CN108873083A - 一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，首先根据探测或勘探需求，设置水平电偶极场源与电场水平分量测量***，对于无损检测采用发射与接收固定的装置。利用不同频率f的电磁信号来记录某测点多频点电磁E_x分量。采用一阶差分求导的近似方法来计算相应频点组合的电磁场E_x对频点的导数并对计算后的偏导信息进行存储。利用电磁场E_x分量对频点的导数进行视电阻率转换处理。该方法克服了利用卡尼亚视电阻率定义准则来进行视电阻率求解的局限性，同时又降低常规全区视电阻率求取需要面对非线性方程组求解带来的计算结果不稳定风险，有效的提高视电阻率计算效率和准确性。

Description

一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法

技术领域

本发明涉及勘探地球物理领域的人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其特别之处在于，该全区视电阻率求取方法无需求解非线性方程，降低了非线性方程求解不准确带来视电阻率定义误差，提高传统视电阻率计算准确度。

背景技术

在地球物理勘探中为了描述地下岩、矿石的导电性通常采用电阻率或电导率来进行叙述，然而实际开展工作时，采集的地下岩、矿石的综合效应，不是地下岩、矿石的真实电阻率，将其称为视电阻率，其与地下岩、矿石的成分、结构、采集装置布设方式等多个因素相关。

可控源音频大地电磁法(简称CSAMT)是频率域人工场源电磁测深方法，该方法采用大地电磁法(简称MT)相似的视电阻率定义形式来计算视参数，由于引入人工场源而大大改善了观测信号质量。随着电磁勘探方法的不断发展，该类方法被广泛用于石油、天然气、金属矿、地热、水文、环境等勘探领域。但是，人工场源频率电磁法引入人工场源成功解决了由于天然源的随机性和信号强度弱造成的观测困难，但也出现了一系列新问题。比如，其还是采用常规的卡尼亚视电阻率定义方式进行计算(如或)，该定义方式的前提条件为电磁波以平面波进行传播，故需要将观测区域置于远区，利用远区的数据来计算视电阻率，而非远区计算的视电阻率会产生严重畸变，故舍弃了过渡区和近区的数据，从而降低CSAMT适用范围。同时，在野外工作需要在远区测量两个正交的电场和磁场，降低了野外工作效率以及提高野外勘探成本。另外，常规的全区视电阻率定义方式采用E_E_x和来进行求解，该定义方式适用大部分测量区域，克服非平面区域不能求解视电阻率障碍，但是其需要对非线性方程组进行求解来定义相应的视电阻率，导致视电阻率准确度依赖非线性方程组的求解，从而影响视电阻率计算准确度以及效率。

发明内容

本发明的目的在于为了克服背景技术描述的问题，同时针对现有技术的不足，提供了一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，该方法避免了卡尼亚视电阻率定义的平面波假设要求，同时又降低常规全区视电阻率求取需要面对非线性方程组求解带来的计算结果不稳定风险，有效的提高视电阻率计算效率。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，野外实际数据采集中采用直角坐标系，根据电磁场理论，水平电偶极子的电场分量E_x在直角坐标系下的表达式为：

式中E_x表示为直角坐标系下x方向上电场分量，σ为均匀半空间的电导率，φ为观测点与偶极距正方向的夹角，r为观测点与偶极距中心的距离，k为波数，在准准静态条件下，μ为磁导率，ω＝2πf为角频率，f为频率。 i表示频点序号。

对角频率ω求偏导，可得：

化简为：

其中，ρ₀是介质的电阻率。

令p为感应数，m为复数中间变量，因此，进一步化简为：

其中，

最终，得到电磁E_x对角频率ω的偏导：

其中，取模可得：

然后，对公式左右两边取以e为底的对数，并将代入，化简可得：

因此，利用直角坐标系x方向的电磁E_x对频率f的导数来计算视电阻率ρi 表示为：

因此，只要获取E_x对频率f的导数就能够实现视电阻率的计算，无需对非线性方程求解来定义全区视电阻率，有效的提高了视电阻率计算准确度，同时提高对地下地质异常解释的准确度。

