一種淺海瞬變電磁?？仗綔y(cè)及其解釋方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及地球物理勘探領(lǐng)域，特別是涉及了一種淺海瞬變電磁?？仗綔y(cè)及其解釋方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]我國(guó)擁有37萬(wàn)多平方公里領(lǐng)海、473萬(wàn)多平方公里海洋國(guó)土。海底蘊(yùn)藏有大量的石油和天然氣，僅大陸架可采石油儲(chǔ)量就相當(dāng)于陸地儲(chǔ)量的3倍以上。近年來(lái)，隨著對(duì)陸上資源逐步枯竭的憂慮和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，海洋因其經(jīng)濟(jì)上的巨大潛力和戰(zhàn)略上的重要地位越來(lái)越被人們所重視，海底的油氣勘探開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視開(kāi)發(fā)和利用海洋油氣資源對(duì)發(fā)展我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)，提高國(guó)家綜合實(shí)力，都具有重要而深遠(yuǎn)的意義。[0003]海洋可控源電磁法（CSEM)具有提供海底地層電阻率空間分布的能力，在油氣層識(shí)別和海底礦產(chǎn)探測(cè)方面發(fā)揮著重要作用，已發(fā)展成為海上勘探的一種重要方法。[0004]目前，國(guó)際上通用的海洋可控源電磁法主要有4種裝置類型：[0005]深拖拽水平發(fā)射-固定陣列接收裝置是最常見(jiàn)的海洋電磁法裝置，其采用海底隨船拖拽發(fā)射水平偶極源（位于海床上方30-100米處）、接收機(jī)固定于海床的接收系統(tǒng)(Constable，2010)。這種深拖拽發(fā)射-海底固定陣列接收裝置有著明顯的缺點(diǎn)：（1)采用水平電偶極源必須使用大收發(fā)距，采集的數(shù)據(jù)體積效應(yīng)嚴(yán)重，分辨率低。（2)發(fā)射源一般位于海床上方30-100米，接收機(jī)位于海床表面，在大水深和大收發(fā)距的情況下，操作極其復(fù)雜，工作效率非常低。（3)從海面投放接收機(jī)到海底過(guò)程中其位置會(huì)發(fā)生變化，接收機(jī)位于海床表面時(shí)無(wú)法自身定位，采集的數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確定位。（4)接收機(jī)回收困難，丟失嚴(yán)重，造成勘探成本增加。[0006]深拖拽水平發(fā)射-水平接收裝置是另一種常見(jiàn)的海洋電磁法裝置，其采用海底拖拽發(fā)射水平電偶極源、海底拖拽布設(shè)可移動(dòng)的接收裝置，該裝置可以采用一條船同時(shí)拖拽發(fā)射、拖拽接收的工作方式，發(fā)射、接收裝置均位于海床上方30-100米處。相對(duì)前述的深拖拽水平發(fā)射-固定陣列接收裝置，該裝置主要早接收機(jī)靈活性上進(jìn)行改進(jìn)，相比海底固定接收裝置效率高且成本低。然而，這也帶來(lái)了其他方面的不足，就是該系統(tǒng)僅適合接收inline方向的數(shù)據(jù)，對(duì)broadside和azimuth方向的數(shù)據(jù)無(wú)法采集，因而較適合進(jìn)行二維勘探。[0007]海底垂直發(fā)射-垂直接收裝置正是針對(duì)上述兩類主要裝置需要大收發(fā)距的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。這種裝置在海水中放置垂直電偶極發(fā)射源，在海底布設(shè)陣列接收。但這種裝置也不能夠解決所有問(wèn)題：雖然垂直源不產(chǎn)生空氣波，但水平源存在空氣波，而且水平源的水平電場(chǎng)要比垂直源的垂直電場(chǎng)在晚期大2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，即使在垂直源傾斜0.05度的情況下，空氣波增大了20%，這對(duì)源和接收之間的傾角提出了非?？量痰囊螅欢以诤Ｋ胁荚O(shè)垂直發(fā)射、垂直接收裝置本身就十分困難，這種裝置形式?jīng)Q定了不能采用船只拖曳進(jìn)行勘探，每次測(cè)量時(shí)需要重新配置發(fā)射接收設(shè)備，因此工作效率較低。[0008]淺拖拽水平發(fā)射-水平接收裝置是針對(duì)海底深拖拽發(fā)射-固定或拖拽接收裝置工作效率低下的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的。該裝置主要用于淺水域勘探（設(shè)計(jì)水深范圍50米-400米）。研究表明，在淺水域，相比深拖拽裝置，淺拖拽裝置接收的早期信號(hào)要弱，但是在晚期，也是高阻油氣藏異常顯示時(shí)間區(qū)域，兩種拖拽裝置的響應(yīng)是非常相似的。因此，淺拖拽裝置相比深拖拽裝置有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。