CN112285785B - 一种无近场效应的电磁探测方法 - Google Patents

一种无近场效应的电磁探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无近场效应的电磁探测方法，包括(1)判断最低频率flow；(2)正演模拟计算探测频率范围内的电磁测深曲线；(3)判断开始产生近场效应的频点fnf；(4)设计移动发射源及大功率固定源的发射频率表；(5)采集得到全频段电磁探测时间序列；(6)得到各频点对应的视电阻率及阻抗相位；(7)将所有频点的视电阻率值及阻抗相位值进行数据组合，得到全频段的无近场效应的电磁测深曲线。本发明通过采集移动式发射源的高频信号，接收大功率固定源发射的低频信号，并将二者信号进行统一处理，有效解决CSAMT方法中遇到的近场效应，得到不含近场影响的全频段反映地下真实电性特征的可控源电磁法数据。

Description

一种无近场效应的电磁探测方法
技术领域
本发明涉及电磁探测技术领域，特别是渉及一种无近场效应的电磁探测方法。
背景技术
在地球物理勘探方法中，频率域电磁勘探方法被广泛应用于地球内部结构以及油气、矿产、地热等地下资源的探测之中。
采用天然源信号的大地电磁(MT)方法抗干扰能力比较弱，测量精度比较低，为了克服MT方法的缺点，提出了采用人工源的可控源音频大地电磁测深方法(CSAMT)。CSAMT方法的显著特点是接收信号具有较高的信噪比，相对于大地电磁法可以提高野外测量的精度和工作效率。
CSAMT法近年来得到了广泛的应用，但是此方法受到近场效应的影响，接收到的低频电磁数据不含深部的真实电性信息，导致探测深度浅，现有技术的最大探测深度仅为2km左右，无法满足深部探测的需求。
“极低频探地工程”是一种通过大功率人工源方法产生极低频电磁波以探测地下电性结构的一种新方法，称WEM方法，是地球物理学和无线电物理学相结合的产物。它通过在近地高阻区铺设有限长距离(几十公里)电缆源，大功率(大于500kW)发射0.1～300Hz电磁波，在全国大部分范围内接收该电磁信号以达到大深度对地电磁探测的目的。WEM的特点是人工发射信号强度大，抗干扰能力强，信号稳定，覆盖全国大部分地区。但现有WEM方法高频只能达到300Hz，因此浅部探测分辨率较弱。
CSAMT是一种利用人工可控接地电性源激发电磁波来探测地下地层电性结构的一种方法。在这种方法中，人工控制发射源发射1Hz至10kHz频段的电磁波信号，与此同时，采用接收机在一定范围内进行相应频率信号的接收，得到频率-视电阻率及频率-相位电磁探测数据。因为所接收到的电磁信号携带地下电性信息，因此可以通过分析观测到的数据，得到地下的电性结构特征。
如图5所示，CSAMT方法采用的是天然源大地电磁法MT的“平面波”假设，近似电磁波为垂直入射大地。这种假设在发射频率较高及收发距较远时是可以的，但是CSAMT方法由于发射机的功率小信号弱，为了保证有效的信号强度，通常发射源与接收位置之间的距离限制在10km以内。因此当发射频率较低时，接收位置的电磁信号为非平面波，产生“近场效应”。
由电磁法勘探基本原理可知，频率高，探测深度浅，频率低，探测深度大。现有的CSAMT法受到近场效应的影响且无法有效解决，仅能采集到高频的有效数据，无法获得真实的低频信息。低频数据的缺失，导致CSAMT方法探测深度小，无法满足越来越多的深层探测的需求。
发明内容
本发明提出一种无近场效应的电磁探测方法，本发明可以解决现有CSAMT技术中无法解决的近场效应问题。通过本发明的技术方案，可以得到无近场影响的能够真实反映地下电性信息的探测数据，大幅提高现有技术的探测深度。
具体的技术方案为：
一种移动源与固定源结合的深部资源电磁探测方法，包括以下步骤：
一种无近场效应的电磁探测方法，包括以下步骤：
(1)判断最低频率flow
