CN114114462A - 基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统及采集方法，大功率脉冲电流发射源包括脉冲电流发射控制装置和发射天线，脉冲电流发射控制装置向发射天线提供大功率方波脉冲激励电流；发射天线为围绕工区四周的四条两端设有接地地极的接地长导线，或围绕工区的方形大回线或圆形大回线发射线圈；三分量光纤地震电磁数据复合采集装置按照预先设计的测点或测线分布在工区内；分量光纤地震电磁数据复合采集装置与数据采集仪器车通讯连接。可以高效低成本的同步采集同测点的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据，提高生产效率，提高了三分量地震和电磁数据的信噪比。

Description

基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统及采集方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术和地面地震和电磁联合勘探领域，具体地是指一种基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统及采集方法。

背景技术

地球物理勘探方法主要有地震法、直流电法、磁法、重力法、电磁法和放射性等勘探方法。

地震勘探则是利用人工的方法引起地壳振动(如雷管或炸药爆炸、重锤下落或敲击、电火花或压电晶体或气枪震源在水中或井中激发、可控震源振动)，再用精密仪器按一定的观测方式记录爆炸后地面上各接收点的振动信息，利用对原始记录信息经一系列加工处理后得到的成果资料推断地下地质构造的特点。在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。

现有的地面地震数据采集系统，使用的是通用的动圈式或数字式地面单分量或三分量检波器，进行地面地震数据的采集。目前行业内使用最广泛的就是常规的三分量检波器采集三分量地震数据。三分量检波器是多波勘探时使用的特种检波器。与单分量的常规地震检波器不同，每个检波器内装有三个互相垂直的传感器，以记录质点振动速度向量的三个分量，用于同时记录纵波、横波、转换波。这类检波器输出的信号电压和其振动的位移速度有关，因此称为速度检波器。为了记录检波器感应到的震动信号，检波器阵列内还设置有检波器输出的模拟信号放大、滤波、去噪、模数转换、数据存储和数据传输等电路模块，以便将三分量检波器阵列采集到的地震数据通过数千米长的电缆传送到地震数据采集车的采集控制计算机里存储起来。从地震数据采集车上给远离数公里外的地震数据采集缆上众多的三分量检波器的供电也是十分困难的和非常有限的，只能靠每个三分量检波器自带电池供电，大大加重了野外地震数据采集装备的体积和重量，在野外施工现场给成千上万个电池的充电也是非常繁重的工作。无线节点地震仪器虽然省去了连接电缆，但是仍然需要在野外给成千上万个无线节点地震仪器充电和进行数据下载工作。此外，目前有线三分量检波器采集的三分量地震数据完全靠电缆从检波器向数据采集车传输，由于长距离电缆数据传输的局限性，没有办法实现大量数据向数据采集车的高速实时传输。上面这些因素极大的限制了大道数或超大道数和大长度或超大长度三分量地震检波器阵列技术的发展和推广应用。

电磁法勘探又称“电磁感应法”，根据岩石或矿石的导电性和导磁性的不同，利用电磁感应原理进行地面找矿勘探的方法，统称为地面电磁勘探法。

地面电磁勘探技术的应用，在构造带和特殊目标联合解释、油气圈闭联合检测评价等方面发挥了重要的作用。地面电磁勘探技术经过了近二十年的研究和发展，已经形成为较成熟的方法。电磁场激励的方法可以分为频率域激励和时间域激励。

时间域电磁法(TDEM)或称瞬变电磁法(TEM)，它也是利用电磁感应的原理，与频率域电磁法的本质是一样的，但在场的激发和观测方式上是有区别的。时间域电磁法是以不接地回线或接地线源通以脉冲电流(发射场源采用具有周期性的脉冲序列，如矩形、梯形、半正弦波和三角形波等。)为场源，以激励探测目标感应二次电流，在脉冲电流间隙期间测量二次场随时间变化的响应。二次场从产生到结束的时间是短暂的，这就是“瞬变”或“过渡过程”名词的由来。

