CN111965712A - 一种校正可控源音频大地电磁法静态效应的方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及直流接地极极址大地电阻率勘探领域，尤其涉及一种在浅表大地电阻率对深层大地电磁法测量结果形成静态效应的情况下，利用四极法的测量结果校正可控源音频大地电磁法（CSAMT法）静态效应的方法。
背景技术
直流接地极极址大地电阻率勘探通常是使用四极法（现场测量原理图见图1）、音频大地电磁法（AMT法）和大地电磁法（MT法）。AMT法和MT法均是利用自然噪声作为测量信号源来测量大地视在阻抗的方法，在现场应用时容易受到噪声的干扰。为了进一步提高测量的准确度，出现了提出利用人工强信号源的可控源音频大地电磁法（CSAMT法，现场测量原理图见图2）进行直流接地极极址大地电阻率勘探。无论是AMT法、MT法，还是CSAMT法在现场应用时均需要克服静态效应的问题。
浅表大地存在电阻率局部不均匀（异常高于或者低于附近土壤电阻率）的电阻率块会使相邻测点的视在电阻率曲线或者同一测点的两条视在电阻率曲线（TE线和TM线，我国主要使用TM线，见图2）发生整体向上或者向下的平行移动，而相位曲线几乎不变，这种畸变称为“静态效应”。反演前必须判断观测资料中是否含有静态效应，若有还需要进行校正。当地表存在电阻率局部不均匀块时，静态效应在观测曲线表征深层大地电阻率的低频段仍然包含着浅表大地电阻率局部不均匀块的影响。若对观测资料不做任何校正而直接进行反演解释，所得结果将大大偏离实际。现实中我国有多个直流输电工程由于极址勘探的静态效应导致了评估直流接地极对周边环境影响程度过于乐观，在工程后期运维时遇到了直流偏磁风险超标等一系列问题。
目前地质行业内静态效应校正多采用数据处理的方式来进行，主要包括空间滤波法、阻抗张量校正、变换法和曲线平移等方法。由于地质专业设备并不对电力系统开放原始数据，校正方案多依赖经验而不是基于可量测的客观实际，缺乏标准校正量。
针对目前直流接地极大地电阻率勘探遇到的静态效应问题，本发明提出在CSAMT目标函数内集成四极法反演的浅层大地电阻率模型作为约束条件从而有效校正静态效应。根据图1的四极法和图2的CSAMT法原理示意图进行静态效应校正。以CSAMT法的测线为方向，以测点为四极法的测量中心进行中心对称布线的浅层大地电阻率四极法勘探。获得了表层土壤的等效层状大地电阻率分布以后就可以用来校正CSAMT的静态效应。
发明内容
针对现有技术方法存在的不足，本发明从四极法勘探先获得表层土壤的等效层状大地电阻率模型入手，提出了利用四极法测量结果校正CSAMT静态效应的方法。
本发明提出了以下解决方案：沿CSAMT法测线方向，以测点为四极法的测量中心进行中心对称布线的浅层大地电阻率四极法勘探，通过对四极法测量取得的大地电阻率数据进行反演，从而获得表层土壤的等效层状大地电阻率分布，并基于这一浅层大地模型用来校正CSAMT的静态效应。
本发明提供的利用四极法校正CSAMT静态效应的方法，具体步骤如下：
步骤1、CSAMT测点为测量中心，使用对称布线形式的四极法测量沿CSAMT测线的视在大地电阻率数据，推荐使用的四极法布线为温纳布线方式，极距选取范围为0.3m~100m，相邻极距之比取为1.2~1.5。本发明推荐的极距方案为：0.3m, 0.5m, 0.7m, 1.0m, 1.3m,1.5m, 1.7m, 2.0m, 2.3m, 2.5m, 2.7m, 3.0m, 3.5m, 4.0m, 4.5m, 5.0m, 6.0m, 7.0m,8.0m, 9.0m, 10.0m, 13.0m, 15.0m, 17.0m, 20.0m, 23.0m, 25.0m, 27.0m, 30.0m,35.0m, 40.0m, 45.0m, 50.0m, 60.0m, 70.0m, 80.0m, 90.0m, 100.0m。
步骤2、使用四极法反演的专业软件，如CDEGS的RESAP模块、软件IP2WIN或ZondIP1D等对四极法测量数据进行反演解释，取得浅层的水平多层大地电阻率模型。
步骤3、依据水平多层结构大地的传输线模型得到视在阻抗的表达式公式（1），
其中，为角频率，分别为第i层土壤的厚度、电阻率和磁导率， i 为 第i层土壤的波数，r i 为第i层土壤的波阻抗，R 1为地表视在阻抗，R i （i = 2, …, m）为阻抗 系数，m为土壤的总层数。
