一种大地电磁多尺度、多时段探测方法
技术领域
本发明涉及地质探测领域，尤其涉及一种大地电磁多尺度、多时段探测方法。
背景技术
大地电磁测深法（Magnetotelluric, MT）是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要的地球探测物理手段。其基本原理是：依据不同频率的电磁波在导电媒质中具有不同趋肤深度的原理，在地表测量由高频至低频的地球电磁响应序列，经过相关的资料处理来获得大地由浅至深的电性结构。它有不受高阻层屏蔽、对高导层分辨能力强，横向分辨能力较强等优点，也有纵向分辨能力随着深度增加而迅速减弱等缺点。其主要步骤是：数据采集、数据处理、反演解释。
数据采集中，在野外布设大地电磁观测仪器，通过正交的成对非极化电极来获取随时间变化的地下电场信息，通过正交的水平和垂直放置的磁棒来获取随时间变化的地下磁场信息，获得地下的电磁场时间序列，即完成了一个测点的数据采集。根据研究需求，对于多个测点的观测，可以设计为沿测线进行采集，也可以按测网进行数据采集，得到剖面和区域的地下电磁场信息。
数据处理中，将野外数据采集得到的电磁场时间序列，通过处理转换成频率域的功率谱(Spectra)，再基于功率谱，计算阻抗张量(Impedance，Z)、倾子矢量(Tipper，T)、视电阻率(Apparent resistivity, R)、相位(Phase, P)、二维特征量等各种MT参数，进行畸变分析和校正等。
反演解释中，基于测点构建反演模型，选用阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位等数据，利用反演算法软件进行计算得到研究区域的地下电性结构，然后基于反演结果，结合现有的地质和其他地球物理资料，对研究区域进行地球物理和地质解释。
MT法具有体积效应。所谓体积效应，即测点采集得到的数据，不仅包含该测点正下方电性异常体的信息，也包含测点附近横向上电性异常体的信息。因此，对于某个频率而言，其纵向探测多深，横向影响就有多远（附图1）。当测点分布很密集时，如果某一频率的探测范围远大于相邻两测点的距离，这两个测点在该频率的探测范围就会存在冗余的信息。对数据集的低频数据按照一定测点间距抽稀，不会影响整个数据集的低频数据形态（附图2和附图3）。
现有技术存在下列问题是：
MT法随频率降低，探测深度变大，分辨率急速下降。在高频范围时，因为探测范围较小，分辨率较高，要获得有效的探测约束，需要较为密集的测点分布；在低频范围时，因为探测范围较大，分辨率急速下降，过于密集的测点对于探测约束没有意义。因为反演的模型假设与实际大地结构总会存在差异，过于密集的测点在低频部分数据可能是冗余的，在反演计算中有很大可能出现矛盾测点的情况，因为反演模型难以模拟出全部测点的响应。
大地电磁低频数据的采集需要更长时间的观测。周期越长，为了获得高质量的数据，所需数据采集时间成指数增长。过于密集的低频测点导致观测成本大大增加。对于一些已存在部分测点的观测区域进行加密探测，尤其需要考虑这一情况。常规的所有测点频率的整齐划一的观测方式会导致观测时间和经费的大量浪费。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种操作简单、提高效率的大地电磁多尺度、多时段探测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种大地电磁多尺度、多时段探测方法，该探测方法采用不同测点间距、不同观测时长进行大地电磁野外数据采集；对于点间距小的测点，采用观测的时间短，对于点间距大的测点，采用观测的时间长，实现用较少的观测时间取得与传统观测方式等同的探测结果。
进一步的，所述探测方法包括以下步骤：
S1、依据探测区域的地质背景、地形环境和已有的测点分布，进行全区域测点分布设计，获得满足探测需要的测点位置；
S2、依据测点间距大小将测点分为若干组，分别为An，An-1，An-2，…，A1，其中，An组表示最大点间距的测点组，A1组表示最小点间距的测点组，其他依次类推；
S3、对于较大点间距测点组设计较大的探测深度，因而需要较低的探测频率、较长的观测时间，而对于较小点间距的测点组设计较小的探测深度，因而探测频率可以较高、观测时间可以较短。亦即An组设计探测深度最大，所要求的探测频率最低、观测时间最长，而A1组探测深度最小，所要求的探测频率最高、观测时间最短，其他依次类推；
S4、所有测点组的最高频完全一致，不因点间距的不同而发生变化，亦即浅部的分辨率不会受到损失；
