專利名稱：電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種地層構(gòu)造勘探的設(shè)備及方法，其是可使用小型且具有較寬測量動態(tài)與高靈敏度的一維或三維的磁場感應(yīng)器，配合高密度分布的接收器使用，以進行電磁勘探；其中可自高密度排列接收器的垂直磁場演算出電場，由此經(jīng)由測量三維的磁場數(shù)據(jù)，而可演算出大地電磁數(shù)據(jù)；此外，通過原高密度分布的接收器同時連接地震檢波器，并將地震波源產(chǎn)生器和電磁波源產(chǎn)生器同時移動，可以同時進行地震勘探；本發(fā)明的勘探設(shè)備可同時取得電磁波數(shù)據(jù)以及/或大地電磁數(shù)據(jù)以及/或地震波數(shù) 據(jù)，對地層構(gòu)造進行聯(lián)合的野外勘探。
背景技術(shù)：
在瞬變電磁深層勘探(deepgeo-electrical structure sounding)方面，現(xiàn)有技術(shù)是利用大型回線源或較長的接地電線，以產(chǎn)生足夠的發(fā)射功率。接收器的磁場感應(yīng)器通?？蔀檫呴L幾十公尺的回線源(air loops)、配置有磁場集中器(magneticflux concentrator)的線圈或是超導(dǎo)量子干涉磁量儀(superconducting quantuminterference device magnetometer)。在海洋電磁勘探方面,拖曳很長的電線或大型電磁波發(fā)射回線圈相對是較為容易的；然而在陸上勘探方面，通常會將發(fā)射器固定于一個位置，接收器則朝向離發(fā)射器約一公里、或至多達(dá)幾十公里處的地區(qū)移動。受限于傳統(tǒng)電磁接收器的體積和重量，建立一個同時擁有幾百或幾千臺規(guī)模的瞬變電磁接收站是非常困難的。對于瞬變電磁而言，一般是使用一、二或三維反演法(inversions)加以分析解讀。眾所周知，為接地電線源(Grounded Wire Source)或回線源(loop source)的大型發(fā)射器，通常具有源頭效應(yīng)(source effect)，尤其當(dāng)使用一維反演解讀時。若改變發(fā)射器的位置，亦可能導(dǎo)致解讀的結(jié)果有所不同。目前已有一些與電磁波深層勘探相關(guān)的美國專利Bostick Jr. X, Francis的專利(US4591791)為地球物理勘探揭露一種電磁測量方法，該方法是于一點上測量在兩個非平行方向的磁場變化，并同時測量平行于測量線上多點的電場變化；Srnka，Leonard J等的專利(US7894989)則揭露海域電磁波測量勘探地球垂直地電阻異向性(earth verticalelectrical anisotropy)的方法,此方法同時需要測量在線和離線數(shù)據(jù)，其中包括至少一個對垂直電阻率明顯敏感的電磁場分量和另一個對水平電阻率明顯敏感的電磁場分量；MacGregor，Lucy M等的專利(US7126338)揭露使用平行及垂直測量線的兩個電磁源對相同或不同的接收器的勘探方法；Srnka, Leonard J.的專利(US4617518)揭露海域電磁深層勘探利用波長效應(yīng)，以決定最佳來源和探測器的位置；Tasci，Tahsin M等的專利(US5563513)揭露使用發(fā)電機連接固定接地的有線電極(grounded electrodes)發(fā)射器的瞬變電磁勘探的設(shè)備及方法，其是于地球表面用磁力儀或感應(yīng)線圈測量由地底產(chǎn)生的誘發(fā)渦流電流產(chǎn)生的磁場變化；Strack，Kurt M.等的專利(US7746077)揭露運用牽引式電極(towed electric dipole)的海洋電磁波勘探方法,其中包括多個沿著電纜隔開排列的感應(yīng)器模塊，且每一模塊至少含有一個磁場感應(yīng)器與至少一對電極；Strack，Kurt M.的專利(US7800374)則揭露多元件海洋電磁波信號采集電纜和系統(tǒng);Alumbaugh，David等的專利(US7860655)揭露在淺水和陸地環(huán)境下以電磁方式偵測高電阻薄層的技術(shù)，其中包括使用第一個感應(yīng)器來執(zhí)行第一個電磁場測量以獲得的第一數(shù)據(jù)，其象征高電阻體的存在，且此第一數(shù)據(jù)相對易受由空氣界面層(an air layer boundary)所引發(fā)效應(yīng)的影響,該技術(shù)亦包含了使用第二個感應(yīng)器來執(zhí)行第二電磁場測量以獲得的第二數(shù)據(jù)，此同樣亦象征著高電 阻體的存在。然而，以上所述的專利皆未使用一種具變動頻譜(variable spectrum)功能的小體積電磁波發(fā)射器，其可提供不同深度的勘探及可移動性。此外，上述專利亦未采用于野外布置的高動態(tài)及高靈敏的三維磁場感應(yīng)器，其可將大量接收器配置于勘探區(qū)域，并由三維的磁場數(shù)據(jù)，演算出大地電磁的勘探。