基于天然电场的四维物探方法技术

本发明专利技术公开一种基于天然电场的四维物探方法，它是在现场数据采集前对探测工程进行完备的设计，通过探测仪器在地面同步采集每条测线上多根探针接收的天然电磁波穿透地层结构后在地表形成的分布电场信号并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，上位机读取探测数据经综合统计后绘制测线四维物探剖面图并对存在特征信息的测线进行定性、定量分析，然后综合多条测线的探测分析结果得出探测工程结论。其有益效果是：在有效运用频域三维物探方法的基础上引入随时间变化的特征参数而形成的四维物探方法，与现有物探方法相比：探测仪器所需存储空间少、同步探测测点数据的关联性好且抗干扰能力强，能对探测目标地质体进行定性、定量的综合分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于地球物理探测技术，具体地说是一种基于天然电场的四维物探方法。
技术介绍
天然电场法是大地电磁测深法（Magnetotelluric Sounding，简称MT）中的一种，MT法是苏联学者Tikhonov(1950)和法国学者Cagniard(1953)50年代初提出来的利用天然交变电磁场研究地球电性结构的一种地球物理勘探方法；由于它不用人工供电、成本低、工作方便、不受高阻层的屏蔽、对低阻层分辨率高，而且勘探深度随电磁场的频率而异，浅可以几十米，深可达数百公里，因此，近年来在许多领域都得到了成功的应用，引起了地球物理学家的广泛兴趣和极大的重视。天然电场法利用雷电场和游散电流场作为场源，以岩矿石电阻率差异为基础，在地面沿特定的剖面测量大地电场的水平分量，并通过对其变化规律的研究来解决水文、工程地质和找矿勘探等地质任务；由于不需要人工供电，可省去笨重的供电设备，因此具有简单、轻便、经济、效率高等特点。天然电场探测方法类似于音频大地电磁法，所不同的是野外工作中只测量单方向的大地电场的水平分量，在场源上除了利用天然电磁场变化在大地中感应的大地电流之外，还利用了工业游散电流场。随时间变化的天然电磁场在大地中感应出电流，这种地电流频谱宽、分布广、能量丰富，是一种能解决地质任务的天然场源。天然电场产生的原因很复杂，通常认为频率大于1Hz的天然电场主要是由赤道地区雷电放电产生的，局部地区是由工业游散电流及谐波引起的。大地电磁场的振幅、频率、方向均随时间而随机变化，但这种随机有一定的规律性；如具有同源性，这表现在某一瞬间，在几百平方公里范围内，场的振幅、频率和强度均能同步变化。天然电场的场源是由雷电和游散电流场组成的，由远处传输来的雷电电磁场，可近似看成一个平面电磁波，它的传输特性满足麦克斯威方程组；至于游散电流场，当它刚入地时电流线呈放射状，而远离接地点时，可近似认为电流线互相平行，可视为似稳的均匀电场，它在物探方面的应用原理与直流电法中的中间梯度相类似。现有的天然电场探测中，一般是“探针+电缆+仪器”探测方式，探测仪器通过探测电缆与探针相连以接收探针获得的地表每个测点的电磁场信息，每个测点信息的获取至少需要2根探针，通常称探针与探针之间的距离为“极距”、测点与测点之间的距离为“点距”，极距大小取决于勘查纵深范围要求，而点距大小决定了勘查的平面精度。现有方法的实际探测工程中，为得到满足要求的极距和点距，需频繁移动探针或布置大量的探针和探测电缆（或探针与仪器的连接线），存在以下不足：（1）效率低 对于仅配2根探针的仪器，采集一个测点的数据只需几秒到几分钟的时间（因探测深度不同而不同），而移动探针并布置好一个测点往往需要几十分钟，对于配置多探针的仪器，每探针在满足极距和点距要求的同时还需布置一根与仪器的连接线，布线繁琐且工程量大；（2）探测数据的时空差异大 现有探测方式需逐个测点进行数据采集，测点之间采集数据的起始时刻相隔较长，造成各测点数据取样时的时空条件不一，增加了后续数据分析与解释的困难；（3）数据解析能力差 现有的探测方式中，大都采用基于时域数据分析的二维或三维方法，难以解决较为复杂地质工程问题。现有天然电场探测方法中，对地下地质体的频域特征研究较少，能否专利技术一种根据地下地质体频域特征来分析地层结构的物探方法，目前国内外科技界一直没有解决，尚无相关的研究成果和产品报道。
技术实现思路