S5、按照上述分组的设计时间进行野外施工操作，获得每个测点的大地电磁时间序列，形成多尺度、多时段的野外采集数据集；
S6、将各个测点采集到的大地电磁时间序列进行处理，得到各个测点的阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位等大地电磁观测响应数据集，总体上满足所有测点组最高频相同、An组有效频率值能达到最低、A1组有效频率值往低频方向最高的数据设计要求；
S7、利用得到的大地电磁观测响应数据集进行反演，得到反演结果。
进一步的，按照这种方式获得的大地电磁二维、三维反演结果与传统的全部测点数据均按照An组最长时间所采集的二维、三维反演结果相一致，即利用本项发明的技术开展大地电磁探测工作，节省了野外观测时间，但不损失探测精度。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明针对当前常规数据采集方法成本高、效率低的问题，提出了一种依据测点大、小间距而采用长、短观测时间的交替台站布设方案；其为一种多尺度、多时段观测方式，在该方法中，测点按照不同的设计间距分为不同的观测组，大点距的观测组探测范围大，数据频率低，观测时间长；小点距的观测组探测范围小，数据频率高，观测时间短。按照这一观测技术进行野外施工，在保证了反演结果准确性的基础上，提高了数据采集效率，节省了数据采集时间，提高了观测仪器的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为单测点不同频率探测范围简易示意图；
图2为二维理论响应不同测点间距相位拟合数据对比示意图，其中，A为二维理论模型示意图；B为间距0.5km、全频段（1000Hz~1/10000Hz）的测点xy方向相位（Pxy）拟合数据剖面图；C为间距1km、全频段（1000Hz~1/10000Hz）的测点和间距0.5km、高频段（1000Hz~1/100Hz）的测点xy方向相位拟合数据剖面图；D为间距0.5km、全频段（1000Hz~1/10000Hz）的测点yx方向相位（Pyx）拟合数据剖面图；E为间距1km、全频段（1000Hz~1/10000Hz）的测点和间距0.5km、高频段（1000Hz~1/100Hz）的测点yx方向相位拟合数据剖面图；
图3为低频（0.009Hz）的三维理论响应不同测点间距相位拟合数据对比示意图；其中，A为理论模型顶部平面投影示意图；B为理论模型1Ωm异常体顶部平面投影示意图；C为理论模型灰线处剖面图；D为间距2.5km测点xy方向相位（Pxy）拟合数据0.009Hz的平面投影示意图；E为间距5km测点Pxy拟合数据0.009Hz的平面投影示意图；F为间距2.5km测点yx方向相位（Pyx）拟合数据0.009Hz的平面投影示意图；G为间距5km测点Pyx拟合数据在0.009Hz的平面投影示意图；
图4为多尺度、多时段探测方法测点平面分布示意图；其中，A为二维探测的测点分布图，方形表示大点间距的测点，其最低频率较低，星形表示小点间距的测点，其最低频率较高；B为三维探测的测点分布图，方形表示大点间距的测点，其最低频率较低，星形表示小点间距的测点，其最低频率较高；
图5为不同测点间距影响范围简易示意图；其中，A为二维测线剖面间距L测点高频段探测范围剖面图；B为二维测线剖面间距2L测点低频段探测范围剖面图；C为三维测网间距L测点高频段探测范围平面图；D为三维测网间距2L测点低频段探测范围平面图；
图6为多尺度、多时段探测技术流程图；
图7为二维理论响应反演结果的对比图；其中，A为二维理论模型示意图；B为全测点全频率反演结果示意图，测点间距0.5km，反演频率1000Hz~1/10000Hz；C为多尺度、多时段的探测数据反演结果示意图，间距1km的测点数据频率为1000Hz~1/10000Hz，间距0.5km的测点数据频率为1000Hz~1/100Hz；
图8为三维理论响应反演结果的对比图；其中，A为理论模型顶部平面投影示意图；B为理论模型1Ωm异常体顶部平面投影示意图；C为理论模型灰线处剖面图；D为全测点全频率三维反演结果灰线处剖面图，测点间距2.5km，反演频率1000Hz~1/10000Hz；E为多尺度、多时段的探测数据反演结果灰线处剖面图，间距5km的测点数据频率为1000Hz~1/10000Hz，间距2.5km的测点数据频率为1000Hz~1/10Hz；
图9为某测区二维长剖面测点布设示意图；