从方法机理来说，频率域方法和时间域方法没有本质的不同。前者研究谐变场特点，后者研究不稳定场特点，两者可借助傅里叶变换相联系。在某些条件下，一种方法的数据可以转换为另一种方法的数据。

目前行业内使用的频率域或时间域电磁数据采集系统都包含有感应线圈式或磁通门式单分量或三分量磁场传感器，一对或两对相互正交的不极化电极对作为电场传感器，以及信号放大、滤波去噪、模数转换、长距离传输或本地存储模块等。这种传统的电磁数据采集系统功耗大、仪器本底噪声高、抗电磁干扰能力弱、电磁传感器笨重、仪器成本高、生产效率低、难以大规模批量生产和在施工中大量快速布放使用。用于采集电场数据的两对不极化电极对在施工中要用引线分开50米到100米的距离，三分量磁场传感器为了避免相互之间的干扰和仪器主机对其产生的干扰，要分开5米到10米的距离分别埋置，大大的降低了施工作业效率。由于电子仪器和电子传感器抗电磁干扰能力弱，在存在强电磁干扰如高压输电线等环境下经常采集不到合格的电磁场数据。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明提供了基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统及采集方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，包括大功率脉冲电流发射源和三分量光纤地震电磁数据复合采集装置，数据采集仪器车，还包括人工震源；

所述大功率脉冲电流发射源包括脉冲电流发射控制装置和发射天线，所述脉冲电流发射控制装置向发射天线提供大功率方波脉冲激励电流；

所述发射天线为围绕工区四周的四条两端设有接地地极的接地长导线，或围绕工区的方形大回线发射线圈或圆形大回线发射线圈；

三分量光纤地震电磁数据复合采集装置按照预先设计的测点或测线分布在工区内；所述人工震源是预先按照施工设计和要求在工区内布设的人工震源或震源测线；

三分量光纤地震电磁数据复合采集装置与数据采集仪器车通讯连接。

所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置包括至少一个数据采集单元，每个数据采集单元顶部安装有GPS或北斗授时定位模块，中部安装有三分量光纤姿态传感器，上端分别安装有三分量光纤磁场传感器，下端安装有三分量光纤检波器和三分量光纤电场传感器。

所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置是有线采集装置，即为有线三分量光纤地震电磁数据复合采集装置，通过铠装光纤缆与数据采集仪器车连接，所述数据采集仪器车通过铠装光纤缆控制有线采集装置，并用铠装光纤缆实时传输有线采集装置采集的数据。

所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置是无线节点采集装置，即为无线节点式三分量光纤地震电磁数据复合采集装置，所述的数据采集单元内还包括半导体激光发生器、光电转换器、可充电电池、FPGA可编程的集成电路、固态存储器、无线信号发射模块。

有线采集装置的数据采集单元有多个的时候，相邻的数据采集单元之间的相距为6.25米到50米，并通过铠装光纤缆相连接。

无线采集装置的数据采集单元有多个的时候，相邻的数据采集单元之间的相距为6.25米到50米。

所述大功率方波脉冲激励电流的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，方波周期或单位脉冲宽度为0.01～64s。

所述人工震源是重锤或雷管或炸药或气枪或可控震源。

所述接地长导线的长度为5000m～10000m，所述脉冲电流发射控制装置通过换向开关向不同方位的接地长导线交替供电；

所述方形大回线发射线圈的边长为5000m～10000m，所述圆形大回线发射线圈的直径为5000m～10000m。

所述三分量光纤检波器为采用了三轴分立式结构且相互正交的光纤MEMS加速度计，或三个相互正交组合而成的单分量光纤光栅震动传感器，或三分量光电混合集成加速度地震检波器，或基于双光路全光纤迈克尔逊干涉仪和顺变柱体质量块简谐振子的三分量全光纤加速度地震检波器，或波纹管式三分量光纤光栅地震检波器；

