本發(fā)明涉及一種勘察地球物理領域的電磁探測方法，特別涉及一種陣列人工源磁場頻率測深方法。
背景技術：
：在勘察地球物理電磁法領域，天然場源大地電磁法(Magnetotelluric，MT；Audio-frequencyMagnetotelluric，AMT)探測深度大，采集裝置輕便，但信噪比低，抗噪能力弱；可控源音頻大地電磁法(ControlledSourceAudio-frequencyMagnetotelluric，CSAMT)采用人工電磁場源作為激勵，在一定的觀測區(qū)域內觀測人工電磁場，提高了數(shù)據(jù)信噪比；但是有效的阻抗數(shù)據(jù)需要在“遠區(qū)”獲取，在人工場源的“近區(qū)”和“過渡區(qū)”，阻抗數(shù)據(jù)會產(chǎn)生畸變并導致錯誤的解釋結果。而且這兩種方法均需要在觀測磁場的同時，觀測兩個正交方向的電場；因此必須進行接地操作。在城市物探工作中，由于地面多已進行硬化處理，接地要求常常造成了施工效率及數(shù)據(jù)采集質量的降低，并且可能造成對地面的損傷。因此，有必要設計一種施工高效、信噪比高的磁場探測方法。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明所解決的技術問題是，針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種陣列人工源磁場頻率測深方法，施工高效、信噪比高。本發(fā)明的技術方案為：一種陣列人工源磁場頻率測深方法，包括以下步驟：(1)在測區(qū)內或周邊布設N個不接地水平或垂直磁偶極子場源；各場源需在多個時窗內發(fā)送不同大小的電流值，并記錄不同時刻發(fā)送磁矩的大?。籒為大于或等于1的整數(shù)；(2)在測區(qū)內設置K個測站，K為大于或等于1的整數(shù)；每個測站處布設1個不接地水平或垂直磁偶極子傳感器，記錄水平或垂直磁場；(3)根據(jù)測站的觀測磁場數(shù)據(jù)以及場源的發(fā)送磁矩數(shù)據(jù)，分別利用時頻轉換，計算頻率域數(shù)據(jù)，并分別構建測站時空數(shù)據(jù)矩陣X以及場源極化參數(shù)矩陣C；(4)利用X和C求解空間模數(shù)矩陣W，并利用W中的元素求解各個測站對應于各個場源的視電阻率參數(shù)。上述陣列人工源磁場探測方法，具體包括以下步驟：步驟1、觀測設計：確定觀測目標及目標勘探深度，設計測線和測站；根據(jù)目標勘探深度及測區(qū)大地背景電導率確定觀測頻率范圍；并根據(jù)觀測頻率范圍確定測站的觀測時間長度及信號采樣率；對于各個觀測頻率，根據(jù)時頻轉換計算單個頻譜所需的時間域采樣點數(shù)，確定時窗寬度，利用觀測時間長度除以時窗寬度得到各觀測頻率對應的觀測時窗個數(shù)；步驟2、布設發(fā)送端裝置和接收端裝置：布設發(fā)送端裝置：在測區(qū)內或周邊布設N個不接地水平或垂直磁偶極子場源各場源需在多個時窗內發(fā)送不同大小的電流值，并記錄不同時刻發(fā)送磁矩的大小。布設接收端裝置：在測區(qū)內設置K個測站；每個測站處布設1個不接地水平或垂直磁偶極子傳感器，用于觀測水平或垂直磁場；步驟3、數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集分為設備空間位置記錄、接收部分的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送部分的數(shù)據(jù)采集；設備的空間位置記錄：利用GPS或北斗對場源和測站進行定位，進而計算第k(k＝1,2,…,K)個測站對應于第n(n＝1,2,…,N)個場源的發(fā)收距rkn；接收部分的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送部分的數(shù)據(jù)采集：同步采集各個測站處的水平或垂直磁場分量數(shù)據(jù)，進行時頻轉換后，得到各觀測頻率對應的頻域觀測數(shù)據(jù)；各個觀測頻率對應的數(shù)據(jù)相互獨立，處理方式相同；對其中任一觀測頻率，設其觀測時窗個數(shù)為I，對應的觀測數(shù)據(jù)包括測站觀測數(shù)據(jù)和人工場