图10为长剖面二维实测数据反演结果的对比图；其中，A为全测点全频率反演结果示意图，测点间距为5km，反演频率为320Hz~1/1800Hz；B为多尺度、多时段的探测数据反演结果示意图，间距10km的测点数据频率为320Hz~1/1800Hz，间距5km的测点数据频率为320Hz~1/100Hz。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本实施例公开了一种大地电磁多尺度、多时段探测方法；其采用大、小间距相结合的布设，进行多尺度、多时段探测的方法（附图4），将测点按照点距进行分组，不同组测点的采集数据所需达到的最低频率不同，从而得到不同尺度的观测数据集，保证采集到的数据覆盖探测区域的前提下，减少观测时间，提高观测效率，节约观测成本（附图5）。用观测响应数据进行反演，得到反演结果。
参考附图6所示，本发明的数据采集和反演流程包括以下步骤：
步骤一：查阅分析探测区域的地质背景和前人研究勘探资料，在对地下介质有了解的情况下，设计测点间距和测点采集数据的时长，确保测点数据影响范围能覆盖周围测点。如设计测点间距10km的测点组，在大地平均电阻率为10欧米的情况下，可以要求最低有效频率达到1/1000Hz、观测时间16个小时以上；间距5km处设计测点，可以要求最低有效频率达到1/100Hz、观测时间8个小时以上。依次类推，依据实际需求而定。很显然，这种观测方式可以大大提高工作效率，节省野外工作成本。
步骤二：在完成了测点布设和数据采集时长设计后，按照通用流程进行野外数据采集，得到不同测点间距不同观测时长的地下电磁场时间序列数据集。经过数据处理和分析等操作，得到包括阻抗张量、倾子矢量、视电阻率、相位等数据的观测响应数据集。
步骤三：利用观测响应数据集进行反演计算，结合探测区域的地质背景和前人研究勘探资料，用最终反演结果进行解释。
下面通过具体的实例并结合附图7和附图8对本发明做进一步的详细描述。
现构建一个包括局部异常体的二维电阻率模型（附图7A），按照0.5km的间距均匀设置测点，分别用两种不同的数据集进行反演对比结果是否一致。首先是按照传统方式，所有测点频率范围一致为1000Hz~1/10000Hz进行反演，反演结果如附图7B所示；然后按照多尺度、多时段的探测方法，将点间距1km的测点设置为频率范围为1/100Hz~1/10000Hz，将点间距5km的测点设置为频率范围为1000Hz~1/10000Hz，进行反演，最后得到结果如附图7C所示。两种方式结果都基本恢复了原始模型。
接着构建一个包含局部异常体的三维电阻率模型（附图8A，8B，8C），按照5km的间距均匀设置测点，分别用两种不同的数据集进行反演对比结果是否一致。首先是按照传统的方式，所有测点的频率都一致，从1000Hz~1/1000Hz，反演结果如附图8D所示；然后按照多尺度、多时段的探测方法，设置点间距5km的测点频率范围为1000Hz~1/10Hz，点间距10km的测点频率范围为1000Hz~1/1000Hz，进行反演，最后结果模型如附图8E所示。两种方式反演结果都基本恢复了原始模型。
经过二维三维合成数据的测试，说明多尺度、多时段探测方法得到的数据与传统方法得到的数据的反演结果差别很小。
以某项目的二维长剖面反演为例子来验证新技术反演结果可靠性。
该二维剖面（附图9）测点间距为5km，进行传统方式探测和多尺度、多时段探测方法效果的对比。首先按照传统方式，所有测点的频率范围为320Hz~1/1800Hz，经过数据挑选后进行反演，得到结果模型（附图10A）；然后按照多尺度、多时段探测方法，点间距5km的测点频率范围为320Hz~1/100Hz，点间距10km的测点频率范围为320Hz~1/1800Hz，采用相同的数据挑选情况、反演参数进行反演，得到结果模型（附图10B）。
经过对比发现，两个结果差别很小，说明新技术对于实测数据也是有效果的。
具体的实施步骤：
（1）设计10km、5km两种间距的测点组
（2）10km观测频率320Hz~1/1800Hz，观测时间16小时以上；
（3）5km观测频率320Hz~1/100Hz，观测时间8小时以上；
（4）按照本发明提出的方案实现野外数据采集和室内数据反演。
通过采用本发明所述的大地电磁多尺度、多时段探测方法，用二维、三维理论模型响应和实测数据进行了测试和对比，结果表明，在设计好了不同尺度采集数据频率范围的情况下，用多尺度、多时段探测方法采集得到的数据进行反演，与传统探测方式得到的数据进行反演相比较，反演结果差别很小，均恢复了原始模型，与预期一致。本发明实现应用简单，提高了野外数据采集效率，降低了野外采集的成本，达到了应用的要求。
