基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法和系统

本发明属于勘探地球物理，具体涉及一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法和系统。

背景技术：

1、频率域可控源电磁测深法一般是利用发射机通过接地导线(水平电偶极子)或不接地回线(垂直磁偶极子)向地下供某种发射频率的交变电流，在一定收发距外铺设测点，用接收机接收经大地传播后的电场和/或磁场，最终按一定方法根据电磁场计算出视电阻率，该视电阻率应能反映出地下的客观电性变化。依次改变频率，即可获得地下由浅部到深部的电导率变化规律。目前最常用的频率域可控源电磁测深法主要有可控源音频大地电磁法(csamt)和广域电磁法(wfem)，具有效率高、抗干扰能力强等优点。

2、可控源音频大地电磁法(csamt)沿用了大地电磁法中视电阻率的定义方法，在测点上测量相互正交的水平电场和水平磁场，并计算卡尼亚视电阻率。在足够大的收发距(远区)上，人工源产生的电磁波可近似为平面电磁波，此时csamt的卡尼亚视电阻率可以反映地下的电性变化。但在过渡区和近区，人工源电磁场不能用平面波近似，此时等间隔双对数坐标中的csamt视电阻率曲线在低频时会呈现线性变化，和地下电阻率没有关系，不能反映地下的客观电性。

3、广域电磁法(wfem)可以仅测量单个电磁场分量，用均匀半空间电阻率模型拟合观测的电场或者磁场，通过不断的迭代搜索，求得视电阻率。广域视电阻率是根据电磁场的解析表达式得到的，没有进行任何的近似，因而视电阻率测深曲线不会在非波区出现畸变，能够在全区很好地反映地下电性结构的变化。但是由于在小感应数下，具有测深能力的二次场占总场的比重太小，只有几万分之一，使得在实际含噪观测环境中，无法在小感应数下获得有效的二次场信息，并实现频率电磁测深，广域电磁法仍然需要较大的收发距或只能获得有限的探测深度。

技术实现思路

1、针对当前频率域可控源电磁勘探方法无法在小感应数下做电磁测深，计算出客观反映地下电性信息的视电阻率的问题，本发明提供一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法和系统，通过将一次场部分从总场中消除且保留二次场的导数值，从而增加可测深部分的比重，使得频率梯度视电阻率在小感应数下可以非常好地反映电性变化，分辨不同的低阻层。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法，包括：

4、在地表铺设的水平电偶源通入时变电流信号，在与水平电偶源相距r处的测点连续采集径向磁场和切向磁场，利用时频转换获得径向磁场强度hr和切向磁场强度

5、分别计算径向磁场强度hr和切向磁场强度随频率变化的差分值

6、将代入磁场频率梯度与电阻率的函数解析表达式中，并采用数值迭代方法计算各频率对应的视电阻率，并选择小感应数下的计算结果作为最终测量所得视电阻率；其中，所述磁场频率梯度与视电阻率的函数解析表达式为：

7、

8、

9、式中：idl是水平电偶源的极矩，其中的i表示电流强度，dl是水平电偶源的长度；k为复波数，i表示虚数单位，ω表示角频率ω＝2πf，μ表示磁导率，f为水平电偶源的时变电流频率；为测点的观测角；i0和i1分别为0阶、1阶第一类虚宗量贝塞尔函数，k0和k1分别为0阶、1阶第二类虚宗量贝塞尔函数；σ为电导率，是迭代计算的视电阻率ρa的倒数；

10、感应数的定义为p＝r/δ，其中r为收发距、δ为趋肤深度。

11、进一步地，采用二分法求解函数解析表达式中的视电阻率。

12、进一步地，所述水平电偶源为接地长导线，电偶极矩为x方向。

13、进一步地，通过移动测点得到不同测点上随频率变化的磁场频率梯度视电阻率，进而得到全区的磁场频率梯度视电阻率。

14、进一步地，在地表铺设的水平电偶源通入的电流信号，为发射频率确定的交变电流。

15、进一步地，在同一测点上依次改变通入电流信号的频率，相应获得该测点基于不同电流频率的磁场频率梯度视电阻率，进而获得该测点的频率探测曲线，即频率-磁场频率梯度视电阻率曲线。

