CN116931099A - 一种浅水域张量amt探测装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种浅水域张量AMT探测装置及探测方法，具体涉及水域电磁法探测技术领域。本发明提出的浅水域张量AMT探测装置包括大地电磁仪、水上张量式电场采集缆和水下三分量磁传感器，水上张量式电场采集缆包括不极化电极、GPS定位设备、多芯屏蔽电缆和支架，水下三分量磁传感器包括玻璃钢防水罩及其内部的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器，水上张量式电场采集缆和水下三分量磁传感器分别与大地电磁仪相连接。本发明还提出了一种浅水域张量AMT探测方法，包括锚定式观测方法和移动式观测方法，提高了浅水域张量音频大地电磁法探测的深度和精度，实现了浅层水域的高分辨率快速探测。

Description

一种浅水域张量AMT探测装置及探测方法

技术领域

本发明涉及水域电磁法探测技术领域，具体涉及一种浅水域张量AMT探测装置及探测方法。

背景技术

电磁法作为常用的地球物理方法，已广泛应用于工程勘探和矿产资源调查等领域，特别适用于水体地下工程建设以及地下复杂地质结构和断裂构造发育情况等的精细勘探。传统的电磁法勘探装备和方法基于陆地应用开发，受到电磁法勘探装备和技术的局限性，难以有效应用于大江大湖等水体覆盖区域，这就使得研发适用于水域的电磁探测装置和电磁探测方法变的极其必要。

目前，应用于水域探测的电磁法包括使用人工源的高密度电法、瞬变电磁法以及使用被动源的音频大地电磁法(Audio Magnetotelluric，简称AMT)。但是，现阶段适用于水域探测的电磁法探测方法实际应用过程中均存在一定的问题。

高密度电法采用直流电供电，陆地上探测深度一般仅有几十米且分辨率不高，应用于水中探测时一般将采集装置布设于水底，由于水底地形不可视导致采集装置的布设困难，且探测过程中采用直流供电，若水中采集电缆发生漏电则直接影响采集数据的真实性，并且，由于探测过程中电流趋向于在低阻的水层和水底淤泥层经过，使得水中采用高密度电法的探测深度比陆地上的探测深度更浅。

瞬变电磁法的水上测量装置一般拖曳于船尾，探测过程中受发射线框和接收线框的尺寸限制，导致发射功率小、探测深度较浅，虽然通过加大发射电流增加发射功率可以提高探测深度，但是发射电流的增大严重增加了线圈的自感和互感，延长关断时间的同时导致浅层出现探测盲区，且探测过程中易受船体、水层和水流的干扰，验证影响采集数据的质量。

现阶段常用的音频大地电磁法所采用的拖曳式单分量电场采集缆只能采集沿剖面方向的电场分量，缺少剖面垂向的电场分量，导致地下电性信息获取不够全面，从而影响探测精度；并且，采用水上采集测点的电场配合岸上基站处采集磁场的电磁场分离观测方式，利用岸上基站处的磁场代替水中测点处的磁场，受岸上和水中的磁场均匀一致性的限制，实际应用过程中具有较大的局限性。

因此，亟需提出一种浅水域张量AMT探测装置及探测方法，提高浅水域张量音频大地电磁法探测的探测深度和探测精度，实现浅层水域的高分辨率快速探测。

发明内容

本发明旨在探测获取更加丰富的探电场信息、解决电磁场分离观测所带来的误差，提出了一种浅水域张量AMT探测装置及探测方法，提高了浅水域张量音频大地电磁法探测的探测深度和探测精度，适用于各种水域浅层的高分辨率快速探测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种浅水域张量AMT探测装置，包括大地电磁仪、电场信号采集装置和磁场信号采集装置，电场信号采集装置和磁场信号采集装置分别与大地电磁仪相连接；

