一种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及地球物理勘探领域，特别是涉及了一种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法。【
背景技术：
】[0002]我国拥有37万多平方公里领海、473万多平方公里海洋国土。海底蕴藏有大量的石油和天然气，仅大陆架可采石油储量就相当于陆地储量的3倍以上。近年来，随着对陆上资源逐步枯竭的忧虑和科学技术的高速发展，海洋因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位越来越被人们所重视，海底的油气勘探开发越来越受到世界各国的重视开发和利用海洋油气资源对发展我国国民经济，提高国家综合实力，都具有重要而深远的意义。[0003]海洋可控源电磁法（CSEM)具有提供海底地层电阻率空间分布的能力，在油气层识别和海底矿产探测方面发挥着重要作用，已发展成为海上勘探的一种重要方法。[0004]目前，国际上通用的海洋可控源电磁法主要有4种装置类型：[0005]深拖拽水平发射-固定阵列接收装置是最常见的海洋电磁法装置，其采用海底随船拖拽发射水平偶极源（位于海床上方30-100米处）、接收机固定于海床的接收系统(Constable，2010)。这种深拖拽发射-海底固定阵列接收装置有着明显的缺点：（1)采用水平电偶极源必须使用大收发距，采集的数据体积效应严重，分辨率低。（2)发射源一般位于海床上方30-100米，接收机位于海床表面，在大水深和大收发距的情况下，操作极其复杂，工作效率非常低。（3)从海面投放接收机到海底过程中其位置会发生变化，接收机位于海床表面时无法自身定位，采集的数据无法准确定位。（4)接收机回收困难，丢失严重，造成勘探成本增加。[0006]深拖拽水平发射-水平接收装置是另一种常见的海洋电磁法装置，其采用海底拖拽发射水平电偶极源、海底拖拽布设可移动的接收装置，该装置可以采用一条船同时拖拽发射、拖拽接收的工作方式，发射、接收装置均位于海床上方30-100米处。相对前述的深拖拽水平发射-固定阵列接收装置，该装置主要早接收机灵活性上进行改进，相比海底固定接收装置效率高且成本低。然而，这也带来了其他方面的不足，就是该系统仅适合接收inline方向的数据，对broadside和azimuth方向的数据无法采集，因而较适合进行二维勘探。[0007]海底垂直发射-垂直接收装置正是针对上述两类主要装置需要大收发距的缺点而设计的。这种装置在海水中放置垂直电偶极发射源，在海底布设阵列接收。但这种装置也不能够解决所有问题：虽然垂直源不产生空气波，但水平源存在空气波，而且水平源的水平电场要比垂直源的垂直电场在晚期大2到3个数量级，即使在垂直源倾斜0.05度的情况下，空气波增大了20%，这对源和接收之间的倾角提出了非常苛刻的要求；而且在海水中布设垂直发射、垂直接收装置本身就十分困难，这种装置形式决定了不能采用船只拖曳进行勘探，每次测量时需要重新配置发射接收设备，因此工作效率较低。[0008]浅拖拽水平发射-水平接收装置是针对海底深拖拽发射-固定或拖拽接收装置工作效率低下的缺点而设计的。该装置主要用于浅水域勘探（设计水深范围50米-400米）。研究表明，在浅水域，相比深拖拽装置，浅拖拽装置接收的早期信号要弱，但是在晚期，也是高阻油气藏异常显示时间区域，两种拖拽装置的响应是非常相似的。因此，浅拖拽装置相比深拖拽装置有着显著的优点。然而，浅拖拽装置依然是一种拖拽发射-接收装置，依然无法规避拖拽系统的固有缺点，既：只能接收inline方向的数据，不能实现接受发射的最佳耦合；异常响应仍然分布在大收发距区域，体积效益明显；不能实现扫面式的三维探测，探测的工作效率不高。【
发明内容】[0009]本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种浅海瞬变电磁海空探测装置及其与之相适用的解释方法，提高数据采集的效率以及解释精度。[0010]本发明通过以下技术方案实现：[0011]-种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法，包括以下步骤：[0012]步骤S1，利用拖船和导线拖拽单一或多个电偶极源作为海空瞬变电磁发射源；利用有人或无人直升机搭载接收设备进行数据采集；采用伪随机编码波形作为海空瞬变电磁发射源的控制波形；[0013]步骤S2,采用多源视电阻率定义方法进行定性解释并为后续偏移成像提供虚拟波场速度分析；利用扫时波场变换实现扩散场到虚拟波场的转换；基于克希霍夫积分实现海空瞬变虚拟波场的偏移成像；采用逆合成孔径方法对海空波场偏移数据进行相关叠加处理提高虚拟波场的分辨率。[0014]进一步地，所述的步骤S2中，采用多源视电阻率定义方法具体为：[0015]采用泰勒展开将磁感应强度的积分表达式展成级数形式，忽略二次项，取其线性主部，建立起迭代关系的视电阻率定义式。