CN114114429A - 一种地空频率倾子测深勘探装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种地空频率倾子测深勘探装置，包括：地面发射装置，为布设的一条或多条接地长导线源，导线源与测线方向垂直，测量区在发射区两侧，沿测线“S”形布设；空中磁场三分量测量装置，用于测量磁场的三个分量Hx、Hy、Hz，通过垂直磁场和水平磁场的比值得到倾子；远程控制系统，与空中磁场三分量测量装置通讯连接，记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位。本发明倾子响应规律受发射源电偶极距和电流大小影响较小，降低了电流对电磁响应的影响，克服了地空电磁法勘探的大功率发射问题装置问题，提高了地空电磁勘探技术的可行性，降低了野外勘探的成本；同时倾子在空中的衰减缓慢，这为地空频率倾子测深法提供了更大的有效探测区域。

Description

一种地空频率倾子测深勘探装置和方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域、特别涉及一种地空频率倾子测深勘探装置和方法，其特别之处在于，倾子响应规律受发射源电偶极距和电流大小影响较小，降低了电流对电磁响应的影响，克服了地空电磁法勘探的大功率发射问题装置问题，提高了地空电磁勘探技术的可行性，降低了野外勘探的成本；同时倾子在空中的衰减缓慢，这为地空频率倾子测深法提供了更大的有效探测区域。

背景技术

随着经济的持续发展，矿产资源与的供需存在巨大矛盾，面对当前严峻的矿产形势，国家明确表明要突破当前的找矿瓶颈，将勘探方向指向危机矿山的深度找矿以及第二深度空间(500-2000m)的矿产勘探，目前我国矿场的勘探深度多在800m以内，勘探深度大多不超过500m，因此大力发展深度快速精细勘探势在必行。针对第二深度空间找矿，主要目标集中在西部偏远地区，而这些地区多处于高寒、戈壁、大面积森林覆盖等条件下，面临这些复杂的地质条件，探测设备及人员很难进入，并且这些地区面积广，工作量大，导致勘探难度大。面对这些问题时，急需要一种新型的电磁方法去适应在复杂环境下快速、精确的测量。

电磁法是一种重要的地球物理勘探方法，适用于众多领域。电磁法种类众多，包括时间域和频率域方法，目前频率域电磁方法发展速度快、技术成熟。上个世纪50年代，法国Cagniard和苏联Tikhonov提出大地电磁法(MT)；上个世纪60年代Berdiehevski等提出音频大地电磁法(AMT)；上个世纪70年代由加拿大Strangway和Myron提出可控源音频大地电磁法(CSAMT)。大地电磁法、音频大地电磁法、可控源音频大地电磁法均是地面勘探方法，即测量装置在地面上，沿着测点测个进行数据采集。地面电磁勘探方法在大范围地下电性结构勘探时，速度缓慢、效率低、成本高，且在复杂地形条件下施工困难。因此，为了提高勘探效率和节省成本，上个世纪中期提出航空电磁法。航空电磁法是以飞机为测量平台，具有快速勘查、效率高、探测范围打、成本低等优势。相对于地面电磁勘探方法，航空电磁法由于信号弱、飞行干扰强导致数据质量较低、有效勘探深度不足。

为达到快速、精确测量的目的，将地面电磁勘探方法和航空电磁法进行优势互补，提出地空电磁法，既在地面布设发射装置，空中利用飞机或者无人机等飞行平台搭载测量系统采集电磁信号，通过地面大功率激励源在整个信号采集过程中连续发射电流，在空中获取电磁场来反映地下电性结构，该方法具有发射信号强、空中非接触式快速测量的双重优点，具备对地形地质条件复杂区域进行大范围大深度快速探测的能力，而且探测效果较航空电磁法更强，接近地面电磁法探测效果，较地面电磁法成本低、速度快。