所述电场信号采集装置为水上张量式电场采集缆，包括不极化电极、GPS定位设备、多芯屏蔽电缆和支架；所述支架包括第一横向支架、第二横向支架、第三横向支架和多根纵向支架，各纵向支架沿横向支架等间距设置，相邻横向支架之间的间距与相邻纵向支架之间的间距相等，相邻两根横向支架之间的纵向支架上均设置有浮漂，纵向支架与横向支架相交处采用连接栓扣活动连接；

所述第一横向支架、第二横向支架、第三横向支架与各纵向支架的交叉处均设置有不极化电极，且第二横向支架相比于第一横向支架和第三横向支架在首端多设置了一个不极化电极，各不极化电极均通过多芯屏蔽电缆与大地电磁仪相连接，用于向大地电磁仪传输水中两个相互垂直方向的天然电场信号；

所述水上张量式电场采集缆上设置有多个横向电道和纵向电道，其中，所述第二横向支架上的不极化电极组成了多个横向电道，位于同一横向电道上的一对不极化电极之间间隔有一个不极化电极，所述各纵向支架上分别设置有纵向电道，第一横向支架和第三横向支架上位于同一根纵向支架上的一对不极化电极形成一道纵向电道；

所述第二横向支架的所有不极化电极上均设置有GPS定位设备，各GPS定位设备分别与大地电磁仪相连接，用于记录水上张量式电场采集缆中横向电道和纵向电道的实时位置；

所述磁场信号采集装置为水下三分量磁传感器，包括顶部设置有把手的玻璃钢防水罩以及设置于玻璃钢防水罩内的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器，X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与多芯传输线相连接，多芯传输线的顶端从玻璃钢防水罩内穿出与大地电磁仪相连接；

所述X分量磁传感器、Y分量磁传感器和Z分量磁传感器两两垂直相交设置，X分量磁传感器用于测量左右方向的磁场分量，Y分量磁传感器用于测量前后方向的磁场分量，Z分量磁传感器用于测量上下方向的磁场分量；所述姿态定向器固定在Y分量磁传感器上，用于测量水下三分量磁传感器的倾角和方位角进行磁场校正。

优选地，所述支架上相邻两个不极化电极之间的距离设置为5m～20m。

优选地，所述多芯传输线顶端设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯传输线接头，多芯屏蔽电缆的顶端均设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯屏蔽电缆接头。

优选地，所述玻璃钢防水罩顶部的把手上系有绳索。

一种浅水域张量AMT探测方法，采用如上所述的浅水域张量AMT探测装置，具体包括锚定式观测方法和移动式观测方法。

优选地，所述锚定式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置；

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作；

步骤3，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长和观测时间段，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距；

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台设置观测装置，在水上移动平台上设置浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆拖曳于水上移动平台的尾端，将水下三分量磁传感器通过绳索固定在水上移动平台，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至水底；

步骤5，将挂载有浅水域张量AMT探测装置的水上移动平台锚定在待测剖面预设的第一个测点处，在设置的观测时长和观测时间段内利用浅水域张量AMT探测装置同步同点位获取水上张量式电场采集缆中横向电道、纵向电道的电场数据以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器的测量数据，获取待测剖面的剖面方向以及与剖面方向相垂直两个方向上的电场数据以及X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，采集完成后提取绳索将水下三分量磁传感器从水底取出，将水上移动平台移动至预设的下一个测点处，重新将水下三分量磁传感器投入水底进行测量，直至待测剖面预设的所有测点均测量完毕，停止测量；

步骤6，从大地电磁仪中获取各测点处的电场数据、X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，根据各测点处的电场数据校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

优选地，所述移动式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置；

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作；

步骤3，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长、观测时间段和测点采集窗口，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距；

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台设置观测装置，将浅水域张量AMT探测装置的水上张量式电场采集缆拖曳于第一水上移动平台的尾端，将浅水域张量AMT探测装置的水下三分量磁传感器通过绳索固定在第二水上移动平台上，两个水上移动平台上均设置有大地电磁仪，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备与第一水上移动平台上的大地电磁仪相连接，将水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与第二水上移动平台上的大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至待测剖面中间位置的水底处；