目前亦存在一些與震測同時進行電磁波勘探的專利如Kurt M. Strack的專利(US7328107)，其是揭露使用可控電磁源的電磁勘探結(jié)合地震勘探數(shù)據(jù)的綜合解讀，進一步綜合解讀的數(shù)據(jù)包括重力、磁力、任何類型地震數(shù)據(jù)和井測數(shù)據(jù)，而不同方法所得到的數(shù)據(jù)反復(fù)的互相牽制，并和已知的儲存層數(shù)據(jù)比對，以獲得最佳的解讀；Kurt M. Strack的專利(US7340348)是揭露震測電壓(Seismicelectric)及電壓地震(Electricseismic)的野外作業(yè)及數(shù)據(jù)解讀方法；0yvind Hillesund的專利公開案(US20100172205)揭露于外海托著一長條管狀的接收器上面布有多組磁場感應(yīng)器及地震檢波器，每一地震檢波器包括至少一壓力型(pressure responsive receiver)及至少一擺錘型(particle motion responsivereceiver)的檢波器，地震源則在預(yù)設(shè)時間于水中激發(fā)，并記錄在每一壓力型檢波器，擺錘型檢波器及磁場感應(yīng)器的數(shù)據(jù)。然而，以上所述專利皆未使用與三維磁場感應(yīng)器及地震檢波器相連接的小體積接收器，由此于野外得以隨意布置；此外，亦未提及任何可以同時施行三維地震勘探及三維瞬變電磁勘探的方法及儀器。為克服前述缺點，本發(fā)明提供一縮小尺寸且可由卡車拖曳的電磁波發(fā)射回線源，以便于野外作業(yè)，尤其便于陸上勘探。此外，通過將分散的接收器設(shè)計為具有高動態(tài)范圍、高靈敏度以及小體積的磁場感應(yīng)器者，由此得以布置高密度、多數(shù)量連接磁感應(yīng)器的接收器。又，本發(fā)明亦揭示有合并電磁波探勘及地震探勘的野外作業(yè)設(shè)備，以及由高密度的三維磁場數(shù)據(jù)演算而得的大地電磁勘探方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，其中所使用的電磁波發(fā)射器為小體積，而便于野外移動及布置；多個發(fā)射器可并聯(lián)以獲得較大功率，或可交替使用以節(jié)省野外布置時間；此外，發(fā)射器亦可為電纜或?qū)щ姲羲M成的回線圈，以便于卡車拖行。本發(fā)明的另一目的在于提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，其中通過使用不同脈沖的寬度及緩步時間(Ramp time)，而得以控制電磁波發(fā)射器的功率頻譜，進而控制不同探勘深度。本發(fā)明的另一目的在于提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，其中通過將磁場感應(yīng)器設(shè)計為小體積且具有高動態(tài)區(qū)域與高靈敏，而得以便于野外布置成百上千個磁場感應(yīng)器，且大部分的接收器可長時間放置于固定格線點或隨意定點，小部分的接收器則可隨發(fā)射器移動。本發(fā)明的另一目的在于提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，其中通過高密度布置的磁場感應(yīng)器所得的垂直分量，可演算出電場，并進而獲得大地電磁勘探數(shù)據(jù)。本發(fā)明的另一目的在于提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，其中使用連接磁場感應(yīng)器的接收器，可與地震檢波器相連接，以于瞬變電磁勘探的同時或交互時間，亦進行三維的地震勘探。為達(dá)上述目的，本發(fā)明是提供一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，是利用瞬變電磁或結(jié)合大地電磁與地震波進行勘探，包括多個接收器以及多個可移動式激發(fā)電磁波源以及/或地震源；前述接收器是散布于被勘探區(qū)域內(nèi)，且每一接收器是與一個一維或三維的磁場感應(yīng)器、一地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計(Micro Electro-Mechanical SystemAccelerometer)以及至少一組配對電極中至少一者相連接,用以接收并紀(jì)錄來自磁場感應(yīng)器的磁場數(shù)據(jù)、以及/或來自地震檢波器的地震波數(shù)據(jù)、以及/或來自配對電極的電場數(shù)據(jù)；前述電磁波源以及/或地震源是設(shè)置于鄰近前述接收器的位置或與前述接收器相連接，用以發(fā)射電磁波訊號以及/或地震波訊號；通過分析所接收并紀(jì)錄的磁場、地震波以及/或電場數(shù)據(jù)，而得以決定被勘探區(qū)域的地底結(jié)構(gòu)。為對于本發(fā)明的特點與作用能有更深入的了解，現(xiàn)由實施例配合圖式詳述于后。


