频率域双极源全区视电阻率的计算及分析
频率域双极源全区视电阻率的计算及分析 第26卷第2期
2011年4月(页码:675,686)
地球物理学进展
PR0GRESSINGE0PHYSICS
Vo1.26,NO.2
ADr.2011
刘颖,柳建新,何展翔,等.频率域双极源全区视电阻率的计算及分析.地球物理学进展,2011,26(2):675,686,DOI:10.
3969/j.issn.1004—2903.2011.02.037.
LiuY,LiuJX,HeZX,eta1.Thecalculationandanalyzingofthebipolarsourcealltimeapparen
tresistivityinfrequency
domain.ProgressinGeophys.(inChinese),2011,26(2):675,686,DOI:10.3969/j.issn.1004—2903.2011.02.037. 频率域双极源全区视电阻率的计算及分析
刘颖,柳建新
(1.中南大学,长沙410083;2
,何展翔.,童孝忠
东方地球物理公司,涿州072751)
摘要频率域可控源电磁法由于其发射源的非偶极性,收发距受到发射场源功率的
在近区和过渡区,场源不 限制,
能看做偶板子源,而是双极源.对于双极源数据在近区和过渡区的校正,若采用偶极子源校正,存在很大的误差,收发
距一定时,偶极距越大,误差越大.双极源全区视电阻率利用半空间模型视电阻率等效地下复杂模型视电阻率计算全
区视电阻率,对比偶极子定义的全区视电阻率,能够正确的反应地下情况. 关键词双极源,一维全区正演,汉克尔变换
DOI:10.3969/j.issn.1004—2903.2011.02.037中图分类号P631文献标识码A
Thecalculationandanalyzingofthebipolarsourceall
timeapparentresistivityinfrequencydomain
LIUYing,LIUJian-xin,HEZhan—xiang,TONGXiao—zhong
(1.SchoolofInfo—physicsandGeomaticsEngineering,Changsha410083,China;
2.TheBGPoftheEasternGeophysicalCompany,Zhuozhou072751,China)
AbstractFrequencydomaincontrolled—
sourceelectromagneticmethodisnon-dipolecharacteristic.Thespacebetween receiverandtransmitteris1imitedbythePowerofthetransmitters.Sodipolefieldsourcecannotbeseenasthefield,
butbipolarfield,inthenearbyandthetransitionregion.Forthebipolarsourcedata8correctioninthenearbyand
transitionregion,withadipolesourcecorrection,itisabigerror.Thespacebetweenreceiverandtransmitteris
changeless,thenthegreaterdipolemoment,thegreatererror.Bipolarsourcealltimeapparentresistivity,whichis
definedwithapparentresistivityinthehalf-spacemodel,isequivalenttOundergroundcomplexmodels.And
comparingwiththedefinitionofthedipoleSalltimeapparentresistivity,whichcanreflectgroundconditions
correctly.AtlastafewmodelsprovethatthismethodiSeffectiveandcorrect. Keywordsbipolar,1Dfull—timeforward,Hankeltransforms
0引言
正演是反演的基础卜,有关水平层状介质的
水平电偶极子场的计算已经很成熟.但在野外
装置布设中,往往由于其发射源的非偶极性,通常1
,
4km,而测点到场源距离受到发射场源的限制,
通常在4,8km范围内,不能达到可以看作无限远
的程度.这样,当工作频率较低时,即工作在过渡区 和近区范围内,场源不能看作偶极子源,而是双极 源l2.对于近区,过渡区数据的校正,殷长春和 朴化荣对电磁测深法中视电阻率的问题进行了 研究.方文藻和李貅等[2定义全区视电阻率引入 了校正系数K,这种方法是利用均匀大地
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面的精 确表达式和波区渐进表达式的比值,计算不同收发 收稿日期2010—0429;修回日期2010—0811. 基金项目国家自然科学基金资助项目(60672042)和教育部博士点基金资助项目
(20070533102)联合资助.