上个世纪70年代初，出现最早期的频率域地空电磁系统TURAIR，利用两个放置在不同位置上的接收装置定义出振幅比和相位差进行勘探。上个世纪末，针对澳大利亚的特殊环境，为了对澳大利亚干旱地区导电地表覆盖层下的地质情况进行勘探，解决大深度勘探问题，Elliott研制了FLAIRTEM系统，该系统采用直升机作为接收系统搭载平台，同期还有Fugro航空公司研发的TerraAir系统和GREATEM系统问世。我国对地空电磁系统发展较为滞后，吉林大学研究团队开发了基于接地导线和飞艇、无人机的时间域地空电磁探测系统和频率域地空电磁探测系统，并在山地矿区、海陆交互带等复杂地形区域获得了成功应用。

地空电磁勘探应用领域广泛，国外从上个世纪90年代初就将地空电磁法应用到野外地质调查中。ToruMogi、HisatoshiIto等人将GREATEM地空电磁系统应用到MountBandai、AsoVolcano、OntakeVolcano火山结构勘查中；HisatoshiIto等人还成功的将基于直升机地空电磁勘探系统应用到沿海地区地下电阻率结构的研究中；薛国强、马振军等人分别将地空电磁勘探方法应用到煤炭采空区的探测中。

然而，上述的地空电磁法在应用中主要存在以下问题：(1)信噪比较低，对地下电性结构的反映不明显；(2)主要针对磁场单分量信号研究，没有完全利用磁场信号；(3) 磁场信号衰减速度快，探测区域范围受到限制。

发明内容

本发明所需要解决的技术问题是提出的地空频率倾子测深勘探方法，能够有效的充分利用磁场信号，克服了传统地空电磁法勘探的大功率发射问题，并扩大有效探测区域，能够对深部地质目标体进行探测，获得地下目标体详细的地质信息，具体阐述如下。

一种地空频率倾子测深勘探装置，包括：

地面发射装置，为布设的一条或多条接地长导线源，导线源与测线方向垂直，测量区在发射区两侧，沿测线“S”形布设；

空中磁场三分量测量装置，悬挂在无人机下方沿着既定测线飞行，内置有GPS 同步定位发射装置和测量系统，用于测量磁场的三个分量Hx、Hy、Hz，通过垂直磁场和水平磁场的比值得到倾子；

远程控制系统，与空中磁场三分量测量装置通讯连接，记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位。

作为优选地，所述地面发射装置的一条或多条接地长导线源，长度范围在2-3 公里，野外的接地长导线源布设长度取决于探测深度和范围。

作为优选地，所述地面发射装置发射的信号覆盖范围为信号发射区，所采用的接地长导线源发射连续信号，频率范围10Hz～100000Hz，电流大小取决于探测的范围。

一种适用于复杂地形条件下的地空频率倾子测深方法，按下列步骤进行：

S1，测线的布置与测点的设定，根据勘探任务明确测量区域和勘探深度以及已有的地质和地球物理信息，分析测区的地质和地球物理概况、探测目标体可能的走向和倾向信息，将测线布设在垂直探测目标体走向的方向，测线以“S”形布设，测点的密度与工作比例尺应根据勘探任务的性质和探测目标体的大小及其异常特征来确定；

S2，布设地面发射装置，将接地的长导线沿测线、测点布置，启动发射装置加载电流向地下激发具有较大能量的周期性谐变电磁信号，同时启动远程控制系统记录发射频率及发射电流大小；

S3，无人机搭载磁场三分量测量系统沿着既定测线飞行，在每个测点的测量过程中，发射装置均发射至少一个完整的频率周期，通过尼龙软带悬挂在无人机下方，由无人机拖曳着磁场三分量测量系统至指定高度(磁场三分量测量系统所处的高度)，在飞行过程中保持飞行姿态和飞行高度的一致；

S4，远程信号监测系统实时记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位，在无人机飞行的过程中，磁场三分量测量系统所搭载的GPS同步定位发射装置和测量系统获取本身所在测点的位置坐标、高程及测量系统方位，远程信号监测系统记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位；