圖I是顯示本發(fā)明的系統(tǒng)配置，其中結(jié)合磁場感應(yīng)器及地震檢波感應(yīng)的二合一記錄器是分布于網(wǎng)格上或不規(guī)則分布于勘探區(qū)域，而架有電磁波發(fā)射器與地震振動器的卡車則于接收器附近移動。圖2為一顯示結(jié)合磁場感應(yīng)器和地震檢波器的二合一記錄器的方塊圖，其中該記錄器的體積大幅縮小，因此可容易配置于勘探區(qū)域。圖3是顯示電流脈沖發(fā)射器區(qū)塊的架構(gòu)圖。圖4是顯示電流脈沖發(fā)射器的電流波形及其振幅、脈沖寬度與緩步時間。圖5是顯示具I秒緩步時間及I安培振幅的電流波形，而維持I安培電流振幅的時間(on time)為I秒。圖6是顯示圖5中電流波形的頻率響應(yīng)。圖7是顯示電流波形的頻率響應(yīng)，將電流振幅及維持時間縮短10%，并將緩步時間相對應(yīng)提快為0. I秒，其中電流振幅為01.安培，維持時間則為0. I秒。圖8是顯示一電磁波發(fā)射回線圈，其是利用容易組裝的金屬棒所制成。圖9是顯示一使用廣域磁場感應(yīng)器產(chǎn)生磁場回溯藉以抵消高靈敏磁場感應(yīng)器背景磁場的方塊圖。圖10為一方塊圖，其是顯示使用一廣域、磁場感應(yīng)器產(chǎn)生磁場回溯，以抵消高靈敏磁場感應(yīng)器背景磁場，并于高靈敏磁場感應(yīng)器上加上一磁場集中器(magnetic fluxconcentrator),以再度提高高靈敏磁場感應(yīng)器的靈敏度。圖11是顯示用來由電磁場垂直分量計算電場的代表符號。附圖標(biāo)記說明11、12_電磁波源發(fā)射器；13、14_地震源發(fā)射器；15_接收器。
具體實施例方式本發(fā)明是揭示一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，是利用瞬變電磁或結(jié)合大地電磁與地震波進行勘探，前述設(shè)備包括有多個接收器以及多個可移動式激發(fā)電磁波源以及/或地震源；其中前述多個接收器是散布于被勘探區(qū)域內(nèi)，其中每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計(MicroElectro-Mechanical System Accelerometer)以及至少一組配對電極中至少一者相連接，用以接收并紀(jì)錄來自攜帶式磁場感應(yīng)器的一維或三維磁場數(shù)據(jù)、以及/或來自地震檢波器的地震波數(shù)據(jù)、以及/或來自配對電極的電場數(shù)據(jù)；前述多個可移動式激發(fā)電磁波源以及/或地震源，是設(shè)置于鄰近前述接收器的位置或與前述接收 器相連接，用以發(fā)射電磁波訊號以及/或地震波訊號；由此，經(jīng)由(例如使用一分析裝置)分析所接收并紀(jì)錄的磁場、地震波以及/或電場數(shù)據(jù)，而得以決定被勘探區(qū)域的地底結(jié)構(gòu)。在一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接,并排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，并在不同的位置發(fā)射。在另一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器是朝向該卷進方向移動，并于預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。在一實施例中每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器與一或二組配對電極相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與電場數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，并在不同的位置發(fā)射。在另一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器與一或二組配對電極相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源是為一回線圈磁場發(fā)射器；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與電場數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。在一實施例中，每一接收器是與一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述激發(fā)電磁波源與地震源并在不同的位置發(fā)射。在另一實施例中，每一接收器是與一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源是為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。在一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源是為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥，前述激發(fā)電磁波源與地震源并在不同的位置發(fā)射。在另一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源是為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源是為震動器 或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。