CN114076988B - 一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 - Google Patents
一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114076988B CN114076988B CN202111180379.5A CN202111180379A CN114076988B CN 114076988 B CN114076988 B CN 114076988B CN 202111180379 A CN202111180379 A CN 202111180379A CN 114076988 B CN114076988 B CN 114076988B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- apparent resistivity
- wave number
- measuring
- frequency
- electric dipole
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 28
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 54
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 28
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 15
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 8
- 230000035699 permeability Effects 0.000 claims description 7
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 6
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 4
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000006870 function Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001609 comparable effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000005290 field theory Methods 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
- G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
- G01V3/38—Processing data, e.g. for analysis, for interpretation, for correction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/30—Assessment of water resources
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法、装置及可读存储介质，该方法通过在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流，再测量水平电偶极源的
两个分量，将两个分量进相比，消除无法解析求解的部分，得到与波数有关的参数x的一元四次方程，进而将测量得到的水平电偶极源的
两个分量代入该方程，解析求解该方程的四个根，并根据相位选取合理的根计算波数视电阻率。本发明选用接地的水平电偶极源作为场源，有效克服了频率域磁性源在实际应用的局限，且本发明得到波数视电阻率的过程也无需迭代计算，适合于除极小收发距之外的任意收发距和任意频率，在低频时不存在任何畸变，可反映地下介质电性的客观变化规律，探测深度进一步扩大。
Description
技术领域
本发明属于勘探地球物理技术领域，具体涉及一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法、装置及可读存储介质。
背景技术
陆地频域可控源电磁法具有效率高、抗干扰能力强、高阻敏感等优点，已在深部资源勘探、地下水资源、环境及工程勘查等领域获得广泛应用。在可控源电磁法中，接地电偶极或者不接地的磁偶极所产生的电磁场可用于反映地下电导率的变化情况。波数视电阻率是将电磁场测量数据转化为地下电导率分布的有效工具，比电磁场分量更能直观地反映地下电性结构，且方便野外数据的质量控制，可即时提供初步电性结构的认识。