进一步，步骤3中，依据水平多层结构大地的视在阻抗的表达式，结合CSAMT法的测 量角频率，计算四极法的反演土壤模型的视在电阻率曲线，并与CSAMT法的视在电阻率曲 线做对比，判断是否存在静态效应。若不存在静态效应则直接按常规方式完成CSAMT法的反 演；若存在较明显的静态效应则转入步骤4。
步骤4，使用带约束的反演算法完成CSAMT法测量数据的反演。
进一步，步骤4中，CSAMT带约束的反演目标函数表达式为：
式中：为均方根误差的目标函数；f i 为测量频率序列；Z M 和Z D 分别为视在电阻率关于 测量频率序列f = {f i }（i = 1, …, n.）的测量值和正演值；Z f 为视在电阻率关于测量频率 f的正演函数；S S 为四极法反演取得的浅表土壤模型参数，反演过程中不会发生变化；S D 为反 演的深部土壤参数，需要在反演过程中调整以满足均方根误差最小的寻优条件。其中：目标 函数不再发生明显改进是指相邻两次迭代前后两次目标函数之差小于；目标函数小于 预设误差时即完成反演，预设误差可由用户指定，本专利要求预设误差取5%的相对误差；如 果目标函数未能小于预设误差，则反演运算调用目标函数的计算次数超出预设值也会完成 反演，运算量预设值可由用户指定，本专利要求运算量不少于5千次。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：该方法能利用四极法校正CSAMT静态效应，在电力系统内实现了基于可测量的实际数据进行静态效应校正。
附图说明
图1是四极法测量大地电阻率的示意图。
图2是可控源音频大地电磁法测量大地电阻率的示意图。
图3是传输线模型示意图。
图4是带约束的可控源音频大地电磁法测量数据反演算法流程图。
图5是四极法测量结果与反演曲线的对比图。
图6是CSAMT测量结果与反演曲线的对比图。
图7是综合勘探反演结果与四极法正演数据以及CSAMT法测量数据的对比图。
图8是电位拟合法测量数据与表2模型计算结果的对比图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
本发明提供的利用四极法校正CSAMT静态效应的方法，分如下五个步骤完成：
步骤1：CSAMT测点为测量中心，使用对称布线形式的四极法测量沿CSAMT测线的视在大地电阻率数据，推荐使用的四极法布线为温纳布线方式，极距选取范围为0.3m~100米，相邻极距之比取为1.2~1.5。本发明选择的极距方案为：0.3m, 0.5m, 0.7m, 1.0m, 1.3m,1.5m, 1.7m, 2.0m, 2.3m, 2.5m, 2.7m, 3.0m, 3.5m, 4.0m, 4.5m, 5.0m, 6.0m, 7.0m,8.0m, 9.0m, 10.0m, 13.0m, 15.0m, 17.0m, 20.0m, 23.0m, 25.0m, 27.0m, 30.0m,35.0m, 40.0m, 45.0m, 50.0m, 60.0m, 70.0m, 80.0m, 90.0m, 100.0m。
本实施例选取了某直流接地极的备选极址作为研究对象，分别采用四极法、CSAMT、AMT和MT法对极址进行了精细大地电阻率的勘探。勘探仪器为：四极法采用美国AVO公司的Megger DET2/2型全自动数字式接地电阻测试仪；CSAMT采用美国ZONGE公司的GDP-32II型多功能电法探测系统；AMT和MT法采用美国Crystal Globe公司的Aether全新一代大地电磁测量系统。
步骤2：使用四极法反演的专业软件，如CDEGS的RESAP模块、软件IP2WIN或ZondIP1D等对四极法测量数据进行反演解释，取得浅层的水平多层大地电阻率模型。
步骤2a：使用CSAMT以25m间距测点的标准测量了700m长测线的沿线地下电阻率分布，使用ZONGE公司的SCS2D软件进行测线地下0~3km深度范围电阻率分布的二维反演。截取0~150m深度范围内的CSAMT反演结果，结果表明在250m和600m处，附近存在着较大的局部电阻率不均匀，本实施例选取600m测点进行静态效应研究。
步骤2b：按图1的四极法原理，四极法的测量中心选取为600m测点，沿测线方向选 取不同极距作测量，测量数据与反演结果对比见图5。四极法的测量结果表明测线沿线大地 呈现水平多层土壤的特性，表面的土壤电阻率较低，而深层的大地电阻率较高。反演取得水 平五层大地参数（电阻率分别为99.2 、70.1 、28.7 、150.6 、2487.2 ，厚度分别为0.51m、0.97m、9.92m和1.12m），反演的均方根误差为2.06%。
