CN115291285A

CN115291285A - 适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法

Info

Publication number: CN115291285A
Application number: CN202211230190.7A
Authority: CN
Inventors: 陈小斌; 刘钟尹
Original assignee: National Institute of Natural Hazards
Current assignee: National Institute of Natural Hazards
Priority date: 2022-10-08
Filing date: 2022-10-08
Publication date: 2022-11-04

Abstract

本发明公开了适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法，包括以下步骤：S1、依据探测区域的地质背景、地形环境和已有的测点位置，进行探测区测点设计，获得满足任务需要的全区域测点位置分布；S2、依据地形、测点分布将全区域大地电磁测点划分为骨架测点和非骨架测点进行不同类型的数据观测；S3、进行野外施工操作，获得全区域中每个测点的大地电磁时间序列，形成超宽频频带大地电磁密集倾子的野外采集数据集；S4、对全区域中每个测点的时间序列进行处理，得到骨架测点的阻抗张量、倾子矢量、视电阻率以及相位数据；得到非骨架测点的倾子矢量数据；S5、对步骤S4中得到的数据进行两步法反演操作，得到反演结果。

Description

适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法

技术领域

本发明涉及大地电磁领域，尤其涉及一种适合于复杂地形区施工的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法。

背景技术

大地电磁测深法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球探测物理手段。其基本原理是：依据不同频率的电磁波在导电媒质中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的资料处理来获得大地由浅至深的电性结构。它有不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强，横向分辨能力较强等优点，也有纵向分辨能力随着深度增加而迅速减弱等缺点。超宽频频带大地电磁法，频带范围可以从1000kHz到1/10000Hz，涵盖了射频大地电磁法（RMT）、人工源射频大地电磁法（CSRMT）、音频大地电磁法（AMT）、人工源音频大地电磁法（CSAMT）、宽频带大地电磁法（MT）等。

实践中，每一个标准大地电磁测点配置5道电磁场数据，包括2道电场组成的水平电场矢量和3道磁场组成完成的磁场矢量，均可在地表观测得到。由于观测装置的限制，常规大地电磁无法观测地表垂直电场分量。大地电磁响应函数阻抗张量Z表示为水平电场矢量E_l和水平磁场矢量H_l之间的转换关系：

E_l=ZH_l (1)

而另一响应函数倾子T表示垂直磁场分量H_z与水平磁场矢量H_l之间的转换关系：

H_z=TH_l (2)

依据阻抗张量Z可进一步计算视电阻率、阻抗相位、二维特征量等各种大地电磁(MT)响应参数，在此基础上进行数据的定性分析，完成畸变校正、去飞点等操作。再利用反演算法软件计算得到研究区域的地下电性结构，然后基于反演结果，结合现有的地质和其它地球物理资料，对研究区域进行地球物理和地质解释。

为了得到可靠的反演结果，需要保证观测数据的质量。在野外观测时，观测电场包括两个正交方向的电极对，电极距一般要求30米以上。观测磁场包括两个正交方向的水平磁棒和一个垂直磁棒，磁棒间距一般要求5米以上（如图1所示）。这意味着在进行野外数据观测时需要一块能满足仪器布设条件的较平坦空地。在地形复杂地区（如地表起伏大的山区、跨河流地区，堤坝地区等），找到符合条件的空地非常困难。因为电极距长度的要求，观测电场的场地条件比观测磁场的要求更加苛刻，也更难满足。理论上，磁场一般变化平缓，不随地形起伏而发生突变，而电场在空间上的分布受地形起伏的影响严重，在悬崖面容易积累面电荷产生不同的二次场从而引起视电阻率的突变。

因为电场观测对场地的要求要高于磁场观测，所谓的寻找满足符合观测条件的空地其实是在寻找符合电场观测的空地。现今在很多地形复杂地区的工程施工条件都比较恶劣，无法满足电场观测的条件，无法进行传统的五分量观测，只能进行磁场三分量甚至是垂直磁场单分量观测；另一方面，某些地形复杂地区要强行按照传统五分量观测，其观测操作困难重重，施工成本极高，工作效率极低。

