CN114609680A - 一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法 - Google Patents

一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，涉及地球物理勘查技术领域，在长脉宽发射条件下进行电场、磁场的同时测量，获取完整的包含感应场和极化场的地下介质响应信号，有助于获取地下介质准确电性参数信息，提高解译地下目标地质体准确性。本发明主要技术方案为：根据探测需求，预先确定电性激励源和测区的位置，并按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设，利用激励源发射长脉宽方波，在测区内对所有测点进行电场和磁场的同时测量，继而根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，该电性参数信息用于解译地下目标地质体。

Description

一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法
技术领域
本发明涉及地球物理勘查技术领域，尤其涉及一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法。
背景技术
瞬变电磁法是一种时间域电磁勘探方法，通过测量地下介质的二次感应磁场信号来推断地下介质的电阻率特征，查明地下地质结构的一种地球物理勘查方法。传统的瞬变电磁法测量的是地下介质的感应场，但事实上，地下介质在激发源的作用下还产生了极化场，这在高极化地质背景下(例如地下含碳质地层)尤为明显，造成瞬变电磁数据曲线畸变。
目前，主要通过在数据处理中引入考虑介质极化特性的复电阻率模型来解决这一问题，除了获取电阻率参数外，还可以获取极化参数。
但是，通过这种方法获取的极化参数并不准确，原因在于，传统瞬变电磁测量方式下，采用发射小脉宽方波(一般小于150毫秒)来激发地下介质响应，地下介质的极化响应不能被充分激发(极化测量要求脉宽一般大于8秒，至少是传统瞬变测量脉宽的50倍)，同时，测量上传统瞬变电磁测量采集关断后早延时(一般50毫秒以内)信号，极化信息采集不完整(极化测量采集二次场晚延时信号，一般在100毫秒之后)，造成了传统采集方式下获取的极化参数不准确，最终，不能通过多电性参数组合识别地下不同的介质。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，主要目的在于在长脉宽发射条件下进行电场、磁场的同时测量，获取完整的包含感应场和极化场的地下介质响应信号，通过电、磁场联合同步反演，获取地下介质准确的电性参数信息，从而有助于更加准确地解译地下目标地质体。
为了达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：
本申请提供了一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，该方法包括：
确定电性激励源和测区的位置；
按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设；
所述激励源发射长脉宽方波，在所述测区内完成对所有测点进行电场和磁场的同时测量；
根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，所述电性参数信息用于解译地下目标地质体。
在本申请的一些变更实施方式中，所述按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设，包括：
在所述测区内建立笛卡尔平面直角坐标系，设定沿测线方为x轴方向，垂直于测线方向为y轴方向；
所述测网按照预设布设规则布置，所述预设布设规则至少包括：同一条测线上测点间距为第一阈值，相邻测线间距为第二阈值，所述测网布设尺寸为第一阈值和第二阈值的乘积。
在本申请的一些变更实施方式中，电场和磁场的采集均与所述激励源保持同步，其中，电场采用全波形测量方式，磁场则测量关断后早延时信号。
在本申请的一些变更实施方式中，所述电场测量沿两个方向测量，分别是沿着测线方向的Ex分量和垂直于测线方向的Ey分量。
在本申请的一些变更实施方式中，磁场测量在方波线性关断后56微秒-1000微秒内的多个时刻开展，磁场测量至少包括测量垂直方向Hz的磁场值。
在本申请的一些变更实施方式中，激励源每次发射均单独记录发射波形。
在本申请的一些变更实施方式中，所述长脉宽方波为一组脉宽在4秒-256秒之间可调的信号，脉宽根据测区实际地质情况开展试验后选取。
在本申请的一些变更实施方式中，所述根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，包括：
全波形电场数据的预处理；
通过引入柯尔-柯尔的复电阻率模型，在正反演模型中充分考虑除了电阻率之外的极化参数，构建同时包含电场项和磁场项的目标函数，开展反演，获取地下介质的电性参数信息。
在本申请的一些变更实施方式中，所述全波形电场数据的预处理，包括：通过全波形采样对比，消除激励波形变化对测量的影响。
在本申请的一些变更实施方式中，所述电性参数信息至少包括：电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数。
借由上述技术方案，本发明提供的技术方案至少具有下列优点：