S5，空中测量完毕得到地空频率域电磁数据，即Hx、Hy、Hz，按照

得到地空频率电磁倾子参数；

S6，利用二分搜索迭代算法计算模型的视电阻率，对所获的视电阻进行解释，获得地下电性结构信息。

其中，在步骤S6中，所述的二分搜索迭代算法计算模型视电阻率的步骤如下：

S61，设在10—10000Hz频段上的实测的倾子响应值为T，其对地视电阻率为ρ；

S62，根据前期资料得到工区范围内地层的最小电阻率ρ_min和最大电阻率ρ_max，确定ρ∈[ρ_min，ρ_max]，一般情况下取[0.1,10000]；计算视电阻率区间[ρ_min，ρ_max]的中间值

计算ρ_m对应的均匀半空间模型下倾子响应值T(i)，将T(i)与实测倾子响应值 T对比，若两者之间的相对误差满足误差容许值ε，则认为ρ_m为实测倾子数据对应的电阻率；如果两者之间的相对误差不满足误差容许值ε，则进入电阻率判定阶段；

S63，根据倾子响应值随电阻率的增大而单调递增，如果T>T(i)，表明ρ_m比实际地下电阻率值小，实际地下电阻率值在[ρ_m，ρ_max]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_min，否则实际地下电阻率值在[ρ_min，ρ_m]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_max，返回S62步骤中计算；

S64，重新计算ρ_m对应的均匀半空间模型的倾子响应值T(i)与实测数据T的相对误差，满足误差容许值则输出ρ_m，不满足则进入S63步骤，直至ρ_m满足要求，将其输出，作为实测倾子数据对应的电阻率。

有益效果：与现有技术相比，本发明产生如下积极效果：(1)本发明是在地面布设激励源、空中接收磁场信号的一种快速勘探方法，相较于地面电磁勘探方法具有成本低、速度快的优势，且探测能力接近地面电磁方法，相较于航空电磁勘探方法具有探测能力更强优势；(2)本发明适用于存在江河湖泊、沼泽、山地、沙漠、等地形地质条件复杂、勘探人员难以进入或难以开展工作的区域，还适用于沿海水文地质调查、火山结构研究、矿山地质灾害勘查；(3)本发明采用的是接地长导线发射源，通过在长导线两端挖1m深坑，埋设铜电极板或铝电极板，将电流直接供向地下，采用人工源能够有效的避免了大地电磁倾子测量纵向分辨率低的问题；(4)本发明需要测量三分量的磁场信号，能够利用现有的三分量磁场测量技术，提高对磁场信号的利用率；(5)本发明计算的倾子参数对地下电性结构的纵向变化反映十分明显，与单分量地空频率域电磁法相比，纵向分辨率显著提升。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为根据本发明的野外工作示意图；

图3为本发明在三层均匀水平层状模型下，单个电偶极子源空间布设图；

图4a为三层均匀模型下，地空频率电磁倾子Tx分量实部曲线图；

图4b为三层均匀模型下，地空频率电磁倾子Tx分量虚部曲线图；

图4c为三层均匀模型下，地空频率电磁倾子Ty分量实部曲线图；

图4d为三层均匀模型下，地空频率电磁倾子Ty分量虚部曲线图。

图5为二分搜索迭代算法计算模型视电阻率流程图；

图6a为三层介质中间层低阻模型视电阻率曲线；

图6b为三层介质中间层高阻模型视电阻率曲线。

具体实施方式

接下来结合附图对本发明的一个具体实施例来做详细地阐述。

一种地空频率倾子测深勘探装置，包括：

地面发射装置，为布设的一条或多条接地长导线源，导线源与测线方向垂直，测量区在发射区两侧，沿测线“S”形布设；

空中磁场三分量测量装置，悬挂在无人机下方沿着既定测线飞行，内置有GPS 同步定位发射装置和测量系统，用于测量磁场的三个分量Hx、Hy、Hz，通过垂直磁场和水平磁场的比值得到倾子；

远程控制系统，与空中磁场三分量测量装置通讯连接，记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位。

所述地面发射装置的一条或多条接地长导线源，长度范围在2-3公里，野外的接地长导线源布设长度取决于探测深度和范围，探测深度越深、范围越大，发射源长度越长，测线线距视勘探任务技术要求而定。

