CN1232187A - 天然电磁辐射技术的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
天然电磁辐射测深技术的方法及其装置,信号经电场传感器、前置放大器、后置放大器、双平混频器、中频滤波器和检波器传输给峰值检测器和谷值检测器通过峰值、谷值检测器分别传输给减法器和加法器再传输给除法器得出所需数据;也可将信号直接输入计算机中经过A/D转换及计算得出所需数据。采用表头指示方式输出,免去了听觉记录方法;减少结果中的主观因素,测试结果更加准确。当利用计算技术进行数据采集与处理时,可实现无人管理观测并提供现场观测记录。
Description
本发明涉及利用层状地质介质及其中不均匀地质体，对来自高空天然电磁辐射的响应，在近地表空间记录并分析交变电场沿传播方向的分量，提供地下地层厚度，埋藏深度及其岩性的天然电磁辐射测深技术的方法及其装置。
利用电磁方法探测地下地质结构已有较长历史，在理论研究与技术实践方面均取得进展。除了采用人工电磁场源(直流或交变)外，对天然电磁场源的利用亦获得进展，如1953年，Cagniard提出了当地表电磁场的变化相当缓慢时，电场强度与磁场强度之间有一定的比例关系，即大地的复阻抗，为大地电磁法建立了基础。为了提高勘探的分辩能力，音频大地电磁法得到发展近十余年，提出了在地表记录大地电场分量，提供地下岩层深度，厚度及其岩性的方法，这种方法追求的目标值得重视，但对其工作机理尚缺乏明确阐述，所使用的仪器有赖于训练有素的操作者的听觉判别，仪器制造者断言在当今技术条件下，无法采用数字技术及计算技术进行数据采集与分析，因此，使这种方法的应用受到限制。针对上述情况，本发明对天然电磁场源的形成与特性做了分析，从大地电磁法的基本原理出发，表明大地电磁单一分量(电场分量或磁场分量)中均包含有地下地质情况的信息，发明了天然电磁辐射测深技术及其装置。
本发明的目的是提供一种用天然电磁辐射测深技术的方法及其装置，采用数字技术及计算技术进行数据采集与分析，提供地下地层厚度，埋藏深度及其岩性。
本发明的具体方案为：天然电磁辐射以脉冲形式垂直入射至地表，脉冲重复频率较低约8-14/次秒，由于空气--地表的电阻率相差悬殊，电场分量在地表被抵销，磁场分量穿入地下。当磁场分量传播至地下电导率分界面时，在电性分界面上形成随时间变化的面电荷，面电荷形成感应电场，沿传播方向直接传至近地表空间，由于感应电场的主要频率分布在数千赫的音频范围之内，在地质介质的传播过程中，能量损失较小，在返回近地表空间时尚有6分贝增益。就层状地质介质而言，感应电场在返回近地表的过程中，经过电导率较高的岩层时，电场的能量损失增加，电场强度减弱。反之，在经过电导率较低的岩层时，电场强度衰减较小，由于信号频率与传播的深度有关，信号频率与电场强度将偏移单调变化的曲线。实践表明，以6分贝衰减做为确定截止频率的标准，在工程上更易于确定电性分界面所相应的截止频率。为了减小天然电磁辐射强度随时间变化的影响和可靠记录返回地表的电磁能量随深度的变化，对包络信号的每一频率分量采取如下处理：
在设定的时间间隔内，记录包络信号的最大峰值(VPmax)和最小谷值(VTmin)。
计算VPmax与VTmin的差值(Δ)。----------公式(1)
计算VPmax与VTmin的和值(∑)。----------公式(2)
计算Δ与∑的比值(K)。 ----------公式(3)
天然电磁辐射测深装置由电场传感器、前置放大器、后置放大器、双平混频器、中频滤波器和检波器组成，电场传感器与前置放大器的入口相联接，前置放大器的输出端接至后置放大器的输入端，后置放大器的输出端接至双平混频器的输入端，双平混频器的输出端与中频滤波器相联接，中频滤波器的输出端接至精密检波器。电场传感器采用电容极板式，极板为上下两块，上极板与面板之间固定着该装置的所有电路板，下极板的周围设有接地隔离环；信号经电场传感器、前置放大器、后置放大器、双平混频器、中频滤波器和检波器传输给峰值检测器和谷值检测器通过峰值、谷值检测器分别传输给减法器和加法器再传输给除法器得出所需数据；也可将峰值检波器、谷值检测器、减法器、加法器和除法器略去，将信号直接输入计算机，经过A/D转换并计算得出所需数据。