然而，作为主流的人工源电磁探测技术，可控源音频大地电磁法(CSAMT)要求在收发距远大于探测深度的区域进行观测。频率域可控源方法中最经典的视电阻率定义是可控源音频大地电磁方法中正交电场和磁场的比值形式，这种方式借鉴了大地电磁法中的卡尼亚视电阻率，利用了远区情况下接近平面波的特性，要求收发距满足：大约五倍的趋肤深度。当收发距变小时(过渡区和近区)，人工源电磁场平面波假设不再满足，此时CSAMT视电阻率曲线在低频时会呈现45度上升，出现明显畸变，无法直接反映地下电导率变化。
广域电磁法(WFEM)采用精确的电场表达式求取全区视电阻率，测量区域扩展至部分过渡区，可在更近的收发距下进行频率测深。目前广域电磁法在测点上主要只测量一个电场分量，再利用文献“汤井田,何继善..水平电偶源频率测深中全区视电阻率定义的新方法”记载的方法计算广域视电阻率，即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。这种计算方式仍然需要迭代求解，测量区域的方位角
必须在60度至120度之间。另外，由于频率域下磁性源所产生的场随收发距的增大衰减远大于电性源，场的强度较弱难以测量，而且磁性源方法难以探测高电阻率目标，因此频率域磁性源在实际应用有较大的应用局限。因此需要寻找适用于电偶极源的视电阻率的解析求解方法，同时进一步扩大测量区域。
发明内容
本发明的目的是针对由于均匀半空间模型中电场和视电阻率的函数含有超越函数，必须借助迭代搜索求解，无法由场值直接解析算出全区视电阻率以及磁性源方法存在应用局限的问题，提出了一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法、装置及可读存储介质，所述方法通过将水平电偶极源的切向电场、垂直磁场的两个分量(Hz,
)转化为电磁场波数相关的一元四次方程，转化过程中消除不能解析的部分，从而求解一元四次方程的过程无需迭代。进而本发明通过解析求解该一元四次方程的四个根，并根据相位选取合理的根计算出波数视电阻率。本发明整个过程无需迭代计算，适用于除极小收发距之外的任意收发距和任意频率，且在低频时不存在畸变，可以反映地下介质电性的客观变化规律。
一方面，本发明提供的一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其包括以下步骤：
步骤1：在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流；以及在地表布设测点并记录测点收发距r，以及测量切向电场Eφ和垂直磁场Hz；
步骤2：将所述收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；
ax4+(3a+b)x3+(3a+b+2)x2+3x+3＝0
其中，
x＝ikr，a、b为一元多项式的系数，
分别表示归一化后的切向电场Eφ和垂直磁场Hz，k为电磁波波数，i表示虚数单位；
所述一元四次方程是基于水平电偶极源的切向电场Eφ和垂直磁场Hz的两个分量公式推演的；
步骤3：再基于所述参数x计算出波数视电阻率；
其中，选择相位位于0至90之间的参数x计算波数视电阻率。
根据均匀半空间的电磁场理论，
因此阻抗
利用反正切函数可得均匀半空间下Z的相位为45度。而在层状介质中，相位并不等于45度，会和均匀半空间的相位有一定的差异。电磁法中层状介质情况下相位的变化一般围绕均匀半空间的相位上下变化不超过45度，因此，Z的相位在0至90度区间来选择合理的x。本发明基于上述理论总结出一种通用的选择手段，从而可以快速确定合理的x，用于计算波数视电阻率。
可选地，所述切向电场Eφ和垂直磁场Hz的归一化公式如下：
式中，y为测点的坐标，ω为角频率，μ为真空磁导率，I为供入电流的强度，ds为所述水平电偶极源的水平长导线的长度。
可选地，所述波数视电阻率的计算公式如下：
式中，ρa表示所述测点处某一频率对应的视电阻率，Z表示为复数的中间参数，φ表示相位，im(Z)表示中间参数Z的虚部，re(Z)表示中间参数Z的实部，ω为角频率，μ为真空磁导率。
可选地，所述方法还包括：依次改变频率，并按照步骤S2-S3的方式计算出对应测点上各个频率下的波数视电阻率，再绘制出频率-波数视电阻率曲线。
可选地，所述方法还包括：依次移动测点，再对应每个测点依次改变频率，并按照步骤S2-S3的方式计算出对应测点上各个频率下的波数视电阻率，进而得到所有测点的频率-波数视电阻率曲线。
第二方面，本发明提供一种基于上述方法的测量装置，其包括：水平电偶极源、发射机、接收机以及处理器；
其中，所述水平电偶极源铺设在地表上，并与所述发射机连接，所述发射机向所述水平电偶极源供入电流；
所述接收机设于测点上并记录测量数据，其至少包括切向电场测量模块和垂直磁场测量模块，所述切向电场测量模块用于测量切向电场Eφ、所述垂直磁场测量模块用于测量垂直磁场Hz；
所述处理器与所述接收机连接，用于获取测量数据，并将所述测量数据中的收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；再基于所述参数x计算出波数视电阻率。
第三方面，本发明提供一种可读存储介质，其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：