所述地面发射装置发射的信号覆盖范围为信号发射区，所采用的接地长导线源发射连续信号，频率范围10Hz～100000Hz，电流大小取决于探测的范围，范围越大，接地长导线供电电流越大。

在野外实际勘探中采用直角坐标系，根据电磁场理论，在空中产生的磁场三个分量为：

式中，I为电流强度，dl为电偶极子的长度，r为空中测量点在地面上的位置距电偶极子中心的距离，

为空中测量点在地面投影点与电偶极子正方向的夹角，

k₁ ²＝-iωμσ₁(忽略位移电流)；J₀(λr)和J₁(λr)分别为零阶、一阶贝塞尔函数，R₁为迭代计算量，当模型为均匀半空间时，R₁恒等于1。

在野外布设接地长导线发射源长达数公里，采用将接地长导线发射源剖分→叠加→求和的方式计算长导线源的响应，将接地长导线平均剖分为m段，将每一段视为电偶极子，计算每段在测点的响应，而后叠加每段的响应，可得倾子的表达式：

基于地空频率倾子测深勘探装置，本发明还提供一种适用于复杂地形条件下的地空频率倾子测深方法，按下列步骤进行：

S1，测线的布置与测点的设定，根据勘探任务明确测量区域和勘探深度以及已有的地质和地球物理信息，分析测区的地质和地球物理概况、探测目标体可能的走向和倾向信息，将测线布设在垂直探测目标体走向的方向，测线以“S”形布设，测点的密度与工作比例尺应根据勘探任务的性质和探测目标体的大小及其异常特征来确定；

S2，布设地面发射装置，将接地的长导线沿测线、测点布置，启动发射装置加载电流向地下激发具有较大能量的周期性谐变电磁信号，同时启动远程控制系统记录发射频率及发射电流大小；

S3，无人机搭载磁场三分量测量系统沿着既定测线飞行，在每个测点的测量过程中，发射装置均发射至少一个完整的频率周期，通过尼龙软带悬挂在无人机下方，由无人机拖曳着磁场三分量测量系统至指定高度(磁场三分量测量系统所处的高度)，在飞行过程中保持飞行姿态和飞行高度的一致；

S4，远程信号监测系统实时记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位，在无人机飞行的过程中，磁场三分量测量系统所搭载的GPS同步定位发射装置和测量系统获取本身所在测点的位置坐标、高程及测量系统方位，远程信号监测系统记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位；

S5，空中测量完毕得到地空频率域电磁数据，即Hx、Hy、Hz，按照

得到地空频率电磁倾子参数；

S6，利用二分搜索迭代算法计算模型的视电阻率，对所获的视电阻进行解释，获得地下电性结构信息。

所述的二分搜索迭代算法计算模型视电阻率的流程如附图5所示，其步骤如下：

S61，设在10—10000Hz频段上的实测的倾子响应值为T，其对地视电阻率为ρ；

S62，根据前期资料得到工区范围内地层的最小电阻率ρ_min和最大电阻率ρ_max，确定ρ∈[ρ_min，ρ_max]，一般情况下取[0.1,10000]；计算视电阻率区间[ρ_min，ρ_max]的中间值

计算ρ_m对应的均匀半空间模型下倾子响应值T(i)，将T(i)与实测倾子响应值 T对比，若两者之间的相对误差满足误差容许值ε，则认为ρ_m为实测倾子数据对应的电阻率；如果两者之间的相对误差不满足误差容许值ε，则进入电阻率判定阶段；

S63，根据倾子响应值随电阻率的增大而单调递增，如果T>T(i)，表明ρ_m比实际地下电阻率值小，实际地下电阻率值在[ρ_m，ρ_max]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_min，否则实际地下电阻率值在[ρ_min，ρ_m]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_max，返回S62步骤中计算；

