一种轴向同线方式的地面可控源电磁勘探方法

摘要

本发明涉及一种基于轴向同线方式的地面可控源电磁勘探方法，通过改变接收系统分布方式令接收系统沿着发射系统轴向分布，通过测量轴向分布的各接收点的水平电场强度Ex，计算得到视电阻率。与现有技术相比，采用发射系统与接收系统轴向同线的布置方式，对地下高阻体信息反映灵敏、对地下电阻率分辨能力更强，能更清楚反映地质体空间分布的细节，并对深部电性变化反映灵敏、分辨能力强；只需要测量水平方向的电场分量Ex，减少了对垂直方向磁场分量Hy的测量，使测量过程更加简便同时也减少了噪声的引入有利于提高信噪比。在数据处理的过程中计算了空气波的影响因子，将其从接收信号中剔除，提高信噪比和测量结果的可信度。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种地面可控源电磁勘探方法，尤其是一种基于轴向同线方式 的地面可控源电磁勘探方法。

技术背景：

可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Andio-frequency  Magnetotelluric，缩写为CSAMT)是在大地电磁法(MT)的基础上发展起来 的一种人工源频率域电磁测深方法，随着地球物理勘探的推广和发展，其在找矿、 找水、工程建设、地灾防治等许多的领域都有着重要的影响力。该方法通过在有 限长接地导线或不接地线圈中供入音频电流，以产生相应频率的电磁场，在距发 射源十几公里的测线上接收相互正交的电磁场响应分量，通过反演解释以获得地 下地质信息。目前，浅层、简单地质结构下的地球物理勘探应用都取得了很大的 突破，并且在被逐渐完善。常规CSAMT探测方法接收位于发射旁侧4-10Km， 具有勘探深度大、数据采集量大、分辨率高、受地形影响小，对低阻层敏感等特 点，在深部资源勘查中得到普遍应用，发展非常迅猛。但是在测量高阻目标体时 响应却不灵敏，即在需要进行表现为高阻的地层资源探测时常规方法已经不能满 足探测需求。

CN102707323A公开了一种《用于地质勘探的可控源音频磁场测深法》： 采用发射源和接收系统旁侧平行的分布方式，测量系统布置如图2所示。这种测 量系统以有限长接地电偶极子为场源,在发射源的远区(收发距r≥3-5δ)处同 时观测电、磁场参数，系统通过测量测区内各个接收点的水平电场强度Ex及垂 直磁场强度Hy，联合从而计算得到地下地质结构的视电阻率，进而反演出地下 介质结构信息。但这种测量方式只对低阻区敏感，对高阻目标反映不灵敏，且对 地质体空间分布细节反应不灵敏。

在海洋电磁测量中有基于轴向同线方向的拖拽测量方法，但是海洋电磁测量 过程中所用的频率单一，不能大范围的反应地下地质情况。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种轴向同线方式的地面可控 源电磁探测方法。通过改变接收系统分布方式令接收系统沿着发射系统轴向分 布，通过测量轴向分布的各接收点的水平电场强度Ex，进而得到电磁响应随发 射频率变化曲线。通过源的信息、接收到的电磁响应以及轴向电磁响应全区公式， 计算得到地下介质视电阻率随频率的关系，最终通过反演得到地下介质结构信 息。

一种轴向同线方式的地面可控源电磁勘探方法按以下方式工作：

a、根据测量任务设定收发距，具体收发距根据测区地形及地质条件通过趋 肤深度公式r≥2δ_max计算得出，布置发射系统位置，δ_max为最大趋肤深度；

b、沿发射源轴向同线方向确定测线并布置发射系统及接收系统，同时记录 发射系统的信息包括：地理位置坐标、发射电流大小，收发极距；

上述测线，沿发射源轴向同线方向布置且可测扇区角度不应超过60度；

c、按照探测区域及探测深度确定探测频率，将确定的频率范围列成一个频 率表，设置场源按频率表依次发射不同频率的电磁波，直至频率表中的每个频点 发射完毕；

上述频率表,频率范围是0.1Hz到10kHz，具体频率值由所需探测深度和纵 向分辨率确定，任意发射频率fn对应的趋肤深度为其中ρ为大地电 阻率。

d、接收系统与发射同步,接收并记录x方向电场强度Ex，将记录的数据按 时间序列存储；

e、根据如下空气波影响公式计算空气波的影响因子：

$E_{0,x}^{\mathrm{air}}=\mathrm{Pi}{\mathrm{\omega \mu }}_0{\int }_0^{\infty }{D}_0{e}^{-u_{0}z}{J}_0\left(\mathrm{\lambda \rho }\right)\mathrm{d\lambda }+\frac{{\mathrm{P\mu }}_0}{k_0^2}{\int }_0^{\infty }(D_0-u_0{F}_0)e^{-u_{0}z}\frac{{\partial }^2}{{\partial x}^2}{J}_0\left(\mathrm{\lambda \rho }\right)\mathrm{d\lambda }---\left(1\right)$

其中：μ₀为空间磁导率，ω为角频率值为2πf，f为人工源频率，I为发射 源电流，dl为电偶源长度，σ₀为空间电导率，D₀，F₀为系数其 值求法如下：

$D_0=\frac{\lambda (U_{-1}-U_0)[(R_{x1}-\frac{U_1}{U_0})e^{-U_{0}h}+(R_{x1}+\frac{U_1}{U_0})e^{U_{0}h}]}{(U_{-1}-U_0)(U_1-U_0{R}_{x1})-(U_{-1}+U_0)(U_1+U_0{R}_{x1})e^{2U_0{H}_0}}---\left(2\right)$

$F_0=\frac{\left(\begin{array}{c}\frac{1}{\lambda }({\sigma }_0{U}_{-1}-{\sigma }_{-1}{U}_0)(-2{U_0}^2{\sigma }_1{R}_{v1}{R}_{x1}+2{U_1}^2{\sigma }_0)[(U_0-U_{-1})e^{-U_{0}h}+(U_0-U_{-1})e^{U_0(g-2H_0)}]+\\ 2\lambda (U_1{\sigma }_0+{\sigma }_1{U}_0{R}_{v1})({\sigma }_{-1}-{\sigma }_0)[(U_1-U_0{R}_{x1})e^{-U_{0}h}-(U_1+U_0{R}_{x1})e^{U_{0}h}]\end{array}\right)}{\left(\begin{array}{c}[(U_0{R}_{x1}+U_1)(U_{-1}+U_0)e^{U_0{H}_0}+(U_0{R}_{x1}-U_1)(U_{-1}-U_0)e^{-U_0{H}_0}]·\\ [(U_1{\sigma }_0+{\sigma }_1{U}_0{R}_{v1})({\sigma }_0{U}_{-1}+U_0)e^{U_0{H}_0}-(U_{-1}{\sigma }_0-{\sigma }_{-1}{U}_0)({\sigma }_0{U}_1-{\sigma }_1{U}_0{R}_{x1})e^{-U_0{H}_0}]\end{array}\right)}---\left(3\right)$

$R_{x1}=\coth [u_1{D}_1+{\coth }^{-1}\frac{u_1}{u_2}{R}_{x2}]---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{xn}}=\coth [u_n{D}_n+{\coth }^{-1}\frac{u_1}{u_{n+1}}{R}_{x,n+1}](2\le n\le N-1)& R_{\mathrm{xN}}=1\end{array}\right)---\left(5\right)$

$R_{v1}=\coth [u_1{D}_1+{\coth }^{-1}\frac{u_1{\sigma }_2}{u_2{\sigma }_2}{R}_{v2}]---\left(6\right)$

$\left(\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{vn}}=\coth [u_n{D}_n+{\coth }^{-1}\frac{u_1{\sigma }_{n+1}}{u_{n+1}{\sigma }_n}{R}_{v,n+1}](2\le n\le N-1)& R_{\mathrm{vN}}=1\end{array}\right)---\left(7\right)$

f、根据公式(1)计算出空气波影响因子，将其从测得数据中减去得到去掉 空气波影响的测量数据，然后利用场源信息及去掉空气波影响的测量数据结合轴 向全区电磁响应公式计算各测点对应的各个频点的视电阻率。

g、将步骤f中得到的视电阻率同发射频率、接收点位置信息输入Mtsoft2D 反演软件得到地下电阻率分布图。

有益效果：与现有技术相比，(1)本发明通过采用发射系统与接收系统轴向 同线的布置方式，用这种方式进行测量对地下高阻体信息反映灵敏、对地下电阻 率分辨能力更强能更清楚反映地质体空间分布的细节，并对深部电性变化反映灵 敏、分辨能力强。(2)采用这种测量布置方式进行测量时，我们只需要测量水平 方向的电场分量Ex，减少了对垂直方向磁场分量Hy的测量，使测量过程更加 简便同时也减少了噪声的引入有利于提高信噪比。(3)本发明在数据处理的过程 中计算了空气波的影响因子，将其从接收信号中剔除，提高信噪比和测量结果的 可信度。

附图说明：

图1是轴向同线方式的地面可控源电磁勘探野外工作图

图2是传统方式的地面可控源电磁勘探野外工作图

图3是轴向同线方式野外探测地质反演与钻井质料对比图

图3(a)是为野外测量反演图；图3(b)是钻孔质料图

图4是轴向同线方式野外探测布置图

图5是轴向同线方式与传统方式异常幅度效果对比曲线图

图6是发射频率表。

1发射机，2接收机，AB发射电极，MN接收电极。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1为轴向同线方式野外测量布置图，包括发射系统和接收系统，测区按以 下方式布置：