获取测点上的测量数据，再将所述测量数据中的收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；再选择相位位于0至90之间的参数x计算出波数视电阻率，其中，所述测量数据是在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流后采集得到的；
所述一元四次方程是基于水平电偶极源的切向电场Eφ和垂直磁场Hz的两个分量公式推演的，如下：
ax4+(3a+b)x3+(3a+b+2)x2+3x+3＝0
其中，
x＝ikr，a、b为一元多项式的系数，
分别表示归一化后的切向电场Eφ和垂直磁场Hz，k为电磁波波数，i表示虚数单位。
有益效果
1.本发明提供的一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其将接地的水平电偶极源作为场源，和大地直接进行耦合，供入地下的电流远远超过磁性源，因此电磁场信号远强于磁性源，因此抗干扰能力强，具有比磁性源更大的探测深度和抗干扰能力。而磁性源方法只产生水平电流，属于感应型场源，因此对高阻体目标几乎无效。另外本发明供入地下的电流中含有垂向分量，因此对高阻层目标具有远优于大地电磁方法和磁性源方法的探测效果，从而本发明利用接地的水平电偶极源作为场源，有效克服了频率域磁性源在实际应用的局限以及障碍。
2.本发明提供的一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其将接地的水平电偶极源作为场源后，利用水平电偶极源的切向电场Eφ和垂直磁场Hz的两个分量公式推演出消除了无法解析部分的一元四次方程，一方面寻找到了适用于水平电偶极源的视电阻率的解析求解方法，二方面，解析过程无需迭代搜索，电磁场波数和视电阻率均是通过解析运算得到，适合于除极小收发距之外的任意频率和收发距，结果精确，不存在任何畸变，因此具备在小收发距下探测地下深部电性结构的能力。
3.本发明提供的一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其提供了一种通用的方法来选择合适的根x计算波数视电阻率，从而可以快速确定合理的x，用于计算波数视电阻率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的测量装置的示意图；
图2是在均匀半空间中电阻率设为100Ω·m，收发距为2000m的条件下，计算出的四个不同根对应的波数视电阻率和相位曲线的示意图，图(a)为四个不同根对应的波数视电阻率曲线图，图(b)为四个不同根对应的相位曲线图；
图3为D型模型两层介质条件下对不同收发距的视电阻率和相位频率曲线图，D型模型(ρ1,ρ2)＝(100Ωm,10Ωm),h1＝2000m，图(a)为视电阻率频率曲线的计算结果，图(b)为相位频率曲线的计算结果；
图4为G型模型两层介质下对不同底层电阻率的视电阻率和相位频率曲线图，G型模型(ρ1,ρ2)＝(10Ωm,1000Ωm),h1＝2000m，图(a)为视电阻率频率曲线的计算结果，图(b)为相位频率曲线的计算结果；
图5为K型三层介质下对不同中间层厚度的波数视电阻率计算结果示意图，地电模型为K型(中间电阻率高于第一层和第三层)，第一层电阻率为10Ω·m，第一层厚度为1000m，第二层电阻率固1000Ω·m，层厚500m，第三层电阻率为10Ω·m；图(a)为视电阻率频率曲线的计算结果，图(b)为相位频率曲线的计算结果；
图6为H型地电模型不同中间层厚度电阻率波数视电阻率计算结果示意图，地电模型为H型(中间电阻率低于第一层和第三层)，第一层电阻率为100Ω·m，第一层厚度为1000m，第二层电阻率固10Ω·m，层厚500m，第三层电阻率为100Ω·m。图(a)为视电阻率频率曲线的计算结果，图(b)为相位频率曲线的计算结果；
图7安徽某地方位角为45度测点的实测波数视电阻率、广域视电阻率、可控源音频大地电磁法视电阻率曲线图。方形符号为波数视电阻率的结果，圆形曲线为收发距为广域视电阻率结果；右三角为可控源音频大地电磁法视电阻率结果。
图8是磁偶极源所产生的垂直磁场和接地水平电偶极源所产生的垂直磁场的对比图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
本发明针对由于均匀半空间模型中电场和视电阻率的函数含有超越函数，必须借助迭代搜索求解，无法由场值直接解析算出全区视电阻率的问题，提供了一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法、装置及可读存储介质。其中，通过在地表铺设接地的水平电偶极源，并在测点测量采集水平电偶极源的切向电场和垂直磁场，并基于水平电偶极源的切向电场Eφ和垂直磁场Hz的两个分量公式推演出一元四次方程，消除了无法解析部分，进而解析一元四次方程得到与电磁场波数相关的参数x，再选择合适的参数x计算出电磁场波数、视电阻率及其相位。
本发明以下述一元四次方程为例，简述本实施例的一元四次方程的推导过程：
在层状介质下(假设为N层介质，每层电导率为σi，层厚为hi)，地表测点上的切向电场与垂直磁场由下式获得(下文中采用此公式模拟实际测点的电场和磁场的响应值)：
上式中
