一种极低频与大地电磁联合测量方法与流程

本发明具体涉及一种极低频与大地电磁联合测量方法，属于深部资源探测技术领域。具体用于深部地质地层、构造精细探测，尤其可进行油气矿田深部10km高分辨率的电性精细结构探测，解决超深中新元古界的地质结构等问题。

背景技术

在深部10km地质结构探测时，通常使用的电磁法勘探方法一般为大地电磁测深法(mt)，大地电磁测深法利用天然场信号，其观测频率0.001hz至320hz，由于观测的是天然场电磁场信号，受天然场电磁场在0.1hz至1hz“死频段”极弱的影响，使得mt在该频段观测的数据质量较差，由于这段频率数据质量的缺陷影响了mt对深部近10km地层地质构造探测。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术中的上述问题，提出本发明中的极低频与大地电磁联合测量方法。

本发明提供的极低频与大地电磁联合测量方法为：

利用wem法的信号发射源激发的电磁波向上传播形成天波，天波传播到电离层，再由电离层反射到地下介质，最后由地下地层传播到地面；

在油气矿田进行阵列式wem电磁信号和mt天然场电磁信号接收，经过wem电磁信号和mt天然场电磁信号联合测量与数据处理反演解释，获得油气矿田深部高分辨率的电性精细结构。

进一步的，所述方法中信号接收的接收机采用正南北向方式布极，将正北方向定为x轴正方向，正东方向定为y轴正方向，z轴垂直向下，记正南北向电场为ex，正东西向电场为ey，一台9通道的接收仪器同时观测三个测点的2对电道信号(ex和hy)和接收机旁的3个磁场分量(hx、hy和hz)。

进一步的，所述方法中信号接收的接收机按照测线方向布设，使x轴正向沿测线指向小号点方向，y轴垂直于测线指向大号线方向。

进一步的，所述方法中wem电磁信号和mt天然场信号联合测量具体方法为：以上述的wem发射系统按照制定的工作频率表，即按一定频率和一定时间向地下注入电流，以此同时数据采集器以2.4khz采样率对电道信号(ex和hy)和磁场分量(hx、hy和hz)进行连续数据采集，并将采集数据及时记录。

进一步的，所述方法中wem电磁信号和mt天然场信号联合数据处理具体方法为：对wem系统(clem)采集的数据，可通过两种数据处理方法得到wem数据和mt低频数据。

1、使用自研软件进行wem有源模式数据处理，获取0.1-300hz的xy模式和yx模式的频谱数据、视电阻率和阻抗相位。

(1)tssplit软件根据发射频率表进行原始时间序列分割；

(2)wempro软件进行时频转换，得到频率域电磁场谱及视电阻率和阻抗相位结果；

(3)plotwemresult软件读取wempro软件处理的结果，绘制单频点信号谱图、全频点谱图及视电阻率曲线图。

2、对clem系统采集的数据，可转换成mtu系统mt数据格式，使用ssmt2000软件处理获取0.01-300hz的xy模式和yx模式的频谱数据、视电阻率和阻抗相位，或转换成adu-07系统mt数据格式，使用procmt软件处理获取0.1-300hz的xy模式和yx模式的频谱数据、视电阻率和阻抗相位。

3、可将得到的wem和mt两组数据，即xy模式和yx模式的频谱数据、视电阻率和阻抗相位分别按照mt数据处理方法进行阻抗分解、主轴旋转，以及反演。

本发明的有益效果在于：本发明提出的极低频与大地电磁联合测量方法，为弥补mt探测在0.1hz至1hz天然电磁场信号弱的不足，即利用wem发射系统发射的覆盖范围达数千公里、高信噪比的人工源电磁信号，结合大地电磁测深法利用天然场信号探测深的优势，wem电磁信号和mt天然场信号联合观测，提升mt观测质量，实现超深中新元古界残余盆地分布预测精度，为该深度范围内油气资源评估提供科学依据。

