一种确定天波传播特性的系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种确定天波传播特性的系统，该系统包括：天波传播路径确定模块，天波传播模型建立模块，和天波传播响应模块；所述天波传播特性包括天波的全空间传播特性、慢衰减传播特性、远距离传播特性中的一种或多种，这些特性通过电场分量响应、磁场分量响应来表征。该系统和方法可准确刻划天波的全空间、慢衰减、远距离传播特性，为超远距离电磁信号的接收与探测奠定了基础。
【专利说明】
一种确定天波传播特性的系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及确定天波传播特性的系统和方法，进一步涉及利用该系统和方法进行 深部勘探的应用。
【背景技术】
[0002] "极低频探地工程"是一种通过大功率人工源方法产生强极低频电磁波以探测地 下10km深度范围内电性精细结构的一种新方法，称WEM方法，是地球物理学和无线电物理学 相结合的产物。它是通过在近地高阻区铺设有限长距离（几十公里）电缆源，大功率（大于 500kW)发射0.1~300Hz电磁波，在全国大部分范围内接收该电磁信号以达到大深度对地电 磁探测的目的。WEM的特点是人工发射信号强度大，抗干扰能力强，信号稳定，测量误差小， 覆盖全国大部分地区，可配几十部接收机大面积组网(WEM网）实现大范围多次覆盖信息同 步观测。补充了现有天然源大地电磁法(MT)接收信号弱，探测精度低的缺点，同时又补充了 人工可控源音频电磁法(CSAMT)设备笨重，探测深度浅（1~2km)，覆盖范围小的缺点。
[0003] 地球物理学中关于电磁波勘探研究通常采用的是"大气层-岩石层"的地球半空间 模型。如果将固体地球表面以上的半空间称作上半空间，以下的半空间称作下半空间。在两 个半空间中电磁波的传播特征都已作过许多研究。在下半空间，由于资源探测的需要，电磁 波在下半空间包括固体地球表面的传播特征已有研究，在这些理论研究中，源和接收器之 间的距离以及源自身的尺度都比较小，电离层的影响被忽略，场的特征主要分为近场和远 场。而在上半空间内，电磁波传播的明显特征是在固体地球表面和电离层之间形成波导，由 于无线电通讯的需要，电磁波传播理论也有一些研究。然而，对于几十公里的有限长电缆源 (长偶极源），远距离电磁波场探测必须要考虑电离层的影响，采用半空间模型会引起较大 的误差。
[0004] 对于上下半空间同时考虑的全空间的电磁波传播特征，即考虑电离层、大气层、固 体地球层（"地-电离层"模式)耦合情况下的电磁波传播特征则研究得很少。俄罗斯人最早 开展了这方面的研究，从公布的主要结果来看，由于电离层的影响，在大的接收距上，即波 导区，电磁场的衰减明显小于不考虑电离层影响的远场电磁波的衰减。此外，在辐射极化特 征等方面也有差异。由于WEM方法只有一个固定的源，电磁场覆盖全国。用它来寻找地下资 源时，源与接收器间的距离可以从数公里到数千里，必然遇到电磁波的近场、远场和波导 场，按上述俄罗斯人的研究结果，波导场和远场特征很不相同。因此，想要利用天波成功找 到资源，研究清楚考虑电离层、大气层、固体地球层耦合情况下的电磁波的传播特征是关 键，只有这样，人们才有可能从观测资料中提取地下是否含有资源的信息。
[0005] CN102047147A公开了一种系统和方法，包括使用多个接收器接收从目标散发的电 磁能，以及至少部分地根据所述多个接收器中的一个或多个接收器的位置和所接收的电磁 信息产生伪源。
[0006] CN1820214A公开了一种用于海底电磁勘探的潜水电磁(EM)场发生器，包括:可操 作成从AC输入产生DC输出的AC到DC转换器;可操作成通过选择性地切换该DC输出产生波形 驱动信号的切换模块;以及可操作成响应该波形驱动信号产生EM场的天线。
[0007] CN103499842A公开了一种微米电磁勘探方法，包括如下步骤：（1)在一个观测点上 采用微米波发射天线发射微米波段的电磁波；（2)在同一个观测点上采用微米波段的电磁 波传感器，从开始发射电磁波的时刻开始，以10-15秒的采样间距采集反射回来的电磁波； (3)采集反射回来的电磁波，得到一条电磁波反射时间曲线；（4)在一条测线的多个观测点 上进行观测采集，可以得到多条电磁波的反射时间曲线；（5)依据电磁波的传播速度，将电 磁时间剖面转换成电磁深度剖面；（6)对电磁深度剖面进行地质解释，可获得地下地质信 息。