为地表测点处TE极化模式电磁波的反射系数，Y0表示空气层的本征导纳，
代表的i层以下所有电阻层的综合导纳，其表达式为
其中，
为第i层的本征导纳；
可由每一层电导率计算得到，由于空气中的电导率为零，u0＝λ，μ为真空磁导率，λ为中间参数，；
表示TM极化模式的反射系数，
表示第i层的表面阻抗，
表示第i层的本征阻抗，其中，
表示第i层的导纳率，
J1(λr),J0(λr)为一阶和零阶贝塞尔函数，对积分参数λ从零到无穷区间进行积分，即可得到层状介质地表的电磁场响应。磁场公式中积分中的第一项为载流导线本身产生的场，不携带有大地电性信息，只有场源信息；第二项为rTE系数在零到无穷区间的积分，含有大地电阻率信息。电场公式中不仅受TE模式的影响，也受TM模式的影响。理论上TM模式是由大地中的垂直电流密度所产生，因此地表的电场分量与垂直电流密度紧密相关，垂直电流分量在遇到层界面时会产生较强的积累电荷，因此记录电场分量可能会使该装置对高阻层目标更为敏感。
在推导电偶极的视电阻率时，采用均匀半空间条件，这意味这如果地下是均匀半空间的，将地表所测量的电场和磁场带入本公式获得的视电阻率将会等于地下真实的电阻率。而当地下电阻率呈现层状或三维分布时，地表测量的电场和磁场带入本公式获得视电阻率仍能反映地下电阻率分布。高频时，视电阻率反映浅层信息，随着频率降低，视电阻率将会逐渐反映深部信息。因此，本文利用均匀半空间所推导的视电阻率同样适用于复杂介质。
考虑均匀半空间准静态近似下电偶极子场源在地表产生的垂直磁场和切向电场，这两个分量中不含有复杂的虚宗量贝塞尔函数，设均匀半空间电导率为σ，收发距为r，发射电偶极矩Ids为电流和发射导线长度ds的乘积，则针对水平电偶极源，均匀半空间测点处的电磁场表达式为：
上式中，Eφ、Hz分别表示切向电场、垂直磁场；ρ为视电阻率，
为方位角。
为均匀半空间的波数，ω为角频率，其等于2πf，f为频率，μ为真空磁导率，σ为电导率，e-ikr函数为指数函数，表达式中含有指数函数和正常函数的乘积，不具有解析求解的反函数。
为了解析求解k，首先将测量的电场
和磁场Hz进行归一化：
测点处的Hz和Eφ归一化后并进行移项转化后可得：
将上面两式移项后相除消除e-ikr可得：
令
x＝ikr，得：
ax4+(3a+b)x3+(3a+b+2)x2+3x+3＝0.
上式中a,b可直接由电场和磁场得到，对于已知的收发距和频率、发射极矩，所求x只和电阻率有关系，可直接获得每个收发距每个频率的视电阻率。对于一般的复系数一元四次方程，采用matlab符号求解，可获得四个复数根。因此在挑选根来计算视电阻率时，本发明根据相位来进行判断，挑选相位位于0至90之间的根来计算视电阻率，论证如下：
均匀半空间电阻率设为100Ω·m，收发距为2000m，实验采用赤道装置。采用上述波数视电阻率方法计算的四个视电阻率的结果见图2所示。由图中可见，在频率较低时，仅有四个根转变为两个根，在中频时，四个根各不相同，在中频到高频时，会出现三个根，继续增大频率，会出现两个根。在首支和尾支曲线，均有两根的视电阻率满足要求，而相位上只有一个根满足要求，和上述利用近似表达式所反映的现象一致。由图中可见，其中第2和3,4个根各有一部分频段对应着真实的视电阻。相位在45度的为真实相位曲线(和均匀半空间理论结果一致)，因此在挑选视电阻率时，根据相位来进行判断，挑选相位位于0至90之间的根来计算视电阻率。
选择合适的根x后，可利用下式求得测点的视电阻率和相位：
因此，根据上述理论性内容，可以解析计算出任意位置的视电阻率和相位随频率的变化曲线，提取出任意位置的大地信息。
基于此，本实施例提供一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其包括以下步骤：
步骤1：在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流；以及在地表布设测点并记录测点收发距r，以及测量切向电场Eφ和垂直磁场Hz。
其中，如图1所示，在在地表铺设水平长导线，电流强度为I，导线长度为ds，通过发射机向线圈中供包含多个频率的伪随机波形等交变电流；在离HED中垂线附近外布设接收机(测点)，记录测点收发距r，测点相对场源的方位角
发射电流I，水平长导线长度ds。采用不极化电极测量切向电场Eφ，采用磁探头或者空芯线圈测量垂直磁场Hz。
步骤2：将所述收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；
步骤3：再基于所述参数x计算出波数视电阻率及相位。
其中，各个部分的计算过程可以参照上述理论公式。
实施例2：
本发明实施例2提供一种基于上述测量方法的装置，其包括水平电偶极源、发射机、接收机以及处理器；
其中，所述水平电偶极源铺设在地表上，并与所述发射机连接，所述发射机向所述水平电偶极源供入电流；
所述接收机设于测点上并记录测量数据，其至少包括切向电场测量模块和垂直磁场测量模块，所述切向电场测量模块用于测量切向电场Eφ、所述垂直磁场测量模块用于测量垂直磁场Hz。本实施例中，采用不极化电极测量磁性源发射的切向电场，采用磁探头或者空芯线圈测量垂直磁场。
