CN112946762B - 基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法，包括以下步骤：S1、布设观测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、可同时观测电场和磁场的接收机；S2、使所述观测装置正常工作，测量设备接收测点反馈的电磁响应信号，并发送给处理装置；S3、所述处理装置根据所述电磁响应信号，计算测点所处位置不同频率的视电阻率，通过定性分析和定量计算获取地层信息。由于该方法对电场和磁场无方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测，大大提高野外施工效率；其次，其视电阻率基于电场和磁场分量公式严格定义，不仅能精确反映地电信息，而且能够消除场源发射效率对电磁测深的影响。

Description

基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法

技术领域

本发明涉及勘查地球物理领域的电磁勘探技术领域，尤其涉及一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法。

背景技术

传统的人工源电磁法(CSEM)，在定义视电阻率时要么简化电磁场公式要么采用单分量。对于可控源音频大地电磁法(CSAMT)采用卡尼亚公式计算视电阻率，舍弃了电磁场分量的高次项，只适用于远区观测；其次，需要严格测量两个正交的电场和磁场分量，制约了野外施工效率，引起不必要的人为误差。

对于广域电磁法(WFEM)可以采用任意单分量获取视电阻率参数，且可以在广大区域测量，其测量范围和勘探深度比CSAMT有了更大的发展，但是又受制于场源发射效率影响。因为在实际观测中，发射效率很难准确测得，所以在视电阻率计算过程中消除发射效率的影响至关重要。

基于此，亟需设计一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的电磁勘探方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法，既保证野外施工高效测量电磁信号，又在消除场源发射效率影响的情况下简单精确计算视电阻率，由于该方法对电场和磁场无方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测，大大提高野外施工效率。

(二)技术方案

本发明公开了一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法，所述电磁勘探方法包括以下步骤：

步骤S1：布设观测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、可同时观测电场和磁场的接收机；所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，所述测量电极位于所述勘探区域地表，所述接收机包括相连的接收设备和处理装置，所述接收设备连接所述测量电极；

步骤S2：使所述观测装置正常工作，测量设备接收测点反馈的电场和磁场响应信号，并发送给处理装置，所述测量电极M和N没有严格的方位限制；

步骤S3：所述处理装置根据所述电磁响应信号，计算测点所处位置不同频率的视电阻率，通过定性分析和定量计算获取地层信息；

步骤S3具体包括：

所述处理装置根据所述一个或多个频率的任意水平电场分量E和水平磁场分量H的响应信号，最终根据式(12)通过迭代方法获取所述记录点所处位置的不同频率的视电阻率，式(12)表示的视电阻率为：

式(12)中电磁响应函数f(ikr)为

E·MN＝ΔV_MN (14)

其中，ρ_a为视电阻率，ρ为预设电阻率，Ω·m；MN为两个测量电极的直线长度，m；ΔV_MN为两个测量电极之间的电位差，V；

为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角；α为两个测量电极连线与x轴方向的夹角；θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数；r为记录点到两个供电电极中点的距离，m；i为虚数单位。

进一步的，所述的步骤S3中，式(12)的推导和解释过程具体如下：

柱坐标系中均匀半空间电流源产生的电磁场各分量为：

E_z＝0 (3)

其中，E_r，

和E_z分别为r，

和z方向的电场分量，H_r，

和H_z分别为r，

和z方向的磁场分量，k²＝ω²με-iωμσ，其中，ε为介电常数，μ为磁导率，ρ为电阻率，ω为角频率，σ为均匀半空间的电导率，dL为供电电极A与B之间的距离；I为发送机发送的供电电流；

根据坐标转换可得x、y方向电场分量为：

设MN与x轴夹角为α时，任意水平方向方向电场可表示为：

E＝cosα·E_x+sinα·E_y (8)

将式(7)代入式(8)可得

设磁场方向与x轴夹角为θ时，同理可得任意水平方向磁场为：

式(9)除以式(10)，可得

则由式(11)可得视电阻率为：

进一步的，E和H的测量位置都并不要求一定要与预设的测量电极的位置严格一致。

在另外一方面，本发明还公开了一种基于水平电场E和磁场H获取电阻率的频率域电磁勘探系统，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如上述任一项所述的基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法。

在另外一方面，本发明还公开了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如上述任一项所述的基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法。

(三)有益效果

相对于现有技术，本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明测量任意水平方向的电场和磁场分量，无观测方位限制，可实现宽方位角电磁对地探测；只需记录埋设电极坐标即可，野外操作简单易行，大大提高作业效率；

(2)该方法定义的视电阻率同时利用了电场和磁场信息，且严格推导公式，不仅能够获取目标区域精确的视电阻率，而且消除了场源发射效率对目标区域电磁测深的影响。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明一实施例提供的一种测量水平电场E和水平磁场H的装置结构示意图；其中，附图标记1为观测装置，2为发送机，3为接收机

图2为本发明一实施例提供的一种基于水平电场E和水平磁场H的频率域电磁勘探方法的流程示意图；

图3为本发明水平电流源产生电场E和磁场H的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、完整地描述，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

作为本发明实施例的一个实施例，如图2所示，本发明设计了基于水平电场和磁场的频率域电磁勘探方法，该方法实际为一种基于频率域水平电流源任意水平电场分量E和水平磁场分量H获得地下电阻率参数的电磁勘探方法，包括以下步骤：

步骤S1：布设观测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、可同时观测电场和磁场的接收机；所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，所述测量电极位于所述勘探区域地表，所述接收机包括相连的接收设备和处理装置，所述接收设备连接所述测量电极；以上测量水平电场E和水平磁场H的装置结构示意图具体参见图1。