然而，淺拖拽裝置依然是一種拖拽發(fā)射-接收裝置，依然無(wú)法規(guī)避拖拽系統(tǒng)的固有缺點(diǎn)，既：只能接收inline方向的數(shù)據(jù)，不能實(shí)現(xiàn)接受發(fā)射的最佳耦合；異常響應(yīng)仍然分布在大收發(fā)距區(qū)域，體積效益明顯；不能實(shí)現(xiàn)掃面式的三維探測(cè)，探測(cè)的工作效率不高?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種淺海瞬變電磁海空探測(cè)裝置及其與之相適用的解釋方法，提高數(shù)據(jù)采集的效率以及解釋精度。[0010]本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：[0011]-種淺海瞬變電磁?？仗綔y(cè)及其解釋方法，包括以下步驟：[0012]步驟S1，利用拖船和導(dǎo)線拖拽單一或多個(gè)電偶極源作為?？账沧冸姶虐l(fā)射源；利用有人或無(wú)人直升機(jī)搭載接收設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；采用偽隨機(jī)編碼波形作為?？账沧冸姶虐l(fā)射源的控制波形；[0013]步驟S2,采用多源視電阻率定義方法進(jìn)行定性解釋并為后續(xù)偏移成像提供虛擬波場(chǎng)速度分析；利用掃時(shí)波場(chǎng)變換實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散場(chǎng)到虛擬波場(chǎng)的轉(zhuǎn)換；基于克?；舴蚍e分實(shí)現(xiàn)海空瞬變虛擬波場(chǎng)的偏移成像；采用逆合成孔徑方法對(duì)?？詹▓?chǎng)偏移數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)疊加處理提高虛擬波場(chǎng)的分辨率。[0014]進(jìn)一步地，所述的步驟S2中，采用多源視電阻率定義方法具體為：[0015]采用泰勒展開(kāi)將磁感應(yīng)強(qiáng)度的積分表達(dá)式展成級(jí)數(shù)形式，忽略二次項(xiàng)，取其線性主部，建立起迭代關(guān)系的視電阻率定義式。[0016]進(jìn)一步地，所述的步驟S2中，利用掃時(shí)波場(chǎng)變換的具體過(guò)程為：[0017]設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間窗口，通過(guò)逐個(gè)時(shí)間點(diǎn)移動(dòng)的掃時(shí)波場(chǎng)變換，對(duì)掃時(shí)后的各時(shí)間點(diǎn)波場(chǎng)變換結(jié)果進(jìn)行相關(guān)疊加，提高波場(chǎng)變換的分辨率，具體的時(shí)間窗口建立公式為：[0018]ff=0.1Oea0041d[0019]上式中，W為掃時(shí)窗口，d為目標(biāo)探測(cè)深度。[0020]進(jìn)一步地，所述的步驟S2中，由擴(kuò)散場(chǎng)到虛擬波場(chǎng)轉(zhuǎn)換的具體關(guān)系式為：[0021][0022]在上式中，X，y，z為空間位置，t為接收時(shí)間，f(x，y，Z，t)為接收信號(hào)，U(x，y，z,τ)為帶球的虛擬波場(chǎng)值，τ為虛擬時(shí)間。[0023]進(jìn)一步地，步驟S2中所述的克?；舴蚍e分公式如下：[0024][0025]上式中，u(x，y，z，t)為虛擬波場(chǎng)，η為法向方向，r為空間矢量，Q為邊界，t為時(shí)間，V為瞬變電磁波場(chǎng)偏移點(diǎn)的瞬時(shí)速度，其表達(dá)式為：[0026][0027]上式中，μ。為介質(zhì)磁導(dǎo)率，σ為介質(zhì)電導(dǎo)率。[0028]進(jìn)一步地，所述的步驟S2中，采用逆合成孔徑方法處理的具體公式如下：[0029][0030]在上式中，七）為波場(chǎng)值，^是i點(diǎn)到孔徑范圍為L(zhǎng)的電磁響應(yīng)信號(hào)內(nèi)編號(hào)為-N,...，N的某點(diǎn)的距離，τj為虛擬時(shí)間，其中j=1，2,...，η;P(rlk,τ。）為相關(guān)系數(shù)，τ。為最佳偏移時(shí)間，rik為位置參數(shù)，k為偏移點(diǎn)數(shù)；[0031][0032]在上式中，PO1,τ。）為相關(guān)系數(shù)，UCr1,τj)為虛擬波場(chǎng)值，U(r1+k,τ廠τ。）為虛擬波場(chǎng)值，U(r1+k,Tj)為虛擬波場(chǎng)值。[0033]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)特點(diǎn)：[0034]將多個(gè)水平電偶極發(fā)射源布設(shè)在水面下方，各輻射源的位置和方向可以是多種組合形式，接收裝置放置在水面上方的低空無(wú)人飛行平臺(tái)上，測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度（或電磁響應(yīng)）的三個(gè)分量，單個(gè)輻射源的工作裝置類似于地面的CSAMT的裝置形式。