一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，包括的步骤如下：

步骤S1：首先根据探测或勘探需求，设置水平电偶极场源与电场水平分量测量***，对于无损检测采用发射与接收固定的装置；对于勘探采用一个发射源多测点、多条测线观测方式；发射源通过水平电偶极子发射多频电磁信号。

步骤S2：利用电磁信号接收机记录两个测量电极之间的电位差V，该测量电极与供电电极的方位一致，同时记录下测量电极之间的距离d，利用电位差V与测量电极之间的距离d的比值求取单个频点电磁E_x分量，然后利用不同频率f 的电磁信号来记录某测点多频点电磁E_x分量。

步骤S3：利用求取得到的一系列频率的电磁E_x分量进行相邻频点的组合，并采用一阶差分求导的近似方法来计算相应频点组合的电磁场E_x对频点的导数并对计算后的偏导信息进行存储。

步骤S4：利用电磁场E_x分量对频点的导数进行视电阻率转换处理，其采用的求解的表达式为：

其中，μ为磁导率，r为偶极矩中心与观测点之间的距离，ω＝2πf为角频率，I 为发射电流大小，dL为偶极发射源的长度，ρ_i表示第i个频点视电阻率。

步骤S1中电磁信号接收机是指用于记录两个测量电极之间的电位差。

本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其产生的积极效果：

(1)本发明在求取视电阻率时，充分考虑非平面波传播区域的视电阻率计算，扩展了传统人工场源电磁法测量范围，从而能够在非平面波区域以及远区进行勘探测量；

(2)本发明只需要测量多频点单分量的电磁场信号，不需要测量互相垂直的电场和磁场来计算视电阻率，能够很好实现多道同时进行测量的策略，对降低传统可控源电磁法野外测量设备笨重提高指导，提高野外勘探数据采集效率，减少野外勘探成本；

(3)本发明采用电场E_x分量对频率的导数来定义视电阻率，无需要按照传统视电阻率计算方法，避免非线性方程的求解不准确带来的视电阻率计算精度差等缺点，有效的提高了视电阻率求解效率精度。

(4)本发明计算的视电阻率定义方法简单、计算快速，非常适合以电阻率为检测测数的无损检测仪器。

附图说明

图1为根据本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法基本流程图；

图2为根据本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法野外布置示意图；

图3为根据本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法理论模型视电阻率计算结果，该理论模型为：三层H曲线，模型第一层电阻率 100Ω·m，厚度100m，第二层电阻率25Ω·m，厚度200m，第三层电阻率100Ω·m，厚度无穷大；收发距8000m。

图4；为根据本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法理论模型视电阻率计算结果，该理论模型为：三层H曲线，模型第一层电阻率 100Ω·m，厚度100m，第二层电阻率25Ω·m，厚度200m，第三层电阻率100Ω·m，厚度无穷大；收发距

具体实施方式

以下是结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明

见图1所示，本发明提供的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其包括以下步骤：

步骤S1：首先根据勘探需求，设置合适的场源位置，并在勘探区域布设多条测线以及相应观测点，在观测点处放置电磁信号接收机，通过信号发送机置于场源位置对勘探区域发送多个频率的电磁信号；

步骤S2：利用电磁信号接收机记录两个测量电极之间的电位差V，该测量电极与供电电极的方位一致，同时记录下测量电极之间的距离d，利用电位差V与测量电极之间的距离d的比值求取单个频点电磁E_x分量，然后利用不同频率f 的电流信号来记录某测点多频点电磁E_x分量；

步骤S3：利用求取得到的一系列频率的电磁E_x分量进行相邻频点的组合，并采用一阶差分求导的近似方法来计算相应频点组合的电磁场E_x对频点的导数并对计算后的导数信息进行存储；

步骤S4：利用电磁场E_x分量对频点的导数进行视电阻率转换处理，其采用的求解的表达式为：

其中，μ为磁导率，r为偶极矩中心与观测点之间的距离，ω＝2πf为角频率，I 为发射电流大小，dL为偶极发射源的长度，ρ_i表示第i个频点视电阻率。

以下为本发明人工场源频率域电磁视电阻率测量方法的实例。

理论模型为三层H曲线，理论模型的第一层电阻率100Ω·m，厚度100m，第二层电阻率25Ω·m，厚度200m，第三层电阻率100Ω·m，厚度无穷大；收发距分别8000m和频率测量范围为0.1Hz～10KHz。人工场源分别为偶极源子、双极性源。