所述处理器与所述接收机连接，用于获取测量数据，并将所述测量数据中的收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；再基于所述参数x计算出波数视电阻率及相位。
其中，各个模块的具体实现过程，尤其是处理器中涉及的算法过程可以参照实施例1的相关描述。
实施例3：
本发明提供一种可读存储介质，其存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现：
获取测点上的测量数据，再将所述测量数据中的收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；再基于所述参数x计算出波数视电阻率及相位。
应当理解，其获取的测量数据是参照实施例1，即在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流后采集得到的。
各个步骤的具体实现过程请参照前述方法的阐述。
所述可读存储介质为计算机可读存储介质，其可以是前述任一实施例所述的控制器的内部存储单元，例如控制器的硬盘或内存。所述可读存储介质也可以是所述控制器的外部存储设备，例如所述控制器上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述可读存储介质还可以既包括所述控制器的内部存储单元也包括外部存储设备。所述可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述控制器所需的其他程序和数据。所述可读存储介质还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
仿真与验证：
(1)在地表铺设接地的长导线，接地端为AB，记录AB的长度ds，采用差分定位方法定位场源AB的位置，往导线中供入方波或者伪随机多频方波等电流波形，记录发射电流波形及电流强度I；
(2)采集数据。地表布设测点，在发射机稳定工作时，记录测点位置获得收发距r，根据场源位置，铺设相应方向的测量电极M、N，MN距离为d，获得测量的时间域电压序列，进而时间域切向电场Eφ＝VMN/d。磁场采用特制的磁传感器测量，获得时间域磁场数据。本视电阻率方法需要记录电场和磁场的相位，在实际工作中，采用接收机记录发射电流，记录时间与GPS时间进行同步，测点处的接收机必须在记录发射电流的同时进行接收磁场和电场数据。
(3)波数视电阻率计算。对接收机数据进行时间域到频率域的转换，获得频率域的电场和磁场以及电流，通过实际记录的AB长度ds，电流强度I，方位角
代入求解一元四次方程直接解析计算出波数视电阻率。
图3至图6为一系列层状模型的数值模拟计算结果，其中层状介质参数见附图说明，层状介质下的测点的电磁场值由层状介质下的公式计算得到。图7为安徽某地实测数据的波数视电阻率以及卡尼亚视电阻率结果对比。
图3的(a)为D型模型两层介质条件下波数视电阻率的计算结果，横坐标为频率，纵坐标为视电阻率，曲线所代表的意义为每一个频率均可获得对应深度下的波数视电阻率；图3的(b)为D型模型两层介质条件下波数相位的计算结果。方形符号为收发距为3000m的结果，圆形曲线为收发距为5000m时的结果；下三角符号为收发距为7000m的结果；右三角为收发距10000m时的波数视电阻率和波数相位结果；黑色实线为大地电磁法的视电阻率结果。
由图3可看出，本发明所描述的波数视电阻率在不同的收发距下均可反映地下电阻率的变化，并无视电阻率畸变现象。收发距较大时，波数视电阻率和大地电磁法曲线相似，在收发距较短时，低频波数视电阻率渐近线不等于底层视电阻率，但是仍能反映浅层底层的信息。说明波数视电阻率可在全区无畸变进行。低阻层引起相位降低。随着收发距的增大，对第二层的敏感度也变大。
图4的(a)为G型模型两层介质条件下波数视电阻率的计算结果，横坐标为频率，纵坐标为波数视电阻率，曲线所代表的意义为每一个频率均可获得对应深度下的波数视电阻率；图4的(b)为G型模型两层介质条件下波数相位的计算结果。
由图4中看出，大地电磁法的视电阻率和相位曲线在更低的频率开始反第二层的高阻，波数视电阻率可在更高的频率对第二层有响应，由于频率越高，波长短，分辨率高，因此波数视电阻率对于分辨高阻基底有着优于大地电磁法的效果。
图5的(a)为K型模型两层介质条件下波数视电阻率的计算结果，横坐标为频率，纵坐标为波数视电阻率，曲线所代表的意义为每一个频率均可获得对应深度下的波数视电阻率；图5的(b)为K型模型两层介质条件下波数相位的计算结果。
由图5中看出，对于三层介质中的中间高阻层，大地电磁方法的视电阻率和相位曲线几乎接近第一层的电阻率，没有对中间层的高阻层有明显响应。而波数视电阻及其相位在中间频段对高阻层有明显的响应，因此，波数视电阻率及相位的响应远远强于MT方法。
图6的(a)为H型模型两层介质条件下波数视电阻率的计算结果，横坐标为频率，纵坐标为波数视电阻率，曲线所代表的意义为每一个频率均可获得对应深度下的波数视电阻率；图6的(b)为H型模型两层介质条件下波数相位的计算结果。
由图6中看出，对于三层介质中的中间低阻层，大地电磁方法的视电阻率和相位与波数视电阻率具有相似的曲线响应特征。说明对于中间低阻层，大地电磁方法和波数视电阻率方法具有相当的效果。