在一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場、電場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥，前述激發(fā)電磁波源與地震源是于不同的位置發(fā)射。在另一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源是為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場、電場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。在一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)。由此，當(dāng)沒有電磁波發(fā)射時，前述磁場數(shù)據(jù)可用來作靜態(tài)磁場探勘(static magnetic survey)。在另一實施例中，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)，而電場數(shù)據(jù)可由高密度分布的磁場對時間變化取得。由此，當(dāng)沒有電磁波發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)可用來作自然電位探勘(spontaneous potential survey);且當(dāng)只有地震發(fā)射源發(fā)射時,前述電場數(shù)據(jù)是可用來作壓電異常的探勘(electroseismic anomaly survey)。在一實施例中，每一接收器是與微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄地震波數(shù)據(jù)。由此，當(dāng)?shù)卣鹪礇]有發(fā)射時，前述地震波數(shù)據(jù)可用來作重力探勘；而當(dāng)只有電磁發(fā)射源發(fā)射時，前述地震波數(shù)據(jù)則可用來作壓電異常的探勘。在另一實施例中，每一接收器是與一或二組配對電極相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場數(shù)據(jù)。由此，當(dāng)沒有電磁波發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)可用來作自然電位探勘；而當(dāng)只有地震發(fā)射源發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)則可用來作壓電異常的探勘。在一實施例中，該每一可移動式激發(fā)電磁波源更包括一回線圈、一發(fā)電機、一變壓器、多個電容陣列以及一高電流脈沖產(chǎn)生器；其中該高電流脈沖產(chǎn)生器更包括一用以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的中央處理器以及多個驅(qū)動器，前述驅(qū)動器是用以驅(qū)動多個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistors),以驅(qū)動回線圈的大電流并產(chǎn)生緩步時間(ramp time);前述回線圈是由電纜或多條頭尾連接的金屬棒制成；前述高電流脈沖產(chǎn)生器是根據(jù)所欲勘探目標(biāo)的深度，而產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形；此外，前述高電流脈沖產(chǎn)生器可使用相同的電容陣列，以將電流大小及緩步時間等比縮小，以產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形。在一實施例中，每一可移動式激發(fā)電磁波源是根據(jù)所欲勘探目標(biāo)深度，在同一發(fā)射地點，產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形。在另一實施例中，前述多個接收器是高密度排列，以自垂直磁場演算出電場；且該多個接收器是置放一段時間，以獲得大地電磁數(shù)據(jù)。在一實施例中，至少二可移動式激發(fā)電磁波源是同步使用，以增加發(fā)射功率。在另一實施例中，前述攜帶式磁場感應(yīng)器更包括一第一磁場感應(yīng)單 元與一第二磁場感應(yīng)單元；該第一磁場感應(yīng)單元是具有低測量動態(tài)與高靈敏度，且是于背景磁場被消除的前提下被測量；該第二磁場感應(yīng)單元則為具有較寬測量動態(tài)與低靈敏度，用以產(chǎn)生一電流，以于第一磁場感應(yīng)單元的位置消除前述背景磁場；其中，該第一磁場感應(yīng)單元是與一磁通集中放大器相連接，以提高其靈敏度；該第二磁場感應(yīng)單元所產(chǎn)生的電流是流經(jīng)一線圈，且該線圈是為一亥姆霍茲(Helmholtz)線圈、一螺線管線圈(Solenoid coil)、一普通線圈或一電線在另一實施例中，前述第一及第二磁場感應(yīng)單元是為線圈式磁場感應(yīng)器、磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction)、磁阻抗感應(yīng)器(Magneto Impedance)、磁致電阻(Magnetoresistance)或巨型磁致電阻(Giant Magnetoresistance)。在一實施例中，前述第一磁場感應(yīng)單元使用至少一磁通放大器(magnetic fluxconcentrator)。在實施上，圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的野外數(shù)據(jù)收集布置系統(tǒng)，其中是將數(shù)以百計或上千的接收器15布置于網(wǎng)格上或隨意地分布，這些接收器15可同時連接一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、成雙的配對電極以及地震檢波器，或上述三者的任意組合。在本實施例中，可移動式激發(fā)電磁波源以及地震源是設(shè)計為發(fā)射器型態(tài)，即電磁波源發(fā)射器11、12以及地震源發(fā)射器13、14 ;這些發(fā)射器可由卡車拖曳而于接收器陣列附近移動；或與接收器一起向某個方向滾進，將最后一排的接收器移到網(wǎng)路上新的前排，同時發(fā)射器也往前移動一網(wǎng)格的距離。為達(dá)到多倍發(fā)射功率，可使用多個同步發(fā)射器。為了節(jié)省野外布置時間，亦可將多組發(fā)射器交互使用。地震波源于其附近移動，或與電磁波發(fā)射器一起移動，并同時或交互時間發(fā)射，以同時取得電磁場，電場或三維地震勘探的數(shù)據(jù)。圖2為獨立接收器的方塊圖，包括有衛(wèi)星定位模塊、大區(qū)域無線收發(fā)器、高準(zhǔn)確的實時電子鐘(Real Time Clock)、中央處理器、數(shù)據(jù)儲存裝置、低漂移信號前端放大器、以及一與中控中心溝通的小區(qū)域無線溝通系統(tǒng)。此獨立接收器可連接一維或三維的磁場感應(yīng)器、配對的電流極和檢波器。在野外作業(yè)時，發(fā)射器與接收器之間的同步很重要；此接收器可采用兩種方式來達(dá)到同步的目的其中之一為通過由中控中心發(fā)射同步的無線信號給所有的發(fā)射器及接收器；另一方式則可使用衛(wèi)星定位模塊來達(dá)到同步實時鐘的目的。衛(wèi)星定位模塊每秒可以產(chǎn)生一個脈沖時序(PPS)，所有發(fā)射器及接收器的實時鐘在野外作業(yè)的前通過區(qū)域的無線收發(fā)器來同步，并由中控中心載入特定的日期/時間，以及在該特定時間預(yù)定要做的行動，實時鐘也產(chǎn)生用來觸發(fā)模擬信號到數(shù)位信號的時序，并于固定的時間由衛(wèi)星定位模塊的PPS來同步。圖3為卡車拖曳的電磁波發(fā)射器方塊圖，從三相發(fā)電機所產(chǎn)生的交流電，經(jīng)過整流，并于必要時通過升壓來對電容陣列充電，其中電容陣列是作為脈沖波的正、負(fù)電壓電源。卡車拖曳的回線圈由電纜或?qū)щ姲艚M成，脈沖波是由脈沖產(chǎn)生器則是使用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation),以控制絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)產(chǎn)生不同的脈沖寬度及緩步時間，而大電流的脈沖則由多組平行的IGBT并聯(lián)而成。圖4是顯示回線圈發(fā)射器所產(chǎn)生電流的波形，脈沖的最大電流為"A"安培，并維持"T。/秒；開或關(guān)時有"Tramp"秒的緩步時間，電流關(guān)掉后，維持"Ttrff"秒后再進入下一周期。于關(guān)掉后，電容陣列需于充份的時間內(nèi)充飽電以提供下一周期脈沖所需的電源。如圖3所不,于A及B點的電壓和留入回線圈的關(guān)系為V = I*R+L(dI/dt) (I)其中R及L分別為回線圈的電組及電感。 圖5為使用電流脈沖范例的一示意圖，其中脈沖寬度及上升、下降緩步時間各為一秒，電流最高值為"I"安培。圖6是顯示該電流脈沖的頻率響應(yīng)。圖7則是顯示圖5中電流脈沖等比例縮小的頻率響應(yīng)圖，其中最大電流縮小為十分的一安培，緩步時間縮小為十分的一秒，脈沖寬度則縮小為十分的一秒，如此等比例縮小的電流脈沖的頻率響應(yīng)，展現(xiàn)較低的振幅(Amplitude)，但展現(xiàn)較圖5為寬的頻率，表示使用該脈沖于勘探上，具有比例上較高頻的激發(fā)能量，而所勘探的目標(biāo)也將較為淺層。電流波型的振幅跟上升及下降的緩步時間等比的縮小，這樣可以使用相同的電容陣列以提供推動回線圈電感電壓上升或下降所需要的電壓。上述兩個電流脈沖范例，為驅(qū)動如圖5所示的上升電流，所需電壓為“L*dl/dt = L”;相同的電壓值亦可驅(qū)動如圖7所示的上升電流，其原因在于雖然dl/dt提升了 10倍，但電流振幅相對減少了 10倍；通過此種實用的設(shè)計，可以使用相同的電源來產(chǎn)生不同能量頻譜的電流脈沖。圖8為使用金屬條以形成回線圖的示意圖。于相同截面積下，其可提供比電纜較低的電阻，金屬條之間可使用較軟的電纜，并用螺絲鎖定或焊接以預(yù)先接成一回線圖，由此可便于野外布置，并可由卡車拖曳。