所述三分量光纤磁场传感器为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器，或为三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；

所述三分量光纤电场传感器由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器，或由三个相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

采用上述基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统的采集方法，包括以下步骤：

S1、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域预先按照施工设计和要求布设震源测线和地震电磁复合接收器测线，沿地震电磁复合接收器测线布设三分量光纤地震电磁数据复合采集装置，沿震源测线完成人工震源点位的测量定位或井炮震源的布设；

S2、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域外围布设脉冲电流发射控制装置和发射天线，发射天线为围绕工区四周的四条两端设有接地地极的接地长导线，或围绕工区的方形大回线发射线圈或圆形大回线发射线圈；

S3、启动三分量光纤地震电磁数据复合采集装置并依次激发地面人工震源点位置布设的人工震源，采集人工震源激发的三分量地震数据；

与此同时所述脉冲电流发射控制装置持续发射大功率方波脉冲激励电流，经所述发射天线的接地电级向地下供电激发，或围绕三维电磁数据采集工区的圆形大回线发射线圈或方形大回线发射线圈在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减；

S4、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置内的三分量光纤磁场传感器和三分量光纤电场传感器在沿预先设计的测线按一定的点距采集步骤S3中脉冲电流发射控制装置持续发射的供电电流或感应涡流产生的三分量磁场(H_x，H_y，H_z)和三分量电场(E_x、E_y、E_z)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的三分量磁场信号和三分量电场信号；

S5、三分量光纤姿态传感器同时采集步骤S2中数据采集单元在每个地震电磁数据复合采集点的三分量姿态数据；

S6、数据采集单元顶部的GPS或北斗授时定位模块给每个三分量光纤地震电磁数据复合采集装置提供位置坐标信息并给每次采集的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据进行高精度授时；

S7、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置为有线采集装置的时候，数据采集单元将步骤S3采集到的三分量地震数据，步骤S4采集到的六分量电磁数据，步骤S5采集到的数据采集单元的三分量姿态数据和步骤S6记录的位置坐标信息通过铠装光纤缆实时传输至地面的仪器车里的光纤激光信号调制解调器中，然后转换成各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据；

或者，三分量光纤地震电磁数据复合采集装置为无线节点采集装置的时候，数据采集单元将步骤S4采集到六分量电磁数据，步骤S5采集到的数据采集单元的三分量姿态数据，步骤S6记录的位置坐标信息和授时信号通过光电转换器转换成电信号，由FPGA可编程的集成电路对转换的电信号进行调制解调，然后输出各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据，最后存储在固态存储器内；数据采集单元顶上的无线信号发射模块将存储在固态存储器内的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据实时发送到安置在地震数据采集工区中部的地震电磁数据采集车内的计算机内储存起来；

S8、将步骤S7中转换成相应数据采集位置的地面三分量地震数据进行地面地震数据处理，包括静校正处理，地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移；最后获得工区地面以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、地面以下高分辨率地质构造成像，用于地面以下地质构造调查和矿产油气资源勘探，实现地面以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价；

S9、将步骤S7中采集的各测点位置的多周期三分量磁场数据和三分量电场数据经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列电磁数据根据步骤S5中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面的电磁场分量(E_Z、H_Z)，与地面长发射导线相平行的水平电磁场分量(E_X、H_X)，与地面长发射导线相垂直的水平电磁场分量(E_Y、H_Y)；

S10、在时间域和频率域分别处理步骤S9中的时间序列数据，得到各测点的时间域和频率域电磁场量，然后提取与地层电学性质有关的参数；

S11、将步骤S10的各测点的电磁场量分别进行基于步骤S8获得的地震构造约束的时间域和频率域电磁反演处理，获取三维电磁数据采集工区地下的地层时间域和频率域复电阻率分布；

S12、根据通过时间域处理方式获得的地层时间域复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地层频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律；