步骤S2：使所述观测装置正常工作，测量设备接收测点反馈的电场和磁场响应信号，并发送给处理装置，所述测量电极M和N没有严格的方位限制；

步骤S3：所述处理装置根据所述电磁响应信号，计算测点所处位置不同频率的视电阻率，通过定性分析和定量计算获取地层信息。

如图3所示，在步骤S3中具体包括：所述处理装置根据所述一个或多个频率的任意水平电场分量E和水平磁场分量H的响应信号，计算所述记录点所处位置的不同频率的视电阻率。水平电流源产生E方向电场和磁场H的原理图如说明书附图中的图3所示。具体计算过程包括：

所述处理装置根据所述一个或多个频率的任意水平电场分量E和水平磁场分量H的响应信号，根据式(12)通过迭代方法获取所述记录点所处位置的不同频率的视电阻率，式(12)的推导和解释过程如下：

柱坐标系中均匀半空间电流源产生的电磁场各分量为：

E_z＝0 (3)

这里，E_r，

和E_z分别为r，

和z方向的电场分量，H_r，

和H_z分别为r，

和z方向的磁场分量；k为波数，k²＝ω²με-iωμσ，其中，i为虚数单位，ε为介电常数，μ为磁导率，ω为角频率，σ为均匀半空间的电导率；ρ为电阻率，Ω·m；I_v和K_v分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数；dL为供电电极A与B之间的距离，m；I为发送机发送的供电电流，A；

根据坐标转换可得x、y方向电场分量为：

设MN与x轴夹角为α时，任意水平方向方向电场可表示为：

E＝cosα·E_x+sinα·E_y (8)

将式(7)带入式(8)可得

设磁场方向与x轴夹角为θ时，同理可得任意水平方向磁场为：

式(9)除以式(10)，可得

则由式(11)可得视电阻率为：

式中电磁响应函数f(ikr)为

E·MN＝ΔV_MN (14)

其中，ρ_a为视电阻率，ρ为预设电阻率，单位为Ω·m；MN为两个测量电极的直线长度，单位为m；ΔV_MN为两个测量电极之间的电位差，单位为V；如图2所示，

为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角，α为两个测量电极连线与x轴方向的夹角，θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数，r为记录点到两个供电电极中点的距离，m。

由式(12)可知，本发明所定义的视电阻率公式与场源长度dL和供电电流大I无关，与收发距r、观测角度

电场和磁场强度有关。f(ikr)中包含了电阻率ρ的信息，因此可通过迭代方式计算出视电阻率。

E为电磁接收设备在野外实际布置的两个测量电极之间的电场分量的响应信号，H是任意方向磁场分量的响应信号，并不要求一定要与预设的测量电极的位置严格一致，因此，电场和磁场都能准确的反映目标区域的电性特征。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的勘探方法和系统，可以通过其它的软件类方式实现。在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (5)

1.一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探方法，其特征在于，所述电磁勘探方法包括以下步骤：

步骤S1：布设观测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、可同时观测电场和磁场的接收机；所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，所述测量电极位于勘探区域地表，所述接收机包括相连的接收设备和处理装置，所述接收设备连接所述测量电极；

步骤S2：使所述观测装置正常工作，测量设备接收测点反馈的电场和磁场响应信号，并发送给处理装置，所述测量电极M和N没有严格的方位限制；

步骤S3：所述处理装置根据所述电场和磁场响应信号，计算测点所处位置不同频率的视电阻率，通过定性分析和定量计算获取地层信息；

步骤S3具体包括：

所述处理装置根据一个或多个频率的任意水平电场分量E和水平磁场分量H的响应信号，最终根据式(12)通过迭代方法获取记录点所处位置的不同频率的视电阻率，式(12)表示的视电阻率为：

式(12)中电磁响应函数f(ikr)为

E·MN＝ΔV_MN (14)

其中，ρ_a为视电阻率，Ω·m；MN为两个测量电极的直线长度，m；ΔV_MN为两个测量电极之间的电位差，V；

为记录点与两个供电电极中点的连线与两个供电电极连线的夹角；α为两个测量电极连线与x轴方向的夹角；θ为测点处观测磁场方向与x轴方向的夹角；f(ikr)为电磁响应函数；r为记录点到两个供电电极中点的距离，m；i为虚数单位；I_v和K_v分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数，k为波数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤S3中，式(12)的推导和解释过程具体如下：

柱坐标系中均匀半空间电流源产生的电磁场各分量为：

E_z＝0 (3)

这里，E_r，

和E_z分别为r，

和z方向的电场分量，H_r，

和H_z分别为r，

和z方向的磁场分量；k为波数，k²＝ω²με-iωμσ，其中，σ为均匀半空间的电导率，ε为介电常数，μ为磁导率，ρ为电阻率，ω为角频率；I_v和K_v分别是v阶第一、第二类虚宗量为ikr/2的贝塞尔函数；dL为供电电极A与B之间的距离，m；I为发送机发送的供电电流，A；

根据坐标转换可得x、y方向电场分量为：

设MN与x轴夹角为α时，任意水平方向电场可表示为：

E＝cosα·E_x+sinα·E_y (8)

将式(7)代入式(8)可得

设磁场方向与x轴夹角为θ时，同理可得任意水平方向磁场为：

式(9)除以式(10)，可得

则由式(11)可得视电阻率为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，E和H的测量位置都并不要求一定要与预设的测量电极的位置严格一致。

4.一种基于水平电场和磁场获取电阻率的频率域电磁勘探系统，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一项所述的方法。

5.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至3任一项所述的方法。

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