函数；为供电电极A和供电电极B间的连线与发射-接收连线形成的第一夹角；α为测量电极M和测量电极N间的连线与供电电极A和供电电极B间的连线形成的第二夹角。

该电场强度计算值E_MN计算的表达式为关于电磁效应函数的函数关系式，而由电场强度计算值能够获取测量电极M和测量电极N之间的电位差计算值，因此，能够建立关于电磁效应函数与测量电极间电位差计算值的关系函数。

进一步地，在一个实施例中，步骤S3中，基于电磁效应函数，建立电磁效应函数与测量电极间电位差的关系函数，由关系函数计算得到所述测量电极间的电位差计算值ΔV_MN计算。电场强度计算值E_MN计算与电磁效应函数建立函数关系，便于实现电场强度计算值E_MN计算的量化，以用于得到计算测量电极M和测量电极N之间的电位差计算值ΔV_MN计算的关系函数。

基于电场强度与电位差的关系，由公式(4)，得到测量电极M和测量电极N之间的电位差计算值ΔV_MN计算的关系函数为：

式中，ΔV_MN计算为两个测量电极间的电位差计算值，V；E_MN计算为两个测量电极间的电场强度计算值，V/m；MN为测量电极M和测量电极N之间的距离，m；为电磁效应函数；ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；I为电流发送机发送的供电电流，A；dL为供电电极A和供电电极B之间的直线长度，m；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

赋予预设电阻率ρ不同的数值，由公式(5)即可计算得到测量电极M和测量电极N之间的电位差计算值ΔV_MN计算，以用于与测量电极M和测量电极N之间的电位差实测值ΔV_MN实测进行比较分析。

在一个实施例中，步骤S5中的迭代计算所述关系函数，直至所述电位差计算值与电位差实测值的差值满足精度要求，以计算得到视电阻率。其中，由公式(5)计算得到的电位差计算值ΔV_MN计算与测量电极M和测量电极N之间的电位差实测值ΔV_MN实测的差值满足δ为精度，一般δ<1％。

通过对公式(5)的迭代计算，使电位差计算值ΔV_MN计算无限接近电位差实测值ΔV_MN实测，直至满足精度要求。满足精度要求时的电位差计算值ΔV_MN计算对应的预设电阻率ρ即为最终所要获取的视电阻率。

采用电位差实测值ΔV_MN实测与电位差计算值ΔV_MN计算对应比较分析的方法获取视电阻率，只涉及一个观测量，即测量电极M和测量电极N沿第二直线MN的电位差实测值ΔV_MN实测，能够避免常规获取方法中人为舍弃非远区特点的高次项而导致的人工引入的误差，提高计算的精度和效率。

本发明的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，通过供电电极与测量电极间的位置信息，构建电磁效应函数，量化电场分量的计算，以构建用于计算两个测量电极间电位差的关系函数。进一步，通过关系函数计算得到的电位差计算值，迭代计算关系函数以使电位差计算值与电位差实测值满足精度要求，即可获取其对应的视电阻率。

由于电磁效应函数充分考虑了测量电极相对于供电电极的位置的影响，使得实际勘探中，极大了降低了测量电极相对供电电极的位置布设难度，能够避开不利地形，提高测量效率。此外，由沿测量电极间连线方向的电位差信号即可用以获取视电阻率，简化了观测量及计算过程，避免涉及多个观测量或人为舍弃代表非远区特点的高次项时的误差，有效的提高了计算精度。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于，其包括：

步骤S1、发送电流信号至待测目标区域；

步骤S2、根据待测目标区域对所述电流信号产生的反馈响应信号，获取所述待测目标区域内两个测量电极间的电位差实测值；

步骤S3、基于两个供电电极和所述两个测量电极的位置信息，构建电磁效应函数；

步骤S4、基于所述电磁效应函数，建立用于计算所述两个测量电极间的电位差计算值的关系函数；

步骤S5、迭代计算所述关系函数，直至所述电位差计算值与电位差实测值的差值满足精度要求，以获取视电阻率。

2.如权利要求1所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：步骤S1中所述电流信号为电流发送机生成的单频或2ⁿ序列伪随机多频电流信号。

3.如权利要求1所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：所述两个供电电极连线的中点与所述两个测量电极连线的中点的连线为发射-接收连线，所述两个供电电极间连线与所述发射-接收连线之间形成的第一夹角的范围为0-360°。

4.如权利要求3所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：所述两个供电电极间的连线与所述两个测量电极间的连线形成的第二夹角的范围为0-360°。

5.如权利要求4所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：所述供电电极和测量电极的位置均设置有用于记录实时位置的定位装置。

6.如权利要求4所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：步骤S2中所述反馈响应信号为所述两个测量电极连线方向上的电场强度。

7.如权利要求4所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于：步骤S3中所述电磁效应函数反映电磁波在地下的传播属性，是与电流信号频率、磁导率、地下电阻率，以及两个供电电极和两个测量电极相对位置相关的函数。

8.如权利要求7所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于，步骤S3中所述电磁效应函数反映电磁波在地下的传播属性，其具体公式为：

式中，ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；为两个供电电极间的连线与发射-接收连线形成的第一夹角；α为两个测量电极间的连线与两个供电电极间的连线形成的第二夹角；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

9.如权利要求8所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于，步骤S4中所述关系函数为：

式中，ΔV_MN计算为两个测量电极间的电位差计算值，V；E_MN计算为两个测量电极间的电场强度计算值，V/m；MN为两个测量电极之间的距离，m；为电磁效应函数；ρ为预设电阻率，Ω·m；k为波数，且ω为角频率；μ为磁导率；ε为介电常数；I为电流发送机发送的供电电流，A；dL为两个供电电极间的直线长度，m；r为发射-接收连线的长度，m；i为虚数单位。

10.如权利要求9所述的一种由任意水平电场分量获取视电阻率的方法，其特征在于，所述精度要求满足：其中，δ<1％。

其中，ΔV_MN实测为两个测量电极间的电位差实测值；ΔV_MN计算为两个测量电极间的电位差计算值；δ为精度。