附图说明

图1是wem法工作原理示意图；

图2是球形空腔波导模型法的坐标建立示意图；

图3a、图3b是模拟wem天线在频率为90hz时的磁场分布图(柱坐标系)；

图4a、图4b为模拟wem天线在频率为90hz时的磁场分布图(直角坐标系)；

图5为模型一的csamt与wem模拟曲线对比图；

图6为模型二的csamt与wem模拟曲线对比图；

图7为单套接收系统类mt方式布设示意图；

图8为单套接收系统沿测线布设示意图；

图9为晚南北天线发射观测的全时长频谱图；

图10为晚南北天线发射观测的最终最优时长频谱图；

图11为adu-07系统mt与clem系统xy视电阻率与阻抗相位对比曲线；

图12为adu-07系统mt与clem系统yx视电阻率与阻抗相位对比曲线；

图13为mtu系统mt与clem系统xy模式视电阻率与阻抗相位对比曲线；

图14为mtu系统mt与clem系统yx模式视电阻率与阻抗相位对比曲线；

图15为117站adu-07/mtu/clem系统xy模式视电阻率与阻抗相位对比曲线；

图16为117站adu-07/mtu/clem系统yx模式视电阻率与阻抗相位对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

wem法是一种人工源电磁方法，其原理与csamt法类似即通过人工源发射电磁信号，在距离发射源一定距离外接收信号。不同之处是wem法建立了一个固定的大功率发射源，信号覆盖全国，信噪比达10db～20db，既具有mt法探测深度大、成本低等特点又具有人工源电磁法(csamt等)抗干扰能力强、探测精度高的特点，是一种全新的地下资源探测与地震地磁监测方法和技术。

wem法的信号通过一个固定的、约百公里长的接地导线向地下注入数百安培电流的电磁波，电磁波向地下、沿地表及向上进行幅射，其与csamt方法相异之处，在于“天波”的存在，这使wem法成为了一种创新的方法，“天波”向上传播到电离层，再由电离层反射到地下矿体，最后由地下矿体传到地面。天波的存在，减慢了电磁波能量的衰减速度，从而使电磁波的穿透深度更大，达到深部探测的目的。其工作原理如图1所示。

在国家重大科学技术基础设施项目-“极低频探地(wem)工程”中，建设了北西向120km和南北向80km的发射天线，发射组功率为1000kw。受当时技术条件的限制，目前其工作频率范围为350hz～0.1hz，其它观测频率可以天然场信号作以补充，从而保障了超低频/极低频电磁方法在油气勘探应用的勘探深度。

在“地电离层”模式下，固体层和地电离层波导中电磁波场的近似计算，对于人工电磁源在固体层中激发的电磁波传播，在电磁勘探领域已有成熟的研究。在这种情况下,对于近场和远场的电磁波，电离层的影响很微，因此是采用层状半空间的理论模型(含半空间，固体层只有一层的特殊情况)进行研究的。其中csamt的激发方式和极低频电磁法中入工固定源的激发方式极为相似，极低频电磁法的场源强度、规模远大于csamt。

超低频电磁波在传播过程中，依据场点与发射源的距离可划分为三个区域：近区、远区和波导区。三个区之间的边界位置与发射天线下方的大地电阻率、发射信号的频率以及电离层高度等参数有在计算近区和远区的场强时，电离层和空气中位移电流的影响可以忽略，故称为似稳态场；在波导区以往的场强计算时，主要应用在通信领域，考虑高频波，因此只考虑位移电流而忽略传导电流的影响，故称其为波导场。美国科学家与俄罗斯科学家都认同三个区域的划分，近区与远区分界线以6倍有效趋肤深度为标准。在划定波导区上有不同的看法，美国科学家bannister以3个电离层高度为划分标准，俄罗斯科学家以似稳态场和波导场的ex和hy分量的振幅相差10％为标准。