步骤5，利用第二水上移动平台所挂载的水下三分量磁传感器采集得到X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据作为待测剖面的磁场数据，再利用第一水上移动平台拖曳水上张量式电场采集缆沿待测剖面移动采集待测剖面方向以及待测剖面两个垂向方向上的电场信息，移动第一水上移动平台直至测量完待测剖面，停止测量；

步骤6，从第一水上移动平台的大地电磁仪获取水上张量式电场采集缆中每组横向电道和纵向电道的电场数据以及各GPS定位设备所记录的时间和位置，根据各测点的采集窗口从每组横向电道和纵向电道的电场数据中提取各测点的电场时间序列片段并进行按照时间先后顺序进行拼接，得到各测点的完整电场数据后，再从第二水上移动平台上的大地电磁仪中获取各测点处X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，将各测点的完整电场数据和校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据相结合，确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

优选地，所述水上移动平台设置为船体。

优选地，所述水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置。

本发明所带来的有益技术效果：

(1)本发明提出的浅水域张量AMT探测装置中将电场信号采集装置设置为水上张量式电场采集缆，利用水上张量式电场采集缆能够同时采集待测剖面方向和垂直于待测剖面方向这两个相互正交方向上的电场信息，实现了张量式电场的采集，相比于标量式采集所获取的电场信息更加丰富，且探测精度更高。

(2)本发明提出的浅水域张量AMT探测装置中设置的水下三分量磁传感器便于布设在测点附近的水底，与电场进行同步同点位采集，解决了探测过程中电磁场分离观测所引起的误差，提高了浅水域张量AMT探测的探测精度，且适用于在各种水域内探测，扩大了AMT探测的适用范围。

(3)本发明还提出了一种浅水域张量AMT探测方法，具体包括锚定式观测方法和移动式观测方法，实际探测过程中工作人员根据探测目的选取合适的观测方法，提高了浅水域张量AMT探测方法的适用性。

附图说明

图1为水上张量式电场采集缆的结构示意图。

图2为水下三分量磁传感器的整体结构示意图。

图3为水下三分量磁传感器的内部结构示意图。

图4为浅水域张量AMT探测方法中锚定式观测方法的示意图。

图5为浅水域张量AMT探测方法中移动式观测方法的示意图。

图中：1、水上张量式电场采集缆，101、第一横向支架，102、第二横向支架，103、第三横向支架，104、纵向支架，105、浮漂，106、不极化电极，107、GPS定位设备，108、多芯屏蔽电缆，109、多芯屏蔽电缆接头，2、水下三分量磁传感器201、玻璃钢防水罩，202、把手，203、多芯传输线，204、多芯传输线接头，205、X分量磁传感器，206、Y分量磁传感器，207、Z分量磁传感器，208、姿态定向器，3、大地电磁仪，4、水上移动平台，401、第一水上移动平台，402、第二水上移动平台，5、水体，6、水下地层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

本发明提出了一种浅水域张量AMT探测装置，包括大地电磁仪、电场信号采集装置和磁场信号采集装置，电场信号采集装置和磁场信号采集装置分别与大地电磁仪相连接。

所述电场信号采集装置为水上张量式电场采集缆1，如图1所示，包括不极化电极106、GPS定位设备107、多芯屏蔽电缆108和支架；所述支架包括第一横向支架101、第二横向支架102、第三横向支架103和多根纵向支架104，各纵向支架沿横向支架等间距设置，相邻横向支架之间的间距与相邻纵向支架之间的间距相等，相邻两根横向支架之间的纵向支架上均设置有浮漂105，用于提供浮力使得水上张量式电场采集缆漂浮于水面上，纵向支架与横向支架相交处采用连接栓扣活动连接，便于支架的组装拆卸。