由图7中看出，在方位角为45度时，采用电场x分量计算的广域视电阻率以及可控源音频大地电磁法的卡尼亚视电阻率出现明显畸变，其中可控源音频大地电磁法的相位出现畸变尤其严重，而本发明的波数视电阻率及其相位曲线光滑，未发生畸变。
图8为实测数据，发射同样的电流(1A)和同样收发距(3400m)情况下，水平电偶极源和垂直磁偶极所测得的垂直磁场分量。
由图8可看出，实测数据中电偶极所产生的磁场明显大于垂直磁偶极的垂直磁场。垂直磁偶极所产生的磁场信号弱，难以获得光滑可靠的实测数据。而电偶极可以获得可靠的磁场数据，并有效的计算波数视电阻率。
新的视电阻率与MT响应一致。这种方法的相位对高电阻率物体的敏感度远高于MT，敏感区主要集中在中偏移距上。此外，这种视电阻率不受方位角的影响。
综上结果表明，对于层状介质，本方法所获得的波数视电阻率和相位在收发距较大时和大地电磁测深曲线一致，具有波区视电阻率特性。当收发距和异常深度相当时，波数视电阻率也可有效反映深部电阻率信息，不存在视电阻率曲线畸变。但波数视电阻率在近区时时其低频渐近线并不等于底层电阻率，说明收发距不能远小于探测深度，这个距离值是依据试验以及经验确定的，本发明暂以极小收发距定义；应当理解，除此要求之外，任何收发距均适用于本发明所述方案。另外，基于电偶极源的波数视电阻率和相位均对低阻层和高阻层更为敏感均有较好的反映效果。
综上所述，本发明所述方法得到的视电阻率可适用于多种收发距下的电偶极源的视电阻率计算，由于收发距较短时，电磁场能量较强，从而有望降低发射机功率，实现仪器的轻便化，其次该视电阻率及相位对高阻目标较为敏感，提供了一种探测高阻目标的探测方案。
需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在地表铺设接地的水平电偶极源并供入电流；以及在地表布设测点并记录测点收发距r，以及测量切向电场Eφ和垂直磁场Hz；
其中，在层状介质下，假设为N层介质，每层电导率为σj，层厚为hj，地表测点上的切向电场与垂直磁场由下式获得：
上式中φ表示相位，
为地表测点处TE极化模式电磁波的反射系数，发射电偶极矩Ids为电流和发射导线长度ds的乘积，Y0表示空气层的本征导纳，
代表的j层以下所有电阻层的综合导纳，其表达式为
其中，
为第j层的本征导纳；
可由每一层电导率计算得到，由于空气中的电导率为零，u0＝λ，μ为真空磁导率，λ为中间参数，ω为角频率；
表示TM极化模式的反射系数，
表示第j层的表面阻抗，
表示第j层的本征阻抗，其中，
表示第j层的导纳率，
J1(λr),J0(λr)为一阶和零阶贝塞尔函数，对积分参数λ从零到无穷区间进行积分，即可得到层状介质地表的电磁场响应；
步骤2：将所述收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；
ax4+(3a+b)x3+(3a+b+2)x2+3x+3＝0
其中，
x＝ikr，a、b为一元多项式的系数，
分别表示归一化后的切向电场Eφ和垂直磁场Hz，k为电磁波波数，i表示虚数单位；
所述一元四次方程是基于水平电偶极源的切向电场Eφ和垂直磁场Hz的两个分量公式推演的；
步骤3：再基于所述参数x计算出波数视电阻率，其中，选择相位位于0至90之间的参数x计算波数视电阻率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述切向电场Eφ和垂直磁场Hz的归一化公式如下：
式中，y为测点的坐标，ω为角频率，μ为真空磁导率，I为供入电流的强度，ds为所述水平电偶极源的水平长导线的长度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述波数视电阻率的计算公式如下：
式中，ρa表示所述测点处某一频率对应的视电阻率，Z表示为复数的中间参数，φ表示相位，im(Z)表示中间参数Z的虚部，re(Z)表示中间参数Z的实部，ω为角频率，μ为真空磁导率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括：依次改变频率，并按照步骤2-3的方式计算出对应测点上各个频率下的波数视电阻率，再绘制出频率-波数视电阻率曲线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：还包括：依次移动测点，再对应每个测点依次改变频率，并按照步骤2-3的方式计算出对应测点上各个频率下的波数视电阻率，进而得到所有测点的频率-波数视电阻率曲线。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述方法的装置，其特征在于：包括：水平电偶极源、发射机、接收机以及处理器；
其中，所述水平电偶极源铺设在地表上，并与所述发射机连接，所述发射机向所述水平电偶极源供入电流；
所述接收机设于测点上并记录测量数据，其至少包括切向电场测量模块和垂直磁场测量模块，所述切向电场测量模块用于测量切向电场Eφ、所述垂直磁场测量模块用于测量垂直磁场Hz；
所述处理器与所述接收机连接，用于获取测量数据，并将所述测量数据中的收发距r、切向电场Eφ和垂直磁场Hz代入一元四次方程解析参数x；再基于所述参数x计算出波数视电阻率。