這種工作裝置的優(yōu)點(diǎn)是：克服了淺拖拽裝置只能接收inline方向數(shù)據(jù)的不足，實(shí)現(xiàn)了接收發(fā)射的最佳耦合，能夠?qū)崿F(xiàn)掃面式的三維探測(cè)，探測(cè)的工作效率大大提高。為了避免海水濾波作用本發(fā)明除了在硬件方面采用多源進(jìn)行激發(fā)外，改進(jìn)傳統(tǒng)激發(fā)波形為偽隨機(jī)編碼波形外，提出了系列提高分辨率的解釋方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)快速、大規(guī)模的淺海瞬變電磁探測(cè)，能夠?qū)\海地區(qū)水下地質(zhì)目標(biāo)體進(jìn)行詳細(xì)勘查，能夠獲得水下地質(zhì)目標(biāo)體準(zhǔn)確、詳細(xì)的地質(zhì)信息。【附圖說(shuō)明】[0035]圖1為本發(fā)明中瞬變?？仗綔y(cè)裝置的示意圖；[0036]圖2為偽隨機(jī)二值序列波形圖；[0037]圖3為偽隨機(jī)波形功率分布圖；[0038]圖4(a)為偏移距為500m時(shí)磁場(chǎng)與電阻率的函數(shù)關(guān)系；[0039]圖4(b)為偏移距為5000m時(shí)磁場(chǎng)與電阻率的函數(shù)關(guān)系；[0040]圖5為時(shí)間窗口與掃時(shí)過(guò)程示意圖；[0041]圖6為逆合成孔徑的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0042]遵從上述技術(shù)方案，如圖1所示，一種淺海瞬變電磁?？仗綔y(cè)及其解釋方法，包括以下步驟：[0043]步驟S1，在發(fā)射源方面，利用拖船和長(zhǎng)導(dǎo)線拖拽單一或多個(gè)電偶極源作為?？账沧冸姶虐l(fā)射源；當(dāng)采集信號(hào)較弱時(shí)，利用多個(gè)電偶極源進(jìn)行組合發(fā)射或增加電流的方式，以增強(qiáng)特定區(qū)域場(chǎng)的強(qiáng)度；[0044]以拖轉(zhuǎn)船為有人或無(wú)人機(jī)停機(jī)平臺(tái)，利用小型有人或無(wú)人直升機(jī)搭載接收設(shè)備，在發(fā)射源有效輻射范圍內(nèi)進(jìn)行面積性數(shù)據(jù)采集，具體裝置形式如圖1所示；[0045]采用偽隨機(jī)編碼波形作為海空瞬變電磁發(fā)射源的控制波形，編碼波形如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的功率譜如圖3所示。[0046]步驟S2,采用全域視電阻率定義方法進(jìn)行定性解釋并為后續(xù)偏移成像提供虛擬波場(chǎng)速度分析：[0047]獲得采集數(shù)據(jù)后，當(dāng)采用單個(gè)激發(fā)源激發(fā)時(shí)，利用全域視電阻率定義方法進(jìn)行定性解釋，給出海下地質(zhì)信息的電阻率斷面；當(dāng)采集信號(hào)較弱時(shí)，可采用多個(gè)激發(fā)源進(jìn)行激發(fā)，在數(shù)據(jù)解釋過(guò)程中需要采用多源全域視電阻率定義方法進(jìn)行定性解釋，給出地下介質(zhì)的電阻率斷面圖。此外虛擬波場(chǎng)的傳播速度與介質(zhì)電阻率相關(guān)，計(jì)算出的視電阻率可以為后續(xù)虛擬波場(chǎng)偏移成像提供虛擬波場(chǎng)速度分析。[0048]?？账沧冸姶糯艌?chǎng)強(qiáng)度與電阻率參數(shù)之間存在復(fù)雜的隱函數(shù)關(guān)系，在均勻半空間條件下，考慮到磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量是關(guān)于電阻率的單調(diào)減函數(shù)，這就為基于反函數(shù)定理思想定義視電阻率創(chuàng)造了條件，也就可以基于反函數(shù)定理提出全域視電阻率定義方法。根據(jù)反函數(shù)定理知：由于磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量是關(guān)于電阻率的單調(diào)減函數(shù)，必然存在一個(gè)電阻率值唯一地對(duì)應(yīng)著一個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直分量值。[0049]因此，采用多源視電阻率定義方法具體為：[0050]采用泰勒展開(kāi)將磁感應(yīng)強(qiáng)度的積分表達(dá)式展成級(jí)數(shù)如公式（1)所示，忽略二次項(xiàng)，取其線性主部如公式（2)所示，建立起迭代關(guān)系的視電阻率定義式如公式（3)、公式（4)所示。瞬變電磁場(chǎng)是位置與時(shí)間的函數(shù)，數(shù)據(jù)采集完成后位置、時(shí)間等為已知常數(shù)。在視電阻率計(jì)算過(guò)程中對(duì)理論場(chǎng)的計(jì)算同時(shí)考慮到位置坐標(biāo)、時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間上不分早晚、距離上不分遠(yuǎn)近的視電阻率定義。如圖4(a)和圖4(b)所示：[0051][0052][0053][0054]當(dāng)前第1頁(yè)1 2