近区和远区场强的理论计算与csamt中采用的理论方法是一致的，在研究的频率范围内利用似稳态场方法，采用均匀半空间水平电偶极子和均匀半空间有限长度导线积分方法。由于天线场地电阻率及分布情况对超低频发射起非常重要的作用，所以它不仅决定着天线的有效发射功率，而且影响着天线的电磁场发射方向。因此，对天线场地为存在层状电阻率分布水平各向异性(二维)对发射天线场强分布和大小的影响进行研究。通过实际的算例，对电偶极子、不同地质情况下的计算结果进行比较，得到不同方法和不同地质条件对计算场强的影响。

在波导区，研究极低频源在波导区产生的场强分布,采用球形空腔模型和球坐标系以及球谐函数法。在通信领域球谐函数法是一个成熟的方法，当只研究固体和电离层之间的波导波时，这是一个很好的方法,它可以研究全球问题。但对局部区域复杂结构的场的精确计算比较费时，且对场作近似计算时，会有较大误差，但可用来研究大功率固定源的设计，可以近似估算一个大功率源在多远的距离上场的信噪比是多少，这也是很有意义的，本章给出了这样的近似结果，并和平板模型的波导结果进行了对比。

极低频电磁波在波导区的计算方法

波导区场强求解的基本方法有两种：平板模型法和球形空腔模型法。平板模型法把地电离层看成无限延伸的平行平板波导，通过麦克斯韦方程组求解出各电磁场分量。这种方法只适用于水平距离小于地球半径的情况。由于地球为球形，也可采用球坐标系下的球谐函数法解麦克斯韦方程组获得解答,这种方法适用于整个地球。

球坐标原点选在地球中心，水平电偶极子源放置于θ＝0、φ＝0、r＞a处，a为地球半径，源距离地面的高度为zs，场点距离地面高度为z，水平电偶极子源沿着θ方向放置，具体如图2所示。

假定时谐场为e^－iωt，则电磁场在空腔球形波导中满足方程

采用球坐标系后，在球面边界上各场分量在地与电离层的边界上分别满足以下条件

将场分量采用勒让德函数和球谐系数展开，并应用边界条件式(3)和式(4)在球坐标系，可求得展开式中的待定系数，从而求得球坐标下场分量的解。对于球形空腔波导内水平电偶极子的场强求解，一般采用先解得垂直电(磁)偶极子在球形空腔波导内的场强表达式，再应用互易原理求水平电偶极子的场强表达式。下面是水平电偶极子在球形空腔波导内的各场强表达式。

其中

d＝αθ，pυ为勒让德多项式函数，hn、hm为球谐系数。

其中，λ、g、δ、s分别为tm模式(下标为n)和te模式(下标为m)的激励因子、高度增益函数、高度归一化阻抗和传播因子；传播因子s＝c/v－i5.49α/f,其中，c为电磁波在真空中的传播速度(3.0×10⁸m/s)，v为电磁波的传播相速度，f为电磁波频率,α为电磁波在地电离层波导中的衰减率。

在超低频频率范围内，电磁波只能以n＝0模式传播。对于tm波,λ0≈0.5，当水平电偶极子源和接收点都位于地球表面上(z＝0)时，则g0(0)＝1，g0(z)≈1，δn(0)＝－δg；对于te波，在m＝0模式时没有激励，即超低频电磁波在地电离层波导中只能传输tmn＝0波(tem波),不会发生多模传输。

把以上各参数代入表达式(5)至式(10)，则可得到

hr＝0(14)

其中

当同时满足条件|υθ|＞＞1和imυ＞0时，则勒让德函数pυ可作以下近似处理

从式(11)至式(16)中可以知对已知的超低频发射天线其发射场强的计算决定于以下三个参数：发射天线场地有效电导率、有效电离层反射高度和电磁波在波导中的传播因子(s＝c/v－i5.49α/f)。如果知道以上参数就可以计算天线发射的场强分布。