采集测区相关的地质资料，按照现有的CSAMT的野外工作方法，确定测线测点的位置以及移动发射源的位置；根据设计的最大探测深度范围，确定所需要的最低频率；利用如下公式，确定所需要的最低频率；公式中δ为设计的探测深度，ρ为根据已知地质资料确定的大地电阻率，计算得到需要最低频率为flow：
Figure BDA0002716024140000021
(2)正演模拟计算探测频率范围内的电磁测深曲线
根据采集的地质资料建立模型，以距离发射源最近的测点作为接收点，正演模拟计算得到此测点上的电场Ex及磁场Hy的振幅，计算得到此测点的不同频率对应的频率-视电阻率及频率-阻抗相位测深曲线；采用如下公式计算得到该测点的不同频率对应的频率-视电阻率及频率-阻抗相位测深曲线：
Figure BDA0002716024140000022
Figure BDA0002716024140000023
其中ρ为视电阻率，
Figure BDA0002716024140000031
为阻抗相位，Ex为x方向的电场分量，Hy为y方向的磁场分量，角频率ω＝2πf，f为本次探测中使用的探测频率，μ为真空中的磁导率，Im代表虚部，Re代表实部；
(3)判断开始产生近场效应的频点fnf
进行双对数坐标轴的视电阻率及阻抗相位成图，判断视电阻率曲线在双对数坐标轴上开始沿45°直线上升，同时相位曲线开始趋于0°的频点；
(4)设计移动发射源及大功率固定源的发射频率表
根据确定的近场效应频点fnf，设计发射频率表；设计移动源发射机的发射频率表，频率范围为10kHz至fnf；设计极低频探地WEM工程中的大功率固定源的发射频率表，频率范围为fnf至flow；
(5)采集得到全频段电磁探测时间序列
在测区各测线上阵列式布设接收机，进行移动源及固定源的信号发射及接收工作；
(6)得到各频点对应的视电阻率及阻抗相位
根据移动式发射机的发射频率表截取不同频率对应的时间序列数据，并进行FFT变换，得到高频段对应频点的电场幅值Ex及磁场幅值Hy；根据大功率固定源的发射频率表截取低频段不同频率对应的时间序列段，分别进行FFT变换，得到低频段各频点对应的电场及磁场振幅；计算得到视电阻率及阻抗相位；
(7)将所有频点的视电阻率值及阻抗相位值进行数据组合，得到全频段的无近场效应的电磁测深曲线。
进一步的，步骤(6)中利用如下公式计算得到视电阻率及阻抗相位：
Figure BDA0002716024140000032
Figure BDA0002716024140000033
其中ρ为视电阻率，
Figure BDA0002716024140000034
为阻抗相位，Ex为x方向的电场分量，Hy为y方向的磁场分量，角频率ω＝2πf，f为本次探测中使用的探测频率，μ为真空中的磁导率，Im代表虚部，Re代表实部。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明利用现有CSAMT方法中的小型移动式发射机发射高频信号，利用大功率固定源发射低频电磁信号，高频与低频同时并行发射，全时间序列数据采集与处理的方式，在保证工作效率的同时有效解决现有CSAMT探测方法中遇到的近场效应问题，在保证探测精度的同时大幅提高现有技术的探测深度。
与现有技术相比较，本发明提出一种移动源与固定源结合的深部资源电磁探测方法，此方法通过采集移动式发射源的高频信号，以及接收大功率固定源发射的低频信号，并将二者信号进行统一处理，可有效解决CSAMT方法中遇到的近场效应，得到不含近场影响的全频段反映地下真实电性特征的可控源电磁法数据。本发明由于高频及低频数据均采用的人工可控源信号，因此抗干扰能力强，可有效实现大深度高精度的地下电性结构探测。
附图说明
图1为本发明探测方法示意图；
图2a CSAMT法的频率-视电阻率测深曲线；
图2b CSAMT法的频率-相位测深曲线；