针对目前物探方法存在的不足，本专利技术为解决该问题提供了一种基于天然电场的四维物探方法。本专利技术的术方案是：在频域三维物探基础上引入随时间变化的特征参数，通过探测仪器在地面同步采集每条测线上多根探针接收的天然电磁波穿透地层结构后在地表形成的分布电场信号并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，由上位机读取探测数据经综合统计后绘制测线四维物探剖面图并对存在特征信息的测线进行定性、定量分析，然后综合多条测线的探测分析结果得出探测工程结论；分以下四个步骤进行：（1）按照探测工程的具体要求，设计能满足探测要求的K条测线以及每条测线的测深个数J、重复探测次数I和相应的探测参数；（2）通过探测仪器同步采集每条测线上多个测点的天然电场信息，每个测深重复采集I次并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，直到采集完第J个测深后再进行下一条测线探测；（3）上位机读取探测装置保存的测线探测数据，综合统计测线上每个测深的每个测点的I次重复探测数据及其动态信息、裂隙信息的识别结果，绘制测点信号谱图和测线四维物探剖面图并进行测线低值异常判断，若测线存在动态信息、裂隙信息、低值异常则相应地进行地下径流、地下空区、断裂构造的定性、定量分析，否则进行下一条测线分析，直到完成第K条测线分析；（4）综合K条测线探测分析结果得出探测工程结论，对探测目标地质体进行综合评估。在本专利技术中，测深h与探测仪器工作频率关系为fc＝ (1591.58/h)2；所述的探测参数包括采样频率fs=k1+k2*(fc-k3)、分析半带宽B=k4+k5* (fc-k3)、细化倍数D=fs/2B、滤波器的半阶数M=4D、采样数据个数N=2M+511D；当1Hz <fc≤10Hz时，取系数k1=12.8、k2=5.6889、k3=1.0、k4=0.6、k5=0.26667；当10Hz <fc≤100Hz时，取系数k1=64.0、k2=3.5556、k3=10.0、k4=3.0、k5=0.03333；当100Hz <fc≤500Hz时，取系数k1=384.0、k2=2.24、k3=100.0、k4=6.0、k5=0.0175；当500Hz <fc≤1200Hz时，取系数k1=1280.0、k2=1.77、k3=500.0、k4=13.0、k5=0.01143；当1200Hz <fc<6000Hz时，取系数k1=3648.0、k2=1.95、k3=1200.0、k4=16.0、k5=0.002917。在本专利技术中，探测仪器由16根探针、2段信号电缆、1个探测装置组成；16根插入地表的探针用于接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号，分别经2段信号电缆（每段电缆软件8根探针、探针间距大小可探测任务要求选择）连接到探测装置；探测装置采用以DSP+CPLD为核心的结构设计，具有信号调理、16通道信号同步采集、ZFFT频谱细化、特征信息识别和数据保存等功能。在本专利技术中，特征信息识别方法是：针对探测仪器接收天然电场信号并细化得到分析带宽fc-B～fc+B的分辨率为∆f的256条谱线，在频谱中搜索出最大幅值FMAX对应的谱线LMAX及另外12个次大幅值谱线LMAX1、LMAX2、…、LMAX12并同时计算频谱的平均幅值FJ、最大幅值谱线LMAX及其前后各3条谱线一起的平均幅值FJ0；接着缓存256条谱线到另一指定存储区，在其中按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则找出频谱中的所有极值点，再将幅值小于FMAX/30的极值点置0，结合原频谱计算次大极值点谱线JMAX1、JMAX2及其前后各3条谱线一起的平均幅值FJ1、FJ2；当极点数＜3进行裂隙信息识别，当3≤极点数＜30进行动态信息识别，极点数≥30无特征信息退出识别，此时的主频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天然电场的四维物探方法，其特征在于：在频域三维物探基础上引入随时间变化的特征参数，通过探测仪器在地面同步采集每条测线上多根探针接收的天然电磁波穿透地层结构后在地表形成的分布电场信号并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，由上位机读取探测数据经综合统计后绘制测线四维物探剖面图并对存在特征信息的测线进行定性、定量分析，然后综合多条测线的探测分析结果得出探测工程结论；分以下四个步骤进行：步骤一，按照探测工程的具体要求，设计能满足探测要求的K条测线以及每条测线的测深个数J、重复探测次数I和相应的探测参数；步骤二，通过探测仪器同步采集每条测线上多个测点的天然电场信息，每个测深重复采集I次并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，直到采集完第J个测深后再进行下一条测线探测；步骤三，上位机读取探测装置保存的测线探测数据，综合统计测线上每个测深的每个测点的I次重复探测数据及其动态信息、裂隙信息的识别结果，绘制测点信号谱图和测线四维物探剖面图并进行测线低值异常判断，若测线存在动态信息、裂隙信息、低值异常则相应地进行地下径流、地下空区、断裂构造的定性、定量分析，否则进行下一条测线分析，直到完成第K条测线分析；步骤四，综合K条测线探测分析结果得出探测工程结论，对探测目标地质体进行综合评估。...