前面所推导的场强表示式(平板波导或球形空腔波导)是在假设电离层和地面都为均匀且边界陡峭的波导壁条件下得到，但实际的电离层既不均匀，其边界也不陡峭，并且由于地球磁场的影响，电离层呈各向异性，即以上场强公式推导所用的简化波导模型与实际波导存在很大的差别。事实上却出人意料，这些由简单模型导出的表达式，计算结果与实测结果能达到很好的一致，关于这点已得到实验的证明。但其前提条件是必须给出准确的天线场地有效电导率、电磁波传播因子(相速度和衰减率)和电离层有效反射高度,这些参数是可以通过测量准确得到。

由于电离层对超低频的传播影响较大，为了提高理论计算结果的精确度，许多科学家根据电离层电子浓度的变化建立不同模型(如指数分布模型、拜恩模型、第克斯模型等)，然后用全波数值积分法或切薄片分层方法进行计算,其算法都比较复杂。全波数值积分法和切薄片分层方法建立在电离层纵向变化而横向均匀的基础上。考虑到电离层各向异性(纵向和横向都发生变化)，需研究更复杂的计算方法.关于这些算法,在这里不作论述，可以参见有关文献。

由于电离层要随时发生变化，发射场地有效电导率的测量也不可能准确(实际的场地电导率为三维张量形式)，所以用纯理论的精确计算场强目前尚不可能。由于极低频发射天线场地的地质构造一般都比较复杂，我们不可能准确知道天线场地的电阻率分布(实际场地电阻率为三维张量形式)，只能比较准确地知道天线场地的等效电阻率值，因此在实际场强理论计算中一般采用bannister近似方法(水平电偶极子加一个校正项)。此方法在美国超低频天线的场地电阻率验证工作中也得到应用。具体计算公式如下(柱坐标系下)

其中，i是天线发射电流，l为天线长度，传播常数γe≈(iωμ0σe)^1/2,σe为发射天线下方的有效电导率，有效趋肤深度δe≈(2/ωμ0σe)^1/2，μ0＝4π×10^-7h/m。应用传播因子关系式s＝c/v－i5.49α/f，可以方便地推导出比较简洁的波导区磁场的理论计算近似公式，此公式被广泛地应用于超低频发射天线的磁场分布预测，并在实测过程中得到验证。

其中，idl为电偶矩(a·m)；f为工作频率(hz)；hi为电离层有效反射高度(m)；σe为天线场地有效电导率(s/m)；ρ为大圆距离(m)；α为波导衰减率(n·p/m)，当衰减率以db/mm为单位时，则αmm＝α/8.686；αe为地球半径6.37×10⁶(m)；c为自由空间光速(m/s)；v为电磁波在波导中的传播速度(m/s)。

从公式(20)中可以看到，波导区的场强计算比近区和远区的计算要多3个参数，即电离层有效反射高度hi，电磁波波导中的传播速度v和传播衰减率α。这3个参数都与电离层有关。电离层对超低频电磁波在波导中的传播起到了非常重要的作用。因此，对波导区场强分布的计算实际上变成了电离层对超低频电磁波传播影响的计算。

模型试验台全国场强分布图

由于地磁的作用，电磁波的衰减率和相速与传播方向有关，从西向东传播衰减较小，反之衰减较大，南北向居中。根据中纬度地区实际测量资料得到，在300hz时，二者相差1.5～2db/mm；在100hz时，二者相差0.5db/mm。因此，在场强分布理论计算中要根据电磁波的传播方向，适当考虑衰减率问题。在此计算90hz频率的向西传播的电磁波场强时，简单采用在g&g理论计算得到的衰减率上加0.5db/mm。

综合以上分析，我们可以根据模型试验台的位置，计算得到模型试验台90hz发射频率在全国范围内的场强分布等值线图。其中，图3a、图3b为柱坐标系下磁场hρ和等值图，图4a、图4b为直角坐标系下磁场hx和hy等值图。图中所标的磁场强度值可能与实际场强有一定的误差，但它基本反映了wem信号强度在全国的分布情况，可为以后工作布置提供依据。

wem模拟曲线特征：

为了解wem正演计算曲线形态特征，其与mt和csamt正演计算结果是否一致，为此进行了均匀半空间和三层地电断面正演。

模型一

第一层电阻率100ω·m，厚度500m，第二层电阻率为1000ω·m，发射极距ab为120km，发射电流120a，频率范围为0.003-350hz，收发距为2km、20km、50km、100km、150km、250km、400km、700km、1500km。csamt和wem正演结果如图5所示。