如图1中所示平面直角坐标系，人工发射源与测线均沿x方向布设，测区 位置距离发射源x方向r≥2δ_max以外，y方向以发射源中心为起点上下辐射范围 在30°内。

测线以0号线为起点等间距不满整个测区，测线间距依据探测精度及需求设 置，一般为50-500m某一特定值。

每条测线上测点从x方向近端向远端以0号点为起点等间距排列，测点间 距按探测精度及需求设置一般为50-200m之间某一特定值。

以吉林省扶余可控源电磁勘探为例详细说明：

a、根据测量任务区域在保证发射系统位置距离最近接收点距离r≥2δ_max布置发射系统位置，具体距离由测区地形及地质条件决定；

野外试验发射系统位置如图4中所示，图中发射源中心距离最近测点位置为 820m,野外试验设计探测深度为400m(即δ_max＝400m)。

b、沿发射源轴向同线方向确定测线并布置发射系统及接收系统，同时记录 发射系统的信息包括：地理位置坐标、发射电流大小，收发极距；

野外试验测线位置如图4中所示Line1、Line2为轴向布置的两条测线，测 线间距为400m，测线上各有13个测点，测点间距为50m，测点所在位置即 为接收电极所在位置，接收电极通过电缆连接在接收机上，接收机与接收电极一 起称作接收系统。图4中A、B所在位置为发射电极所在位置，发射机位于AB 连线中点。发射机与发射电极一起称作发射系统。地理位置有GPS模块自动记 录，发射电流为20A，收发距820+50*n，n为远离发射系统的测点个数，测量 过程中收发距由接收系统自行记录；

c、按照探测区域及探测深度确定探测频率，将确定的频率范围列成一个频 率表，设置场源按频率表依次发射不同频率的电磁波，直至频率表中的每个频点 发射完毕；

发射电磁波频率的范围从0.1Hz到10000Hz，任意频率fn对应的趋肤深度 为其中ρ为大地电阻率，具体频率值由所需探测深度和纵向分辨率 确定。

野外勘探发射频率从高到低如下：9600Hz、7680Hz、6400Hz、5120Hz、 3840Hz、3200Hz、2560Hz、1920Hz、1600Hz、1280Hz、1024Hz、 853.3333Hz、640Hz、512Hz、426.666667Hz、341.333333Hz、256 Hz、213.333333Hz、170.666666Hz、128Hz、106.666667Hz、 85.3333332Hz、64Hz、53.3333333Hz、42.6666666Hz、32Hz、 26.6666667Hz、21.3333333Hz、16Hz、13.3333333Hz、10.6666667 Hz、8Hz、6.66666667Hz、5.33333333Hz、4Hz、3.33333333Hz、 2.66666666Hz、2Hz、1.66666667Hz、1.33333333Hz、1Hz

d、接收系统与发射同步,接收并记录x方向电场强度Ex，将记录的数据按 时间序列存储；

e、根据如下空气波影响公式计算空气波的影响因子：

$E_{0,x}^{\mathrm{air}}=\mathrm{Pi}{\mathrm{\omega \mu }}_0{\int }_0^{\infty }{D}_0{e}^{-u_{0}z}{J}_0\left(\mathrm{\lambda \rho }\right)\mathrm{d\lambda }+\frac{{\mathrm{P\mu }}_0}{k_0^2}{\int }_0^{\infty }(D_0-u_0{F}_0)e^{-u_{0}z}\frac{{\partial }^2}{{\partial x}^2}{J}_0\left(\mathrm{\lambda \rho }\right)\mathrm{d\lambda }$

f、根据公式(1)计算出空气波影响因子，将其从测得数据中减去得到去掉 空气波影响的测量数据，然后利用场源信息及去掉空气波影响的测量数据结合轴 向全区电磁响应公式计算各测点对应的各个频点的视电阻率。

g、将步骤f中得到的视电阻率同发射频率、接收点位置信息输入Mtsoft2D 反演软件得到地下电阻率分布图。

图3为野外测量地质反演与测线对应钻孔资料对比图，图3(a)为反演图， y方向为深度，x方向为水平位置，不同颜色表示不同大小的电阻率。图3(b) 为钻孔质料图，该钻孔为图4中ZK1，y方向为深度，x方向为电阻率大小。从 图a中可以看出地下深度0-20m表现为高阻与图b吻合完好，在深度为 250m-350m区间从图b可以看出电阻率变化范围小于50图a中可以清楚的 反应出电阻率的变化，即在地质体电阻率小范围变化时，这种测量方式也能将其 清楚的反应。

图5为正演仿真计算图，图中所示为分别对高阻目标体模型和低阻目标体模 型进行传统方式和轴向同线方式测量的相对异常幅度效果对比曲线。由图中曲线 可以看出，当目标体为高阻层时采用轴向同线测量方式所得的相对异常幅度明显 大于传统方式，而目标体为低阻层是则没有明显有益效果，即可以得出结论：采 用轴向同线测量方式对高阻目标体的测量反应更灵敏，测量效果更好。