S64，重新计算ρ_m对应的均匀半空间模型的倾子响应值T(i)与实测数据T的相对误差，满足误差容许值则输出ρ_m，不满足则进入S63步骤，直至ρ_m满足要求，将其输出，作为实测倾子数据对应的电阻率。

以下是本发明地空频率电磁倾子法实例：

理论模型为三层均匀介质模型，其发射装置的接地长导线发射源空间布设如附图3所示，理论模型的第一层电阻率为100ohm-m，厚度为200m，第二层电阻率分别为10、 50、500、1000ohm-m，厚度为50m，第三层电阻率为100ohm-m，厚度为无穷大，偏移距(空中测点在地面上的投影位置与坐标原点之间的距离)为3000m，飞行高度50m，发射频率100 个，在10-100000Hz之间对数等距分布。为方便对比，设置均匀半空间模型，电阻率为 100ohm-m。

附图4a、b、c、d为本发明下地空频率电磁倾子随频率变化结果图，附图4a为倾子Tx实部曲线、附图4b为倾子Tx虚部曲线、附图4c为倾子Ty实部曲线、附图4d为倾子Ty虚部曲线，Tx为地空频率电磁倾子在x方向上的分量，Ty为地空频率电磁倾子在y方向上的分量。

附图4中均给出了三层均匀水平层状介质地空频率电磁倾子与均匀半空间的对比，从附图4a、b、c、d可以看出，倾子响应曲线能够清晰地反映地下介质电阻率的变化：

倾子实部响应曲线在高频段重合，随着频率的减小曲线上升，较均匀半空间模型曲线，低阻响应较小，高阻响应较大，在曲线的尾支趋于重合，倾子Tx分量虚部响应曲线随频率的减小呈逐渐上升，最后趋于重合；倾子Ty分量虚部在不同的电阻率时的曲线在高频段重合，随着频率减小，高阻曲线增加趋势明显高于低阻曲线，相较于均匀半空间模型曲线，低阻曲线差异更大。

通过二分搜索算法将该模型的倾子转换为视电阻率，附图6a是中间层为低阻的三层介质模型视电阻率曲线，附图6b是中间层为高阻的三层介质模型视电阻率曲线。曲线首支对应的高频，反映了上层地层电阻率，模型的上层电阻率相同，曲线首支趋于重合，随着中间层电阻率的变化，全域视电阻率曲线在中间频段发生分离，最后在尾支趋于下层的电阻率值，结果表明地空频率电磁倾子法对地下介质纵向电性变化具有很高的分辨能力。对比中间层低阻和高阻视电阻率结果可以发现，低阻中间层反映明显强于高阻中间层，符合电磁法规律。

本发明提供的一种新的地空频率电磁倾子方法，其产生如下积极效果：

(1)本发明是在地面布设激励源、空中接收磁场信号的一种快速勘探方法，相较于地面电磁勘探方法具有成本低、速度快的优势，且探测能力接近地面电磁方法，相较于航空电磁勘探方法具有探测能力更强优势；

(2)本发明适用于存在江河湖泊、沼泽、山地、沙漠、等地形地质条件复杂、勘探人员难以进入或难以开展工作的区域，还适用于沿海水文地质调查、火山结构研究、矿山地质灾害勘查；

(3)本发明采用的是接地长导线发射源，通过在长导线两端挖1m深坑，埋设铜电极板或铝电极板，将电流直接供向地下，采用人工源能够有效的避免了大地电磁倾子测量纵向分辨率低的问题；

(4)本发明需要测量三分量的磁场信号，能够利用现有的三分量磁场测量技术，提高对磁场信号的利用率；

(5)本发明计算的倾子参数对地下电性结构的纵向变化反映十分明显，与单分量地空频率域电磁法相比，纵向分辨率显著提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (6)

1.一种地空频率倾子测深勘探装置，其特征在于包括：

地面发射装置，为布设的一条或多条接地长导线源，导线源与测线方向垂直，测量区在发射区两侧，沿测线“S”形布设；

空中磁场三分量测量装置，悬挂在无人机下方沿着既定测线飞行，内置有GPS同步定位发射装置和测量系统，用于测量磁场的三个分量Hx、Hy、Hz，通过垂直磁场和水平磁场的比值得到倾子；