本发明提供了一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，本发明根据探测需求，预先确定电性激励源和测区的位置，并按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设，利用激励源发射长脉宽方波，在测区内完成对所有测点进行电场和磁场的同时测量，继而根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，该电性参数信息用于解译地下目标地质体。相较于现有技术，解决了传统瞬变电磁法在获取极化信息不完整、不能准确反演地下介质极化参数的问题，本发明在长脉宽发射条件下进行电场、磁场的同时测量，获取完整的包含感应场和极化场的地下介质响应信号，通过电、磁场联合同步反演，获取地下介质准确的电性参数信息，从而有助于更加准确地解译地下目标地质体。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法流程图；
图3为本发明实施例例举的观测系统平面示意图；
图4为本发明实施例例举的测点测量布设图；
图5为本发明实施例例举的电场和磁场分量测量时段示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，如图1所示，该方法提供以下具体步骤：
101、确定电性激励源和测区的位置。
在本发明实施例中，根据工作区的探测目标和任务，确定电性激励源和测区的位置。
102、按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设。
103、激励源发射长脉宽方波，在测区内完成对所有测点进行电场和磁场的同时测量。
在本发明实施例中，采用长脉宽方波的目的在于，使得地下介质的极化响应能够被充分激发，从而实现了在电性源瞬变电磁测量的基础上，充分激发并测量地下介质完整的极化场和感应场信息。
104、根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，电性参数信息用于解译地下目标地质体。
在本发明实施例中，电性参数信息至少包括电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数，本发明实施例能够获取地下介质更加准确的电性参数信息，从而利用地下介质电性参数差异来排除地质背景干扰，提升高极化背景下目标地质体的辨识能力。
以上，本发明实施例提供的基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，相较于现有技术，解决了传统瞬变电磁法在获取极化信息不完整、不能准确反演地下介质极化参数的问题，本发明在长脉宽发射条件下进行电场、磁场的同时测量，获取完整的包含感应场和极化场的地下介质响应信号，通过电、磁场联合同步反演，获取地下介质准确的电性参数信息，从而有助于更加准确地解译地下目标地质体。
为了对上述实施例做出更加详细的说明，本发明实施例还提供了另一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，如图2所示，该方法是对上述实施例进一步地细化解释说明，对此本发明实施例提供以下具体步骤：
201、确定电性激励源和测区的位置。
202、在测区内建立笛卡尔平面直角坐标系，设定沿测线方为x轴方向，垂直于测线方向为y轴方向。
203、测网按照预设布设规则布置，预设布设规则至少包括：同一条测线上测点间距为第一阈值，相邻测线间距为第二阈值，测网布设尺寸为第一阈值和第二阈值的乘积。
在本发明实施例中，步骤202-203为测网布设的具体实施方法，例如，测网一般按50m×200m布设，同一条测线上测点间距为50m，相邻测线间距200m。
示例性的，如图3所示的观测系统平面示意图，例举的测区范围和测网，在测区范围内按照50m×200m网度布设测网，测线数为n条，编号Li(i＝0，1，2....n)，每条测线测点数为m，编号Sj(j＝0，1，2，.....m)，测量x、y方向全波形电场和关断后z方向的磁场。
204、激励源发射长脉宽方波，在测区内完成对所有测点进行电场和磁场的同时测量，得到测得的电场和磁场数据。
其中，长脉宽方波可以为一组脉宽在4秒-256秒之间可调的信号，脉宽根据测区实际地质情况开展试验后选取。
在本发明实施例中，激励源发射长脉宽方波，通过测量单元完成测区内所有测点测量，电场和磁场的采集均与激励源保持同步，其中，电场采用全波形测量方式，磁场则测量关断后早延时信号。
进一步的，本发明实施例提供如图4所示的测点测量布设图，图4中涉及的测量仪器及配件及作用如下：①电磁场采集器，用于电场和磁场信号的采集和存储；②不极化电极，用于采集电场信号；③电缆线，用于连接不极化电极和电磁场采集器；④磁传感器，用于采集磁场信号；⑤磁传感器连接线，用于连接磁传感器和电磁场采集器。
图4示出了电场测量沿两个方向测量，分别是沿着测线方向的电场(Ex分量)和垂直于测线方向的电场(Ey分量)，采用4个氯化铅不极化电极作为接地测量电极，布设时采用带屏蔽的电极线分别从东、西、南、北四个方向连接至测量主机。磁场测量在方波线性关断后早延时开展(例如56微秒-1000微秒内的多个时刻开展)，主要测量垂直方向的磁场(Hz分量)，采用磁通门传感器，以获取低频磁场信号。测量中，激励源与接收单元以GPS或者恒温晶振严格同步。为了消除采集过程中激励源发射信号强度变化带来的影响，激励源每次发射均单独记录发射波形，以便在反演解释中对采集信号进行一次场修正。
对于发射方波波形与采集信号的关系的解释说明，如图5所示的电场和磁场分量测量时段示意图。图中(a)为激励源发射的方波波形，用于激发地下介质的感应场和极化场响应，采用直角坐标系绘制，横坐标为供电时间，单位秒(s)，纵坐标为供电电压，单位为伏特(V)。图中(b)为与发射波形相对应的测量示意图。从(a)中摘取四分之一个发射波形说明，采用直角坐标系绘制，横坐标为供电时间，单位秒(s)，纵坐标为供电电压，单位为伏特(V)，其中电场分量采用全波形采集方式，即除在断电时段采集外在供电时段也采集，磁场分量采用关断后采集方式，在供电完全关断后采集56-1000毫秒内的磁场响应。