本发明的优点：采用表头指示方式输出，免去了听觉记录方法；减少结果中的主观因素，测试结果更加准确。当利用计算技术进行数据采集与处理时，可实现无人管理观测并提供现场观测记录。
下面根据附图及实施例对本发明进行详细的阐述：
图1：电场传感器示意图；
图2：混频器电路图；
图3：包络信号波形图；
图4：天然电磁辐射测深装置的框图；
图5：天然电磁辐射测深装置结构示意图；
图6：H-ργ曲线的绘制方法图；
图7：流程简图；
图8：沿侧线进行尖峰频响图。
实施例1：用天然电磁辐射测深技术的方法。天然电磁辐射测深技术及其装置由电场传感器1、前置放大器2、后置放大器3、双平混频器4、中频滤波器5和检波器6等组成。由大气层中雷电过程所形成的天然电磁辐射，从高空以脉冲形式垂直入射至地表，由于大地与空气的电导率相差悬殊，可将大地视为良导体而形成驻波，这时电场分量在地表被抵销，其能量返回空气介质，在近地表空间的磁场分量的强度加倍，由于空气--地表界面两侧的磁场分量相等，强度加倍的磁场脉冲传入地下，在其传播过程中不受地下低阻层的屏蔽影响。地下电导率不同的电性界面在磁脉冲的作用下，沿电性界面形成不均匀的电流，界面上相邻点的电荷量不同而形成电荷分布，使电性界面成为新的场源，其中包括场强与传播距离r成反比的感应场及与r成反比的辐射场，由于天然电磁脉冲的重复频率较低，其主要能量分布在音频范围之内，因此，新场源以感应场源为主，感应场的电场分量与传播方向一致，既使界面为水平状况下，感应电场在返回近地表空间时，除了有较强的与地表垂直的E分量外，还有与地表平行的E∥量在返回地表空间时，电场的反射系数等于-1，而使其强度有6分贝增益。本发明是以近地表空间的E分量为观测对象。感应电场在有损耗的地质介质中传播时有能量损失，理论分析表明，当传播距离为其穿透深度的3.85倍时，幅度衰减至零赫时幅度的0.7倍，以此做为最大传播距离γmax的标准，其相应的频带宽度(或截止频率)ΔF=3.76×106/σ·γmax。当介质电导率σ为常数时，ΔF与γ的关系呈单调变化。对于层状地质，感应电场在传播过程中经历σ的阶跃变化时，F-ΔE曲线发生偏移，ΔF-ΔE曲线的偏移状况反映地下地层的变化情况。在一定频率范围内，记录E每一频率分量的幅度变化ΔE，可得到上述的偏移情况。从F-ΔE曲线可求得ΔF，而载止频率之间的极值与相应深度范围内介质的电阻率成正比，电阻率愈高相应的
愈大，经F-H变换后得到与钻井结果类似的柱状图(H--ργ图)，ργ为地层的相对电阻率。
采用窄带方式观测使信噪比显著提高，F-ΔE曲线更易于反映地下能量群随深度的变化，F-ΔE曲线取决于读数密度依实际情况加以调整的多组数据的总趋势，因而比宽带方式下，依靠听觉得到的单一数据所确定的截止频率更为可靠，而H-ργ曲线中的ργ来源于对ΔE的测量，同样不依靠听觉所做出的判断，对的定量测量有利于结果的横向比较。
分量沿电性界面的法线方向返回地表，层状介质呈水平状态时，E分量与地表垂直，当地层有较大倾斜时，感应场源来自电性界面，并依界面法线方向返回地表，这一现象对于探测大倾角地层是有利的。在类似的地质条件下，采用地震反射波法在岩层的下倾方向接收时，接收距离将明显增加，弹性波的能量随之减弱。
从截止频率公式可看出，ΔF对γ和σ有较高的分辩能力。
当电性分界面由非固态物质(如石油，天然气等)形成时，在天然电磁脉冲作用下，这种电性分界面亦有电荷的积累与分布而形成二次感应场，F-ΔE曲线的形态将产生变化，在与已知矿层仔细对比后，F-ΔE曲线的形态变化可用于类似地区矿层的识别，这种特性在石油，天然气及煤田勘探中有广泛应用价值。
在距地表较浅(100m-200m)的岩层发生断裂的过程中，有大量的微断裂产生并在近地表空间形成重复频率相对稳定的电磁脉冲，在频率域里其响应曲线，出现尖风峰，除了判断断裂的地面位置外还可根据尖峰的频率对断裂的深度做出估算。