7.一种可读存储介质，其特征在于：存储了计算机程序，所述计算机程序被处理器调用以实现权利要求1-5任一项所述的方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111180379.5A CN114076988B (zh) | 2021-10-11 | 2021-10-11 | 一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111180379.5A CN114076988B (zh) | 2021-10-11 | 2021-10-11 | 一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114076988A CN114076988A (zh) | 2022-02-22 |
| CN114076988B true CN114076988B (zh) | 2023-02-28 |
Family
ID=80283322
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111180379.5A Active CN114076988B (zh) | 2021-10-11 | 2021-10-11 | 一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114076988B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116859469A (zh) * | 2023-07-05 | 2023-10-10 | 中南大学 | 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 |
| CN120254973B (zh) * | 2025-04-07 | 2026-01-23 | 中国人民解放军国防科技大学 | 基于电磁场的层状介质探测方法、存储介质及电子设备 |
| CN120742430B (zh) * | 2025-08-18 | 2025-11-28 | 中南大学 | 基于最优化算法的可控源电磁视参数提取方法及系统 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2611006C (en) * | 2005-06-09 | 2014-09-30 | Exxonmobil Upstream Research Company | Method for determining earth vertical electrical anisotropy in marine electromagnetic surveys |
| CA2650105C (en) * | 2006-05-04 | 2016-02-09 | Exxonmobil Upstream Research Company | Time lapse analysis with electromagnetic data |
| US10416334B2 (en) * | 2009-01-20 | 2019-09-17 | Equinor Energy As | CSEM survey method |
| CN108519622B (zh) * | 2018-04-25 | 2020-01-21 | 中国科学院电子学研究所 | 基于天然场源激励的地下电性目标探测方法及装置 |
| CN108873083B (zh) * | 2018-05-06 | 2019-11-15 | 东华理工大学 | 一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法 |
| CN109917470B (zh) * | 2019-04-25 | 2020-06-12 | 中南大学 | 一种垂直磁性源波数视电阻率测量方法与装置 |
| CN110879418B (zh) * | 2019-11-28 | 2023-05-23 | 东华理工大学 | 一种频率域电性源电磁场视电导率计算方法 |
-
2021
- 2021-10-11 CN CN202111180379.5A patent/CN114076988B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114076988A (zh) | 2022-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114076988B (zh) | 一种基于水平电偶极源的波数视电阻率的测量方法 | |
| CN109917470B (zh) | 一种垂直磁性源波数视电阻率测量方法与装置 | |
| CN108873083B (zh) | 一种人工场源频率域电磁视电阻率测量方法 | |