圖9為高動態(tài)高靈敏磁場感應(yīng)器的方塊圖。其是由兩個單分量(SingleComponent)的磁場感應(yīng)器組成；其中第一磁場感應(yīng)單元具有較高靈敏度但低動態(tài)區(qū)域，第二磁場感應(yīng)單元則具有較高的動態(tài)區(qū)域但低靈敏度；由第二磁場感應(yīng)單元產(chǎn)生的磁場可產(chǎn)生電流，所產(chǎn)生電流再流經(jīng)Helmholtz線圈或其它可產(chǎn)生磁場的回線圈后，可消除第一磁場感應(yīng)單元附近沿著線圈軸心方向的背景磁場。測量第一磁場感應(yīng)單元所產(chǎn)生的磁場，并由流經(jīng)線圈的電流值計算出其所產(chǎn)生的逆向磁場值，最終磁場則為兩者的總和。圖10與圖9相似，但其中是使用磁通放大器來進一步增加高靈敏度的磁場感應(yīng)單元的靈敏度。在不同電流值流經(jīng)HeImhoItz線圈測量軸心中間點延著軸心方向的磁場值，以得到電流和產(chǎn)生的磁場關(guān)系圖，測量第一磁場感應(yīng)單元所產(chǎn)生的磁場，并由流經(jīng)線圈的電流值及電流和產(chǎn)生的磁場關(guān)系圖差分計算出其所產(chǎn)生的逆向磁場值，最終磁場則為兩者的總和。圖11是顯示由電磁場的垂直分量來計算電場的一些代表符號，由馬克斯威爾(Maxwell)公式,我們?nèi)〉胒 E. dx = -dOn, s/dt (2)第二式表示沿著地表的封閉線路上的電場值的積分總合等于流經(jīng)該封閉線路所圍起來的地面的磁場垂直分量的逆變化率。假設(shè)Eu是沿著格子Cell [I，j]繞行的電場，BZi, j是該格子上垂直格面的磁場分量，并假設(shè)格子夠小所以Ei, j及BZi, j為均勻的，我們得到Eijj = - ((Il^dBZij j/dt)/4其中dl為格子的邊長。則沿著X方向的電場分量為EXi,』一Eij J-Eij J^1,沿著X方向的電場分量為 EYijj = Ei^ljj-Eijj綜上所述，依上文所揭示的內(nèi)容，本發(fā)明確可達(dá)到發(fā)明的預(yù)期目的，提供一種利用瞬變電磁或結(jié)合大地電磁與地震波進行勘探的電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法。其極具產(chǎn)業(yè)利用的價值，依法提出專利申請。又上述說明與圖式僅是用以說明本發(fā)明的實施例，凡熟于此業(yè)技藝的人士，仍可做等效的局部變化與修飾，其并未脫離本發(fā)明的技術(shù)與精神。
權(quán)利要求
1.一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，是利用瞬變電磁或結(jié)合大地電磁與地震波進行勘探，前述設(shè)備包括 多個接收器，是散布于被勘探區(qū)域內(nèi)，其中每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計以及至少一組配對電極中至少一者相連接，用以接收并紀(jì)錄來自攜帶式磁場感應(yīng)器的一維或三維磁場數(shù)據(jù)、以及/或來自地震檢波器的地震波數(shù)據(jù)、以及/或來自配對電極的電場數(shù)據(jù)；以及 多個可移動式激發(fā)電磁波源以及/或地震源，是設(shè)置于鄰近前述接收器的位置，用以發(fā)射電磁波訊號以及/或地震波訊號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器與一或二組配對電極相連接；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一接收器是與一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源為震動器或炸藥。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接；而激發(fā)電磁波源是為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該每一可移動式激發(fā)電磁波源更包括一回線圈、一發(fā)電機、一變壓器、多個電容陣列以及一高電流脈沖產(chǎn)生器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該高電流脈沖產(chǎn)生器更包括一用以產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制的中央處理器以及多個驅(qū)動器，前述驅(qū)動器是用以驅(qū)動多個絕緣柵雙極型晶體管，以驅(qū)動回線圈的大電流并產(chǎn)生緩步時間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，回線圈是由電纜或多條頭尾連接的金屬棒制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該高電流脈沖產(chǎn)生器是根據(jù)所欲勘探目標(biāo)的深度，而產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該高電流脈沖產(chǎn)生器是使用相同的電容陣列，以將電流大小及緩步時間等比縮小，以產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，每一可移動式激發(fā)電磁波源是根據(jù)所欲勘探目標(biāo)深度，在同一發(fā)射地點，產(chǎn)生不同脈沖寬度以及緩步時間的電流波形。