[0008] CN101147084A公开了一种用于确定大海的海底下面的厚度S的覆盖地质层下面的 海下含石油液体地层的电特性的方法，所述方法包含如下步骤:在所述大海中安排一个或 多个发送器天线，以及在所述大海中安排一个或多个电磁接收器，所述大海具有50M-350M 的浅海深度;利用所述发送器天线来发送频率为〇. 01HZ和0.10HZ之间的极低频率的一个或 多个脉冲的电磁信号;使用与所述发送器具有偏移的所述接收器天线来接收由所述发射电 磁信号引起的传播电磁信号;分析来自具有大约1KM和大约12KM之间的偏移的接收器的所 述接收信号的一个或多个分量，所述信号是否与将从含水地层发生的相应信号明显不同， 指示含石油液体地层。
[0009] CN105301663A公开了一种时频电磁勘探数据空中采集装置，包括:时频电磁数据 采集站，用于采集多个电磁场激发源激发而生成的地震数据；用于吊载所述时频电磁数据 采集站的飞行器;若干组相互正交的电场传感器，其通过对应的电场数据通道与所述时频 电磁数据采集站的控制器相连，用于采集勘探目标区域内的二分量或三分量电场数据;三 分量的磁场传感器，其通过对应的电磁数据通道与所述制器相连，用于采集所述勘探目标 区域内的三分量磁场数据。
[0010] CN102736114A公开了一种电磁及其综合勘探的设备，该设备是利用瞬变电磁或结 合大地电磁与地震波进行勘探，前述设备包括:多个接收器，是散布于被勘探区域内，其中 每一接收器是与一个一维或三维的携带式磁场感应器、地震检波器或微机电系统加速度计 以及至少一组配对电极中至少一者相连接，用以接收并纪录来自携带式磁场感应器的一维 或三维磁场数据、以及/或来自地震检波器的地震波数据、以及/或来自配对电极的电场数 据；以及多个可移动式激发电磁波源以及/或地震源，是设置于邻近前述接收器的位置，用 以发射电磁波讯号以及/或地震波讯号。
[0011] W02012/125369A1公开了一种用于确定围绕钻井的清理物的体积的方法，并提供 了一种测井工具。所述测井工具可以被布置在线缆、钻柱或有线钻杆上。使用所述测井工具 来获得地层特性。所述地层特性可以包括：电压、体电阻率、水平电阻率、垂直电阻率、孔隙 率、渗透性、流体饱和度、匪R驰豫时间、钻井尺寸、钻井形状、钻井流体组合物、MWD参数或 LWD参数。使用模型响应和噪声水平来确定进入地下地层的最大勘探深度，使用所确定的最 大勘探深度来确定清理物的体积。
[0012] "海洋可控源电磁勘探中空气波压制方法研究"，汪轩等，中国地球物理，2013年， 公开了正海洋可控源电磁(MCSEM)勘探中空气波对海底电磁响应的影响，在浅水域勘探时， 它与来自海底地层的有效信号相互作用，会淹没来自地层的有效信号，阻碍了浅水域MCSEM 勘探的应用。该论文基于空气或无限水层模型，利用水与空气层交界面产生的空气波在海 底和海水-空气界面之间形成衰减交混回响信。
[0013] 如果要利用天波成功找到资源，清楚地确定电离层、大气层、固体地球层耦合情况 下的电磁波的传播特征是关键，只有这样，才有可能从观测资料中提取地下是否含有资源 的信息。然而，现有或传统的"大气层-岩石层"半空间传播模型没有考虑到电离层和空气中 位移电流等因素的影响，使得利用天波进行物探的应用受到严重限制
[0014] 综上所述，本领域需要一种能够准确确定天波传播特性进而可以探测地下电性精 细结构的系统和方法。
【发明内容】
[0015] 为解决上述技术问题，本发明人经过深入研究，充分结合天波的特性和勘探的需 要，提出一种天波传播特性的确定系统和方法，即，将传统的"大气层_岩石层"半空间传播 模型改进成"电离层-大气层-岩石层"的全空间"天波"新系统或新模型。本发明的模型充分 考虑到电离层和空气中位移电流的影响，并在此基础上推导得到适合全空间、远距离传播 的新的"天波"响应精确表达式。在该模型的建立过程中，经过采用积分方程法进行大尺度 全空间的电磁波场的模拟，最终实现天波传播特性的确定。在本发明的系统(模型）和方法 中，由于充分考虑到电离层的存在会增强较远距离的电磁场信号，使场强的衰减变慢，因此 所述系统和方法比较准确地刻划了天波的全空间、慢衰减、远距离传播特性。这一特性的准 确确定为超远距离电磁信号的接收与探测奠定了基础。
[0016] 基于上述，本发明提供了以下技术方案。