【技术特征摘要】
1.一种基于天然电场的四维物探方法，其特征在于：在频域三维物探基础上引入随时间变化的特征参数，通过探测仪器在地面同步采集每条测线上多根探针接收的天然电磁波穿透地层结构后在地表形成的分布电场信号并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，由上位机读取探测数据经综合统计后绘制测线四维物探剖面图并对存在特征信息的测线进行定性、定量分析，然后综合多条测线的探测分析结果得出探测工程结论；分以下四个步骤进行：步骤一，按照探测工程的具体要求，设计能满足探测要求的K条测线以及每条测线的测深个数J、重复探测次数I和相应的探测参数；步骤二，通过探测仪器同步采集每条测线上多个测点的天然电场信息，每个测深重复采集I次并实时进行频谱细化、特征信息识别后保存，直到采集完第J个测深后再进行下一条测线探测；步骤三，上位机读取探测装置保存的测线探测数据，综合统计测线上每个测深的每个测点的I次重复探测数据及其动态信息、裂隙信息的识别结果，绘制测点信号谱图和测线四维物探剖面图并进行测线低值异常判断，若测线存在动态信息、裂隙信息、低值异常则相应地进行地下径流、地下空区、断裂构造的定性、定量分析，否则进行下一条测线分析，直到完成第K条测线分析；步骤四，综合K条测线探测分析结果得出探测工程结论，对探测目标地质体进行综合评估。2.根据权利要求1所述的基于天然电场的四维物探方法，其特征在于：所述的测深h与探测仪器工作频率关系为fc＝ (1591.58/h)2；所述的探测参数包括采样频率fs=k1+k2*(fc-k3)、分析半带宽B=k4+k5* (fc-k3)、细化倍数D=fs/2B、滤波器的半阶数M=4D、采样数据个数N=2M+511D；当1Hz <fc≤10Hz时，取系数k1=12.8、k2=5.6889、k3=1.0、k4=0.6、k5=0.26667；当10Hz <fc≤100Hz时，取系数k1=64.0、k2=3.5556、k3=10.0、k4=3.0、k5=0.03333；当100Hz <fc≤500Hz时，取系数k1=384.0、k2=2.24、k3=100.0、k4=6.0、k5=0.0175；当500Hz <fc≤1200Hz时，取系数k1=1280.0、k2=1.77、k3=500.0、k4=13.0、k5=0.01143；当1200Hz <fc<6000Hz时，取系数k1=3648.0、k2=1.95、k3=1200.0、k4=16.0、k5=0.002917。3.根据权利要求1所述的基于天然电场的四维物探方法，其特征在于：所述的探测仪器由16根探针、2段信号电缆、1个探测装置组成；16根插入地表的探针用于接收天然瞬变电磁波穿透地层在地面形成的分布电场信号，分别经2段信号电缆（每段电缆软件8根探针、探针间距大小可探测任务要求选择）连接到探测装置；探测装置采用以DSP+CPLD为核心的结构设计，具有信号调理、16通道信号同步采集、ZFFT频谱细化、特征信息识别和数据保存等功能。4.根据权利要求1所述的基于天然电场的四维物探方法，其特征在于：所述的特征信息识别方法是：针对探测仪器接收天然电场信号并细化得到分析带宽fc-B～fc+B的分辨率为∆f的256条谱线，在频谱中搜索出最大幅值FMAX对应的谱线LMAX及另外12个次大幅值谱线LMAX1、LMAX2、…、LMAX12并同时计算频谱的平均幅值FJ、最大幅值谱线LMAX及其前后各3条谱线一起的平均幅值FJ0；接着缓存256条谱线到另一指定存储区，在其中按从前往后两两比较幅值低者置0、从后往前两两比较幅值低者置0的原则找出频谱中的所有极值点，再将幅值小于FMAX/30的极值点置0，结合原频谱计算次大极值点谱线JMAX1、JMAX2及其前后各3条谱线一起的平均幅值FJ1、FJ2；当极点数＜3进行裂隙信息识别，当3≤极点数＜30进行动态信息识别，极点数≥30无特征信息退出识别，此时的主频频率为仪器工作频率fc，幅值为谱线LMAX、LMAX1、LMAX2的平均幅值。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄采伦，王靖，张剑，徐光远，范小春，张小娟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43