源的發(fā)送電流數(shù)據(jù)兩個部分的數(shù)據(jù)；第一部分，磁偶極子場源的發(fā)送電流數(shù)據(jù)：記錄各個磁偶極子場源在各個時窗內的發(fā)送磁矩值，并賦值給場源極化參數(shù)矩陣C：C=C11C12..C1IC21C22..C2I........CN1CN2..CNI---(1)]]>其中，C為N×I階矩陣，僅與各個磁偶極子場源的時窗變化有關；N為磁偶極子場源的個數(shù)，Cni為第n(n＝1,2,…,N)個磁偶極子場源在第i(i＝1,2,…,I)個時窗的發(fā)送磁矩值；第二部分，測站觀測數(shù)據(jù)：包括測區(qū)內所有測站所記錄的數(shù)據(jù)；根據(jù)測站觀測數(shù)據(jù)構建測站時空數(shù)據(jù)矩陣X：X=X11X12..X1IX21X22..X2I........XK1XK2..XKI,---(2)]]>其中，X為K×I階矩陣；Xki為第k(k＝1,2,…,K)個測站處第i(i＝1,2,…,I)個時窗的水平或垂直磁場分量；步驟4、數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理分步進行，第一步，求解測站的空間模數(shù)矩陣W；測站時空數(shù)據(jù)矩陣X與空間模數(shù)矩陣W及場源極化參數(shù)矩陣C間的關系為X＝WC+R,(3)其中，W=W11W12..W1NW21W22..W2N........WK1WK2..WKN,R=R11R12..R1IR21R22..R2I........RK1RK2..RKI,]]>W為K×N階矩陣，與測站及場源個數(shù)相關，Wkn為第k(k＝1,2,…,K)個測站對應于第n(n＝1,2,…,N)個場源的空間模數(shù)；R為觀測噪聲矩陣；利用(3)式可求得：其中，上角標表示共軛轉置矩陣，上角標-1表示矩陣的逆；第二步，計算各測站的視電阻率：利用求得的空間模數(shù)矩陣W的元素Wkn計算第k(k＝1,2,…,K)個測站對應于第n(n＝1,2,…,N)個場源的視電阻率ρkn；其定義公式為，ρkn＝F-1(Wkn)(5)其中，F(xiàn)-1為F的反函數(shù)；F為在背景電阻率為ρ0的均勻半空間表面，空間模數(shù)W0與ρ0的映射函數(shù)，即W0＝F(ρ0)，F(xiàn)根據(jù)發(fā)送及接收磁偶極子姿態(tài)的不同，其表達式不同[1,2,3,4]，并可分別定義波區(qū)視電阻率及全區(qū)視電阻率[4]。例如，在垂直磁偶極子發(fā)送，垂直磁偶極子接收的條件下，上述表達式的具體形式為：Wkn=Mz2πk‾2rkn5---(6)]]>其中，Mz=9-ei‾k‾rkn(9-9ik‾rkn-4k‾2rkn2+ik‾3rkn3),---(7)]]>i為虛數(shù)符號，k為電磁波波數(shù)，準靜態(tài)條件下可取為e為自然對數(shù)的底數(shù)。波區(qū)視電阻率的計算公式為，ρknω=2πrkn59μω|Wkn|,---(8)]]>其中為第k(k＝1,2,…,K)個測站對應于第n(n＝1,2,…,N)個場源的波區(qū)視電阻率，ω＝2πf為諧變電流的圓頻率，f為諧變電流的頻率，μ為介質磁導率，一般近似取為真空中的磁導率μ0＝4π×10-7H/m，|·|為絕對值符號；又如，在垂直磁偶極子發(fā)送，垂直磁偶極子接收的條件下，全區(qū)視電阻率的計算公式為，ρkne=2πrkn5μω|WknMz0|,---(9)]]>其中，為第k(k＝1,2,…,K)個測站對應于第n(n＝1,2,…,N)個場源的全區(qū)視電阻率，且Mz0=9-ei‾k‾0rkn(9-9i‾k‾0rkn-4k‾02rkn2+i‾k‾03rkn3),]]>k‾0=(1+i‾)μω2ρkn0,]]>為迭代計算中在前一次計算的結果[4]，其初值按公式(8)給出。步驟5、后期處理：根據(jù)數(shù)據(jù)處理所獲得的視電阻率參數(shù)進行綜合數(shù)據(jù)分析、反演成圖及資料解釋。有益效果：本發(fā)明提供了一種陣列人工源磁場頻率測深方法，輸入端采用多個供電水平或垂直磁偶極子作為場源，輸出端采用陣列水平或垂直磁偶極子進行數(shù)據(jù)采集，將輸入-輸出關系寫入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)方程，一次處理同時獲得各測站對應于不同場源的響應信息。