作者简介刘颖,男,1986年生,硕士,中南大学信息物理工程学院地球探测与信息技
术专业,从事电磁法数值模拟与反演成像
(E—mail:liouying00@163.corn)
地球物理学进展
距时修正系数K,然后对卡尼亚视电阻率进行校正, 但是这种方法对层状介质的理论计算不够完善,且 增加了磁场垂直分量的观测.汤井田,何继善.采 用直接迭代法计算全区视电阻率,能在全域反应地 点断面垂向变化.但是只对电偶极子的计算做了计 算.毛先进[2提出了直接精确计算全区视电阻率 的方法,该方法简明,不做迭代,滤波和极限假设,但 该全区视电阻率在计算复杂模型时,效果不好.本 文在前人理论的基础上,提出了双极源全区视电阻 率的全区视电阻率
计算公式
六西格玛计算公式下载结构力学静力计算公式下载重复性计算公式下载六西格玛计算公式下载年假计算公式
,通过快速汉克尔变换 法计算双极源水平层状大地电磁场,通过二分搜 索法计算全区视电阻率,对比偶极源全区视电阻率, 能够真实反映地下电阻率.
1双极源水平层状大地电磁场正演计算
水平层状大地电偶源电磁场计算:
一cos[j'J(mr)dinmelZ7【rJ十/』( jJ.(mr)din+plJ(, (1)
dE一sin[(mr)din +
l叫I
lco/2l
rJ
m+/R
1
?+?1/R
?一一sl『(mr)din
+rl/R—',.(mr)dmd1/,十
(3)
一cos
—
mjr)d,(4)
一sinsinJ(mr)dm, (5)
dE一dE,co一dEsin(p,(6) d//一dHco一dHsing.(7) 式中:I为电偶极子电流,dL为偶极距,为偏角, 为磁导率,===~/.一k,k一ico/~a, R一cothI11+cothmlcoth(2h2+…t-|IL2 +cothraN--1)l, mNJ
R一cothl1l+coth一1mlcoth(22+…L,,2 +cothmN1)1.
y?
)_
图1双极源示意图
Fig.1Diagramofdipolesource 如图1所不,将双极源刮分成一系歹U偶极于单 元,并计算出每一偶极子产生的场,则双极源的场即 为这些电偶极子场的总和],磁场类比电场. E一
fdE一?.E…(8)
均匀半空间电磁场计算公式:
E一P(3一2+eikr(1,(9)
H一一IdL[sinq~(6IK+旋r(K.一J.K)) 一
c.sK],(10)
H一一1aLp
sincp[3--eikr(3--3ikr--k2r2)].
(11)
2双极源正演计算结果
图2(a)为均匀半空间模型p一500tim,r一4000 m,dL=4000m,J一1A,一90.电场水平分量E,剖 分分别为2,4,1O情况下,双极源与偶极源(即不考 虑双极性,把双极源当成偶极源来看待,下文中都是 指此)之问的E振幅差距,在双极距与收发距相当 的情况下,相对误差达到20,3O;(b)为上述半空 间模型情况下,line1为剖分为10段与剖分为4段 的相对误差,line2为剖分为100段与剖分为10段 之间的相对误差.从图中可以看出,双极源和电偶 源计算的电场水平分量有很大的差异,在偶极距与 收发距相当的时候,剖分大于4就能得到较为正确 2期刘颖,等:频率域双极源全区视电阻率的计算及分析 的电场水平分量E,相对于剖分为1O段的情况,相
对误差仅为19/6,剖分为100与剖分为10的相对误
差仅为0.1,0.2.当双极距与收发距都设为
4000m的时候,其相对误差一致.水平磁场分量和
垂直磁场分量具有跟水平电场分量同样的相对误
差.由此可以看出,若把剖分为100份计算的水平
电场分量当成理论的双极源水平电场分量,则
在剖分为1O的情况下,精度已经很好的满足要求.
从计算时间及精度方面综合考虑,在收发距与极距
相当的情况下,把极距剖分成1O段电偶极子已经能
够满足要求.对于磁场分量具有相同的特性.因
此,在本文的模型验证中都采用剖分为1O.
图2(a)均匀半空间模型
Linel:电偶源;Line2:双极源,剖分为2;Line3:双极源,剖分为4;Line4:双极源,剖分为10
(b)相对误差:linel:剖分为4与剖分为1O的相对误差;line2:剖分为10与剖分为i00的相对误差
Fig.2(a)homogeneoushalfspacemode1 Line1indicatesresultsbasedonelectricaldipole,line2basedonlinesourcewithhalfpartition,
Iine3basedonlinesourcewithquarterpartitionandline4withone,tenthpartition.(b)Relativeerrors basedonline1,quarterandone—tenthpartitionandonline2,one—tenthandone—lOOthpartition
图3为均匀半空间模型(===100g2m,.72一1000
m,一4000m,r一4000m,dL一4000m,I一1A)
中磁场分量(a:水平磁场分量,b:垂直磁场分量),剖
分为10份,从图中可以看出,双极源水平磁场分量
比偶极源磁场分量整体上大一个数量级,而垂直磁
场分量要小一个数量级.