[0017] 在本发明的一方面，提供了一种确定天波传播特性的系统(或模型），该系统包括： 天波传播路径确定模块，天波传播模型建立模块，和天波传播响应模块;所述天波传播特性 包括天波的全空间传播特性、慢衰减传播特性、远距离传播特性中的一种或多种，这些特性 通过电场分量响应、磁场分量响应来表征。
[0018] 优选地，在天波传播路径确定模块中由发射源发射电磁波，所述电磁波向大气层 传播。
[0019] 在本发明的另一方面，提供了一种确定天波传播特性的方法，该方法包括:设置天 波传播路径确定模块、天波传播模型建立模块和天波传播响应模块。
[0020] 优选地，可以例如参见附图1，按照如下来确定天波传播路径：
[0021] (1)电磁波从发射源向大气层传播；
[0022] (2)当电磁波在大气层的传播距离超过一定的范围后，就进入了波导区；
[0023] (3)在波导区，大气层和电离层界面具有良好的反射特性，两者构成一个球形空 腔，电磁波在地面和电离层空腔之间来回多次反射，被两个反射壁引导着向前传播；
[0024] (4)电磁波从电离层空腔返回到大气层，并在大气层中向地面传播；
[0025] (5)电磁波从地面向地下传播；
[0026] (6)电磁波经过地下矿体后，携带地下矿体信息并传到地面；
[0027] (7)通过接收仪器接收携带矿体信息的电磁波。
[0028]进一步地，可以依据天波传播路径确定模块中所确定的天波传播路径，进行天波 传播模型的建立，在该模型的建立中（参见附图2):电离层设为第-1层，空气层设为0层，水 平电偶源放置在空气层中，距离地表高度设为ho;坐标系的原点设置在水平电偶源的中心 点正下方的地表，空间(x，y，z)域中的z向下为正，向上为负，基于此，电离层的高度为负数， 同时假设电离层和地球层的最底层的厚度为无限;模型中电离层底界面的有效高度即空气 层的厚度设为l〇〇km，电离层的有效电阻率设为1X10 4Q ?!!!;每一层的相对介电常数￡和相 对磁导率y均设为1。
[0029] 在天波传播响应模块中，可以通过如下确定电场分量响应和磁场分量响应：
[0030] 电场分量响应为：
[0032]磁场分量响应为：
[0034] 式中为磁导率；CO为圆频率;i表示纯虚数;g / A - 1 + #; 入是空间频率;kP是第p层波的波数;口 = -1，〇，1，...，11-1，为各层层序;0是收发距与1轴的夹 角;PE = Idl，I为发射电流，dl为偶极长度;r为收发距，即观测点距偶极子中心的距离;Ji(入 r)、Jo(Ar)分别是以Ar为变量的一阶、零阶贝塞尔函数;RjPR，为联系各层物性的两个函 数，它们和各个电性层的电导率、层厚有关。
[0035] F为积分核函数，FF为比值积分变量。
[0036]其中所述F和FF可以按如下进行计算：
[0046] 其中y。为真空磁导率，人是空间频率，kp是第p层波的波数，C p = -l ,0,1, . . . ,n_l，即，为各层层序;zP为第p层界面的深度，hp = zp-zp-i，为第p层的厚度， Pp为第P层电阻率。
[0047] 在本发明的又一方面，提供了一种利用上述系统或方法来进行地下探测的应用， 该应用包括探测地下的电性精细结构。
[0048] 优选地，该应用是用于探测地下10km深度范围内的电性精细结构。
[0049] 更优选地，该应用是从电性精细结构信息提取地下是否含有资源的信息。
[0050] 在一个特别优选的实施方案中，在本发明的电磁波接收仪器中，例如在天波传播 路径确定中，使用接收有效面积更大的磁棒代替传统的接收面积较小的空心线圈。进一步 优选地，所述磁棒由下式所示的合金组成:Fe aBbSicPxCuy，该合金为非晶体合金，其中a、b、c、 x和y满足以下条件：75彡a彡82at%，9.70彡b彡21at%，9.95彡b+c彡20.75at%，1.25彡x彡 3at%，0? 15<y<0.35at%和0? Ky/x<0.5。更进一步地，该合金通过粉末冶金法制得。本 发明人经研究发现，该合金制成的磁棒比市售铁氧体磁棒的灵敏度提高30%以上，特别有 利于天波这种超远距离电磁信号的接收。
[0051] 在本发明的系统(模型)和方法中，合理并且充分考虑到电离层的存在会增强较远 距离的电磁场信号，使场强的衰减变慢，因此所述系统和方法比较准确地定量出天波的全 空间、慢衰减、远距离传播特性和参数并基于此建立相应的模型，准确、全面的地确定了天 波传播特性，为超远距离电磁信号的接收与探测奠定了基础。