16、进一步地，测点与水平电偶源的距离r，是指水平电偶源的偶极与测点之间的距离。

17、进一步地，在测点采用磁场传感器采集径向磁场和切向磁场。

18、一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量系统，包括：水平电偶源、接收机和处理器；

19、所述水平电偶源铺设于地表，在通入时变电流信号后产生磁场；

20、所述接收机包括分别用于采集径向磁场和切向磁场的切向磁场采集模块、径向磁场采集模块，获得径向磁场强度hr和切向磁场强度

21、所述处理器用于实现以下计算并获得视电阻率：

22、分别计算径向磁场强度hr和切向磁场强度随频率变化的差分值

23、将代入磁场频率梯度与电阻率的函数解析表达式中，并采用数值迭代方法计算各频率对应的视电阻率；其中，所述磁场频率梯度与电阻率的函数解析表达式为：

24、

25、

26、式中：idl是水平电偶源的极矩，其中的i表示电流强度，dl是水平电偶源的长度；k为复波数，表示虚数单位，ω表示角频率ω＝2πf，μ表示磁导率，f为水平电偶源的时变电流频率；为测点的观测角；i0和i1分别为0阶、1阶第一类虚宗量贝塞尔函数，k0和k1分别为0阶、1阶第二类虚宗量贝塞尔函数；σ为迭代计算的视电阻率ρa的倒数；

27、感应数的定义为p＝r/δ，其中r为收发距、δ为趋肤深度。

28、进一步地，收发距r和观测角度通过记录水平电偶源与测点的坐标进行计算。有益效果

29、本发明提供的基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法，通过测量切向磁场和径向磁场，利用推导出的磁场频率导数解析式，采用数值迭代的方法计算出视电阻率，适合于任意收发距的视电阻率测量，理论上不存在非波区畸变，因此本发明具备在小收发距下探测地下深部电性结构的能力。

30、此外，使用本发明对小收发距的测点进行测量，电磁场信号会大幅增强，信噪比高，抗干扰能力强，对发射机的功率要求小，就可以实现轻便大深度的频率测深。

31、另外，通过数值模拟证明，本发明所获得的磁场频率梯度视电阻率在收发距较大时具有波区视电阻率特性，在中短收发距也可反映深部信息，不存在传统可控源音频大地电磁法中视电阻率曲线的近源畸变。

技术特征：

1.一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，采用二分法求解函数解析表达式中的视电阻率。

3.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，所述水平电偶源为接地长导线，电偶极矩为x方向。

4.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，通过移动测点得到不同测点上随频率变化的磁场频率梯度视电阻率，进而得到全区的磁场频率梯度视电阻率。

5.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，在地表铺设的水平电偶源通入的电流信号，为发射频率确定的交变电流。

6.根据权利要求5所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，在同一测点上依次改变通入电流信号的频率，相应获得该测点基于不同电流频率的磁场频率梯度视电阻率，进而获得该测点的频率探测曲线，即频率-磁场频率梯度视电阻率曲线。

7.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，测点与水平电偶源的距离r，是指水平电偶源的偶极与测点之间的距离。

8.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量方法，其特征在于，在测点采用磁场传感器采集径向磁场和切向磁场。

9.一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量系统，其特征在于，包括：水平电偶源、接收机和处理器；

10.根据权利要求1所述的磁场频率梯度视电阻率测量系统，其特征在于，收发距r和观测角度通过记录水平电偶源与测点的坐标进行计算。

技术总结
本发明公开了一种基于水平电偶源的磁场频率梯度视电阻率测量方法和系统，该方法通过在地表铺设水平接地电偶源向地下供电，在与水平电偶源相距r处布设测点，测量径向和切向的磁场强度。基于水平电偶源在均匀半空间表面产生的磁场频率梯度的解析表达式，通过差分算法计算径向磁场强度和切向磁场强度的频率差分值，压制一次场，突出二次场；并用均匀半空间的场值频率梯度来等效实际的场值频率差分，采用数值迭代的方法实现视电阻率的求解。本发明通过计算磁场频率梯度提取视电阻率的方法，可以实现小感应数条件下的电磁测深，有效反映深部电性结构。

技术研发人员：汤井田,罗志亮,周聪,肖晓
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15