对于双极源电磁场的计算,采用快速汉克尔数
值滤波方法l2,计算速度快,精度高.图4为均匀半 空问模型(p=:=100Qm,Iz一1000m,Y,一4000m,r 一4000m,dL=4000m,I一1A)电偶源下,采用解析 表达式计算的电磁场与采用一维3层模型模拟均匀 半空间计算的电磁场比较.(a)为水平电场分量, (b)为水平磁场分量,(c)为垂直磁场分量.水平电 场分量和水平磁场分量相对误差小于1O.,垂直磁 场分量相对误差小于10..
3双极源全区视电阻率定义及计算方法 3.1全区视电阻率的定义
根据(9),(10),(11)式令:
CE一(3c一2-}-ei~r(1一ikr)), 地球物理学进展26卷
图3均匀半空间模型
Lind:电偶源;Line2:双极源,剖分为1o
Fig.3Homogeneoushalfspacemodelwith
一一—
『sin2(6IKJrikr(11Ko—LK))
4r~ra,/i~ot*
一cos.
1K1],
一s[--Qikr(3--3ikr--kzr2)]j
得:
则:
E一?E一?CE10,i一1i=1
NN
tt一?:?C~Ii*p,i=1i一1
NN
H一?H一?([Zi*1oP,H一>一>,
一
』.===
(12)
(13)
1Hl
一
I
H*?CH
H*?
(14)
(15)
3.2全区视电阻率的计算方法
全区视电阻率计算通常采用两种方法,校正系 数法和等效法.本文采用等效法,等效法根据计算 方法不同,又分插值法和迭代法,其基本思想就是把 复杂地电模型等效于一个均匀半空间,如图5,通过 均匀半空间下电磁场与视电阻率之间的关系,如图 6所示,由场计算出视电阻率.即非线性方程组的 求根问题,通常采用插值或者迭代等数值计算方法. 插值法相对精度低,速度较快,迭代法精度高,但若 数据质量差,收敛慢.本文采用了二分法,二分法较 传统迭代法收敛速度快,精度高.从图6中可以看 2期刘颖,等:频率域双极源全区视电阻率的计算及分析 出,水平磁场与电阻率之间的关系不是一一对应的 关系,因此,在迭代过程中难以找到真值,本文采用 人机交互的方式,若有两个根时,采用手动方式选择 根的取值范围,对于大量数据时,对均匀半空间中电 磁场对视电阻率求导并令其等于0,求出其极值点, 然后分段迭代求出全区视电阻率.
图4电偶源电磁场数值解与解析解对比
Fig.4Numericandanalyticelectromagneticfieldforelectricaldipole
图5等效法基本原理
Fig.5Basicprincipleofinvariantmethod
4双极源全区视电阻率计算结果
图7为两层D型模型(101—100Qm,h一loom,l02 —100m,z一1000m,Y一4000m,r:40001TI,dL:
4000m,J一1A)各种分量定义的偶极源全区视电阻 率(偶极子全区视电阻率计算方法来计算双极源场 分量),单独或混合场分量定义的全区视电阻率无论 在近区还是波区都呈现一定程度的下降;磁场垂直 分量与水平分量比值计算的全区视电阻率不收敛; 磁场垂直分量与水平分量单独定义的全区视电阻率 其在近区都会呈现一定程度的下降;阻抗分量和阻 68O地球物理学进展
图6均匀半空间电磁场与电阻率关系
Fig.6Therelationshipoftheelectromagneticfieldandresistivity
inthehomogeneoushalf—space
抗分量实部计算的全区视电阻率在近区也会呈现一 定程度的下降,不过下降程度较小;双极源场分量计 算的卡尼亚视电阻率,在近区时,比偶极子卡尼亚视 电阻率也要小很多.因此,在野外实测数据中,单独 或混合用电场和磁场分量计算电偶源全区视电阻 率,不能真实反映地下真实情况.其他方式计算的 视电阻率,其效果也不好,因此,双极源全区视电阻 率的计算显得很有必要.
图8为上述模型的双极源全区视电阻率,从图中 可以看出,双极源全区视电阻率很好的解决了图7中 的偶极源全区视电阻率偏低的现象,但是,水平磁场
分量H计算的全区视电阻率在低频的时候会不收
敛,这个主要是跟其均匀半空间中水平磁场分量
与电阻率之问的关系存在一对多的关系造成的.从
图8中可以看出,基本上所有的场分量计算的全区视
电阻率都具有相同的性质,因此,为了更好的介绍双
极源全区视电阻率,下面着重以双极源水平电场分量
在两种不同模式(双极源全区视电阻率和偶极子全区
视电阻率)下计算的全区视电阻率的对比.
图9,11为水平层状介质,双极源水平电场分
量分别利用双极源全区视电阻率与电偶极子全区视
电阻率计算在相同模型不同收发距情况下的对比.
从图中可以看出,对于一维模型,电偶极子全区视电
阻率整体上相对真实模型来说要偏小,在同等条件
下,双极距越大,偏离越严重,而双极源全区视电阻
率无论双极距多大,都能很好的反应地下模型情况.
啪啪枷枷舶枷驯州州州川鲫脚哪鼬咖即
一『-ur《J/_?
2期刘颖,等:频率域双极源全区视电阻率的计算及分析68l 图7两层D型模型,lind~6依次为各分量计算的全区视电阻率 Ez,H,Hz,H/丑,E/H,Re(E./II=;line7:卡昆亚视电阻率
Fig.7Two—layerD-typemodel
Line1line6indicatetheE,H,H,H/H,E/U,Re(E/H)
respectivelyandLine7indicatesCagniardapparentresistivity.
图8两层D型模型
line1,6依次为各分量计算的全区视电阻率:,,,/,/,Re(EJH);line7:卡尼亚视电阻率 Fig.8Two—layerD-typemodel
Line1一line6indicatetheE,Hy,H,H/Hy,E/U,Re(E/n)
respectivelyandLine7indicatesCagniardapparentresistivity.
f/Hz
图9均匀模型,Line1:双极源,dL一1500m;Line2:电偶源,dL=1500m;Line3:电偶源, dL一4000m;Line4:双极源,dL--4000m.
Fig?9H.m0gene.usmode1with10—500f2m,r~4000m,J一1A.Line1indicates1inesourcewithdL一150Om.
1ine2fordipoleSOUrcewithdL一1500In,iine3fordipo1ewithdL一4000m andline4forlinesourcewithdL=4000m. —甥舀
682地球物理学进展
图10(a)两层D模型f0l一1000f2m,l02—500Qm;(b)两层G模型f.l一500~2m,一1000
Qm;h1—100m,r一4000m,I一1A;Linel:双极源,dL一1500m;Iine2:电偶源,dL一1500
m;Line3:电偶源,dL一4000m;Line4:双极源,dL=4000m. Fig.10(a)Two,layerD-typemodelwith10l一1000Qm,一500Qm,h1—100m,r一4000m,J一
1A.(b)Two—layer@typemodelwithf01—500Qm,Io2—1000nm,h1—100m,t-z4000m,I一1A.
Line1indicates1inesourcewithdL一1500m,line2fordipolesourcewithdL一1500m.1ine3for
dipolewithdL=4000mand1ine4for1inesourcewithdL=4000m
图12为双极源全区视电阻率模型验证(r一
4000m,dL=4000m,I=IA,p=90.(a)p=100Qm;(b) P1—100Qm,hi一100m,102—10Qm;(c)
』Dl:10Qm,h1—100m,』D2—100Qm;(d)p1—100Qm,
h1—100m,fD2—10Qm,h2—100m,103—100Qm;
(e)』Dl一100Qm,hl一100m,102—1000Qm,h2—100m,P3 —100Qm;(f)p1—30Qm,h1=50m,J02—10Qm,h2
—50m,.03—100Qm,h3—50m,一10Qm,h4—50m,
一100Qm),从图中可以看出,对于均匀半空间模型
(a),不管是利用单分量还是混合分量计算双极源全区 视电阻率能够很好的反应地下真实电阻率;从(b,d) 中可以看出,对于层数较少的模型,都能较好的反应地 下介质情况,对于地下低阻层介质异常明确,而对于高 阻层的反应没有那么好,往往达不到真实高阻介质的 电阻率值,对于阻抗实部分量计算的全区视电阻率,对 地层反应要比其他方法计算的全区视电阻率要早.图 (e,f)显示对于高阻层和多层情况反应不敏感,因为电 磁场是对地下情况的综合反应,而电磁场跟全区视电 阻率基本上是一一对应的关系.