图5显示的csamt、wem曲线在大于100hz均能反映浅部第一层电阻率100ω·m，csamt的视电阻率和阻抗相位在收发距2km～20km均显示出明显得非波区曲线特征，即视电阻率随频率降低而逐渐增大，相位逐渐趋于0；收发距大于150km后的视电阻率和相位逐渐趋于反演深部电性层1000ω·m的电性特征，在收发距为250km时曲线与mt曲线完全一致，表明在此收发距为完全的波区特征。在考虑电离层时，wem视电阻率和相位曲线特征和变化曲线与csamt基本一致，在收发距从近到远乃至于150km远处的视电阻率和相位曲线依然存在过渡区的假极值现象。

图6显示的csamt、wem曲线与图5基本相似，在大于100hz均能反映浅部第一层电阻率100ω·m，csamt的视电阻率和阻抗相位在收发距2km～20km均显示出明显得非波区曲线特征；收发距大于150km后的视电阻率和相位才能显示出低阻层10ω·m，在大于150km逐渐趋于反演深部电性层1000ω·m的电性特征，在收发距为250km时曲线与mt曲线完全一致，表明在此收发距为完全的波区特征。

从以上两个模型正演结果表明，由于在电离层作用下，在发射源大于250km远处为平面波，其视电阻率和相位与mt曲线完全一致，以此证明在实际野外观测中，在远离发射源250km时可以mt观测的装置进行观测。

数据采集方式：

接收机可采用正南北向类mt方式布极，见图7，将正北方向定为x轴正方向，正东方向定为y轴正方向，z轴垂直向下，此时记正南北向电场为ex，正东西向电场为ey。接收仪器可同时观测三个测点的3对电道信号和接收机旁的3个磁场分量。

也可以按照测线方向布设，使x轴正向沿测线指向小号点方向，y轴垂直于测线指向大号线方向，布极方式见图8。

对wem每套设备可同时测量3个测点，中间的测点测量两个分量的电场与三个分量的磁场，两侧的测点只测量两个分量的电场，数据处理时两侧测深点的磁场使用中间测点的磁场。

2、发射频率发射时间设计

wem发射频率的时间长短影响着观测质量，以实测数据的频谱强度对比，确定实测发射频率表的发射时间。与河北任丘油田测区及内蒙曹四夭钼矿测区相比，川东明月峡构造测区距离发射源更近，可能以较短的发射时长也能获得较好的信号，从而提高效率。

频率表为双天线发射，白天用东西向天线发射，晚上用南北向天线发射。这一阶段有两个目的，一是在设计测点上进行测量，二是进一步确定发射时长。选用曹四夭钼矿区联调试验时的发射频点及时长来进行试验，所用的频点及发射时长见表1第二列与第三列，根据信噪比统计得到的最优时长见表1第4列。

表1为发射频率表，用曹四夭钼矿区联调试验时所用的发射时长得到的谱图见图9，用最终的最优时长，见表1第五列，得到的谱图见图10。

表1发射频率表

从两图可以看出，虽然缩短了各个频点的发射时长，但信号的强度相对于噪声依然很强，通过信噪比统计可以得到量化的值，见表2两种发射时长的信噪比统计表。通过对比两种发射时长的频谱图与信噪比可以看出，用曹四夭联调试验的时长(表2中第3列)发射25个频点，发射时间总和为514分钟，而用最终最优时长(表2中第5列)来发射，发射时间总和为336分钟，相较之下，发射时间由原来的8小时34分钟缩短为5小时36分钟，效率大步提高，同时信噪比依然很高。