图3a本发明方法得到的频率-视电阻率测深曲线；
图3b本发明方法得到的频率-相位测深曲线；
图4a CSAMT法及本发明方法在实际野外探测中得到的频率-视电阻率曲线对比；
图4b CSAMT法及本发明方法在实际野外探测中得到的频率-相位曲线对比；
图5为现有技术CSAMT野外工作方法示意图。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
本发明提出采用现有CSAMT技术发射高频，利用WEM方法的大功率固定式天线发射低频信号，二者同时发射并接收的固定源与移动源结合的电磁探测方法，野外工作方式如图1所示。
本发明的工作步骤为：
(1)判断最低频率flow
采集测区相关的地质资料，按照现有的CSAMT的野外工作方法，确定测线测点的位置以及移动发射源的位置。根据设计的最大探测深度范围，利用如下公式，确定所需要的最低频率。公式中δ为设计的探测深度，ρ为根据已知地质资料确定的大地电阻率，计算得到需要最低频率为flow。
Figure BDA0002716024140000051
本实例中设计最大探测深度为50km，大地电阻率为1000Ωm，则需要的最低探测频率为0.1Hz，最高频率采用CSAMT法的最高工作频率10kHz，则本次探测需要的工作频率范围为0.1Hz-10kHz。
(2)正演模拟计算探测频率范围内的电磁测深曲线
根据采集的地质资料建立模型，以距离发射源最近的测点作为接收点，正演模拟计算得到此测点上的电场Ex及磁场Hy的振幅，并采用如下公式计算得到此测点的频率-视电阻率及频率-阻抗相位测深曲线。
Figure BDA0002716024140000052
Figure BDA0002716024140000053
本实例中接收点距离发射源的距离为10km，大地电阻率为1000Ωm，正演模拟计算得到的此测点接收到的测深曲线如图2a和图2b所示。
(3)判断开始产生近场效应的频点fnf
进行双对数坐标轴的视电阻率及阻抗相位成图，判断视电阻率曲线在双对数坐标轴上开始沿45°(在横纵轴比例一致时)直线上升，同时相位曲线开始趋于0°的频点。
在实例中，由于大地电阻率为1000Ωm，因此真实视电阻率值应为1000Ωm的水平直线，真实的阻抗相位应该为45度的水平直线。实例中模拟得到的CSAMT探测曲线从64Hz开始进入近场，在这种情况下，现有CSAMT技术仅能采集到64Hz以上的有效数据，根据公式1计算得到的探测深度仅为2km。无法得到深层的电性探测信息。
(4)设计移动发射源及大功率固定源的发射频率表
根据确定的近场效应频点fnf，设计发射频率表。设计移动源发射机的发射频率表，频率范围为10kHz至fnf。设计极低频探地WEM工程中的大功率固定源的发射频率表，频率范围为fnf至flow。
本实例中设计移动发射源的发射频率为10kHz至64Hz，WEM固定式发射源的发射频率为64Hz至0.1Hz，二者的发射时间均设计为30分钟。
(5)采集得到全频段电磁探测时间序列
在测区各测线上阵列式布设接收机，进行移动源及固定源的信号发射及接收工作。
本实例大功率固定源与移动式发射机各自同时进行发射，有效保证野外的工作效率。接收机以24k采样率进行电磁信号的时间序列数据采集，得到含有移动源及固定源发射信号的时间序列数据，采集时间涵盖发射机发射期间的30分钟，保证接收机能够采集到二者发射的所有频率信号。
(6)得到各频点对应的视电阻率及阻抗相位
根据移动式发射机的发射频率表截取不同频率对应的时间序列数据，并进行FFT变换，得到高频段对应频点的电场幅值Ex及磁场幅值Hy。根据大功率固定源的发射频率表截取低频段不同频率对应的时间序列段，分别进行FFT变换，得到低频段各频点对应的电场及磁场振幅。
利用如下公式计算得到视电阻率及阻抗相位。
Figure BDA0002716024140000061