图3和图4分别展示了不用收发距两种人工场源视电阻率计算结果。

图3和图4分别对比了远区条件下的视电阻率计算结果和本发明提供的全区视电阻率计算结果。图3计算结果表明，本发明给出的计算结果与远区条件下的结果在2Hz～10KHz具有很好的对应性，结果非常准确；图4的结果表明，当收发距较远时，本发明给出的计算结果与远区条件下的结果在0.1Hz～10KHz都具有很好的对应性，结果非常准确。上述结果从另外一个方面也展示了本发明给出的人工源全区频率域电磁视电阻率测量方法是正确的，同时很好指示地下地质结构的相关信息，避免迭代求解传统全区视电阻率不准确带来的数值误差，对提高地下地质异常解释的准确度具有重要的意义。

图3水平电偶极子三层H型曲线E_x-f视电阻率定义曲线(收发距8000m)，分别展示了偶极子源正演和双极性源正演，远区和全区视电阻率计算曲线以及偶极子正演采用双极源方式求取远区和全区视电阻率曲线。

图4水平电偶极子三层H型曲线E_x-f视电阻率定义曲线(收发距)，分别展示了偶极子正演和双极性源正演，远区和全区视电阻率计算曲线以及偶极子正演采用双极源方式求取远区和全区视电阻率曲线。

Claims (3)

1.一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其特征在于：野外实际数据采集中采用直角坐标系，根据电磁场理论，水平电偶极子的电场分量E_x在直角坐标系下的表达式为：

式中E_x表示为直角坐标系下x方向上电场分量，σ为均匀半空间的电导率，φ为观测点与偶极距正方向的夹角，r为观测点与偶极距中心的距离，k为波数，在准准静态条件下，μ为磁导率，ω＝2πf为角频率，f为频率；i表示频点序号；

对角频率ω求偏导，可得：

化简为：

其中，ρ₀是介质的电阻率；

令p为感应数，m为复数中间变量，因此，进一步化简为：

其中，

最终，得到电磁E_x对角频率ω的偏导：

其中，取模可得：

然后，对公式左右两边取以e为底的对数，并将代入，化简可得：

因此，利用直角坐标系x方向的电磁E_x对频率f的导数来计算视电阻率ρi表示为：

因此，只要获取E_x对频率f的导数就能够实现视电阻率的计算，无需对非线性方程求解来定义全区视电阻率。

2.根据权利要求1所述的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其特征在于：步骤如下，

步骤S1：首先根据探测或勘探需求，设置水平电偶极场源与电场水平分量测量***，对于无损检测采用发射与接收固定的装置；对于勘探采用一个发射源多测点、多条测线观测方式；发射源通过水平电偶极子发射多频电磁信号；

步骤S2：利用电磁信号接收机记录两个测量电极之间的电位差V，该测量电极与供电电极的方位一致，同时记录下测量电极之间的距离d，利用电位差V与测量电极之间的距离d的比值求取单个频点电磁E_x分量，然后利用不同频率f的电磁信号来记录某测点多频点电磁E_x分量；

步骤S3：利用求取得到的一系列频率的电磁E_x分量进行相邻频点的组合，并采用一阶差分求导的近似方法来计算相应频点组合的电磁场E_x对频点的导数并对计算后的偏导信息进行存储；

步骤S4：利用电磁场E_x分量对频点的导数进行视电阻率转换处理，其采用的求解的表达式为：

其中，μ为磁导率，r为偶极矩中心与观测点之间的距离，ω＝2πf为角频率，I为发射电流大小，dL为偶极发射源的长度，ρ_i表示第i个频点视电阻率。

3.根据权利要求2所述的一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法，其特征在于：步骤S1中电磁信号接收机是指用于记录两个测量电极之间的电位差。