【附图说明】
[0052] 图1是根据本发明的"天波"探测示意图；
[0053] 图2是根据本发明的"地-电离层"模型示意图；
[0054]图3(a)是根据本发明实施例1的水平长线源"地一电离层"模型与半空间模型电磁 场(电场分量)x轴上衰减曲线；
[0055] 图3(b)是根据本发明实施例1的水平长线源"地一电离层"模型与半空间模型电磁 场(磁场分量)x轴上衰减曲线；
[0056] 图4(a)是根据本发明实施例1的水平长线源"地一电离层"模型与半空间模型电磁 场(电场分量)y轴上衰减曲线；
[0057] 图4(b)是根据本发明实施例1的水平长线源"地一电离层"模型与半空间模型电磁 场(磁场分量)y轴上衰减曲线。 具体实施方案
[0058] 下面结合以下实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于 此。
[0059] 实施例1
[0060] (1)建立的模型如图2所示，电离层设为第-1层，空气层为0层，源放置在空气层中， 距离地表高度为ho。坐标系的原点设置在源的中心点正下方的地表，z向下为正，向上为负， 故电离层的高度为负数，假设电离层和地球层的最底层的厚度为无限。
[0061] 模型中电离层底界面的有效高度，也就是空气层的厚度为100km，电离层的有效电 阻率为1 X 104 Q ? m。每一层的相对介电常数￡和相对磁导率y均设为1。
[0062] (2)公式推导
[0063]在距离地表ho高度处放置一水平电偶源，供以谐变电流I [0064] I = I〇e_iut (1)
[0065]引入矢量位A后，其基本方程为
(2a) (2b) (2c) (2d)
[0070] 式中：A为矢量位，E表不电场矢量，H表不磁场矢量，y为磁导率，i表不纯虚数，〇为 圆频率
，由于电偶极子沿x方向，故矢量位只有x方向和z方向分量A X，AZ。 利用边界条件
[0075]式中 口 = -1，〇，1，...，11-1，为各层层序。
[0076] 经过一系列推导，可求得AX，AZ
JbUrm (3)
[0083]本发明考虑了电离层的影响，但R函数是由最底层向上推导的，所以推导过程和 CSAMT是一致的。可以得出，
[0086] "地-电离层"模式和CSAMT的场强计算公式的主要差异在系数CWPG，它们体现 了电离层对场强的影响。如果不考虑电离层和空气中位移电流的影响，同时，将空气层的波 数kQ = 0,这时Cck^PC,等于0,式(6)和式(7)经过简化后，和CSAMT的计算公式是一样的。
[0087] 本发明采用积分方程法进行大尺度全空间的电磁波场的模拟。
[0088] 对于一个三维地电结构模型，我们把它看成是由背景电导率为〇"和异常电导率为 的介质组成，即〇 = 〇n+A 〇,并认为它是非磁性介质，也就是介质的磁导率y为真空中的 磁导率此。当模型被时谐电磁波场激励时，模型产生的电场和磁场可以表示成背景场￡"或把 和异常场￡3或『两部分的和：
[0089] E = En+Ea，H=Hn+Ha (8)
[0090] 对于(8)式中的背景场EnSHn，由于它是均匀或层状大地产生的，很容易求解。
[0091] 在三维积分方程法中，格林函数的计算是一个关键，其计算精度影响着最终结果 的精度。本发明利用了计算层状介质电磁场的层矩阵方法，进行适合大功率固定源电离层、 空气层、固体层耦合情况下水平层状全空间电磁波理论格林函数的计算。层矩阵法从麦克 斯韦方程组出发，利用二维傅里叶变换关系，将空间(X，y，z)域中的公式转换到波数(k x，ky， z)域，在波数域中进行公式的推导，建立边界条件，得到波数域电磁场值，然后通过二维傅 里叶反变换得到空间域的结果，并将计算结果植入到三维积分方程中，建立起可以模拟 "地一电离层"模型的层矩阵三维积分方程法。
[0092] 发射源为水平长线源，线源长度100km，置于x轴上，中心位于原点。分别计算给出 不考虑电离层的"半空间"模型和考虑了电离层的"地一电离层"模型时接收位置分别位于x 轴(图3(a)、(b))和y轴(图4(a)、(b))上的电磁场衰减曲线。