对于本发明实施例，通过测量长脉宽发射信号下的电场和磁场，获取包含完整极化场和感应场的地下介质响应，可以有效解决传统瞬变电磁法在获取极化信息不完整，不能准确反演地下介质极化参数的问题。
以及，本发明实施例通过电性源长脉宽发射下的全波形电场测量和关断后的磁场测量方式来获取完整的地下介质极化场和感应场信息，从而在不显著增加工作量的同时，获取更丰富的地下介质电磁响应信息，即获取多个电性参数，有助于提高地下目标体的解释精度，从而提升辨识地下介质的能力。
205、全波形电场数据的预处理。
对于本发明实施例，通过全波形采样对比，消除激励波形变化对测量的影响。
206、通过引入柯尔-柯尔的复电阻率模型，在正反演模型中充分考虑除了电阻率之外的极化参数，构建同时包含电场项和磁场项的目标函数，开展反演，获取地下介质的电性参数信息。
其中，目标函数基于相对误差构建，通过引入基于粗糙度的正则化项，降低反演过程的奇异性，避免过度拟合。其公式为如下公式(1)：
Figure BDA0003539242810000071
其中，
Figure BDA0003539242810000072
为目标函数，eTCme为电场项，hTCmh为磁场项，
Figure BDA0003539242810000073
Eobs为测量电场值，Epre为预测电场值，Hobs为测量磁场值，Hpre为预测磁场值，eT为e转置，hT为h转置，m代表模型参数个数，Cm为数据拟合误差矩阵，mT为m转置，D为粗糙度矩阵，此项可对模型参数进行平滑约束。
其中，电性参数信息至少包括电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数。进一步的，通过多电性参数组合，结合地质资料，解译地下目标地质体。
综上所述，通过本发明实施例提供的基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，可以利用长脉宽方波信号充分激发地下介质的感应场和极化场响应，通过电场和磁场联合采集的方式获取地下介质完整的感应场和极化场响应，降低反演的奇异性，在实现获取电阻率参数的同时获取可靠的极化参数，为地下介质多电性参数识别提供保障，该方法基于电性源瞬变电磁原理，不需对仪器设备进行额外的改进，便于野外数据采集，容易实现。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同插入、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
本领域技术人员应明白，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于电性源的极化场和感应场同时测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定电性激励源和测区的位置；
按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设；
所述激励源发射长脉宽方波，在所述测区内完成对所有测点进行电场和磁场的同时测量；
根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，所述电性参数信息用于解译地下目标地质体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照特定的测网布置在测区内对测线和测点进行布设，包括：
在所述测区内建立笛卡尔平面直角坐标系，设定沿测线方为x轴方向，垂直于测线方向为y轴方向；
所述测网按照预设布设规则布置，所述预设布设规则至少包括：同一条测线上测点间距为第一阈值，相邻测线间距为第二阈值，所述测网布设尺寸为第一阈值和第二阈值的乘积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电场和磁场的采集均与所述激励源保持同步，其中，电场采用全波形测量方式，磁场则测量关断后早延时信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场测量沿两个方向测量，分别是沿着测线方向的Ex分量和垂直于测线方向的Ey分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，磁场测量在方波线性关断后56微秒-1000微秒内的多个时刻开展，磁场测量至少包括测量垂直方向Hz的磁场值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，激励源每次发射均单独记录发射波形。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述长脉宽方波为一组脉宽在4秒-256秒之间可调的信号，脉宽根据测区实际地质情况开展试验后选取。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据测得的电场和磁场数据，结合一次场发射波形数据，对包含地下感应场和极化场信息的数据进行反演解释，获取地下介质的电性参数信息，包括：
全波形电场数据的预处理；
通过引入柯尔-柯尔的复电阻率模型，在正反演模型中充分考虑除了电阻率之外的极化参数，构建同时包含电场项和磁场项的目标函数，开展反演，获取地下介质的电性参数信息。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述全波形电场数据的预处理，包括：通过全波形采样对比，消除激励波形变化对测量的影响。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电性参数信息至少包括：电阻率、极化率、时间常数和频率相关系数。
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