與傳統(tǒng)的人工場電磁法相比，本發(fā)明采用陣列觀測方式，場源及接收裝置的數(shù)量及空間位置均無限制，施工靈活，采集高效；發(fā)送端和接收端(輸入端和輸出端)均采用不接地裝置，適合在硬化地面開展工作，并且對觀測介質無損傷；基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)方程，一次處理可同時獲得所有測站對應于不同場源的響應信息，包括空間模數(shù)及視電阻率參數(shù)；各參數(shù)間的互補解釋可提供更豐富的地電信息；利用這些響應信息，可有效壓制傳統(tǒng)可控源電磁法數(shù)據(jù)的近區(qū)畸變問題，獲得更寬的有效數(shù)據(jù)頻率范圍。使用本發(fā)明，通過接收不同頻率的電磁信號，可以獲得地下不同深度的電性介質分布，通過觀測地下的電性分布，可以查明地下地電特性分布、地下管線分布及構造分布或者解決其它工程、水文及環(huán)境地質問題?；诒景l(fā)明的特點，本發(fā)明特別適用于城市地球物理勘探。附圖說明圖1為觀測系統(tǒng)簡化模型。其中，Cni為第n(n＝1,2,…,N)個磁偶極子場源在第i(i＝1,2,…,I)個時窗的發(fā)送磁矩值，Xki為第k(k＝1,2,…,K)個測站處第i(i＝1,2,…,I)個時窗的磁場分量觀測值。模型中，發(fā)送和接收均以垂直磁偶極子為示例。圖2為本方法在圖1所示模型下觀測數(shù)據(jù)的視電阻率估計結果示意；地下介質為地下電阻率為ρ1的均勻半空間，地表存在2個垂直磁偶極子場源，K個垂直磁偶極子測站；其中，第1個測站與第1個場源的距離為825m，第1個測站與第2個場源的距離為2800m。橫坐標為觀測頻率，縱坐標為計算數(shù)據(jù)；ρω/ρ1表示根據(jù)公式(8)計算的波區(qū)視電阻率與真實電阻率ρ1的比值，其中的表示第1個測站對應于第1個場源的波區(qū)視電阻率；的表示第1個測站對應于第2個場源的波區(qū)視電阻率。圖3為本方法在圖1所示條件下觀測數(shù)據(jù)的視電阻率估計結果示意；地表存在2個垂直磁偶極子場源，K個垂直磁偶極子測站；其中，第1個測站與第1個場源的距離為825m，第1個測站與第2個場源的距離為2800m；地下介質為2層D型介質，模型第二層電阻率ρ2與首層ρ1的比值為ρ2/ρ1＝1/10，首層介質的厚度為200m；表示根據(jù)公式(8)計算的波區(qū)視電阻率與模型首層電阻率ρ1的比值，坐標軸、圖例等意義與圖2相同。圖4為本方法在圖1所示條件下觀測數(shù)據(jù)的視電阻率估計結果示意；地表存在2個垂直磁偶極子場源，K個垂直磁偶極子測站；其中，第1個測站與第1個場源的距離為825m，第1個測站與第2個場源的距離為2800m；地下介質為2層G型介質，模型第二層電阻率ρ2與首層ρ1的比值為ρ2/ρ1＝10，首層介質的厚度為200m；曲線、坐標軸、圖例等意義與圖3相同。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明涉及的勘探方法包括以下步驟：步驟1、觀測設計：確定觀測目標及深度范圍，根據(jù)實際勘探深度需要及測區(qū)大地背景電導率確定觀測頻率范圍，并根據(jù)所需觀測頻率確定測站的觀測時間長度及信號采樣率；根據(jù)探測目標及測區(qū)范圍等設計測線、測站；步驟2、裝置布設：在測區(qū)內或周邊布設N個不接地水平或垂直磁偶極子場源，N為大于或等于1的整數(shù)；在測區(qū)內設置K個測站，K為大于或等于1的整數(shù)；每個測站處布設1個不接地水平或垂直磁偶極子傳感器；步驟3、數(shù)據(jù)采集：在發(fā)送端，在多個時窗內發(fā)送不同大小的電流值，并記錄發(fā)送磁矩的時變量；在接收端，利用GPS、北斗或其他方法，同步采集各測站水平或垂直磁場分量數(shù)據(jù)；步驟4、數(shù)據(jù)處理：利用記錄的發(fā)送及接收數(shù)據(jù)，根據(jù)本發(fā)明所提供的處理步驟及公式求解不同頻率的視電阻率參數(shù)；步驟5、后期處理：根據(jù)數(shù)據(jù)處理所獲得的視電阻率參數(shù)進行綜合數(shù)據(jù)分析、反演成圖及資料解釋。