| Key | 1D inversion of multicomponent, multifrequency marine CSEM data: Methodology and synthetic studies for resolving thin resistive layers | |
| WO2009146041A1 (en) | Constructing a reduced order model of an electromagnetic response in a subterranean structure | |
| CN102062876A (zh) | 一种全区电偶源频率域电测深方法 | |
| CN113625347B (zh) | 一种基于水平和垂直磁场获取电阻率的电磁方法和系统 | |
| Lampe et al. | Effects of fractal fluctuations in topographic relief, permittivity and conductivity on ground-penetrating radar antenna radiation | |
| Zhang et al. | Adaptive finite element for 3D time-domain airborne electromagnetic modeling based on hybrid posterior error estimation | |
| Shlykov et al. | Estimating the macroanisotropy of a horizontally layered section from controlled-source radiomagnetotelluric soundings | |
| Hu et al. | A novel CFS-PML boundary condition for transient electromagnetic simulation using a fictitious wave domain method | |
| Li et al. | Complex frequency-shifted perfectly matched layers for 2.5 D frequency-domain marine controlled-source EM field simulations | |
| Mörbe et al. | Large-scale 3D inversion of semi-airborne electromagnetic data—Topography and induced polarization effects in a graphite exploration scenario | |
| CN110032827B (zh) | 基于代数弹性网正则化方法的电流元三维反演方法 | |
| CN116859469A (zh) | 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 | |
| Qin et al. | High-accuracy 3-D TEM forward modeling using adaptive finite element method | |
| CN103323883A (zh) | 一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法 | |
| CN105676299A (zh) | 一种电性源短偏移瞬变电磁法视电阻率确定方法和装置 | |
| Wang et al. | Characterization of excitation effects and data interpretation of combined time-domain multiwaveform transmission currents | |
| CN117968644B (zh) | 基于电磁场的海水深度探测方法、存储介质及电子设备 | |
| CN115685358A (zh) | 多源激发可控源电磁法的频域全区视电阻率计算方法 | |
| Tehrani et al. | Applicability of 1D and 2.5 D marine controlled source electromagnetic modelling | |
| Xia et al. | A small-loop double-coil decoupling transient electromagnetic device for high-sensitivity near-surface detection | |
| CN121232287A (zh) | 一种基于次级场提取的短偏移距频率域电磁探测方法 | |
| Wang et al. | Forward Modeling of Shallow Transient Electromagnetic Method under Ramp Turn-off Current |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |