技术领域
[0001] 本
发明涉及电磁勘探技术领域，具体涉及一种全覆盖抗干扰人工源电磁探测方法。
背景技术
[0002] 电磁勘探方法是一种通过观测、分析和处理地球的电
磁场，来获得地球内部的电性参数及其分布和结构的方法。由于探测目标的不同，观测设备的不同，观测系统的不同，观测资料的不同，处理和解释方法的不同，电磁勘探方法分支形成了多种不同的方法。
[0003]
频率域人工源电磁法有一个
信号强度和频率可以人工控制的发射源，发射频率范-2 13围在2 到2 Hz之间，通过改变频率可以改变探测的深度，频率越低探测深度越深。由于人工源的强度相对于天然场源的强度明显增强，使得信号采集迭加次数明显减少，因此加快了观测时间，并且抗干扰能
力得到了增强，此类方法为2公里深度范围内电性结构的探测提供了有效手段。
[0004] CSAMT属于频率域人工源电磁勘探方法，它是在大地电磁测深法(MT)的
基础上发展起来的。该方法最早由加拿大多伦多大学的D.W.Strangway教授和他的研究生M.A.Goldstein于1971年提出，他们的研究成果于1975年正式发表。K.L.Zonge等将其形成了测量方法，1991年公布了他们的CSAMT理论及测量方法的细节。CSAMT法已取得一系列油气、
地热资源电性结构勘探的应用性成果。
[0005] 图1为常用的CSAMT法野外工作测量平面示意图。在野外工作中，CSAMT法采用发
电机向发射机提供功率，发射机控制电磁信号的频率及
波形，通过AB发射天线向地下供入
电磁场信号。在发射的同时，采用接收机在一定区域内进行信号的接收，通过对采集信号进行处理，可以得到测区地下的电性结构信息。
[0006] 在CSAMT野外工作中，总是把观测区域布置在一个张
角小于60°的梯形面积内(见图1)，并且采集与发射天线AB平行的
电场Ex分量及垂直的磁场Hy分量。
[0007] 在实际野外工作中，尤其在地下地质结构复杂的勘探区，需要首先确定测线的
位置与方向，然后根据已确定的测线布设电磁信号发射源。因为测线的方向及位置是确定的，因此根据场强覆盖要求，需要将发射天线以平行于测线的方向布设并且需要铺设在某个特定区域。但是，在越来越多的复杂地形区，不仅无法利用
卡车将发电机及发射机运至特定区域，而且复杂的地形条件也导致无法将发射天线布设为平行于测线的方向，以致无法施工或者施工成本非常高。
[0008] 现有的技术方案存在有效信号低值带。图5为CSAMT法中有效信号的覆盖范围，中心为发射天线的位置，其四周代表天线产生的有效信号的强度。图中越亮代表信号越强，越有利于进行电磁法勘探。可以看出，在梯形面积的边部，场强度明显变弱，抗干扰能力差，在探测区域的边部数据
质量差。由于有效信号覆盖范围小，当测线较长时，必须移动发射源并重新布设，导致施工效率低、施工成本高而且数据质量差。
[0009]
现有技术要求信号接收机同时记录电场及磁场信号，因此需在野外同时布设电场
传感器及磁场传感器，施工不便。
发明内容
[0010] 针对上述技术问题，本发明提供一种全覆盖抗干扰人工源电磁探测方法，旨在解决以下技术问题：
[0011] (1)发射源的布置需要与接收测线平行并且在特
定位置，在复杂地形区无法施工；
[0012] (2)未充分利用发射源信号，观测区域的有效信号场强小，抗干扰能力差，数据质量差；
[0013] (3)有效信号场存在低值带，在测线较长时，需要移动发射源并重新布设，施工效率低；
[0014] (4)同时布设电场及磁场传感器施工不便，工作效率低且施工成本高。
[0015] 具体技术方案为：
[0016] 一种全覆盖抗干扰人工源电磁探测方法，具体包括以下步骤：
[0017] (1)确定测区的范围与位置
[0018] 根据探测的地下目标体大小及范围确定测区范围，保证测区对探测目标的完全覆盖，即保证地下目标体在地表的投影位于设计的测区之内；
[0019] (2)野外踏勘，确定发射源的位置与发射天线的角度
[0020] 在确定完成测区范围之后，进行测区及周围区域的详细踏勘，根据野外实际的地形条件，
选定野外工作便利、交通方便的有利发射源位置，保证卡车携带的发射机能够到达
指定地点；根据实际地形条件，确定发射天线的位置与方向，保证发射极AB两端具有良好接地条件；
[0021] (3)计算天线在测点位置产生的电场的最大极化方向角度
[0022] 采集工区野外信息，包括地质信息及已有的地球物理数据信息，根据收集的测区地质地球物理数据，建立大地模型；
