一种基于AB-Ey方式的频率域电磁测探技术及其装置的制作方法

一种基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术及其装置
技术领域
1.本发明涉及电磁测深的技术领域，具体涉及一种基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术及其装置。


背景技术：

2.电磁法分为频率域、时间域两种，如瞬变电磁法(tem)、可控源音频大地电磁法(csamt)、广域电磁法、大地电磁法(mt)、音频大地电磁电磁法(amt)、激发极化法(ip)、频率测深法(fem)、磁偶源频率测深法(melos)、过渡过程法(mпп)等都归属于电磁勘探方法。上述方法中属于频率域电磁测深法的有大地电磁法、音频大地电磁电磁法、可控源音频大地电磁法、广域电磁法、频率测深法、磁偶源频率测深法，它们通过测量不同频率的电磁波推断解释不同深度的地层结构、矿床、地质异常体，统称为频率域电磁测深法。可控源音频大地电磁法、广域电磁法、频率测深法可以采用人工电性源进行频率测深，是目前应用较广的电磁勘探方法。
3.现代意义上的大地电磁法是建立在a.tikhonov(1950)和法国的 carniard(1953)[134]分别独立地提出来的原理基础之上，西方地球物理学界把大地电磁法获得的视电阻率命名为“卡尼亚(carniard)电阻率”，这一命名在我国也被普遍采用。1950-70年代是大地电磁法发展的黄金时期，keeva vozoff 于1986年将大地电磁法的代表性文章编辑成magnetotelluric method一书出版，这是大地电磁法的里程碑之作。我国的刘国栋先生等最早研制成功大地电磁仪，并进行了推广应用。
[0004]
大地电磁法有两个固有的缺点，那就是信号微弱，而且是随机的。这就使得观测精度很低，为了提高精度，不得不在测量中对数据多次叠加，勘探效率很低。myron goldtein提出接地电性源的音频大地电磁法，它使用人工场源代替天然场源，在距离场源很远的地方(远区)电磁波接近平面波，取任意一组正交的水平电场、磁场分量之比，从而也得到了卡尼亚电阻率表达式。成果在地球物理勘探界引起了极大的反响，成为一种新的电法勘探方法，即可控源音频大地电磁法，缩写为csamt。特点有三：一是用人工电性场源；二是采集音频段电磁信号；三是仍用卡尼亚公式计算视电阻率。
[0005]
与大地电磁法相比，可控源音频大地电磁法克服了场源随机性的缺点，电磁信号强度得到提高，工作效率、勘探精度也有明显提高，但探测深度较小。之外，它的。该方法在金属矿、煤矿、地热以及水文、环境等探测领域得到了广泛的发展和应用。
[0006]
可控源音频大地电磁法也有它固有的缺点，卡尼亚视电阻率公式要求在“远区”的条件比较苛刻，随着探测深度的加大，“远区”条件要求的收发距加大，电磁场信号强度变小。因此，很多学者研究利用非“远区”电磁场数据进行推断解释，主要为两个方向，一是对“过渡区”数据进行改正，二是采用一个电磁场分量或水平正交电场、磁场比值数值计算全区视电阻率代替卡尼亚视电阻率。
[0007]
可控源音频大地电磁法是人工电性源频率域电磁测深的一种方法，它没有引进我国以前，我国学者开展了一种称为“频率测深法”的人工场源频率域电磁测深方法。频率深
测方法利用接地的水平电流源或者不接地回线形成的垂直磁偶源作为场源，测量电场分量或者磁场的分量，测量方式可以有多种不同的组合，涵盖了上述的可控源音频大地电磁法、磁偶源频率测深法。在实际工作中主要是采用接地的水平电流源(ab)和测量m、n两点之间电位差的ab-mn方式(即ab-ex方式)。频率测深法与可控源音频大地电磁法一样，要求在远区接收，此时将电偶极子场简化后得到视电阻率的表达式。频率测深法在野外是场源(ab)和接收机(mn)二者同时移动，在每个测点上测得不同频率的视电阻率进行测深，其工作效率低。
[0008]
2010年中国工程院院士何继善提出广域电磁法，将伪随机信号技术结合到频率测深法的人工场源控制、接收中。该方法一次发射、接收多个频率的电磁波场信号，电磁场数据的采集区域不局限于传统的可控源音频大地电磁法和“频率测深法”的“远区”，扩展了频率域电磁测深的适用范围，视电阻率计算既不沿用可控源音频大地电磁法的卡尼亚视电阻率公式，也不用“频率测深法”简化的“远区”视电阻率公式，而是采用单一电场或磁场分量的全区视电阻率公式。广域电磁法和伪随机信号电法结合起来，形成了独具特色的一种新的频率测深法，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和野外效率。
[0009]
广域电磁法是电性源的频率域电磁测深方法，与其它学者研究的频率测深法一样，电性源频率域电磁测深没有涉及ab-ey测量方式。目前国内外电性源电磁频率测深研究集中在ab-ex、ab-ex/hy(ey/hx)方式，ab-hz方式的电磁频率测深目前开展较少。对于ab-ey方式，电磁测深的经典著作《频率域和时间域电磁测深》(a.a.考夫曼，g.v.凯勒，1987年)提到“在地面任一点上，电场分量ey与频率无关，也就是说与趋肤效应无关”(p166)，认为水平电场ey分量不能进行测深，也就没有讨论该测量方式的电磁测深。在《电磁测深法原理》(朴化荣，1990年)一书中，认为“在人工源(或称可控源)频率测深方法中，一般采用ab供电偶极装置，而在远区利用mn装置测量电场的水平分量”(p37)，尽管没有明确是电场水平分量的哪一个，但也从没讨论ab-ey测量装置。何继善在《广域电磁法和伪随机信号电法》(2010年)中说，“电场的水平分量中 ey不含与频率有关的量，不能用来进行电磁测深(只可用于直流电法)。因此，在实际工作中，采用电流源的电磁测深只有测量电场水平分量ex、磁场分量hr、 hφ和磁场垂直分量hz这四种形式”。
[0010]
频率域电磁测深法又称频率测深法，传统电磁频率测深研究中认为，在地面电偶源ab发射时，均匀半空间大地表面电场的水平y分量ey，因为ey表达式不含有与频率相关的量，所以不能用来进行电磁测深,只可用于直流电法(几何尺寸测深)。
[0011]
电性源发射的电磁频率测深常用的装置有ab-ex、ab-hz、ab-ex/hy(ey/hx)，其中ab-ex/hy(ey/hx)工作装置衍生出可控源音大地电磁测深技术(csamt)， ab-ex工作装置是目前广域电磁法采用的工作装置。均匀大地表面电偶源在大地表面电场水平分量ex、hy、hx、hz与电导率关系复杂，导致ab-ex、ab-hz装置的视电阻率求取比较复杂，野外不能实时得到视电阻率测深曲线。csamt装置的ab-ex/hy(ey/hx)方式有一个“远区”的假设前提，视电阻率在过渡区、近区产生畸变。
[0012]
不难看出，现有技术中还存在诸多问题。


技术实现要素：

[0013]
为此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于ab-ey方式的频率域
电磁测探技术。
[0014]
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
[0015]
一种基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术，包括：
[0016]
定义均匀大地表面上电偶极子的电磁场；
[0017]
依据所述定义的均匀大地表面上电偶极子的电磁场来定义ab-ey方式视电阻率。
[0018]
进一步的，所述定义均匀大地表面上电偶极子的电磁场的定义方法为：
[0019]
设均匀大地表面有电偶极p，建立相应的笛卡尔坐标系，电偶距沿x轴。假设偶极电流为正弦波：
[0020]
e＝e0e-iwt h＝h0e-iwt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-1；
[0021]
稳定场的麦克斯韦方程为：
[0022][0023][0024]
式中e和h都是描述场的复变函数，可将电偶极的矢量位a定义如下：
[0025][0026]
联合式3-1和式3-2有：
[0027][0028][0029][0030]
式中k2＝iσμω，为波数的平方；矢量位a在θ方向为0，即矢量位a可写为：
[0031]
a＝(a
x
,0,az)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-6；
[0032]
得到均匀大地表面(z＝0)外上、下半空间矢量位a的x、z分量：
[0033][0034][0035][0036][0037]
式中由式3-4和式3-7经运算得到均匀大地表面柱坐标系下电场表达式：
[0038][0039][0040]ez
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-8；
[0041]
均匀大地表面柱坐标系下磁场表达式：
[0042][0043][0044][0045]
进一步的，所述定义ab-ey方式视电阻率的定义方法为：
[0046]
所述式3-8和式3-9是均匀大地表面的电磁场在柱坐标系下的表达式，在笛卡尔坐标系应用下式进行换算：
[0047][0048][0049]
得到：
[0050][0051][0052]
e-ex广域电磁测深中，应用式3-11求取全区视电阻率；
[0053]
式3-12中电场ey与均匀半空间大地电阻率ρ成正比，导出e-ey频率或电磁测深的视电阻率表达式：
[0054][0055]
一种基于ab-ey方式的频率域电磁测探装置，包括：
[0056]
水平电流源发射机，设有两个第一方向上的接地电极a与接地电极b，用于向地下供电；
[0057]
垂直测量接收机，设有两个第二方向上的接地电极m与接地电极n，用于测量电偶极矩垂直方向电场ey；
[0058]
其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
[0059]
进一步的，所述第一方向设为水平方向，所述第二方向设为垂直方向。
[0060]
进一步的，所述垂直测量接收机设置在测量区域内，所述测量区域包括：以所述接地电极a与所述接地电极b之间的中点为圆心，半径为大于勘探深度 1.8倍所形成的区域。
[0061]
进一步的，所述测量区域包括夹角δθ＝80
°
的方位角。
[0062]
进一步的，述测量区域包括5
°
～85
°
和95
°
～175
°
或185
°
～265
°
和 275
°
～355
°
的方位角。
[0063]
本发明提供的基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术及测探装置，ab-ey方式频率域电磁测深法的视电阻率表达式关系简单，视电阻率与 ey/i成正比，野外可以快速求取视电阻率，甚至利用u
mn
/i曲线判断电磁测深是否探测到拟探测目标层。不
用迭代计算视电阻率，可以直接快速计算视电阻率；通过低频段视电阻率曲线渐近线，快速判断当前装置的最大勘探深度；使用较小的收发距探测到较深的电性异常体。本发明作为一种新的频率域电磁勘探方法，在电磁干扰区开展频率域电磁勘探，通过干扰源分析可以有目的性地选择 ex或ey不同装置方式，避开电磁干扰。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0065]
图1是本发明所述设定的均匀大地中的坐标系示意图；
[0066]
图2是本发明所述实际项目一中发射-接收位置关系示意图；
[0067]
图3是本发明所述实际项目一中3线950附近视电阻率测深曲线示意图；
[0068]
图4是本发明所述实际项目一中3线4500附近视电阻率测深曲线示意图；
[0069]
图5是本发明所述实际项目二中864号点视电阻率曲线示意图；
[0070]
图6是本发明所述实际项目三中试验收发位置关系示意图；
[0071]
图7是本发明所述实际项目三中144线169号点视电阻率曲线示意图；
[0072]
图8是本发明所述实际项目三中200线177号点视电阻率曲线示意图；
[0073]
图9是本发明所述实际项目三中185线视电阻率拟断面图；
[0074]
图10是本发明所述实际项目三中185线反演电阻率断面图；
[0075]
图11是本发明所述的csamt标量测量范围示意图；
[0076]
图12是本发明所述的csamt标量测量范围综合意图；
[0077]
图13是本发明所述的均匀大地表面水平电场等值线图；
[0078]
图14是本发明所述的小收发距视电阻率曲线示意图；
[0079]
图15是本发明所述的不同厚度盖层下视电阻率曲线示意图；
[0080]
图16是野外umn/i与快速视电阻率曲线示意图；
[0081]
图17是收发距与视电阻率曲线关系示意图；
[0082]
图18是本发明提供的基于ab-ey方式的频率域电磁测探装置示意图。
具体实施方式
[0083]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0084]
实施例
[0085]
需要说明的是，电磁测深法分为频率域和时间域两种，狭义的频率域电磁测深法也就是人工源频率域电磁测深，由于垂直磁性源过于笨重，野外操作不便，使用较少。水平电流(性)源由一对接地的供电偶极组成，可以通过加大发射电流、电极距的方式增大供电偶极偶极矩，提高信噪比，得到普遍使用，我们常见的可控源音频大地电磁法(csamt)、广域
电磁法(wfem)都使用水平电流源作为人工场源。csamt通过测量一对垂直的电场、磁场分量进行探测，wfem 通过测量电偶极矩方向电场ex进行探测(ab-ex)，项目研究提出了一种水平电流源ab发射、测量电偶极矩垂直方向电场ey的频率域电磁测深方法技术 (ab-ey)。
[0086]
研究从水平电偶极均匀半空间水平电场y分量ey表达式分析入手，认为表达式中电导率σ是一个与频率相关的量σ(f)，对于非均匀半空间大地，反应了频率f的电磁波影响范围(趋肤深度)内地质体的等效电阻率。通过对比分析水平层状电性断面数值计算得到的ab-ex、ab-ey两种装置方式的视电阻率曲线，认为ab-ey方式同样可以进行电磁测深。在正演数值计算的基础上，在实际物探等项目进行了ab-ey装置方式进行了研究，通过ab-ey、ab-ex装置方式采集数据的处理解释和对比研究，进一步验证了ab-ey方式开展电磁测深的可行性。本发明还探讨了ab-ey方式野外数据的采集范围，仅在电偶极矩方向(赤道、x 轴)及其垂直方向(轴向、y轴)张角5
°
范围不能进行数据采集。分析研究ab-ey 方式视电阻率特点时发现，频率低于一定数值后ab-ey视电阻率趋于一个固定值，从而确定探测技术方法的最大勘探深度，采用ab-ey方式可用较小的收发距得到较大的勘探深度，从而提高数据的信噪比。
[0087]
电偶源ab-ey频率电磁测深不仅突破了传统频率电磁测深的概念，而且可以在同一电流源发射进行频率电磁测深时，有目的性地选择ex或ey方式测量避开电磁干扰，扩大数据采集范围，提高野外生产效率，节约成本。
[0088]
下面对本发明进行较为详细叙述：
[0089]
一种基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术，包括：
[0090]
定义均匀大地表面上电偶极子的电磁场；
[0091]
依据所述定义的均匀大地表面上电偶极子的电磁场来定义ab-ey方式视电阻率。
[0092]
需要说明的是，频率域电磁测深法由于电性源野外施工简单，得到普遍应用。如我们熟悉的csamt熟悉的勘探方法，它采用2个接地电极a、b向地下供电，在相对远区测量一对电场、磁场分量。由于ab间距离远小于ab到mn间的距离(收发距)，供电a、b场源可以看作为电偶极，因此，这里首先介绍均匀大地表面的电偶极电磁场。
[0093]
作为优选，所述定义均匀大地表面上电偶极子的电磁场的定义方法为：
[0094]
如图1所示，设均匀大地表面有电偶极p，建立相应的笛卡尔坐标系，电偶距沿x轴。假设偶极电流为正弦波：
[0095]
e＝e0e-iwt h＝h0e-iwt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-1；
[0096]
稳定场的麦克斯韦方程为：
[0097][0098][0099]
式中e和h都是描述场的复变函数，可将电偶极的矢量位a定义如下：
[0100][0101]
联合式3-1和式3-2有：
[0102][0103][0104]
[0105]
式中k2＝iσμω，为波数的平方；矢量位a在θ方向为0，即矢量位a可写为：
[0106]
a＝(a
x
,0,az)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-6；
[0107]
经推导计算(可查阅相关经典著作)，得到均匀大地表面(z＝0)外上、下半空间矢量位a的x、z分量：
[0108][0109][0110][0111][0112]
式中由式3-4和式3-7经运算得到均匀大地表面柱坐标系下电场表达式：
[0113][0114][0115]ez
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-8；
[0116]
均匀大地表面柱坐标系下磁场表达式：
[0117][0118][0119][0120]
作为优选，所述定义ab-ey方式视电阻率的定义方法为：
[0121]
所述式3-8和式3-9是均匀大地表面的电磁场在柱坐标系下的表达式，在笛卡尔坐标系应用下式进行换算：
[0122][0123][0124]
得到：
[0125][0126]
[0127]
e-ex广域电磁测深中，应用式3-11求取全区视电阻率；由于电场ex中包含均匀半空间电阻率ρ的隐含项视电阻率的求取只能借助迭代或其它计算数学方法求取，全区视电阻率与电场e
x
的关系也不是很直接。
[0128]
式3-12中电场ey与均匀半空间大地电阻率ρ成正比，导出e-ey频率或电磁测深的视电阻率表达式：
[0129][0130]
作为优选，本发明还进一步研究了对水平层状大地表面电偶极的电磁场。
[0131]
水平层状大地表面电偶极的电磁场表达式最初是由tikhonov于1947年提出来的，vanyan在1965年的《电磁测深基础》专著中做了详细叙述。推导首先基于一个事实：阻止平行层间界面电流流动的电阻率ρ_l和阻止垂直于分界面电流流动的电阻率ρ_n是不同的，某层的各向异性系数定义为该数值总是大于1，表3-1是某些岩石的典型值。
[0132]
表3-1各种岩石电性的典型各向异性值
[0133]
岩石λρn/ρ
l
层状泥岩1.02-1.051.04-1.10页岩砂岩互层1.05-1.151.10-1.32层状砂岩1.10-1.291.20-1.65板状页岩1.10-1.591.20-2.50煤系地层1.73-2.553.00-6.50无烟煤2.00-2.554.00-6.50石墨质板岩和碳质岩互层2.00-2.754.00-7.50
[0134]
推导从层间电阻率ρn与层内电阻率ρ
l
的不同入手，得到界面间的递推关系，最终得到水平层状大地表面电偶极的电场表达：
[0135][0136][0137]ez
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3-14。
[0138]
水平层状大地表面电偶极的磁场表达：
[0139][0140][0141][0142]
式中ρ为层内电阻率ρ
l
，r
*
、r等其它参数分别为
[0143][0144][0145][0146][0147]
上述是柱坐标系中的表达式，与均匀大地表面电磁场一样，利用(3-10) 式求解笛卡尔坐标系下的e
x
、ey、h
x
、hy。
[0148]
水平层状大地表面电偶极的电磁场表达式都是贝塞尔函数在(0，∞)区间的积分，这些积分式实际是一种汉克尔变换式，层状大地表面电偶极、磁偶极的电磁场数值计算一般都是通过快速汉克尔变换实现。这里简单叙述快速汉克尔变换正演计算的原理步骤。
[0149]
层状大地表面电偶极、磁偶极的电磁场可以统一写成：
[0150][0151]
式中jn是n阶第一类贝塞尔函数，实数n大于-1，引入变换式
[0152]
λ＝e-μ
/r0[0153]
r＝r0evꢀꢀꢀꢀ
式3-18；
[0154]
式中μ,ν为快速汉克尔变换中的新变量，区间为(-∞，∞)；r0为选定的常数。引入新函数
[0155]
f(μ)＝f(λ)λ g(ν)＝g(r)r
[0156]
式(3-17)重写为
[0157][0158]
也就是说，g是函数f和hn的褶积，这里hn(μ)＝jn(μ)e
μ
。它的离散形式为：
[0159][0160]
依据式3-18，上述离散形式表达式的实际数值计算式可写为：
[0161][0162]
式中称为快速汉克尔变换滤波系数，可以通过富里叶变换得到，也可以通过公开渠道获得。
[0163]
下面结合实际物探项目来对本发明做进一步阐述：
[0164]
实际项目一，地热勘探：
[0165]
该勘探区地层由老到新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、新近系和第四系，奥陶系的埋深在2000m左右。物探工作选择广域电磁法，地质任务是有2个，一是解释奥陶系灰岩的起伏形态，二是解释奥陶系、寒武系地层中的相对富水地段，为地热井井位选择提供地质依据。在进行ab-ex装置方式广域电磁探测的同时，进行了ab-ey方式的探测试验(测深对比)，2种方式共用发射场源，发射—接收位置示意图如图2所示。参数如下：
[0166]
ab长度为946m；
[0167]
发射电流90a；
[0168]
mn极距100m；
[0169]
收发距约13km；
[0170]
测量频组：3、5、6、7、9、11。
[0171]
勘探在完成108个ab-ex装置方式生产物理点的基础上进行了8个ab-ey 装置方式的对比研究。
[0172]
如图3所示，是3线950附近(测点共用桩号950作为1个电极)的2种装置方式视电阻率曲线，与前面正演结果类似，频率大于0.8hz时(探测深度约3500m)2种方式的视电阻率测深曲线一致，频率小于0.8hz后ab-ey装置方式视电阻率趋于一个固定值。
[0173]
如图4所示，是3线4500附近的2种装置方式视电阻率曲线，2种装置方式的曲线形态一致。与3线950点不同的是，ab-ey装置方式视电阻率曲线在低频段没有趋于一个固定值，而是随频率的降低视电阻率增大，分析认为产生的原因可能是：
[0174]
1、3线950点附近的omn与ab的夹角为105.2
°
(75.8
°
)，而3线4500 点的夹角为89.7
°
(近似垂直)，后者不利于ab-ey方式的数据采集；
[0175]
2、正演研究是基于水平层状大地，实际上，勘探区南北向断裂构造发育，这种局部
电性异常体导致ab-ey装置方式低频段视电阻率曲线与层状模型差别大。
[0176]
实际项目二，页岩气探测：
[0177]
页岩气探测项目的地质任务是通过广域电磁法解译推断4000米以浅的地层及构造特征，分析解释岩溶裂隙发育情况。勘探区由新到老出露地层有中侏罗统千佛岩组、沙溪庙组，下侏罗统白田坝组；上三叠统须家河组，中三叠统嘉陵江组、关岭组，下三叠统大冶组；上二叠统吴家坪组，中二叠统阳新组，下二叠统梁山组；下志留统龙马溪组、新滩组和罗惹坪组；中上奥陶统宝塔组，下奥陶统赵家坝组、西凉寺组；中寒武统西王庙组，下寒武统牛蹄塘组、石牌组、仙女洞组、沧浪铺组、石龙洞组；下震旦统陡山沱组和上震旦统灯影组；元古界南华系分布局限，仅见上南华统南沱组。探测的主要目的层为下寒武统牛蹄塘组及上部碳酸盐岩地层。
[0178]
广域电磁勘探采用ab-ex装置方式采集数据，发射场ab极距为1000m，接收电极mn极距100m，收发距r约17km，ab与omn的夹角为76
°
。受地电条件影响，最大供电电流58a，数据采集6个频组40个频点、频率范围0.0117～8192hz。探测中进行了一个点的ab-ey装置方式的频率域电磁测深试验，m电极位于864 号点，n电极垂直测线，电极距100m；如图5所示，是该点附近2种装置方式的视电阻率曲线，2种方式得到的视电阻率曲线在频率小于10hz差别较大，分析发现ab-ex方式在频率小于10hz时信噪比低，电阻率测深曲线与地层电性不符。按探测得到的所有测点视电阻率估算，10hz的勘探深度约1800m，864号点附近牛蹄塘组地层的埋深约2000m，ab-ey装置方式的视电阻率曲线与地层电性特征更为接近。
[0179]
实际项目三，煤田勘探：
[0180]
该煤田勘探项目内容包含有0.5km2的高密度三维地震、瞬变电磁勘探数据采集及相关研究，完成解释技术综合研究的同时，我们开展了相应的广域电磁 ab-ex装置方式和频率域电磁测深ab-ey装置方式的方法技术研究。
[0181]
发射场ab极距为996m，ab-ey装置方式接收电极mn极距40m，ab-ex装置方式广域电磁接收mn极距80m,收发距r约5km，ab与omn的夹角范围为59
°
～ 76
°
。最大供电电流58a，数据采集4、6、7、8、9、10、11等7个频组、频率范围0.625～8192hz。ab-ey装置方式采集物理点170个，ab-ex装置方式采集物理点141个，测点网度80m
×
40m，示意如图6所示。试验区内有沿燃气管线的光纤通讯1条，高压线2条，光纤和高压线近似平等ey，对数据有一定的影响。
[0182]
如图7所示，是144线169号点ab-ex、ab-ey装置方式视电阻测深曲线，测点位于光纤通讯线西约480m，距离高压线560m。从视电阻率曲线看，在1000hz 附近都有光纤干扰，受高压线干扰小。两种装置方式的视电阻率形态基本一致，低频段都趋于1个固定值，ab-ey、ab-ex装置方式视电阻率趋于固定值的频率分别为4hz、2hz，4hz时ab-ey方式估算探测深度3000m。
[0183]
如图8所示，是200线177号点的视电阻率曲线，测点位于高压线正下方，离光纤通讯线70m,高频段受光纤通讯线干扰大，另外50hz高压线也有影响，但仅干扰2～3个频点。
[0184]
分析所有测点的视电阻率测深曲线，与模型分析结果一样，ab-ey装置方式视电阻率在低频段趋于一个固定值，也就是相当直流电法的视电阻率。
[0185]
如图9所示，是沿东西x方向185测线视电阻率拟断面图，图中可以看出2 种方式的视电阻率拟断面图特征相似，在60hz附近有一个低阻电性层。但他们也有差别，ab-ey方式在208附近有一个局部低阻异常，ab-ex方式也有一个相应的低阻异常，特征不明显，而且异
常在东侧(大号点)向浅部延伸。
[0186]
如图10所示，是185线拟bostick反演电阻率断面图，图中可以看出，ab-ex 方式东侧浅部为低电阻率，而ab-ey方式整个测线的浅部都是高电阻率，这是由于ab-ex方式东侧离光纤较远且mn电极与光纤近似垂直，受光纤干扰影响小。从电阻率等值线与3#煤层的关系看，好像ab-ey方式电阻率等值线近似与煤层线平行。作为本溪组泥岩低阻的反应，ab-ey方式深部低阻特征明显。
[0187]
上面的分析表明，ab-ey方式频率域电磁测深与ab-ex方式广域电磁测深一样可以进行频率测深，并且可以通过选择不同的装置方式避开已知的电磁干扰。
[0188]
作为优选，下面对ab-ey方式技术进行进一步阐述：
[0189]
张角标量范围的阐述：
[0190]
2015年可探源音频大地电磁法技术规程的资料性附录中，对测量范围进行了推荐，如图11所示。赤道旁侧标量测量ex/hy的范围一般位于供电电极中垂线两侧30
°
张角、收发距大于4倍的趋肤深度的区域，低频测量时张角适当减小。标量测量ey/hx的范围位于供电电极中点的两条斜对称轴25
°
张角、收发距大于3倍趋肤深度的区域，低频测量时张角适当减小。在一般勘探区不是很大时，一般也是按上述规定执行。
[0191]
事实上，在提出可控音频大地电磁电磁法(可控源音频大地电磁法，何继善等译)时，认为可以测量的范围比上述范围要大得多，ey/hx方式测量时仅在坐标轴两侧张角2.5
°
范围不可测量(如图11中b所示)，ex/hy测量的范围也要大得多(如图11中a所示)。这样，标量ex/hy、ey/hx测量的范围可以用图 12表示，重叠区域可以进行两种方式的测量，广域电磁ab-ex、频率测深ab-ey 应该也是如此，范围应该更宽。
[0192]
如图13所示，是ab发射场源位于0点、发射电流为1安培、发射频率为 30hz情况下均匀大地电阻率为50欧姆
·
米的水平电场x分量ex、y分量ey平面等值线(单位μv/m)，图中的纵横坐标用收发距r与趋肤深度δ的比。图4-18 上中可以看出，ey仅在y两侧很小的范围内信号弱，考虑到现代仪器电子技术的水平，在2.5
°
张角外测量是可行的。
[0193]
在山东微山地热能探测研究实例中，3线4500点与y轴的夹角仅0.3
°
(ab 与omn夹角89.7
°
)，小于2.5
°
张角，得到的ab-ey视电阻率曲线与ab-ex的在有效频率范围形态一致。
[0194]
收发距范围的阐述：
[0195]
前面已经提到，收发距小于1.8倍勘探深度时ab-ey装置方式视电阻率趋于一个固定值，再改变频率不能进行频率电磁测深，也就是说，ab-ey装置方式的最大勘探深度为收发距的5/9(收发距除以1.8)。下面建立一个2层地电模型，第一层的埋深为800m，电阻率为100欧姆
·
米，第二层的电阻率分别为10 欧姆
·
米、1000欧姆
·
米，正演计算收发距1500米、ab与omn夹角30
°
。
[0196]
如图14所示，是上述参数正演计算得到的视电阻率曲线，曲线表明用1500m 收发距可以探到厚度800m、电阻率100欧姆
·
米覆盖层下的另一个电性层。
[0197]
与图14地电类似，建立一个2层地电模型，第一层电阻率为100欧姆
·
米，第二层的电阻率分别为10欧姆
·
米，盖层的厚度分别为800、1200、1500、2000 米，正演计算收发距1500米、ab与omn夹角30
°
。如图16所示，是上述参数正演计算得到的视电阻率曲线，盖层厚度大于1500m(视电阻率仅改变4％)时收发距1500m不足于探测到下部的地层。
[0198]
上面的分析表明，收发距为1.8倍的覆盖层厚度可以探测到覆盖层下的地质体，甚
至收发距1.25倍的覆盖层厚度可以探测到覆盖层下的地质体。
[0199]
综上所述，不难得出，频率域电磁测深法的csamt视电阻率广域电磁法ab-ex装置方式的视电阻率ex装置方式的视电阻率是一个包含复宗量指数的函数，视电阻率的计算只能借助迭代方法，迭代的初始值影响计算的速度。而ab-ey装置频率域电磁测深法的视电阻率ey装置频率域电磁测深法的视电阻率表达式关系简单，视电阻率与ey/i成正比，野外可以快速求取视电阻率，甚至利用umn/i曲线判断电磁测深是否探测到拟探测目标层。
[0200]
如图16所示，是某一个实际煤矿实测y方向电流归一化mn电位差与视电阻率曲线，图中可以看到2条曲线在对数坐标下平行。通过分析电位差曲线可以间接分析视电率曲线，依据勘探区的已知的电性条件，可以判断出是否探测到目标层，如图中电阻率曲线在频率小于100hz时随着频率的降低电阻率增大，反映了本溪组低阻铝土岩地层进入奥陶系高阻灰岩地层，分析采集参数是否满足勘探任务要求。
[0201]
人工源频率域电磁测深勘探中绕不开的一个问题是，发射、接收距离多少时能达到目的勘探深度，csamt勘探中早期认为收发距为4倍以上的最大勘探深度是合适的(dz/t0280-2015,可探源音频大地电磁法技术规程)，随着技术应用的研究，有学者认为收发距为9倍以上的趋肤深度(13倍勘探深度)才能满足远区条件(何继善，广域电磁法和伪随机信号电法)，在实际应用中，为了平衡远区条件和高信噪比，收发距普遍采用6～8倍的勘探深度。这是由于频率域电磁勘探中人工建立的电磁场源的远区、过渡区、近区3个分带，远区的电磁波场为平面波，通过改变频率达到测深；过渡区的电磁波介于平面波与球面波之间，通过改变频率也可以进行测深，广域电磁法的先进性就是利用了人工场源的过渡区信息；近区的电磁波场为球面波，改变频率没有测深作用，测深由发射—接收装置的空间位置关系(几何尺寸)决定，视电阻率实际是直流电法的视电阻率。
[0202]
在实际工作中，csamt勘探通过双对数坐标下卡尼亚视电阻率—频率曲线 45
°
上升判断测深进入了近场区，而ab-ex装置方式的广域电磁测深没有很好的判别标准。通过研究ab—ey装置方式的视电阻率曲线，随着频率的降低，视电阻率趋于某个固定值，频率再变小时视电阻率基本不改变，也就是进入近场区，已经不能进行频率测深。
[0203]
如图17所示，是收发距与趋肤深度比、视电阻测深曲线综合图，图中可以看到，若按收发距小于4倍趋肤深度范围定义近场区，也就是频率小于9hz进入近场区，实际上ab-ex、ab-ey两种装置方式的视电阻率还处于上升期，还可以进行频率测深。图中显示收发距小于1.3倍趋肤深度(频率小于4hz)时ab-ey 装置方式视电阻率才趋于一个固定值，再改变频率不能进行频率电磁测深，但 ab-ex装置方式视电阻率还在变化。在电磁测深勘探中，探测深度用√2/2倍的趋肤深度估算，即收发距小于1.8探测深度时ab-ey装置方式视电阻率才趋于一个固定值。
[0204]
上面分析表明，上述电性断面情况下ab-ey装置方式的最大勘探深度为收发距的5/9(收发距除以1.8)，这与直流电测深的最大勘探深度用ab/2估算非常相类似。而ab-ex装置方式没有这种特点。
[0205]
参见图18，图18为本发明提供的一种基于ab-ey方式的频率域电磁测深装置的示意图。
[0206]
本发明提供的基于ab-ey方式的频率域电磁测深装置，属于电磁测深技术领域，解决了传统电磁频率测深的技术缺陷，采用基于ab-ey式频率域电磁测深装置，视电阻率可以很快求取，野外可以实时得到视电阻率测深曲线；该基于ab-ey式频率域电磁测深装置，不仅突破了传统电磁频率测深的概念，而且可以扩大同一场源时电磁频率测深范围，提高野外生产效率，节约成本。
[0207]
继续参见图18，本发明提供的基于ab-ey方式的频率域电磁测深装置，其包括水平电流源发射机10和垂直测量接收机20，水平电流源发射机10设有两个第一方向上的接地电极a与接地电极b，用于向地下供电；垂直测量接收机 20设有两个第二方向上的接地电极m与接地电极n，用于测量电偶极矩垂直方向电场ey；其中，第一方向与第二方向相互垂直，即是mn方向与ab方向垂直，具体优选地，如图17中所示，第一方向设为水平方向，第二方向设为垂直方向。
[0208]
继续参见图18，本实施例中，垂直测量接收机20设置在测量区域30内，该测量区域30设置为，如图17中所示，以接地电极a与接地电极b之间的中点为圆心，半径为大于勘探深度1.8倍所形成的区域；具体地，该测量区域30 具体包括夹角δθ＝80
°
的方位角。
[0209]
本实施例中，进一步优选地，该测量区域30包括5
°
～85
°
和95
°
～175
°
或者是185
°
～265
°
和275
°
～355
°
的方位角。
[0210]
综上所述，本发明提供的基于ab-ey方式的频率域电磁测探技术，ab-ey方式频率域电磁测深法的视电阻率表达式关系简单，视电阻率与 ey/i成正比，野外可以快速求取视电阻率，甚至利用u
mn
/i曲线判断电磁测深是否探测到拟探测目标层。不用迭代计算视电阻率，可以直接快速计算视电阻率；通过低频段视电阻率曲线渐近线，快速判断当前装置的最大勘探深度；使用较小的收发距探测到较深的电性异常体。本发明作为一种新的频率域电磁勘探方法，在电磁干扰区开展频率域电磁勘探，通过干扰源分析可以有目的性地选择 ex或ey不同装置方式，避开电磁干扰。
[0211]
本发明提供的“基于ab-ey方式的频率域电磁测深装置”项目，突破了传统电磁频率测深ab-ey工作装置不能测深的概念，实现了电偶源ab发射、垂直偶极子的y方向电场分量ey可以进行电磁频率测深，提出了频率域电磁测深法的一种新方法技术——ab-ey方式，拓展了频率测深野外工作装置。这样，同一电偶源发射时在ex分量数值小的地段可以测量ey分量，扩大了同一场源电磁频率测深范围，提高了野外生产效率，节约野外施工成本。同时，采用ex方式采集数据的mn电极与高压线、动力电线、光纤等电磁干扰源方向一致时，可以选择mn电极与干扰源方向垂直的ey方式采集数据，抑制电磁干扰。
[0212]
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实例描述的具体特征、结构或者特点包含在本技术概括描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明内。尽管这里参照本发明的多个解释性实例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方
式，这些修改和实施方式降落在本技术公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本技术公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题结合布局的组成部件和/ 或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显。