表2

wem仪器设备的接收系统(clem)可以2.4khz采样率进行wem数据和mt数据联合采集，其数据处理流程：

(1)对国产clem系统采集的数据，使用wem工程资源探测项目自研软件进行wem有源模式数据处理。

(a)tssplit软件根据发射频率表进行原始时间序列分割；

(b)wempro软件进行时频转换，得到频率域电磁场谱及视电阻率和阻抗相位结果；

(c)plotwemresult软件读取wempro软件处理的结果，绘制单频点信号谱图、全频点谱图及视电阻率曲线图。

(2)对国产clem系统采集的数据，可转换成mtu系统mt数据格式，使用ssmt2000软件处理形成mt数据，或转换成adu-07系统mt数据格式，使用procmt软件处理形成mt数据。

为验证wem仪器设备的接收系统(clem)采集数据是否用wem和mt数据联合测量，曾做过对比试验，即将clem系统与加拿大mtu系统、德国adu-07系统进行同步同测点数据采集，比对分析三套系统的结果。

由于mtu系统和adu-07系统不能进行wem数据采集和处理，只给出三种系统的mt数据对比结果，即将clem系统采集到的数据转换成mtu系统和adu-07系统格式的时序数据，再用相应软件处理得到mt数据结果。这里只展示几个典型测点的对比结果。其中clem系统的接收机是dru系列，下文图件标注中的dru即表示clem系统测量结果。

图11-图12是在87站(4340m)的adu-07系统和clem系统的mt结果对比曲线，图11是xy向视电阻率和阻抗相位对比曲线，图12是yx向视电阻率和阻抗相位对比曲线。图中procmt表示使用德国metronix公司procmt软件进行处理，红线是adu-07系统mt数据处理结果，蓝线是从clem系统wem采集数据转换成mt数据格式后的处理结果。从图11-图12可以看出clem系统的mt视电阻率和阻抗相位曲线比较圆滑，在大部分频点上，clem系统与adu-07系统吻合较好，尤其yx向结果吻合很好。

图13-图14是125站(6250m)上mtu系统和clem系统的mt结果对比曲线，图13是xy模式视电阻率和阻抗相位对比曲线，图14是yx模式视电阻率和阻抗相位对比曲线。图中ssmt表示使用加拿大凤凰公司的ssmt2000软件进行处理，红线是clem系统wem模式采集的数据转成mt数据格式后处理的结果，蓝线是clem系统mt模式采集数据的处理结果，绿线是mtu系统mt数据处理结果。从图13-图14可以看出wem模式和mt模式采集的clem系统mt处理结果均和mtu系统mt处理结果吻合很好。

图15-图16是第117站(5850m)上adu-07系统、mtu系统和clem系统的mt结果对比曲线，图15是xy模式视电阻率和阻抗相位对比曲线，图16是yx模式视电阻率和阻抗相位对比曲线。图中procmt表示使用德国metronix公司的procmt软件进行处理，ssmt表示使用加拿大凤凰公司的ssmt2000软件进行处理，红线是adu-07系统mt数据处理结果，蓝线是clem系统wem模式采集的数据转成mt数据格式后用procmt软件处理的结果，绿线是clem系统wem模式采集的数据转成mt数据格式后用ssmt2000软件处理的结果，黄线是mtu系统mt数据处理结果。从图15-图16可以看出1hz以上的频点四种结果高度吻合，低频段procmt软件处理结果和ssmt2000软件处理结果有差异，分析认为是两个软件低频算法不同所致。

从图11-图16可以得知，wem系统的接收系统器(clem)采集的数据经过转换到adu-07系统、mtu系统数据格式，再分别由adu-07系统、mtu系统处理软件可获得mt数据与曲线，其曲线较圆滑，与adu-07系统、mtu系统的mt结果吻合较好，表明clem系统采集的数据可作为mt原始数据，其效果有效可靠。说明clem系统采集器在观测wem数据的同时可实现mt数据测量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。