S13、根据地下地层的复电阻率和极化率的分布规律、范围和特征，通过结合步骤S8获得的地震构造和其它地质、构造、岩石、矿物和地学信息的综合解释，可以划分地下地层或岩石单元的地电特征，圈定潜在的金属、非金属或油气资源的富集或聚集地带，并实现对地层中含油气或高极化率矿物分布的识别、预测、解释与评价。

本发明提供的基于光纤传感器的地震电磁数据采集系统及采集方法，可以在工区内一次性布设好光纤三分量地震电磁数据复合采集装置，可以高效低成本的同步采集同测点的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据。有线三分量光纤地震电磁数据复合采集装置无需供电，可以高速传输数据，可以进行超大道数和超长排列的三维三分量地面地震和电磁数据的同步采集，提高生产效率。由于三分量光纤地震电磁数据复合采集装置内没有电子器件，不易受到雷电天气和环境电磁噪声对三分量光纤地震电磁数据复合采集装置的干扰，提高了三分量地震和电磁数据的信噪比。由于不需要使用电池给有线三分量光纤地震电磁数据复合采集装置供电，野外作业使用的有线三分量地震和电磁数据采集装备的体积和重量大大减小，作业效率大幅度提高。由于采用了三分量光纤检波器、光纤磁场传感器和光纤电场传感器，光纤地震电磁数据复合采集装置里不再有任何电子器件、电子检波器、感应线圈式或磁通门式的磁场传感器，光纤传感器之间、光纤传感器与仪器主机之间不再有相互干扰或串扰，光纤地震和光纤电磁传感器及光纤主机也不易受到三维工区周围的环境电磁噪声干扰，一举克服了常规电子地震和电磁采集仪器的大部分缺陷。

附图说明

图1是三分量光纤地震电磁数据复合采集装置为有线采集装置的结构示意图；

图2是三分量光纤地震电磁数据复合采集装置为无线采集装置的结构示意图；

图3是本发明实施方式之一的有线采集装置和长导线发射结构示意图；

图4是本发明实施方式之一的无线节点采集装置和长导线发射结构示意图；

图5是本发明实施方式之二的有线采集装置和方形线圈发射结构示意图；

图6是本发明实施方式之二的无线节点采集装置和方形线圈发射结构示意图；

图7是本发明实施方式之三的有线采集装置和圆形线圈发射结构示意图；

图8是本发明实施方式之三的无线节点采集装置和圆形线圈发射结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统具有两种结构的三分量光纤地震电磁数据复合采集仪器，如下所示：

三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2是有线采集装置，或者三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2是无线节点采集装置。

图1是本发明有线采集装置的结构示意图。所述有线采集装置包括至少一个数据采集单元10，每个数据采集单元10顶部安装有GPS或北斗授时定位模块18，中部安装有三分量光纤姿态传感器7，上部安装有三分量光纤磁场传感器11，下部安装有三分量光纤检波器8和三分量光纤电场传感器12。

图2是本发明无线采集装置的结构示意图。所述无线采集装置包括一个数据采集单元10，数据采集单元10内有一个半导体激光发生器13，光电转换器14，可充电电池15，FPGA可编程的集成电路16，固态存储器17，GPS或北斗授时定位模块18，三分量光纤姿态传感器7，三分量光纤检波器8、三分量光纤磁场传感器11和三分量光纤电场传感器12。

所述数据采集单元10有多个的时候，沿测线布设的相邻的数据采集单元10之间的相距为6.25米到50米。

本发明基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统具有三种实施方式，如下所示：

实施例1

图3是本发明实施方式之一为有线采集装置和长导线发射结构组成的示意图，图4是本发明实施方式之一的无线节点采集装置和长导线发射结构示意图。

参考图3，包括大功率脉冲电流发射源、人工震源7和有线采集装置；所述有线采集装置是通过铠装光纤缆3与数据采集仪器车4连接的有线采集装置，数据采集单元10是有线三分量光纤地震电磁复合数据采集单元，所述数据采集仪器车4通过铠装光纤缆3控制有线采集装置，并用铠装光纤缆3实时传输有线采集装置采集的数据；所述地面震源7可以是重锤或雷管或炸药或气枪或可控震源。