远程控制系统，与空中磁场三分量测量装置通讯连接，记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位。

2.根据权利要求1所述的地空频率倾子测深勘探装置，其特征在于：

所述地面发射装置的一条或多条接地长导线源，长度范围在2-3公里，野外的接地长导线源布设长度取决于探测深度和范围。

3.根据权利要求1所述的地空频率倾子测深勘探装置，其特征在于：

所述地面发射装置发射的信号覆盖范围为信号发射区，所采用的接地长导线源发射连续信号，频率范围10Hz～100000Hz，电流大小取决于探测的范围。

4.一种基于地空频率倾子测深勘探装置的地空频率倾子测深方法，其特征在于包括以下步骤：

S1，测线的布置与测点的设定；

S2，布设地面发射装置，将接地的长导线沿测线、测点布置，启动发射装置加载电流向地下激发具有较大能量的周期性谐变电磁信号，同时启动远程控制系统记录发射频率及发射电流大小；

S3，无人机搭载磁场三分量测量系统沿着既定测线飞行，在每个测点的测量过程中，发射装置均发射至少一个完整的频率周期；

S4，远程信号监测系统实时记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位，在无人机飞行的过程中，远程信号监测系统通过与磁场三分量测量系统的通讯获取并记录实际测点的位置坐标、高程及测量系统方位；

S5，空中测量完毕得到地空频率域电磁数据，即Hx、Hy、Hz，按照

得到地空频率电磁倾子参数；

S6，利用二分搜索迭代算法计算模型的视电阻率，对所获的视电阻进行解释，获得地下电性结构信息。

5.根据权利要求4所述的地空频率倾子测深方法，其特征在于：

在步骤S5中，采用直角坐标系，根据电磁场理论，在空中产生的磁场三个分量为：

式中，I为电流强度，dl为电偶极子的长度，r为空中测量点在地面上的位置距电偶极子中心的距离，

为空中测量点在地面投影点与电偶极子正方向的夹角，

(忽略位移电流)；J₀(λr)和J₁(λr)分别为零阶、一阶贝塞尔函数，R₁为迭代计算量，当模型为均匀半空间时，R₁恒等于1；

将接地长导线源按剖分→叠加→求和的方式计算长导线源的响应，将接地长导线平均剖分为m段，将每一段视为电偶极子，计算每段在测点的响应，而后叠加每段的响应，可得倾子的表达式：

6.根据权利要求4所述的地空频率倾子测深方法，其特征在于，在步骤S6中，所述的二分搜索迭代算法计算模型视电阻率的步骤如下：

S61，设在10—10000Hz频段上的实测的倾子响应值为T，其对地视电阻率为ρ；

S62，根据前期资料得到工区范围内地层的最小电阻率ρ_min和最大电阻率ρ_max，确定ρ∈[ρ_min，ρ_max]，一般情况下取[0.1,10000]；计算视电阻率区间[ρ_min，ρ_max]的中间值

计算ρ_m对应的均匀半空间模型下倾子响应值T(i)，将T(i)与实测倾子响应值T对比，若两者之间的相对误差满足误差容许值ε，则认为ρ_m为实测倾子数据对应的电阻率；如果两者之间的相对误差不满足误差容许值ε，则进入电阻率判定阶段；

S63，根据倾子响应值随电阻率的增大而单调递增，如果T>T(i)，表明ρ_m比实际地下电阻率值小，实际地下电阻率值在[ρ_m，ρ_max]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_min，否则实际地下电阻率值在[ρ_min，ρ_m]，需要将ρ_m重新赋值给ρ_max，返回S62步骤中计算；

S64，重新计算ρ_m对应的均匀半空间模型的倾子响应值T(i)与实测数据T的相对误差，满足误差容许值则输出ρ_m，不满足则进入S63步骤，直至ρ_m满足要求，将其输出，作为实测倾子数据对应的电阻率。

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