5结论
(1)在收发距与极距相当时,双极源计算出的电场 与偶极源计算出的电场相差很大,极距越大,误差越大. (2)采用直接迭代法计算全区视电阻率收敛慢, 而且对于水平磁场分量全区视电阻率的计算,若采用 直接迭代法,其在低频处存在不收敛的情况,这主要 是跟均匀半空间条件下水平磁场分量与视电阻率之 间的关系不是一个单调的关系,而是具有多值现象, 采用二分搜索法,通过确定选择区间,能够较好的解 决这种问题.
(3)对于含有虚宗量贝塞尔函数的汉克尔积 分,常采用快速汉克尔变换数值滤波法计算,而不同 2期刘颖,等:频率域双极源全区视电阻率的计算及分析683 的滤波系数具有不同的计算效率的精算精度,而且 对不不同的地电结构,不同的滤波系数具有不同的 效果.对于频率域可控源电磁法,频段范围为1.0e 一
6,1.0e+6,采用文献.提供的120,140点滤波 系数,一维层状模型下,其相对误差可以达到1.0e
一
8以上,具有很好的精度和效率.
图11(a)三层H模型P】一1000nm,P2—500Qm,一1000rim;(b)三层K模型P1—500 Qm,.02—1000Qm,一500Qm;h1一i00m,h2—100m,r一4000m,I--1A;Linel:双极源, dL=1500m;Line2:电偶源,dL一1500m;Line3:电偶源,dL一4000m;Line4:双极源,dL一
4000m.
Fig.11(a)three—layerH—typemodelwithIDl一1000Qm,102—500Qm,P3—1000Qm,hi
一100m,h2—100m,r一4000m,J一1A.(b)three-layerK—typemodelwithpl一500Qm, p2—1000tim,一500om,h1—100m,h2—100m,r一4000m,I一1A.Line1indicates
linesourcewithdL一1500m,line2fordipolesourcewithdL一1500m,line3fordipole
wjthdL一4000mand】jne4for】jneso11rcewithdL一4000m
(4)双极源计算的电磁场相对于把双极源看成
偶极源计算的电磁场相差很大,在双极距与收发距
相对误差达到20,3O,而且双极 相当的情况下,
源计算的水平电场和水平磁场相对于偶极源要偏
小,而垂直磁场要偏大.
(5)偶极源(把双极源当成偶极源)全区视电阻
率要整体偏小,当收发距不变时,极距越大,偏离真
实视电阻率越严重,而双极源全区视电阻率,不必考
虑收发距及极距大小,能够反映地下真实视电阻率,
因此,双极源全区视电阻率具有重要的实际意义,其
算法已在东方地球物理公司进行实测数据的应用,
反响较好.但是该方法同样具有一些潜在的问题,
因为是通过半空间电磁场与视电阻率一一对应的关
系获得的全区视电阻率,因此,采集中的电磁场的误
684地球物理学进展26卷
1O0
舌10
蠢
毒loo
E+006lE+0051E+0041,0001001010.10.O1 f/Hz
IE+0061E+0051E+0041,000100101010. Ol
j/Hz
E+006IE+0051E+0041,00010010l0.1O.O1 f/Hz
lOO
10
1E+006IE+0051E+0041,ooolO01o l,/Hz
宣
100
lE061E+0051E+004l,0001O01010.10.0 f/Hz
lOO
是
10
1E+0061E+0051E+004l,0001O01010.10.01 f/Hz
图12双极源全区视电阻率模型验证
Fig.12Examplesofwholeareaapparentresistivityforlinesource
差直接导致了全区视电阻率的误差,因此,需要在计
算全区视电阻率之前进行相关的去噪和校正等预
处理.
(6)对于均匀半空间模型,不管是利用单分量还
是混合分量计算双极源全区视电阻率能够很好的反 应地下真实电阻率;电偶性源对于地下低阻层介质异 常明确,而对于高阻层的反应没有那么好,而且层数 较多的情况下,全区电阻率无法反应地下真实情况. ga
2期刘颖,等:频率域双极源全区视电阻率的计算及分析685 致谢感谢东方地球物理公司给我这次难得的实
践机会,感谢东方地球物理公司何展翔总工给我的 悉心指导,感谢东方地球物理公司王志刚博士,曹阳 工程师给我的建议.
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