[0023] 计算模拟发射天线产生的电场的长轴极化方向，具体方式如下：
[0024] 在各测点位置，记录接收测点的位置信息R，并计算相对于T的距离r以及测点的x坐标及y坐标；根据下式，计算得到测点位置的x方向及y方向的电场值，采用的计算公式为：
[0025]
[0026] 其中Ex0为电场的x方向分量，Ey0为电场的y方向分量；I为发射
电流大小，ds为发射天线的长度，ρ0为根据已有的地质资料建立的电性地质模型的
电阻率；r为接收测点位置到发射源中心的距离， x和y为接收测点位置的坐标；k为
波数，ω＝2πf，f为发射频率；
[0027] 电场最大极化方向角度计算公式为：
[0028]
[0029] 其中 为电场Ex0分量的
相位， 为电场Ey0分量的相位， α即为所求的极化长轴与坐标x方向的夹角，即最大极化方
向；
[0030] (4)根据极化方向布设电场传感器
[0031] 根据各测点计算得到的电场最大极化方向α，分别在各测点处布设电场传感器，保证传感器方向与x轴的夹角为α；
[0032] 在布设完成所有测点的传感器之后，进行信号发射，同时利用多套接收机记录测线上各测点的电场值；
[0033] (5)计算得到各测点的视电阻率
[0034] 采用
迭代方法，得到计算的电场与实测的电场的差别最小时的大地电阻率ρ；
[0035] p＝|E实测-Ex cos α-Ey sin α|＝最小 (3)
[0036] 其中Ex和Ey为正演模拟计算得到的电场x和电场y分量：
[0037]
[0038] 实际采用公式为：
[0039]
[0040] 本发明提供的技术方案，具有以下技术优点：
[0041] (1)发射源布设灵活；
[0042] 本发明提出根据野外实际地形条件布设发射机及发射天线，发射极的位置靠近测区即可保证有效信号的覆盖。本发明不限制发射源的位置与发射天线的方向，发射天线的方向可以为任意方向，因此野外施工非常方便并且灵活，在大幅提高野外工作效率的同时大幅降低工作成本。
[0043] (2)本发明提出了有效信号全覆盖电磁探测技术；
[0044] 利用本发明，可以达到发射源周围信号的全覆盖，可在发射源周围任意位置布设测点，没有有效信号低值带，接收点的位置十分灵活，不受常规方法的限制。
[0045] (3)本发明最大限度地利用了发射天线产生的信号，有效抵抗周围
电磁干扰的影响；
[0046] 本发明通过研究频率域人工源电磁法发射场源电磁场的分布特征，得到了电场最大极化方向的计算方法。本发明提出将电场传感器的方向与电场最大极化的方向保持一致，从而保证在测点处可接收得到振幅最大的场值，使得在某些位置有效信号强度比现有技术提高几个数量级，本方法可大幅压制噪声干扰，可以得到高
信噪比的有效信号和可靠的观测数据。
[0047] (4)本发明仅利用电场数据，施工效率高且成本低；
[0048] 现有技术需要同时观测电场分量及磁场分量，野外需要同时布设电场传感器及磁场传感器，才能得到大地的电阻率结果。本发明的方案仅采用电场数据即可得到地下电阻率的结果，野外仅布设电场传感器即可，施工方便，效率高，而且施工成本降低。
[0049] 总之，本发明方法能够利用获得的高信噪比的可靠数据得到大地电阻率，野外施工灵活方便，施工效率高成本低，方法可靠有效，本发明为电磁勘探方法的发展提供了新的方向。
附图说明
[0050] 图1为现有CSAMT法野外施工示意图；
[0051] 图2为
实施例发射源与测区测点位置示意图；
[0052] 图3为实施例发射源周围区域电场的最大极化角度；
[0053] 图4为实施例测点1电场传感器(不极化
电极)野外布设；
[0054] 图5为CSAMT法有效信号覆盖范围；
[0055] 图6为实施例有效信号覆盖范围；
[0056] 图7为本发明电场有效信号与现有技术有效信号的幅度对比。
具体实施方式
[0057] 结合附图和实施例说明本发明的具体技术方案。
[0058] (1)确定测区的范围与位置
[0059] 根据探测的地下目标体大小及范围确定测区范围，保证测区对探测目标的完全覆盖，即保证地下目标体在地表的投影位于设计的测区之内。
[0060] (2)野外踏勘，确定发射源的位置与发射天线的角度