Figure BDA0002716024140000062
(7)将所有频点的视电阻率值及阻抗相位值进行数据组合，得到全频段的无近场效应的电磁测深曲线。
图3a和图3b为本发明得到的探测结果，可见本发明能够得到从0.1Hz至10kHz的全频段有效探测数据。本发明得到了真实反映地下的电性特征的电磁测深曲线，0.1Hz的低频数据能够反映地下50km深度范围内的电性特征。
图4a和图4b给出了本发明在实际野外探测中的应用效果。
可见此测点的CSAMT探测数据从32Hz开始进入近场，无法探测深部信息。采用本发明技术方案能够有效得到深部的电性信息，在保证探测精度的同时大幅提高了探测深度。

Claims (2)

1.一种无近场效应的电磁探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）判断最低频率f low
采集测区相关的地质资料，按照现有的CSAMT的野外工作方法，确定测线测点的位置以及移动发射源的位置；根据设计的最大探测深度范围，确定所需要的最低频率；利用如下公式，确定所需要的最低频率；公式中δ为设计的探测深度，ρ为根据已知地质资料确定的大地电阻率，计算得到需要最低频率为f low ：
Figure 217037DEST_PATH_IMAGE002
；
（2）正演模拟计算探测频率范围内的电磁测深曲线
根据采集的地质资料建立模型，以距离发射源最近的测点作为接收点，正演模拟计算得到此测点上的电场E x 及磁场H y 的振幅，计算得到此测点的不同频率对应的频率-视电阻率及频率-阻抗相位测深曲线；采用如下公式计算得到该测点的不同频率对应的频率-视电阻率及频率-阻抗相位测深曲线：
Figure 665336DEST_PATH_IMAGE004
Figure 851598DEST_PATH_IMAGE005
其中ρ为视电阻率，φ为阻抗相位，E x 为x方向的电场分量，H y 为y方向的磁场分量，角频率ω=2πf，f为本次探测中使用的探测频率，μ为真空中的磁导率，Im代表虚部，Re代表实部；
（3）判断开始产生近场效应的频点f nf
进行双对数坐标轴的视电阻率及阻抗相位成图，判断视电阻率曲线在双对数坐标轴上开始沿45°直线上升，同时相位曲线开始趋于0°的频点；
（4）设计移动发射源及大功率固定源的发射频率表
根据确定的近场效应频点f nf ，设计发射频率表；设计移动源发射机的发射频率表，频率范围为10kHz至f nf ；设计极低频探地WEM工程中的大功率固定源的发射频率表，频率范围为f nf 至f low ；
（5）采集得到全频段电磁探测时间序列数据
在测区各测线上阵列式布设接收机，进行移动源及固定源的信号发射及接收工作；
（6）得到各频点对应的视电阻率及阻抗相位
根据移动源发射机的发射频率表截取不同频率对应的时间序列数据，并进行FFT变换，得到高频段对应频点的电场幅值Ex及磁场幅值Hy；根据大功率固定源的发射频率表截取低频段不同频率对应的时间序列数据，分别进行FFT变换，得到低频段各频点对应的电场及磁场振幅；计算得到视电阻率及阻抗相位；
（7）将所有频点的视电阻率值及阻抗相位值进行数据组合，得到全频段的无近场效应的电磁测深曲线。
2.根据权利要求1所述的无近场效应的电磁探测方法，其特征在于，步骤（6）中利用如下公式计算得到视电阻率及阻抗相位：
Figure 777966DEST_PATH_IMAGE004
Figure 982551DEST_PATH_IMAGE005
其中ρ为视电阻率，φ为阻抗相位，E x 为x方向的电场分量，H y 为y方向的磁场分量，角频率ω=2πf，f为本次探测中使用的探测频率，μ为真空中的磁导率，Im代表虚部，Re代表实部。
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