参考图4，采用的是无线节点采集装置，数据采集单元10是无线节点式三分量光纤地震电磁数据复合采集站。

所述大功率脉冲电流发射源包括脉冲电流发射控制装置1和发射天线5，所述脉冲电流发射控制装置1向电磁发射天线5提供大功率方波脉冲激励电流6。所述大功率方波脉冲激励电流6的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，所述方波周期或单位脉冲宽度为0.01～64s。

如图3和图4所示，所述发射天线5为围绕三维电磁数据采集工区四周的四条两端设有接地地极51的接地长导线，所述接地长导线的长度为5000m～10000m，所述脉冲电流发射控制装置1通过换向开关向不同的接地长导线交替供电。

所述三分量光纤检波器8为采用了三轴分立式结构且相互正交的光纤MEMS加速度计，或三个相互正交组合而成的单分量光纤光栅震动传感器，或三分量光电混合集成加速度地震检波器，或基于双光路全光纤迈克尔逊干涉仪和顺变柱体质量块简谐振子的三分量全光纤加速度地震检波器，或波纹管式三分量光纤光栅地震检波器。

所述三分量光纤磁场传感器11为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器，或为三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；所述三分量光纤电场传感器12由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器，或由三个相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

有线采集装置的数据采集单元10有多个的时候，相邻的数据采集单元10之间的相距为6.25米到50米，并通过铠装光纤缆3相连接。

无线节点采集装置的数据采集单元10有多个的时候，相邻的数据采集单元10之间的相距为6.25米到50米。

实施例2

如图5和图6所示，所述发射天线5为或围绕三维工区的方形大回线发射线圈。所述围绕三维地震电磁数据复合采集工区四周的方形大回线发射线圈的边长为5000m～10000m。图5是本发明实施方式之二的有线采集装置和方形线圈发射结构示意图；图6是本发明实施方式之二的无线节点采集装置和方形线圈发射结构示意图。

参考图5和图6，实施例2与实施例1的区别在于地面电磁发射天线5为围绕三维工区的方形大回线发射线圈，其它与实施例1相同。

实施例3

如图7和图8所示，所述发射天线5为或围绕三维工区的圆形大回线发射线圈。所述围绕三维地震电磁数据复合采集工区四周的圆形大回线发射线圈的直径为5000m～10000m。图7是本发明实施方式之三的有线采集装置和圆形线圈发射结构示意图；图8是本发明实施方式之三的无线节点采集装置和圆形线圈发射结构示意图。

参考图7和图8，实施例3与实施例2的区别在于地面发射天线5为围绕三维工区的圆形大回线发射线圈，其它与实施例2相同。

下面对本发明采集方法进行具体说明，其包括以下步骤：

S1、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域预先按照施工设计和要求布设震源测线和地震电磁数据复合接收器测线，沿地震电磁数据复合接收器测线布设三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2，沿震源测线完成人工震源7点位的测量定位或井炮震源的布设；

S2、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域外围布设脉冲电流发射控制装置1和发射天线5，发射天线5为围绕工区四周的四条两端设有接地地极51的接地长导线，或围绕工区的方形大回线发射线圈或圆形大回线发射线圈；

S3、启动三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2并依次激发地面人工震源点位置布设的人工震源7，采集人工震源7激发的三分量地震信号；

与此同时所述脉冲电流发射控制装置1持续发射大功率方波脉冲激励电流6，经所述发射天线5的接地电级51向地下供电激发，或围绕三维电磁数据采集工区的圆形大回线发射线圈或方形大回线发射线圈在地下激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减；