步骤3：按图3水平多层结构大地的传输线模型和视在阻抗的表达式公式（6），结合 CSAMT法的测量角频率，计算四极法的反演土壤模型的视在电阻率曲线，并与CSAMT法的 视在电阻率曲线做对比，判断是否存在静态效应。若不存在静态效应则直接按常规方式完 成CSAMT法的反演；若存在较明显的静态效应则转入步骤4。
其中，为角频率，分别为第i层土壤的厚度、电阻率和磁导率， i 为 第i层土壤的波数，r i 为第i层土壤的波阻抗，R 1为地表视在阻抗，R i （i = 2, …, m）为阻抗 系数，m为土壤的总层数。
步骤3a：四极法反演的土壤模型关于CSAMT测量频率响应曲线（正演曲线）与CSAMT测量视在电阻率曲线对比见表1和图6。为了方便对比静态效应的严重程度，图6同时引入了相邻两测点的CSAMT测量视在电阻率曲线。
步骤3b：对比图6曲线可以看出，CSAMT勘探结果存在比较严重的静态效应，575m和600m测点的浅表电阻率高于625m测点，与的图5结果吻合。CSAMT反演的浅层大地电阻率均远高于四极法的勘探结果。
步骤4：使用带约束的反演算法完成CSAMT法测量数据的反演，首先设置约束条件和反演初值，并运用反演算法迭代寻优，当目标函数小于预设误差时输出结果，否则加一层大地层数并设置初值再次进行迭代计算，具体流程见图4。
如图4所示，整个反演过程由CSAMT带约束的反演目标函数控制，通过优化方法的迭代寻优从而取得满足反演精度的可行解。图4通过两种退出机制完成反演迭代，一是取得满足反演精度要求的可行解后正常退出，另外一种情况是超出运算量未能达到反演精度，反演结束返回当前最优的可行解。
CSAMT带约束的反演方法数学表达式为：
式中：为均方根误差的目标函数；f i 为测量频率序列；Z M 和Z D 分别为视在电阻率关于 测量频率序列f = {f i }（i = 1, …, n.）的测量值和正演值；Z f 为视在电阻率关于测量频率 f的正演函数；S S 为四极法反演取得的浅表土壤模型参数，反演过程中不会发生变化；S D 为反 演的深部土壤参数，需要在反演过程中调整以满足均方根误差最小的寻优条件。其中：目标 函数不再发生明显改进是指相邻两次迭代前后两次目标函数之差小于；目标函数小于 预设误差时即完成反演，预设误差可由用户指定，本专利要求预设误差取5%的相对误差；如 果目标函数未能小于预设误差，则反演运算调用目标函数的计算次数超出预设值也会完成 反演，运算量预设值可由用户指定，本专利要求运算量不少于5000次。
取S S 为四极法反演取得的浅表土壤模型参数，按图4算法进行反演，取得一组水平9层的大地模型，具体的参数如表2所示。土壤模型的反演曲线与四极法反演土壤模型关于CSAMT的频率响应曲线、CSAMT测量数据的对比见图7。
由于四极法在勘探时测量电流很难穿越高阻层，故无法发现高阻层以下的电阻率分布，故在图7中四极法的正演曲线在低频段只能趋于高阻层的电阻率，这是四极法最大缺点。磁法勘探可以克服电法勘探的缺点，磁场信号可以轻松穿越高阻层从而勘探取得高阻层以下更大深度的大地电阻率分布，但图7中CSAMT高频段的结果极不理想，静态效应和趋肤效应都会让磁法勘探的高频测量结果严重偏离实际。本专利将两种方法混合使用，取长补短，提高了四极法勘探深度（表2的模型测深超过了12km），也有效提升了反演结果的准确度。
步骤5：使用电位拟合法和电测井法分别开展600m测点反演模型的验证工作。电位拟合法在距离测点10.08km处布置了一个回流接地极，通过大功率的试验电源，在试验回路内通入6.7A的直流试验电流。测量600m测点附近的地表电位与电流极中点之间的电位偏差，测量数据与表2模型结果的对比见图8。从实测结果的对比可以看出，联合反演取得的大地模型和电位拟合法的测量结果比较吻合。在600m测点附近大地电阻率存在一定的局部不均匀性，故误差稍大，随着观测点远离测点，实测结果和仿真模型得到的曲线较为一致。
目前的大地电阻率勘探方法主要是间接法，而电测井法是一种直接型地球物理勘探方法，它可以通过钻井开挖的方式实测样本的电阻率。然而在钻井开挖过程中存在地下水入侵钻孔的情况，故现场测得电阻率偏小，在此不列举具体的测井数据。在钻井深度约12m处遇到了岩石，现场的钻井结果与表2大地模型地下高阻层位于地下12.5m深度的情况基本一致。
本专利方法初步的应用效果表明，联合运行四极法和CSAMT法可以有效实现直流接地及大地电阻率模型的精细勘探和反演。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
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