[0016]进一步地，所述的步骤S2中，利用扫时波场变换的具体过程为：[0017]设计一个时间窗口，通过逐个时间点移动的扫时波场变换，对扫时后的各时间点波场变换结果进行相关叠加，提高波场变换的分辨率，具体的时间窗口建立公式为：[0018]ff=0.1Oea0041d[0019]上式中，W为扫时窗口，d为目标探测深度。[0020]进一步地，所述的步骤S2中，由扩散场到虚拟波场转换的具体关系式为：[0021][0022]在上式中，X，y，z为空间位置，t为接收时间，f(x，y，Z，t)为接收信号，U(x，y，z,τ)为带球的虚拟波场值，τ为虚拟时间。[0023]进一步地，步骤S2中所述的克希霍夫积分公式如下：[0024][0025]上式中，u(x，y，z，t)为虚拟波场，η为法向方向，r为空间矢量，Q为边界，t为时间，V为瞬变电磁波场偏移点的瞬时速度，其表达式为：[0026][0027]上式中，μ。为介质磁导率，σ为介质电导率。[0028]进一步地，所述的步骤S2中，采用逆合成孔径方法处理的具体公式如下：[0029][0030]在上式中，七）为波场值，^是i点到孔径范围为L的电磁响应信号内编号为-N,...，N的某点的距离，τj为虚拟时间，其中j=1，2,...，η;P(rlk,τ。）为相关系数，τ。为最佳偏移时间，rik为位置参数，k为偏移点数；[0031][0032]在上式中，PO1,τ。）为相关系数，UCr1,τj)为虚拟波场值，U(r1+k,τ厂τ。）为虚拟波场值，U(r1+k,Tj)为虚拟波场值。[0033]本发明与现有技术相比，具有以下技术特点：[0034]将多个水平电偶极发射源布设在水面下方，各辐射源的位置和方向可以是多种组合形式，接收装置放置在水面上方的低空无人飞行平台上，测量磁场强度（或电磁响应）的三个分量，单个辐射源的工作装置类似于地面的CSAMT的装置形式。这种工作装置的优点是：克服了浅拖拽装置只能接收inline方向数据的不足，实现了接收发射的最佳耦合，能够实现扫面式的三维探测，探测的工作效率大大提高。为了避免海水滤波作用本发明除了在硬件方面采用多源进行激发外，改进传统激发波形为伪随机编码波形外，提出了系列提高分辨率的解释方法。本发明能够实现快速、大规模的浅海瞬变电磁探测，能够对浅海地区水下地质目标体进行详细勘查，能够获得水下地质目标体准确、详细的地质信息。【附图说明】[0035]图1为本发明中瞬变海空探测装置的示意图；[0036]图2为伪随机二值序列波形图；[0037]图3为伪随机波形功率分布图；[0038]图4(a)为偏移距为500m时磁场与电阻率的函数关系；[0039]图4(b)为偏移距为5000m时磁场与电阻率的函数关系；[0040]图5为时间窗口与扫时过程示意图；[0041]图6为逆合成孔径的示意图。【具体实施方式】[0042]遵从上述技术方案，如图1所示，一种浅海瞬变电磁海空探测及其解释方法，包括以下步骤：[0043]步骤S1，在发射源方面，利用拖船和长导线拖拽单一或多个电偶极源作为海空瞬变电磁发射源；当采集信号较弱时，利用多个电偶极源进行组合发射或增加电流的方式，以增强特定区域场的强度；[0044]以拖转船为有人或无人机停机平台，利用小型有人或无人直升机搭载接收设备，在发射源有效辐射范围内进行面积性数据采集，具体装置形式如图1所示；[0045]采用伪随机编码波形作为海空瞬变电磁发射源的控制波形，编码波形如图2所示，其对应的功率谱如图3所示。[0046]步骤S2,采用全域视电阻率定义方法进行定性解释并为后续偏移成像提供虚拟波场速度分析：[0047]获得采集数据后，当采用单个激发源激发时，利用全域视电阻率定义方法进行定性解释，给出海下地质信息的电阻率断面；当采集信号较弱时，可采用多个激发源进行激发，在数据解释过程中需要采用多源全域视电阻率定义方法进行定性解释，给出地下介质的电阻率断面图。此外虚拟波场的传播速度与介质电阻率相关，计算出的视电阻率可以为后续虚拟波场偏移成像提供虚拟波场速度分析。[0048]海空瞬变电磁磁场强度与电阻率参数之间存在复杂的隐函数关系，在均匀半空间条件下，考虑到磁场强度垂直分量是关于电阻率的单调减函数，这就为基于反函数定理思想定义视电阻率创造了条件，也就可以基于反函数定理提出全域视电阻率定义方法。根据反函数定理知：由于磁场强度垂直分量是关于电阻率的单调减函数，必然存在一个电阻率值唯一地对应着一个磁场强度垂直分量值。[0049]因此，采用多源视电阻率定义方法具体为：[0050]采用泰勒展开将磁感应强度的积分表达式展成级数如公式（1)所示，忽略二次项，取其线性主部如公式（2)所示，建立起迭代关系的视电阻率定义式如公式（3)、公式（4)所示。瞬变电磁场是位置与时间的函数，数据采集完成后位置、时间等为已知常数。在视电阻率计算过程中对理论场的计算同时考虑到位置坐标、时间等参数，实现时间上不分早晚、距离上不分远近的视电阻率定义。如图4(a)和图4(b)所示：[0051][0052][0053][0054]当前第1页1 2