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該多個接收器是高密度排列，以自垂直磁場演算出電場；且該多個接收器是置放一段時間，以獲得大地電磁數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè) 備，其特征在于，至少二可移動式激發(fā)電磁波源是同步使用，以增加發(fā)射功率。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該攜帶式磁場感應(yīng)器更包括一第一磁場感應(yīng)單兀與一第二磁場感應(yīng)單兀；該第一磁場感應(yīng)單兀是具有低測量動態(tài)與高靈敏度者，且是于背景磁場被消除的前提下被測量；該第二磁場感應(yīng)單元則為具有較寬測量動態(tài)與低靈敏度者，用以產(chǎn)生一電流，以于第一磁場感應(yīng)單元的位置消除前述背景磁場。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該攜帶式磁場感應(yīng)器的第一磁場感應(yīng)單元是使用一磁通集中放大器，以提高其靈敏度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該攜帶式磁場感應(yīng)器的第二磁場感應(yīng)單元所產(chǎn)生用以消除第一磁場感應(yīng)單元背景磁場的方法是將第一磁場感應(yīng)單元所感應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換成電流后流經(jīng)一線圈，而該線圈是為一亥姆霍茲線圈、一螺線管線圈、一普通線圈或一電線。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該攜帶式磁場感應(yīng)器的在該測量方向的總磁場值為第一磁場感應(yīng)單元所測量的值及第二磁場感應(yīng)單元所衍生的電流對線圈及磁通放大器所產(chǎn)生的磁場的總和。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電磁及其綜合勘探的設(shè)備，其特征在于，該攜帶式磁場感應(yīng)器為線圈式磁場感應(yīng)器、磁性隧道結(jié)、磁阻抗感應(yīng)器、磁致電阻或巨型磁致電阻。
20.一種電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，包括以下步驟 將多個接收器散布于被勘探區(qū)域內(nèi)； 使每一接收器與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計以及至少一組配對電極中至少一者相連接，以接收并紀(jì)錄來自攜帶式磁場感應(yīng)器的一維或三維磁場數(shù)據(jù)、以及/或來自地震檢波器的地震波數(shù)據(jù)、以及/或來自配對電極的電場數(shù)據(jù)；以及 將多個可移動式激發(fā)電磁波源以及/或地震源設(shè)置于鄰近前述接收器的位置，供發(fā)射電磁波訊號以及/或地震波訊號。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接，并排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源是為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，并在不同的位置發(fā)射。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器與一或二組配對電極相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與電場數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，并在不同的位置發(fā)射。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器與一或二組配對電極相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源為一回線圈磁場發(fā)射器；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與電場數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射 器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述激發(fā)電磁波源與地震源并在不同的位置發(fā)射。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源為震動器或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并在預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源為震動器或炸藥，前述激發(fā)電磁波源與地震源并在不同的位置發(fā)射。