S4、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2内的三分量光纤磁场传感器11和三分量光纤电场传感器12在沿预先设计的测线按一定的点距采集步骤S3中脉冲电流发射控制装置1持续发射的供电电流或感应涡流产生的三分量磁场(H_x，H_y，H_z)和三分量电场(E_x、E_y、E_z)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的三分量磁场信号和三分量电场信号；

S5、三分量光纤姿态传感器9同时采集步骤S1中数据采集单元10在每个地震电磁数据复合采集点的三分量姿态数据；

S6、数据采集单元10顶部的GPS或北斗授时定位模块18给每个三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2提供位置坐标信息并给每次采集的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据进行高精度授时；

S7、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2为有线采集装置的时候，数据采集单元10将步骤S3采集到的三分量地震数据，步骤S4采集到的六分量电磁数据，步骤S5采集到的数据采集单元10的三分量姿态数据和步骤S6记录的位置坐标信息通过铠装光纤缆3实时传输至地面的仪器车4里的光纤激光信号调制解调器中，然后转换成各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据；

或者，三分量光纤地震电磁数据复合采集装置2为无线节点采集装置的时候，数据采集单元10将步骤S4采集到六分量电磁数据，步骤S5采集到的数据采集单元10的三分量姿态数据，步骤S6记录的位置坐标信息和授时信号通过光电转换器14转换成电信号，由FPGA可编程的集成电路16对电信号进行调制解调，然后输出各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据，最后存储在固态存储器17内；数据采集单元10顶上的无线信号发射模块19将存储在固态存储器17内的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据实时发送到安置在地震数据采集工区中部的地震电磁数据采集车4内的计算机内储存起来；

S8、将步骤S7中转换成相应数据采集位置的地面三分量地震数据进行地面地震数据处理，包括静校正处理，地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移；最后获得工区地面以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、地面以下高分辨率地质构造成像，用于地面以下地质构造调查和矿产资源勘探，实现地面以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价；

S9、将步骤S7中采集的各测点位置的多周期三分量磁场数据和三分量电场数据经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列电磁数据根据步骤S5中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面的电磁场分量(E_Z、H_Z)，与地面长发射导线相平行的水平电磁场分量(E_X、H_X)，与地面长发射导线相垂直的水平电磁场分量(E_Y、H_Y)；

S10、在时间域和频率域分别处理步骤S9中的时间序列数据，得到各测点的时间域和频率域电磁场量，然后提取与地层电学性质有关的参数；

S11、将步骤S10的各测点的电磁场量分别进行基于步骤S8获得的地震构造约束的时间域和频率域电磁反演处理，获取三维电磁数据采集工区地下的地层时间域和频率域复电阻率分布；

S12、根据通过时间域处理方式获得的地层时间域复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地层频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律；

S13、根据地下地层的复电阻率和极化率的分布规律、范围和特征，通过结合步骤S8获得的地震构造和其它地质、构造、岩石、矿物和地学信息的综合解释，可以划分地下地层或岩石单元的地电特征，圈定潜在的金属、非金属或油气资源的富集或聚集地带，并实现对地层中含油气或高极化率矿物分布的识别、预测、解释与评价。

Claims (10)

1.基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，包括大功率脉冲电流发射源，三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)，数据采集仪器车(4)，还包括人工震源(7)；

所述大功率脉冲电流发射源包括脉冲电流发射控制装置(1)和发射天线(5)，所述脉冲电流发射控制装置(1)向发射天线(5)提供大功率方波脉冲激励电流(6)；

所述发射天线(5)为围绕工区四周的四条两端设有接地地极(51)的接地长导线，或围绕工区的方形大回线发射线圈或圆形大回线发射线圈；

三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)按照预先设计的测点或测线分布在工区内；所述人工震源(7)是预先按照施工设计和要求在工区内布设的人工震源或震源测线；