实施例2：用天然电磁辐射测深技术的方法。天然电磁辐射测深技术及其装置由电场传感器1、前置放大器2、后置放大器3、双平混频器4、中频滤波器5、检波器6和计算机7等组成。观测时，将本装置设置在观测点地表。电场传感器1将近地表电场的垂直分量E转换成相应的电信号，经前置放大器2及后置放大器3放大输出后输至混频放大器4，本地信号发生器8的频率高于中频滤波器的中心频率，二者频率之差即待测信号的频率，反馈电路保证上变频所需的本地信号频率的稳定度。经混频后，窄带中频滤波器5析出差频信号，差频信号经精密检波器6析出差频信号的包络信号。包络信号即待测信号，经峰值检波器9，谷值检波器10及除法器11进行模拟运算，得出公式(1)和(3)所需的运算结果，K值进一步消除天然场强变化的影响。采用计算机自动读取数据，按附图7所示流程图读取数据，在对数据进行必要的处理后，直接绘制F--ΔE曲线、F---K曲线、H---ργ曲线、剖面图或其他图件。
实施例3：用天然电磁辐射测深技术的方法。天然电磁辐射测深技术其装置由电场传感器1、前置放大器2、后置放大器3、双平混频器4、中频滤波器5、检波器6和计算机7等组成。观测时，将本装置设置在观测点地表。电场传感器1将近地表电场的垂直分量E转换成相应的电信号，经前置放大器2及后置放大器3放大输出后输至混频放大器4，本地信号发生器8的频率高于中频滤波器的中心频率，二者频率之差即待测信号的频率，反馈电路保证上变频所需的本地信号频率的稳定度。经混频后，窄带中频滤波器5析出差频信号，差频信号经精密检波器6析出差频信号的包络信号。包络信号即待测信号，经峰值检波器9，谷值检波器10及除法器11进行模拟运算，得出公式(1)和(3)所需的运算结果，K值进一步消除天然场强变化的影响。根据预计的探测深度范围确定相应的频率范围，依探测时详细的程度，选取频率间隔。在人工操作时，记录每一离散的中心频率值所对应的值或K值，在直角座标系中，绘F-Δ曲线和便于与钻井剖面直接比较的H---ργ曲线。
Claims (2)
1．一种用天然电磁辐射测深技术的方法，其特征在于通过电场传感器1将近地表电场的垂直分量E转换成相应的电信号，经前置放大器2及后置放大器3放大输出后输至混频放大器4，本地信号发生器8的频率高于中频滤波器的中心频率，二者频率之差即待测信号的频率，反馈电路保证上变频所需的本地信号频率的稳定度；经混频后，窄带中频滤波器5析出差频信号，差频信号经精密检波器6析出差频信号的包络信号；经峰值检波器9，谷值检波器10及除法器11进行模拟运算，得出公式(1)和(3)所需的运算结果，K值进一步消除天然场强变化的影响；根据预计的探测深度范围确定相应的频率范围，依探测时详细的程度，选取频率间隔；在人工操作时，记录每一离散的中心频率值所对应的值或K值，在直角座标系中，E曲线和便于钻井剖面直接比较的H---曲线；当采用计算机自动读取数据时，按流程图读取数据，在对数据进行必要的处理后，直接绘制F--ΔE曲线、F---K曲线、H---ργ曲线、剖面图或其他图件。
2．根据权利要求1所述的用天然电磁辐射测深技术方法的装置，其特征在于天然电磁辐射测深装置由电场传感器(1)、前置放大器(2)、后置放大器(3)、双平衡混频器(4)、中频滤波器(5)和检波器(6)组成，电场传感器(1)与前置放大器(2)的入口相联接，前置放大器(2)的输出端接至后置放大器(3)的输入端，后置放大器(3)的输出端接至双平衡混频器(4)的输入端，双平衡混频器(4)的输出端与中频滤波器(5)相联接，中频滤波器(5)的输出端接至精密检波器(6)；电场传感器采用电容极板式，极板为上下两块，上极板(14)与面之间固定着该装置的所有电路板，下极板(15)的周围设有接地隔离环(16)；信号经电场传感器(1)、前置放大器(2)、后置放大器(3)、双平混频器(4)、中频滤波器(5)和检波器(6)传输给峰值检测器(9)和谷值检测器(10)通过峰值、谷值检测器分别传输给减法器(12)和加法器(13)再传输给除法器(11)得出所需数据；也可将峰值检波器、谷值检测器、减法器、加法器和除法器略去，将信号直接输入计算机(7)中经过A/D转换及计算得出所需数据。
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