圖1為觀測系統(tǒng)簡化模型。其中，Cni為第n(n＝1,2,…,N)個磁偶極子場源在第i(i＝1,2,…,I)個時窗的發(fā)送磁矩值，Xki為第k(k＝1,2,…,K)個測站處第i(i＝1,2,…,I)個時窗的磁場分量觀測值。不難看出，由于采用陣列觀測方式，發(fā)送端和接收端的布設選擇更為靈活，無需選擇特殊的位置，并且多站同步采集可使施工更高效，有效節(jié)約采集時間。由于發(fā)送端和接收端均采用磁偶極子，均無需進行接地操作，不僅大幅節(jié)約了施工布設時間，而且對地面無損傷操作，特別適合于在接地條件不佳的地區(qū)進行施工，如路面硬化的城市內。圖2為本方法在圖1所示條件下觀測數(shù)據(jù)的視電阻率估計結果示意；模型為地下電阻率為ρ1的均勻半空間，地表存在2個垂直磁偶極子場源，K個垂直磁偶極子測站；其中，第1個測站與第1個場源的距離為825m，第1個測站與第2個場源的距離為2800m。橫坐標為觀測頻率，縱坐標為計算數(shù)據(jù)；表示根據(jù)公式(8)計算的波區(qū)視電阻率與真實電阻率ρ1的比值，其中的下角標表示第1個測站對應于第1個場源的波區(qū)視電阻率。不難發(fā)現(xiàn)，利用本發(fā)明所提供的方法，獲得了第1個測站處對應于不同場源的視電阻率；該視電阻率具有頻率測深的意義，在高頻部分，視電阻率值與地下真實電阻率值吻合。在低頻部分，由于“非平面波效應”的影響，視電阻率值出現(xiàn)了一定的畸變。由于第1個測站與第1個場源的距離更近，的低頻畸變更為明顯，而第1個測站與第2個場源的距離更遠，的有效頻率更低。另外，在供電功率相當?shù)那闆r下，距離更近的場源信號強度更大，信噪比更高；因此，結合和既可獲得更高信噪比的高頻數(shù)據(jù)，也可在低頻部分獲得更寬頻率的有效數(shù)據(jù)。圖3和圖4分別給出了2種不同類型的2層介質表面的視電阻率估計結果示意。其中，觀測條件均與圖2條件相同，曲線、坐標軸、圖例等意義與也圖2相同。圖3所示為2層D型介質，第二層電阻率ρ2與首層ρ1的比值為ρ2/ρ1＝1/10，首層介質的厚度為200m。圖4所示為2層G型介質，模型第二層電阻率ρ2與首層ρ1的比值為ρ2/ρ1＝10，首層介質的厚度為200m?？梢钥闯?，在兩層條件下，可以獲得與前述均勻半空間條件下類似的結論。所求得的視電阻率具有頻率測深的意義，在高頻端，視電阻率反映首層電阻率隨著頻率的降低，視電阻率的值逐漸向底層電阻率過渡。在2層D型介質中(圖3)，視電阻率在低頻先呈現(xiàn)低阻，然后因“非平面波效應”的影響而畸變(迅速降低)；在2層G型介質中(圖3)，視電阻率在低頻先呈現(xiàn)高阻，然后因“非平面波效應”的影響而畸變(迅速降低)。這一結果表明，在不同的地電結構條件下，本發(fā)明所得到的視電阻率值具有不同的特征，分析這些特征，結合進一步的反演處理，即可推知地下的電性結構分布。進一步的，與圖2所示類似，可獲得更高的信噪比，的有效頻率更低，結合和既可獲得更高信噪比的高頻數(shù)據(jù)，也可在低頻部分獲得更寬頻率的有效數(shù)據(jù)。以上分析表明，采用本發(fā)明所提供的一種陣列人工源磁場頻率測深方法，通過接收不同頻率的電磁信號，可以獲得地下不同深度的電性介質分布，達到電磁勘探的目的。并且，本方法采用陣列觀測方式，在發(fā)送端和接收端均采用不接地裝置，成本低廉，布設靈活，施工高效，對觀測介質無損傷；可提供更豐富的地電信息。參考文獻[1]NabighianMN.ElectromagneticMethodsinAppliedGeophysics,Theory[M].Tulsa,Oklahoma,USA:SocietyofExplorationGeophysicists,1988,130-311.[2]樸化榮.電磁測深法原理[M].北京:地質出版社,1990.[3]何繼善.可控源音頻大地電磁法[M].長沙:中南工業(yè)大學出版社,1991.[4]湯井田，何繼善.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙:中南大學出版社,2005.當前第1頁1 2 3