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并于預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場、電場與地震波數(shù)據(jù)；而激發(fā)電磁波源為一可移動式回線圈磁場發(fā)射器或接地電線源，且可移動式地震源是為震動器或炸藥，前述激發(fā)電磁波源與地震源是于不同的位置發(fā)射。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器、一或二組配對電極以及地震檢波器或微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且每一可移動式激發(fā)電磁波源為一回線圈磁場發(fā)射器，且可移動式地震源是為震動器或炸藥；前述多個接收器是排列成多列，通過將最后一列的接收器布置于一新方向的最前列，而朝該新方向卷進，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場、電場與地震波數(shù)據(jù)；前述回線圈磁場發(fā)射器與地震源是朝向該卷進方向移動，并于預(yù)設(shè)時間或當(dāng)一中央控制中心傳來同步信號時發(fā)射電磁波訊號。
31.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，該多個接收器是高密度排列，以自垂直磁場演算出電場；且該多個接收器是置放一段時間，以獲得大地電磁數(shù)據(jù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；在沒有電磁波發(fā)射時，前述磁場數(shù)據(jù)是用來作靜態(tài)磁場探勘。
33.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與 一個一維或三維的攜帶式磁場感應(yīng)器相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄磁場數(shù)據(jù)；電場數(shù)據(jù)是由高密度分布的磁場對時間變化取得；在沒有電磁波發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)是用來作自然電位探勘；而在只有地震發(fā)射源發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)則是用來作壓電異常的探勘。
34.根據(jù)權(quán)利要求20項所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與微機電系統(tǒng)加速度計相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄地震波數(shù)據(jù)；在地震源沒有發(fā)射時，前述地震波數(shù)據(jù)是用來作重力探勘；而在只有電磁發(fā)射源發(fā)射時，前述地震波數(shù)據(jù)則是用來作壓電異常的探勘。
35.根據(jù)權(quán)利要求20項所述的電磁及其綜合勘探的方法，其特征在于，每一接收器是與一或二組配對電極相連接，且是排列于一固定位置，以持續(xù)接收并紀(jì)錄電場數(shù)據(jù)；在沒有電磁波發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)是用來作自然電位探勘；而在只有地震發(fā)射源發(fā)射時，前述電場數(shù)據(jù)則是用來作壓電異常的探勘。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電磁及其綜合勘探的設(shè)備及方法，是利用瞬變電磁或結(jié)合大地電磁與地震波進行勘探，包括多個接收器以及多個電磁波源以及/或地震源；前述接收器是設(shè)置于被勘探區(qū)域內(nèi)，其中每一接收器是與磁場感應(yīng)器、以及/或地震檢波器以及/或至少一組配對電極相連接，供接收、紀(jì)錄磁場、以及/或地震波以及/或電場數(shù)據(jù)；前述的電場數(shù)據(jù)亦可由高密度分布的三維的磁場數(shù)據(jù)求出，而可演算出大地電磁數(shù)據(jù)；前述電磁波源以及/或地震源是設(shè)置于鄰近前述接收器的位置，供發(fā)射電磁波訊號以及/或地震波訊號；根據(jù)所接收并紀(jì)錄的磁場以及/或地震波數(shù)據(jù)以及/或電場數(shù)據(jù)，而得以進行綜合勘探，決定被勘探區(qū)域的地底結(jié)構(gòu)。
文檔編號G01V3/12GK102736114SQ201110291579
公開日2012年10月17日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者許大坤, 黃文義 申請人:三捷科技股份有限公司