[0093] 从图3(a)、（b)和4(a)、（b)上可以看到，在收发距相对较近，即在x轴上小于300km 和y轴上小于500km的位置，考虑和不考虑电离层影响的两种模型计算结果基本相同，此时 电离层影响可以忽略。但当再增加收发距后，计算了电离层影响的"地一电离层"模型场强 开始大于无电离层时的情况，并且随着收发距的增加二者的差别也越大。这说明电离层的 存在会增强较远距离的电磁场信号，使场强的衰减变慢，有利于在WEM方法中超远距离电磁 信号的接收。
[0094]本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够 制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技 术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元 素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素， 则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考 将本文中参考的所有引用之处并入本文中。
【主权项】
1. 一种确定天波传播特性的系统，该系统包括:天波传播路径确定模块，天波传播模型 建立模块，和天波传播响应模块;所述天波传播特性包括天波的全空间传播特性、慢衰减传 播特性、远距离传播特性中的一种或多种，这些特性通过电场分量响应、磁场分量响应来表 征。2. 根据权利要求1所述的系统，其中在天波传播路径确定模块中由发射源发射电磁波， 所述电磁波向大气层传播。3. -种利用权利要求1或2的系统确定天波传播特性的方法，该方法包括:设置天波传 播路径确定模块、天波传播模型建立模块和天波传播响应模块。4. 根据权利要求3的方法，按照如下来确定天波传播路径： (1) 电磁波从发射源向大气层传播； (2) 当电磁波在大气层的传播距离超过一定的范围后，就进入了波导区； (3) 在波导区，大气层和电离层界面具有良好的反射特性，两者构成一个球形空腔，电 磁波在地面和电离层空腔之间来回多次反射，被两个反射壁引导着向前传播； (4) 电磁波从电离层空腔返回到大气层，并在大气层中向地面传播； (5) 电磁波从地面向地下传播； (6) 电磁波经过地下矿体后，携带地下矿体信息并传到地面； (7) 通过接收仪器接收携带矿体信息的电磁波。5. 根据权利要求3或4的方法，依据天波传播路径确定模块中所确定的天波传播路径， 进行天波传播模型的建立，在该模型的建立中： 电离层设为第-1层，空气层设为O层，水平电偶源放置在空气层中，距离地表高度设为 ho； 坐标系的原点设置在水平电偶源的中心点正下方的地表，空间（x，y，z)域中的z向下为 正，向上为负，基于此，电离层的高度为负数，同时假设电离层和地球层的最底层的厚度为 无限； 模型中电离层底界面的有效高度即空气层的厚度设为l〇〇km，电离层的有效电阻率设 为 1Χ104Ω ·πι; 每一层的相对介电常数ε和相对磁导率μ均设为1。6. 根据权利要求3-5中任一项的方法，通过如下确定电场分量响应和磁场分量响应： 电场分量响应为：F为积分核函数，FF为比值积分变量。 磁场分量响应为：λ是空间频率;kP是第P层波的波数;？ = -1，〇，1，...，11-1，为各层层序;0是收发距与1轴的夹 角;PE = Idl，I为发射电流，dl为偶极长度;r为收发距，即观测点距偶极子中心的距离;J1G r)、Jo(Ar)分别是为变量的一阶、零阶贝塞尔函数;心和< 为联系各层物性的两个函 数，它们和各个电性层的电导率、层厚有关。 <=I + < U1Sp=I时的情形，即第一层介质的磁导率。7.根据6的方法，其中所述F和FF按如下进行计算：ρ = -1，0，1,. . .，n-l，即为各层层序;Zp为第p层界面的深度，hp = zp-zp-i，为第p层的厚度，Pp 为第P层电阻率。8. -种利用权利要求1-2任一项所述的系统或3-7任一项所述的方法来进行地下探测 的应用，该应用包括探测地下的电性精细结构。9. 根据权利要求8的应用，其中用于探测地下IOkm深度范围内的电性精细结构。10. 根据权利要求8或9的应用，其中从电性精细结构信息提取地下是否含有资源的信 息。
【文档编号】G01V3/12GK105891895SQ201610218909
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】底青云, 王妙月, 陆建勋, 薛国强
【申请人】中国科学院地质与地球物理研究所