所述第一横向支架、第二横向支架、第三横向支架与各纵向支架的交叉处均设置有不极化电极，且第二横向支架相比于第一横向支架和第三横向支架在首端多设置了一个不极化电极，各不极化电极均通过多芯屏蔽电缆与大地电磁仪3相连接，用于向大地电磁仪传输水中两个相互垂直方向的天然电场信号。

所述水上张量式电场采集缆上设置有多个横向电道和纵向电道，用于测量水中待测剖面方向及其垂向的天然电场信号，其中，所述第二横向支架上的不极化电极组成了多个横向电道，位于同一横向电道上的一对不极化电极之间间隔有一个不极化电极，所述各纵向支架上分别设置有纵向电道，第一横向支架和第三横向支架上位于同一根纵向支架上的一对不极化电极形成一道纵向电道。

所述第二横向支架的所有不极化电极上均设置有GPS定位设备，各GPS定位设备分别与大地电磁仪相连接，用于记录水上张量式电场采集缆中横向电道和纵向电道的实时位置。

所述不极化电极采用导电性好的氯化铅不极化电极，GPS定位设备采用高精度GPS定位器，多芯屏蔽电缆具有抗拉轻度大、导电性好的特点，且多芯屏蔽电缆的顶端设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯屏蔽电缆接头109，多芯屏蔽电缆接头导电且经过防水密封处理，具有优异的导电性和防水性。

本实施例水上张量式电场采集缆中包含若干组相互垂直相交的电道，能够同时采集待测剖面方向及其垂直方向的电场分量信息，实现了张量式电场的采集，由于包含多组相互正交的电道，实现了多电道的同时观测，提高了浅水域张量AMT探测的探测效率，同时，由于水上张量式电场采集缆拖曳于水上移动平台的尾端且漂浮于水中，布设无需考虑水底地层的影响，更加方便快捷。

所述磁场信号采集装置为水下三分量磁传感器2，如图2和图3所示，包括顶部设置有把手202的玻璃钢防水罩201以及设置于玻璃钢防水罩201内的X分量磁传感器205、Y分量磁传感器206、Z分量磁传感器207和姿态定向器208，X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与多芯传输线203相连接，多芯传输线的顶端从玻璃钢防水罩内穿出与大地电磁仪3相连接。

所述X分量磁传感器、Y分量磁传感器和Z分量磁传感器两两垂直相交设置，X分量磁传感器用于测量左右方向的磁场分量，Y分量磁传感器用于测量前后方向的磁场分量，Z分量磁传感器用于测量上下方向的磁场分量；所述姿态定向器固定在Y分量磁传感器上，用于测量水下三分量磁传感器的倾角和方位角进行磁场校正，便于后期对X分量磁传感器、Y分量磁传感器和Z分量磁传感器所测量的磁场数据进行磁场校正。

本实施例中，水下三分量磁传感器的玻璃钢防水罩采用玻璃钢材料制成，呈钟型结构，钟型结构的设计降低了水下三分量磁传感器在水下所受到的阻力，玻璃钢防水罩经过放水密封处理，具有防水耐压的特点，且玻璃钢防水罩的顶部设置有用于系挂绳索的把手，便于将水下三分量磁传感器下放至水底，多芯传输线的顶端设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯传输线接头，多芯传输线接头204导电且经过防水密封处理，能够快速传输X分量磁传感器、Y分量磁传感器和Z分量磁传感器所测量的磁场数据。

本实施例水下三分量磁传感器通过在内部设置三个相互正交的单分量磁传感器实现了对水平面两个垂直方向以及垂向方向上磁场分量的同步测量，配合搭载姿态定向器，同步测量水下三分量磁传感器的倾角和方位角，对水下三分量磁传感器所测量的磁场数据进行校正，保证了后续水下地层电性结构反演的准确性。

本发明还提出了一种浅水域张量AMT探测方法，采用如上所述的浅水域张量AMT探测装置，具体包括锚定式观测方法和移动式观测方法。

本发明中提出的锚定式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台4，如图4所示，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置。