发明内容

本发明目的是针对上述问题，提供一种可以在复杂地形地区进行测量操作的适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法，包括以下步骤：

S1、依据探测区域的地质背景、地形环境和已有的测点位置，进行探测区测点设计，获得满足任务需要的全区域测点位置分布；

S2、依据地形、测点分布将全区域测点划分为骨架测点和非骨架测点；对于骨架测点进行五分量观测，得到两分量电场和三分量磁场，获得骨架测点的阻抗数据和倾子数据；对于非骨架测点进行观测获得倾子数据；

S3、根据步骤S2进行野外施工操作，获得全区域中每个测点的大地电磁时间序列，形成超宽频频带密集倾子的野外采集数据集；

S4、对全区域中每个测点的大地电磁时间序列进行处理，得到骨架测点中各个测点的阻抗张量、倾子矢量、视电阻率以及相位数据；得到非骨架测点中各个测点的倾子矢量数据；

S5、对步骤S4中得到的数据进行反演操作，得到反演结果。

进一步的，所述步骤S5中采用两步法进行反演操作；第一步操作为：对骨架测点进行反演，基于骨架测点构建较大尺度的反演网格和初始模型，计算得到大尺度网格的反演结果，作为进一步反演的背景模型；第二步操作为：对全区域所有测点进行反演，基于全区域所有测点构建反演较小尺度的精细网格，以第一步操作得到的背景模型构建初始模型，反演得到的结果作为最终的反演结果。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明提出了一种新的大地电磁观测方法，其可以根据探测区域情况，设计骨架测点，进行五分量观测得到阻抗和倾子数据，获得地下电性结构的骨架信息，在骨架测点之间进行测点加密，只观测倾子数据，在已有的骨架电性结构上补充细节信息；其通过两种不同的数据进行反演确定地下电性结构；通过这一观测技术进行野外施工，填补了常规方法无法在地形复杂区域实施的技术缺陷，同时其增加了数据对反演结果的控制力，能有效提升反演结果的准确度；另外，该方法还能提高数据采集效率，节省数据采集时间，降低野外采集成本，给大地电磁的探测作业带来了便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为MT仪器数据采集示意图；

图2A为二维反演的超宽频频带密集倾子测点平面分布示意图，其中灰线表示测线；横坐标为Y方向剖面距，纵坐标为X方向间距；

图2B为三维反演的超宽频频带密集倾子测点平面分布示意图，其中方点为骨架测点，星点为非骨架测点；横坐标为Y方向剖面距，纵坐标为X方向间距；

图3为本发明的框架流程图；

图4A-4D为理论模型中不同深度（3km，6km，9km，12km）的水平切片，方点为骨架阻抗倾子测点，星点为非骨架倾子测点，所有测点间距5km；其中图4A为3km深度的水平切片，图4B为6km深度的水平切片，图4C为9km深度的水平切片，图4D为12km深度的水平切片；

图5A-5D为采5km间距测点用视电阻率相位倾子三维反演结果中不同深度（3km，6km，9km，12km）的水平切片，反演频率为1000Hz～1/1000Hz；其中图5A为3km深度的水平切片，图5B为6km深度的水平切片，图5C为9km深度的水平切片，图5D为12km深度的水平切片；

图6A-图6D为5km间距测点采用倾子数据三维反演结果中不同深度（3km，6km，9km，12km）的水平切片，反演频率为1000Hz～1/1000Hz；其中图6A为3km深度的水平切片，图6B为6km深度的水平切片，图6C为9km深度的水平切片，图6D为12km深度的水平切片；

图7A-7D为9个测点为骨架测点，其余测点为非骨架测点进行密集倾子两步法三维反演结果中不同深度（3km，6km，9km，12km）的水平切片，骨架测点采用视电阻率相位倾子数据，反演频率为1000Hz～1/1000Hz；非骨架测点采用倾子数据，反演频率为1000Hz～1/1000Hz；其中图7A为3km深度的水平切片，图7B为6km深度的水平切片，图7C为9km深度的水平切片，图7D为12km深度的水平切片；

图8A和图8B为河流模型三维反演结果示意图；其中，图8A为河流理论模型垂直切片，河流宽20m，最深2m，方点为2m间距骨架测点，星点为2m间距非骨架测点；图8B为密集倾子三维反演结果垂直切片，骨架测点采用视电阻率相位倾子数据，反演频率400000Hz～4000Hz，非骨架测点采用倾子数据，反演频率400000Hz～4000Hz；

图9A和图9B为河底沉船三维反演结果示意图；其中，9A为沉船理论模型垂直切片，方点为20m间距骨架测点，星点为20m间距非骨架测点；9B为密集倾子三维反演结果垂直切片，骨架测点采用视电阻率相位倾子数据，反演频率为10000Hz～1000Hz；非骨架测点采用倾子数据，反演频率为10000Hz～1000Hz。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，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。

本发明针对当前在复杂地形地区施工条件恶劣，只能满足磁道三分量甚至磁场单垂直分量观测，常规五分量数据采集方法无法正常实施，强行进行五分量观测成本高、效率低、结果差的问题，提出了一种新的超宽频频带大地电磁观测方法，该方法包含两种不同的数据，较稀的骨架测点观测阻抗和倾子数据，中间加密的测点只观测倾子数据，以此进行两步法反演确定地下电性结构。

同时针对当前MT仪器都是进行五分量采集的现状，提出了一种进行单分量垂直磁场采集的仪器的设想。该仪器主体包括垂直磁棒、水平三脚架、提手、仪器和电池，用于进行高频垂直磁场的观测，无需埋入土中，只需在地表垂直放好即可进行采集，因为只采集高频数据，所以观测时间短，很快就能采集完，然后手拎着到下一个观测点进行观测。

本发明采用骨架测点进行阻抗倾子观测、骨架测点间加密测点采用倾子观测的方式进行探测和反演，其根据探测区域情况，设计骨架测点，进行五分量观测，获得地下电性结构的骨架信息，然后在骨架测点之间布设加密测点进行倾子观测，得到倾子信息，在已有的骨架电性结构上补充细节信息（如图2A和图2B所示）；按照这一观测技术进行野外施工采回观测数据后，进行两步反演，第一步以均匀半空间模型作为初始模型，只反演骨架测点，第二步以第一步反演结果模型经过印模法或填坑削顶处理后做初始模型，所有测点都进行反演，此次反演结果为最终结果。

如图3所示，本发明的数据采集和反演流程具体步骤如下：

步骤一：依据探测区域的地质背景、地形环境和已有的测点分布，进行探测区测点设计，获得满足任务需要的全区域测点位置分布；如间隔5km设计测点，针对二维观测，测点沿测线分布，针对三维观测，测点按测网分布；

步骤二：依据地形、测点分布等将全区域大地电磁测点划分为骨架测点和非骨架测点；骨架测点进行五分量观测，得到两分量电场和三分量磁场，获得阻抗和倾子数据，非骨架测点进行观测得到倾子数据；如设计间隔5km的测点为非骨架测点，只观测得到倾子数据数据，设计间隔10km的测点为骨架测点，观测得到阻抗和倾子数据；

步骤三：按照上述设计的观测时间进行野外施工操作，获得全区域中每个测点的大地电磁时间序列，形成超宽频频带密集倾子的野外采集数据集；

步骤四：对全区域中每个测点的时间序列进行处理，对于骨架测点得到各个测点的阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位等大地电磁观测响应数据集，对于非骨架测点，得到各个测点的倾子矢量这一大地电磁观测响应数据集；

步骤五：采用两步法进行反演，第一步对骨架测点进行反演，基于骨架测点构建较大尺度反演网格和初始模型，计算得到大尺度网格的反演结果，作为进一步反演的背景模型；第二步对全区域所有测点进行反演，基于全区域所有测点构建反演较小尺度的精细网格，以第一步操作得到的大尺度背景模型构建初始模型反演得到的结果作为最终的反演结果。

下面通过具体的实例并结合附图对本发明做进一步的详细描述；

构建一个包含局部异常体的三维电阻率模型（如图4A-4D所示），按照5km的间距均匀设置测点，进行了三个反演进行对比；首先是按照传统的方式，所有测点的反演频率都一致，从1000Hz～1/1000Hz，用视电阻率相位倾子数据反演，反演结果如图5A-5D所示；然后所有测点只用倾子反演，频率范围为1000Hz～1/1000Hz，结果如图6A-6D所示；最后按照密集倾子采集到的数据进行反演，9个点为骨架测点，采用视电阻率相位倾子数据，频率范围为1000Hz～1/1000Hz，其余测点为非骨架测点为非骨架测点，采用倾子数据，频率范围为1000Hz～1/1000Hz，最后进行两步法反演，反演结果如图7A-7D所示，从中可以看到密集倾子的反演对理论模型恢复的最好。

接下来分别以探测河流和河底沉船的两个三维反演为例来验证新技术反演结果可靠性。

构建一个河流理论模型（如图8A所示），河水电阻率为5Ωm，背景电阻率为50Ωm，测点间距2m，频率范围为400000Hz～4000Hz，共40个，河岸上测点进行阻抗倾子观测，采用视电阻率相位反演，水面上用倾子观测，采用倾子反演；反演初始模型采用5Ωm的均匀半空间模型，进行两步法反演，最后得到反演结果（如图8B所示），从中可发现，河流形态被恢复出来，能用于河流的探测。

构建一个河底沉船理论模型（如图9A所示），河水电阻率为1Ωm，沉船电阻率为0.1Ωm，河床电阻率为10Ωm，基底电阻率为50Ωm，测点间距20m，频率范围为100000Hz～1000Hz，共40个，河岸上测点进行阻抗倾子观测，采用视电阻率相位反演，水面上用倾子观测，采用倾子反演；反演初始模型采用1Ωm的均匀半空间模型，进行两步法反演，最后得到反演结果（如图9B所示），从中可发现，河底的沉船被恢复出来，能成功发现河底沉船。

通过采用本发明提出的复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测技术，用不同数据进行了反演测试和对比，结果表明，在设计好了骨架测点和非骨架测点的情况下，用密集倾子技术采集的数据进行反演的结果，与传统方式采集的数据进行反演的结果相比较，其恢复了原始模型且效果更好，与预期一致；同时本发明操作简单，提高了野外数据的采集效率，降低了野外采集的成本，满足了复杂地形的探测需求，能用于河流的探测。

Claims

1.适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S2、依据地形、测点分布将全区域大地电磁测点划分为骨架测点和非骨架测点；对于骨架测点进行五分量观测，得到两分量电场和三分量磁场，获得骨架测点的阻抗数据和倾子数据；对于非骨架测点进行观测获得倾子数据；

S5、对步骤S4中得到的数据进行反演操作，得到反演结果。

2.如权利要求1所述的适合复杂地形的超宽频频带大地电磁密集倾子探测方法，其特征在于：所述步骤S5中采用两步法进行反演操作；第一步操作为：对骨架测点进行反演，基于骨架测点构建较大尺度的反演网格和初始模型，计算得到大尺度网格的反演结果，作为进一步反演的背景模型；第二步操作为：对全区域所有测点进行反演，基于全区域所有测点构建反演较小尺度的精细网格，以第一步操作得到的背景模型构建初始模型，反演得到的结果作为最终的反演结果。