一種帶遠(yuǎn)參考的人工源張量電磁勘探方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種勘察地球物理領(lǐng)域的電磁探測方法，特別涉及一種帶遠(yuǎn)參考的人 工源張量電磁勘探方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在勘察地球物理電磁法領(lǐng)域，天然場源電磁法（Magnetotelluric，MT ; Audio-frequency Magnetotelluric，AMT)探測深度大，采集裝置輕便，但信噪比低，抗噪能 力弱；傳統(tǒng)的遠(yuǎn)參考大地電磁法在觀測測區(qū)天然電磁場的同時引入一個遠(yuǎn)參考點，利用參 考道信號與測區(qū)信號相關(guān)、噪聲不相關(guān)的特性，壓制了測區(qū)內(nèi)噪聲的影響，在一定程度上提 高了阻抗數(shù)據(jù)質(zhì)量；但對于天然電磁場信號極弱的頻段（如5k~IkHz范圍內(nèi)的AMT'死頻 帶"、IHz附近的MT"死頻帶"）內(nèi)的數(shù)據(jù)畸變等問題仍難以取得令人滿意的效果。針對這一 問題，可控源音頻大地電磁法（Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric， CSAMT)采用人工電磁場源作為激勵，在一定的觀測區(qū)域內(nèi)觀測人工電磁場，提高了數(shù)據(jù)信 噪比；但是有效的阻抗數(shù)據(jù)需要在"遠(yuǎn)區(qū)"獲取，在人工場源的"近區(qū)"和"過渡區(qū)"，阻抗數(shù) 據(jù)會產(chǎn)生畸變并導(dǎo)致錯誤的解釋結(jié)果。盡管學(xué)者們先后發(fā)展了一系列處理手段，如提出了 各種數(shù)據(jù)校正策略、全區(qū)視電阻率的定義及計算方案等，部分提取了"過渡區(qū)"內(nèi)的地電信 息，但對于"近區(qū)"觀測數(shù)據(jù)，仍然無法加以利用。另外，現(xiàn)有的技術(shù)方案將統(tǒng)一的觀測電磁 場割裂為天然場和人工場兩類獨立的信號，并發(fā)展相應(yīng)的方法體系；如在天然場源電磁法 中，人工源信號被視為相關(guān)噪聲，而在可控源音頻大地電磁法中，天然電磁場信號被視為相 關(guān)噪聲，均在一定程度上造成了數(shù)據(jù)信息的丟失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶遠(yuǎn)參考的人工源 張量電磁勘探方法，本發(fā)明數(shù)據(jù)采集在傳統(tǒng)的人工場電磁法基礎(chǔ)上增加布設(shè)一個或多個遠(yuǎn) 參考測點，將觀測電磁場視為天然場與人工場統(tǒng)一的數(shù)據(jù)體，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)方程，一次處 理同時獲得測點的天然場張量阻抗與人工場張量阻抗，集合了天然電磁場測深和人工場 源電磁法的優(yōu)點，在高頻段可以獲得更高質(zhì)量的張量阻抗數(shù)據(jù)，在低頻段可以獲得不受畸 變的平面波張量阻抗數(shù)據(jù)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] -種帶遠(yuǎn)參考的人工源張量電磁勘探方法，包括以下步驟：
[0006] 步驟1、觀測設(shè)計：
[0007] 確定觀測目標(biāo)及目標(biāo)勘探深度，設(shè)計測線和測點；根據(jù)目標(biāo)勘探深度及測區(qū)大地 背景電導(dǎo)率確定觀測頻率范圍，并根據(jù)觀測頻率范圍確定測點的觀測時間長度及信號采樣 率；對于各個觀測頻率，根據(jù)時頻轉(zhuǎn)換計算單個頻譜所需的時間域采樣點數(shù)，確定時窗寬 度，利用觀測時間長度除以時窗寬度得到各觀測頻率對應(yīng)的觀測時窗個數(shù)；
[0008] 步驟2、布設(shè)發(fā)送端裝置和接收端裝置：
[0009] 布設(shè)發(fā)送端裝置：在測區(qū)內(nèi)布設(shè)N個人工場源，N為大于等于1的整數(shù)；發(fā)送端裝 置與傳統(tǒng)的人工場源電磁法類似，以接地水平電偶極子或不接地垂直磁偶極子作為人工場 源，可按張量方式或其他形式布設(shè)；與傳統(tǒng)人工源電磁法不同的是，本發(fā)明人工場源需在多 個時窗內(nèi)發(fā)送不同大小的電流值，并記錄不同時刻發(fā)送電流的大小。
[0010] 布設(shè)接收端裝置：在測區(qū)內(nèi)地表設(shè)置一個或多個測點；每個測點處布設(shè)2道相互 垂直的水平磁場測道、以及2道相互垂直的水平電場測道（測量通道）；在測區(qū)外設(shè)置至少 1個同步遠(yuǎn)參考點，遠(yuǎn)參考點的布設(shè)位置與常規(guī)遠(yuǎn)參考大地電磁法中的遠(yuǎn)參考點相同；在 遠(yuǎn)參考點處布設(shè)2道相互垂直的水平磁場測道，條件允許時增加布設(shè)2道相互垂直的水平 電場測道；不布設(shè)水平電場測道也可獲得結(jié)果，但布設(shè)2道相互垂直的水平電場測道，并記 錄相應(yīng)數(shù)據(jù)后有利于獲得更精確的結(jié)果；
[0011] 步驟3、數(shù)據(jù)采集：
[0012] 數(shù)據(jù)采集分為接收部分的數(shù)據(jù)采集和發(fā)送部分的數(shù)據(jù)采集，具體為同步采集各個 測點及遠(yuǎn)參考點處的電場及磁場分量數(shù)據(jù)，進(jìn)行時頻轉(zhuǎn)換后，得到各觀測頻率對應(yīng)的頻域 觀測數(shù)據(jù)；各個觀測頻率對應(yīng)的數(shù)據(jù)相互獨立，處理方式相同；對其中任一觀測頻率，設(shè)其 觀測時窗個數(shù)為I，對應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)包括測點觀測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)參考點觀測數(shù)據(jù)和人工場源的發(fā) 送電流數(shù)據(jù)三個部分的數(shù)據(jù)；
[0013] 第一部分、測點觀測數(shù)據(jù)：包括測區(qū)內(nèi)測點所有測道所記錄的數(shù)據(jù)，包括2道相 互垂直的水平磁場測道以及2道相互垂直的水平電場測道，總測道數(shù)為4道；根據(jù)測點觀測 數(shù)據(jù)構(gòu)建測點信號時空數(shù)據(jù)矩陣X :
[0015] 其中，X為4X1階矩陣；Hxl、Hyl(i = 1，2，···，Ι)分別為第i個時窗的水平X方向 磁場、水平y(tǒng)方向磁場；Exl、Eyl(i = 1，2，...，1)分別為第i個時窗的水平X方向電場、水平 y方向電場；
[0016] 第二部分，遠(yuǎn)參考點觀測數(shù)據(jù)：包括J'個遠(yuǎn)參考點所有測道所記錄的數(shù)據(jù)，根據(jù) 遠(yuǎn)參考點觀測數(shù)據(jù)構(gòu)建天然電磁場信號時空數(shù)據(jù)矩陣
[0018] 其中，」g為第k(k= 1，2，···，Κ'）個測道第i(i = 1，2，···，Ι)個時窗的觀測數(shù) 據(jù)；
[0019] 第三部分，人工場源的發(fā)送電流數(shù)據(jù)：記錄各個人工場源在各個時窗內(nèi)的發(fā)送電 流值，并賦值給人工場源極化參數(shù)β :
[0020]
[0021] 其中，NXI階矩陣β為人工場源極化參數(shù)，僅與各個人工場源的時窗變化有關(guān)；N 為人工場源的個數(shù)，β ηι為第η(η = 1，2,. . .，Ν)個人工場源在第i (i = 1，2,. . .，I)個時 窗的發(fā)送電流值；
[0022] 步驟4、數(shù)據(jù)處理，計算測點的天然場張量阻抗與人工場張量阻抗：
[0023] 數(shù)據(jù)處理分步進(jìn)行，第一步，利用天然電磁場信號時空數(shù)據(jù)矩陣Γ獲得天然場源 極化參數(shù)α ;
[0024] 設(shè)天然場源的個數(shù)為Μ，將Κ' XI階矩陣Γ寫為空間矩陣與時間矩陣的乘積形式，
[0025] Xr= UrQ + ε r, (3)
[0026] 其中，
[0028] MX I階矩陣α為天然場源極化參數(shù)，僅與天然場源個數(shù)及觀測時窗有關(guān)，α " (m =1，2，...，M ;i = 1，2，...，I)為其元素，表示第m個天然場源第i個時窗的極化參數(shù)； If為X 對應(yīng)于天然場源極化參數(shù)α的空間模數(shù)，僅與天然場源個數(shù)及空間各測道有關(guān)， €:,,(./ = 1..2.....《? = 1二，W丨為其元素，表示第j個測道對應(yīng)于第m個天然場源的空間模數(shù)； ^為X 中的不相關(guān)噪聲；
[0029] 通過對Γ進(jìn)行矩陣分解，獲取天然場源極化參數(shù)α的估計值；
[0030] 第二步，利用已獲取的天然場源極化參數(shù)α的估計值、觀測記錄的人工場源極化 參數(shù)β以及測點信號時空數(shù)據(jù)矩陣X，求解X對應(yīng)于天然場源的空間模數(shù)U和X對應(yīng)于人 工場源的空間模數(shù)V ;
[0031] 測點觀測數(shù)據(jù)由天然場響應(yīng)和人工場響應(yīng)兩部分疊加組成，將測點信號時空數(shù)據(jù) 矩陣X寫為空間矩陣與時間矩陣的乘積形式：
[0033] 其中W = [U V]，γ = [ α β ]% ε為X中的不相關(guān)噪聲；于是求得：
[0035] [U V] = W, (6)
[0036] 其中，上角標(biāo)f表示共輒轉(zhuǎn)置矩陣，上角標(biāo)1表示矩陣的逆；
4 X M階矩陣U僅與天然場源個數(shù)及空間各測 道有關(guān)，14"1&=1，2,3,4;111=1，2，...，1)為其元素；4\~階矩陣￥僅與人工場源個數(shù)及 空間各測道有關(guān)，Vkn