三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)与数据采集仪器车(4)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)包括至少一个数据采集单元(10)，每个数据采集单元(10)顶部安装有GPS或北斗授时定位模块(18)，中部安装有三分量光纤姿态传感器(7)，上端分别安装有三分量光纤磁场传感器(11)，下端安装有三分量光纤检波器(8)和三分量光纤电场传感器(12)。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)是有线采集装置，通过铠装光纤缆(3)与数据采集仪器车(4)连接，所述数据采集仪器车(4)通过铠装光纤缆(3)控制有线采集装置，并用铠装光纤缆(3)实时传输有线采集装置采集的数据。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)是无线节点采集装置，所述的数据采集单元(10)内还包括半导体激光发生器(13)、光电转换器(14)、可充电电池(15)、FPGA可编程的集成电路(16)、固态存储器(17)、无线信号发射模块(19)。

5.根据权利要求3或4所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，有线采集装置的数据采集单元(10)有多个的时候，相邻的数据采集单元(10)之间的相距为6.25米到50米，并通过铠装光纤缆(3)相连接；

无线节点采集装置的数据采集单元(10)有多个的时候，相邻的数据采集单元(10)之间的相距为6.25米到50米。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述大功率方波脉冲激励电流(6)的波形为归零半占空双极型方波或占空比为零且有正负极性的伪随机脉冲序列，方波周期或单位脉冲宽度为0.01～64s。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述人工震源(7)是重锤或雷管或炸药或气枪或可控震源。

8.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述接地长导线的长度为5000m～10000m，所述脉冲电流发射控制装置(1)通过换向开关向不同方位的接地长导线交替供电；

所述方形大回线发射线圈的边长为5000m～10000m，所述圆形大回线发射线圈的直径为5000m～10000m。

9.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统，其特征在于，所述三分量光纤检波器(8)为采用了三轴分立式结构且相互正交的光纤MEMS加速度计，或三个相互正交组合而成的单分量光纤光栅震动传感器，或三分量光电混合集成加速度地震检波器，或基于双光路全光纤迈克尔逊干涉仪和顺变柱体质量块简谐振子的三分量全光纤加速度地震检波器，或波纹管式三分量光纤光栅地震检波器；

所述三分量光纤磁场传感器(11)为三个相互正交的采用法拉第效应的光纤磁场传感器，或为三个相互正交的采用磁致伸缩效应的光纤磁场传感器组成；

所述三分量光纤电场传感器(12)由三个相互正交的采用电致光吸收效应的光纤电场传感器，或由三个相互正交的采用压电弹光效应的光纤电场传感器组成。

10.采用上述权利要求1～9中任一项基于光纤传感器的地震电磁数据复合采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域预先按照施工设计和要求布设震源测线和地震电磁复合接收器测线，沿地震电磁复合接收器测线布设三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)，沿震源测线完成人工震源(7)点位的测量定位或井炮震源的布设；

S2、在三维地面地震电磁数据联合采集施工区域外围布设脉冲电流发射控制装置(1)和发射天线(5)，发射天线(5)为围绕工区四周的四条两端设有接地地极(51)的接地长导线，或围绕工区的方形大回线发射线圈或圆形大回线发射线圈；

S3、启动三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)并依次激发地面人工震源点位置布设的人工震源(7)，采集人工震源(7)激发的三分量地震信号；

与此同时所述脉冲电流发射控制装置(1)持续发射大功率方波脉冲激励电流(6)，经所述发射天线(5)的接地电级(51)向地下供电激发，或围绕三维电磁数据采集工区的圆形大回线发射线圈或方形大回线发射线圈在地中激励感应电磁场，使得地下介质产生感应涡流，所述感应涡流逐渐向地下半空间扩散和衰减；

S4、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)内的三分量光纤磁场传感器(11)和三分量光纤电场传感器(12)在沿预先设计的测线按一定的点距采集步骤S3中脉冲电流发射控制装置(1)持续发射的供电电流或感应涡流产生的三分量磁场(H_x，H_y，H_z)和三分量电场(E_x、E_y、E_z)数据，每个测点测量和记录10～50个周期的三分量磁场信号和三分量电场信号；