[0061] 在确定完成测区范围之后，进行测区及周围区域的详细踏勘，根据野外实际的地形条件，选定野外工作便利、交通方便的有利发射源位置，保证卡车携带的发射机能够到达指定地点。根据实际地形条件，确定发射天线的位置与方向，保证发射极AB两端具有良好接地条件。发射天线AB的长度一般1-3km，为能够产生大发射矩的信号，天线长度可根据实际情况增加。
[0062] 设计发射天线与接收测区的位置如图2所示，以发射天线的布设方向为x方向，垂直于发射天线方向为y方向，发射源中心坐标为原点，建立
坐标系统。记录发射源中心的实际位置信息，记为T，以正北方向为0°，顺
时针为正向，记录实际发射天线的方向，记为T方位。
[0063] 本实例中发射天线长度1km，发射频率为512Hz，发射电流10A，测线1与发射天线的垂直距离为5km，大地实际电阻率为1000ohm.m。
[0064] (3)计算天线在测点位置产生的电场的最大极化方向角度
[0065] 采集工区野外信息，包括露头、钻孔等地质信息及已有的地球物理数据信息，根据收集的测区地质地球物理数据，建立大地模型，本实例设大地为均匀大地，其电阻率是500ohm.m。
[0066] 计算模拟发射天线产生的电场的长轴极化方向。
[0067] 具体方式如下：
[0068] 在各测点位置，记录接收测点的位置信息R，并计算相对于T的距离r以及测点的x坐标及y坐标。根据下式，计算得到测点位置的x方向及y方向的电场值，采用的计算公式为：
[0069]
[0070] 其中Ex0为电场的x方向分量，Ey0为电场的y方向分量。I为发射电流大小，ds为发射天线的长度，ρ0为根据已有的地质资料建立的电性地质模型的电阻率，本实例中选取大地模型的电阻率为500ohm.m。r为接收测点位置到发射源中心的距离， x和y为接收测点位置的坐标。k为波数， ω＝2πf，f为发射频率。
[0071] 电场最大极化方向角度计算公式为：
[0072]
[0073] 其中 为电场Ex0分量的相位， 为电场Ey0分量的相位，α即为所求的极化长轴与坐标x方向的夹角，即最大极化方向。
[0074] 计算得到的发射天线周围所有测点上的电场最大极化角度如图3所示(顺时针为负)。
[0075] (4)据极化方向布设电场传感器
[0076] 根据各测点计算得到的电场最大极化方向α，分别在各测点处布设电场传感器，保证传感器方向与x轴的夹角为α。以坐标为x＝5km，y＝5km的接收测点为例，计算得到接收点电场的最大极化角度α约为-71°，在野外实际测点的电场传感器的布设方向与x轴的夹角应为-71°，传感器野外布设方式如图4所示。
[0077] 在布设完成所有测点的传感器之后，进行信号发射，同时利用多套接收机记录测线上各测点的电场值。
[0078] (5)计算得到各测点的视电阻率
[0079] 现在得到了各测点的实测电场值，此实测场值振幅大，其数据质量大大优于现有技术。下面我们采用迭代方法，得到计算的电场与实测的电场的差别最小时的大地电阻率ρ。
[0080] p＝|E实测-Ex cos α-Ey sin α|＝最小 (3)
[0081] 其中Ex和Ey为正演模拟计算得到的电场x和电场y分量：
[0082]
[0083] 实际采用公式为：
[0084]
[0085] 此公式中仅大地电阻率ρ为变量，其他值均已为已知值，因此可以计算。经计算，最后可得到大地电阻率ρ为1000ohm.m。
[0086] 可以看到，本发明所采用的技术能够获得高信噪比的可靠有效信号，能够有效压制环境噪声干扰，数据质量稳定可靠。虽然实例中初始大地模型电阻率设置为500ohm.m与真实大地电阻率的差异较大，但本发明仍能得到真实的大地电阻率结果。这是为了验证实际工作中可能存在的建立的初始模型电阻率与真实大地电阻率存在较大差异的情况。
[0087] 图5为常规方法的场强覆盖范围，
颜色亮度代表了有效信号的大小。可以看到其方法不仅有效信号强度弱，会导致观测数据质量差，而且存在有效信号低值区，会导致在这些区域无法施工。
[0088] 图6为本发明的有效信号覆盖图，可以看到本发明的有效信号可达到对发射源周围的高强度全覆盖，本发明技术不仅可大幅提高野外工作效率降低工作成本，而且能够得到大幅压制噪声的高可靠性野外数据。
[0089] 图7为计算得到的本发明在测线1上观测的有效电场值与常规方法有效电场值的对比，可以看到，常规方法场值明显低于本发明方法，导致数据质量差，并且存在明显场值低值带，有效信号淹没在噪声之中，甚至无法施工。本发明有效场值明显大于现有方法，可高效压制噪声，大幅提高数据质量。本发明保证了能够在野外采集到有效的高信噪比数据。