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作。

步骤3，分别对浅水域张量AMT探测装置进行电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长和观测时间段，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距。所述电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试为本领域技术人员用于确定观测时长、观测时间段以及测量过程中相邻不极化电极之间电极距所采用的常规技术手段。

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台设置观测装置，水上移动平台设置为船体，在水上移动平台上设置浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆拖曳于水上移动平台的尾端，水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置；将水下三分量磁传感器通过绳索固定在水上移动平台，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至水底后，逐一检查确保浅水域张量AMT探测装置布设和连接的正确性。

步骤5，将挂载有浅水域张量AMT探测装置的水上移动平台锚定在待测剖面预设的第一个测点处，在设置的观测时长和观测时间段内利用浅水域张量AMT探测装置同步同点位获取水上张量式电场采集缆中横向电道、纵向电道的电场数据以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器的测量数据，获取待测剖面的剖面方向以及与剖面方向相垂直两个方向上的电场数据以及X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，采集完成后提取绳索将水下三分量磁传感器从水底取出，将水上移动平台移动至预设的下一个测点处，重新将水下三分量磁传感器投入水底进行测量，直至待测剖面预设的所有测点均测量完毕，停止测量。

步骤6，从大地电磁仪中获取各测点处的电场数据、X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，根据各测点处的电场数据校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

本发明中提出的移动式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台，如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置。

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作。

步骤3，分别对浅水域张量AMT探测装置进行电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长、观测时间段和测点采集窗口，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距，本实施例中测点采集窗口设置为以测点为中心的正方形区域，凡是移动至测点采集窗区域内的电道所采集的电场数据均设为该测点处的电场数据。所述电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试为本领域技术人员用于确定观测时长、观测时间段、测点采集窗口以及测量过程中相邻不极化电极之间电极距所采用的常规技术手段。

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台设置观测装置，两个水上移动平台均设置为船体，将浅水域张量AMT探测装置的水上张量式电场采集缆拖曳于第一水上移动平台401的尾端，将浅水域张量AMT探测装置的水下三分量磁传感器通过绳索固定在第二水上移动平台402上，两个水上移动平台上均设置有大地电磁仪，且两个水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备与第一水上移动平台上的大地电磁仪相连接，将水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与第二水上移动平台上的大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至待测剖面中间位置的水底处。

步骤5，利用第二水上移动平台所挂载的水下三分量磁传感器采集得到X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据作为待测剖面的磁场数据，再利用第一水上移动平台拖曳水上张量式电场采集缆沿待测剖面移动采集待测剖面方向以及待测剖面两个垂向方向上的电场信息，移动第一水上移动平台直至测量完待测剖面，停止测量。

若待测剖面过长，则将待测剖面分割为几个短剖面，每测量完一个短剖面后利用第一水上移动平台和第二水上移动平台将水上张量式电场采集缆和水下三分量磁传感器移动至下一个短剖面处重新布设测量，直至移动式测量完整个待测剖面。

步骤6，从第一水上移动平台的大地电磁仪获取水上张量式电场采集缆中每组横向电道和纵向电道的电场数据以及各GPS定位设备所记录的时间和位置，根据各测点的采集窗口从每组横向电道和纵向电道的电场数据中提取各测点的电场时间序列片段并进行按照时间先后顺序进行拼接，得到各测点的完整电场数据后，再从第二水上移动平台上的大地电磁仪中获取各测点处X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，将各测点的完整电场数据和校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据相结合，确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

实施例2

本实施例在某浅水域中分别采用实施例1所提出浅水域张量AMT探测方法中的锚定式观测方法和移动式观测方法进行探测，该浅水域中顶层为水体5，底层为水下地层6，探测过程中使用实施例1中所提出的浅水域张量AMT探测装置。

采用锚定式观测方法在该浅水域中进行探测时，具体包括以下步骤：

步骤1，以该浅水域作为工作区，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内待测量剖面AA'，待测量剖面AA'正东西向，长度为1140m，待测量剖面内设置有20个测点，各测点之间的点距为60m。

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，施工前对大地电磁仪和自主研发的水下三分量磁传感器进行标定和一致性试验，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作。

步骤3，分别对浅水域张量AMT探测装置进行电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，结合水域实际情况，确定相邻不极化电极之间的电极距为20m，根据工作区的电磁环境，选取下午时段实施AMT探测，测点观测时长30分钟，观测频率设置为0.35Hz～10400Hz。

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台设置观测装置，在水上移动平台上设置浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆拖曳于水上移动平台的尾端，水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置；将水下三分量磁传感器通过绳索固定在水上移动平台，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至水底后，逐一检查确保浅水域张量AMT探测装置布设和连接的正确性。

步骤5，将挂载有浅水域张量AMT探测装置的水上移动平台锚定在待测剖面预设的第一个测点处，按照预设的观测频率观测30分钟，利用浅水域张量AMT探测装置同步同点采集剖面方向及其垂向两个分量的电场数据和三个分量磁场数据，采集完成后提取绳索将水下三分量磁传感器从水底取出，将水上移动平台移动至预设的下一个测点处，重新将水下三分量磁传感器投入水底进行测量，重复采集过程直至测量完20个测点，停止测量。

步骤6，从大地电磁仪中获取各测点处的电场数据、X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，根据各测点处的电场数据校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，使用大地电磁仪配套软件处理电场数据和校正后的磁场数据得到各测点的视电阻率和阻抗相位，再使用MTEditor软件编辑数据，利用二维大地电磁反演软件SCS2D反演得到水下地层的电性结构。

采用移动式观测方法在该浅水域中进行探测时，具体包括以下步骤：

步骤1，以该浅水域作为工作区，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内待测量剖面AA'，待测量剖面AA'正东西向，长度为1140m。为了与锚定式观测方法进行对比，在待测量剖面AA'上每隔60m设置一个测点，最终得到同点位的20个测点。

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，施工前对大地电磁仪和自主研发的水下三分量磁传感器进行标定和一致性试验，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作。

步骤3，分别对浅水域张量AMT探测装置进行电极距试验、观测时长试验和电磁干扰背景测试，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，结合水域实际情况，确定相邻不极化电极之间的电极距为20m，根据工作区的电磁环境，选取下午时段实施AMT探测，测点观测时长20分钟，观测频率设置为0.35Hz～10400Hz，根据电极距长度选取测点采集窗口为长度为20m、宽度为20m的正方形区域。

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台设置观测装置，两个水上移动平台均设置为船体，将浅水域张量AMT探测装置的水上张量式电场采集缆拖曳于第一水上移动平台的尾端，将浅水域张量AMT探测装置的水下三分量磁传感器通过绳索固定在第二水上移动平台上，两个水上移动平台上均设置有大地电磁仪，且两个水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备与第一水上移动平台上的大地电磁仪相连接，将水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与第二水上移动平台上的大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至待测剖面中间位置的水底后，逐一检查确保浅水域张量AMT探测装置布设和连接的正确性。

步骤5，利用第二水上移动平台所挂载的水下三分量磁传感器采集得到X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据作为待测剖面的磁场数据，再利用第一水上移动平台拖曳水上张量式电场采集缆沿待测剖面AA'的首端缓慢移动至末端，按照预设的观测频率采集待测剖面方向以及待测剖面两个垂向方向上的电场信息，移动第一水上移动平台直至测量完待测剖面上的20个测点，停止测量。

步骤6，从第一水上移动平台的大地电磁仪获取水上张量式电场采集缆中每组横向电道和纵向电道的电场数据以及各GPS定位设备所记录的时间和位置，根据各测点的采集窗口从每组横向电道和纵向电道的电场数据中提取各测点的电场时间序列片段并进行按照时间先后顺序进行拼接，得到各测点的完整电场数据，

再从第二水上移动平台上的大地电磁仪中获取各测点处X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，根据各测点处的电场数据校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，使用大地电磁仪配套软件处理电场数据和校正后的磁场数据得到各测点的视电阻率和阻抗相位，再使用MTEditor软件编辑数据，利用二维大地电磁反演软件SCS2D反演得到水下地层的电性结构。

本实施例中采用本发明提出的浅水域张量AMT探测方法中的锚定式观测方法和移动式观测方法成功获取了某水域剖面的水下地层电学结构，能够达到探测目的，验证了采用本发明中浅水域张量AMT探测方法和浅水域张量AMT探测装置应用于浅水域张量AMT探测的有效性。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种浅水域张量AMT探测装置，其特征在于，包括大地电磁仪、电场信号采集装置和磁场信号采集装置，电场信号采集装置和磁场信号采集装置分别与大地电磁仪相连接；

所述电场信号采集装置为水上张量式电场采集缆，包括不极化电极、GPS定位设备、多芯屏蔽电缆和支架；所述支架包括第一横向支架、第二横向支架、第三横向支架和多根纵向支架，各纵向支架沿横向支架等间距设置，相邻横向支架之间的间距与相邻纵向支架之间的间距相等，相邻两根横向支架之间的纵向支架上均设置有浮漂，纵向支架与横向支架相交处采用连接栓扣活动连接；

所述第一横向支架、第二横向支架、第三横向支架与各纵向支架的交叉处均设置有不极化电极，且第二横向支架相比于第一横向支架和第三横向支架在首端多设置了一个不极化电极，各不极化电极均通过多芯屏蔽电缆与大地电磁仪相连接，用于向大地电磁仪传输水中两个相互垂直方向的天然电场信号；

所述水上张量式电场采集缆上设置有多个横向电道和纵向电道，其中，所述第二横向支架上的不极化电极组成了多个横向电道，位于同一横向电道上的一对不极化电极之间间隔有一个不极化电极，所述各纵向支架上分别设置有纵向电道，第一横向支架和第三横向支架上位于同一根纵向支架上的一对不极化电极形成一道纵向电道；

所述第二横向支架的所有不极化电极上均设置有GPS定位设备，各GPS定位设备分别与大地电磁仪相连接，用于记录水上张量式电场采集缆中横向电道和纵向电道的实时位置；

所述磁场信号采集装置为水下三分量磁传感器，包括顶部设置有把手的玻璃钢防水罩以及设置于玻璃钢防水罩内的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器，X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与多芯传输线相连接，多芯传输线的顶端从玻璃钢防水罩内穿出与大地电磁仪相连接；

所述X分量磁传感器、Y分量磁传感器和Z分量磁传感器两两垂直相交设置，X分量磁传感器用于测量左右方向的磁场分量，Y分量磁传感器用于测量前后方向的磁场分量，Z分量磁传感器用于测量上下方向的磁场分量；所述姿态定向器固定在Y分量磁传感器上，用于测量水下三分量磁传感器的倾角和方位角进行磁场校正。

2.根据权利要求1所述的浅水域张量AMT探测装置，其特征在于，所述支架上相邻两个不极化电极之间的距离设置为5m～20m。

3.根据权利要求1所述的浅水域张量AMT探测装置，其特征在于，所述多芯传输线顶端设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯传输线接头，多芯屏蔽电缆的顶端均设置有用于与大地电磁仪相连接的多芯屏蔽电缆接头。

4.根据权利要求1所述的浅水域张量AMT探测装置，其特征在于，所述玻璃钢防水罩顶部的把手上系有绳索。

5.一种浅水域张量AMT探测方法，其特征在于，采用如权利要求1～4中任一项所述的浅水域张量AMT探测装置，具体包括锚定式观测方法和移动式观测方法。

6.根据权利要求5所述的浅水域张量AMT探测方法，其特征在于，所述锚定式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置；

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作；

步骤3，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长和观测时间段，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距；

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和一个水上移动平台设置观测装置，在水上移动平台上设置浅水域张量AMT探测装置，将水上张量式电场采集缆拖曳于水上移动平台的尾端，将水下三分量磁传感器通过绳索固定在水上移动平台，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至水底；

步骤5，将挂载有浅水域张量AMT探测装置的水上移动平台锚定在待测剖面预设的第一个测点处，在设置的观测时长和观测时间段内利用浅水域张量AMT探测装置同步同点位获取水上张量式电场采集缆中横向电道、纵向电道的电场数据以及水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器的测量数据，获取待测剖面的剖面方向以及与剖面方向相垂直两个方向上的电场数据以及X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，采集完成后提取绳索将水下三分量磁传感器从水底取出，将水上移动平台移动至预设的下一个测点处，重新将水下三分量磁传感器投入水底进行测量，直至待测剖面预设的所有测点均测量完毕，停止测量；

步骤6，从大地电磁仪中获取各测点处的电场数据、X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，根据各测点处的电场数据校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

7.根据权利要求5所述的浅水域张量AMT探测方法，其特征在于，所述移动式观测方法基于浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台，具体包括以下步骤：

步骤1，获取工作区的地质资料和水域情况，结合探测目标，确定工作区内的待测剖面以及各测点的位置；

步骤2，观测前对浅水域张量AMT探测装置进行设备性能测试，确保浅水域张量AMT探测装置中电场信号采集装置、磁场信号采集装置和大地电磁仪正常工作；

步骤3，根据浅水域张量AMT探测装置的采集参数试验结果，确定浅水域张量AMT探测装置在工作区内的观测时长、观测时间段和测点采集窗口，并调整浅水域张量AMT探测装置中相邻不极化电极之间的电极距；

步骤4，利用浅水域张量AMT探测装置和两个水上移动平台设置观测装置，将浅水域张量AMT探测装置的水上张量式电场采集缆拖曳于第一水上移动平台的尾端，将浅水域张量AMT探测装置的水下三分量磁传感器通过绳索固定在第二水上移动平台上，两个水上移动平台上均设置有大地电磁仪，将水上张量式电场采集缆中的不极化电极、GPS定位设备与第一水上移动平台上的大地电磁仪相连接，将水下三分量磁传感器中的X分量磁传感器、Y分量磁传感器、Z分量磁传感器和姿态定向器分别与第二水上移动平台上的大地电磁仪相连接后，将水下三分量磁传感器投放至待测剖面中间位置的水底处；

步骤5，利用第二水上移动平台所挂载的水下三分量磁传感器采集得到X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据作为待测剖面的磁场数据，再利用第一水上移动平台拖曳水上张量式电场采集缆沿待测剖面移动采集待测剖面方向以及待测剖面两个垂向方向上的电场信息，移动第一水上移动平台直至测量完待测剖面，停止测量；

步骤6，从第一水上移动平台的大地电磁仪获取水上张量式电场采集缆中每组横向电道和纵向电道的电场数据以及各GPS定位设备所记录的时间和位置，根据各测点的采集窗口从每组横向电道和纵向电道的电场数据中提取各测点的电场时间序列片段并进行按照时间先后顺序进行拼接，得到各测点的完整电场数据后，再从第二水上移动平台上的大地电磁仪中获取各测点处X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据，结合各测点处姿态定向器所测量的倾角和方位角，将X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据分别校正至待测剖面的剖面方向、待测剖面的垂直方向以及待测剖面所在水平面的垂直方向上，将各测点的完整电场数据和校正后的X分量磁场数据、Y分量磁场数据和Z分量磁场数据相结合，确定各测点处的视电阻率和阻抗相位，反演得到水下地层的电性结构。

8.根据权利要求6或7中所述的浅水域张量AMT探测方法，其特征在于，所述水上移动平台设置为船体。

9.根据权利要求6或7中所述的浅水域张量AMT探测方法，其特征在于，所述水上移动平台和水上张量式电场采集缆的尾端均安装有船锚，用于稳固浅水域张量AMT探测装置。