S5、三分量光纤姿态传感器(9)同时采集步骤S1中布设的数据采集单元(10)在每个地震电磁数据复合采集点的三分量姿态数据；

S6、数据采集单元(10)顶部的GPS或北斗授时定位模块(18)给每个三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)提供位置坐标信息并给每次采集的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据进行高精度授时；

S7、三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)为有线采集装置的时候，数据采集单元(10)将步骤S3采集到的三分量地震数据，步骤S4采集到的六分量电磁数据，步骤S5采集到的每个数据采集单元(10)的三分量姿态数据和步骤S6记录的位置坐标信息通过铠装光纤缆(3)实时传输至地面的仪器车(4)里的光纤激光信号调制解调器中，然后转换成各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据；

或者，三分量光纤地震电磁数据复合采集装置(2)为无线采集装置的时候，数据采集单元(10)将步骤S4采集到六分量电磁数据，步骤S5采集到的数据采集单元(10)的三分量姿态数据，步骤S6记录的位置坐标信息和授时信号通过光电转换器(14)转换成电信号，由FPGA可编程的集成电路(16)对电信号进行调制解调，然后输出各测点位置的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据，最后存储在固态存储器(17)内；数据采集单元(10)顶上的无线信号发射模块(19)将存储在固态存储器(17)内的三分量地震数据、三分量磁场数据和三分量电场数据实时发送到安置在地震数据采集工区中部的地震电磁数据采集车(4)内的计算机内储存起来；

S8、将步骤S7中转换成相应数据采集位置的地面三分量地震数据进行地面地震数据处理，包括静校正处理，地震子波的整形、去除纷繁复杂的多次波、从低信噪比的数据中恢复出可靠的有效反射波、应用震源信号反褶积实现对地震记录的整型、提高有效反射波的信噪比、速度建模、地层划分、层析成像，高频恢复、反褶积处理、各向异性时间域或深度域偏移成像、Q补偿或Q偏移；最后获得工区地面以下介质的纵横波速度、纵横波波阻抗、纵横波各向异性系数、纵横波衰减系数、弹性参数、粘弹性参数、地震属性数据、地面以下高分辨率地质构造成像，用于地面以下地质构造调查和矿产资源勘探，实现地面以下地质矿产资源和油气藏的高分辨率地质构造成像和对含油气储层的综合评价；

S9、将步骤S7中采集的各测点位置的多周期三分量磁场数据和三分量电场数据经过叠加处理，得到时间序列数据；对得到的时间序列电磁数据根据步骤S5中采集的同位置的三分量姿态数据进行旋转处理，获得垂直于地面的电磁场分量(E_Z、H_Z)，与地面长发射导线相平行的水平电磁场分量(E_X、H_X)，与地面长发射导线相垂直的水平电磁场分量(E_Y、H_Y)；

S10、在时间域和频率域分别处理步骤S9中的时间序列数据，得到各测点的时间域和频率域电磁场量，然后提取与地层电学性质有关的参数；

S11、将步骤S10的各测点的电磁场量分别进行基于步骤S8获得的地震构造约束的时间域和频率域电磁反演处理，获取三维电磁数据采集工区地下的地层时间域和频率域复电阻率分布；

S12、根据通过时间域处理方式获得的地层时间域复电阻率的分布变化规律与通过频率域处理方式获得的地层频率域复电阻率的关系进行反演，获得地层极化率的分布变化规律；

S13、根据地下地层的复电阻率和极化率的分布规律、范围和特征，通过结合步骤S8获得的地震构造和其它地质、构造、岩石、矿物和地学信息的综合解释，可以划分地下地层或岩石单元的地电特征，圈定潜在的金属、非金属或油气资源的富集或聚集地带，并实现对地层中含油气或高极化率矿物分布的识别、预测、解释与评价。

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