1. 4 论文主要研究内容本文主要进行了以下几点研究:( 1)通过对大地电磁测深以及高频大地电磁测深法( E H - 4 )测深原理的研究, 了解了大地电磁场信号以及E H _ 4 的时间序列信号特征。( 2)通过查阅资料掌握了E H 4 时间序列Y 文件的存储格式, 利用M a tla b 编制了Y 文件的数据读取及保存程序; 通过对小波分析理论的研究, 利用小波分析对时间序列数据进行了时频分析。( 3)根据E H _ 4 标定频率模拟含干扰波成分的时间序列信号, 并利用小波变换对这些模拟信号进行分析、 消噪处理。( 4 )利用小波变换对E H 4 实测资料中受到50 H z 工频干扰以及风吹干扰的时间序列信号进行分析、 消噪处理, 并通过对比消噪前后的信号查看其消噪效果。( 5)研究静态效应产生的原理及其产生的影响, 利用有限元二维大地电磁正演程序正演模拟了一个二层大地低阻体静态效应地电模型, 并利用小波变换方法对正演模拟静态效应进行压制。( 6)对某工区受到静态效应影响的E H - 4 实测数据进行分析、 处理, 并利用小波变换方法对其进行压制。3 桂林理工大学硕士学位论文第二章高频大地电磁法( E H 一4 )的基本原理及工作方法大地电磁法是以地下岩土体、 地层的导电性和导磁性差异为物质基础, 观测和研究电磁场空间与时间分布规律, 以探测地下地质构造、 解决地质问题及勘探矿产资源的一种电法勘探的分支方法【16】 。 至今, 基于平面波卡尼亚视电阻率的频率域电磁测深法已经朝着两个完全不同的方向迅速发展, 一个是向着重设备、 大功率的可控源音频大地电磁测深法( C S 舢ⅥT ); 另一个方向则是朝着轻设备, 天然场源的音频大地电磁测深法( A M T )。 对于前者来说, 其代表性的仪器是美国Z o n g e 公司的G D P 系列和加拿大风凰公司的V 系列电磁法仪; 后者的代表便是E H - 4 系统和德国M e tr o n ix 公司的G M S 系统【rn。2. 1天然大地电磁场特征人们把在较大区域乃至全球范围内观测到的天然交交电磁场称为大地电磁场, 它主要由太阳风与地球磁层、 电离层之间复杂的相互作用, 以及雷电活动等地球外层空间场源引起的区域性乃至全球性的不同频率电磁场的迭加而形成。 大地电磁场入射到地下时, 部分电磁波在地球内感应出变化的电场并产生二次磁场, E H 4 系统正是通过在地表观测电磁场( E x , E y , H x , H y )分量来研究地面波阻抗随频率的变化规律, 从而推断地下介质分布情况【18】 。E H . 4 是大地电磁测深法的一个发展分支, 它正是利用了天然交变大地电磁场作为场源, 虽然这样避免了大电流供电, 但是天然大地电磁场并不是一直稳定不变的, 天然大地电磁场的信号弱, 在某些频段先天缺失而且容易受到各种噪声干扰。 参看如图2. 1所示的大地电磁场频谱分布图, 它反映了天然大地电磁场与人文电磁场的大致分布情况。 从图中可以看出, 电场随频率的增高整体成上升趋势, 磁场随频率的增高整体成下降趋势; 在1H z 频率范围左右, 无论电场还是磁场都是低谷; 在10 0 0 H z 频率范围处磁场几近寂静, 电场有一相对的低谷; 从几十H z 到10 4 H z 频率范围内人文活动的电磁场干扰特别严重【l9 1。 正因如此, E H _ 4 系统配备了一台磁偶极子发射机用以弥补天然电磁场中缺失的频段信息以及对人文活动干扰进行一定的压制。4 桂林理工大学硕士学位论文零重萋蕈*2. 2高频大地电磁法( E H . 4 )测深理论, 、峰!童塌骂俺囊事( №任意电磁场问题的解都是基于麦克斯韦方程组, 它描述了电磁场最根本的规律。E H - 4 系统理论同样遵循大地电磁基本理论, 所以同样满足麦克斯韦方程组, 方程组的表达式为:v×H : d + 生v × E : 一生生刁t( 2・1)a tV・D=qV・B= 0其中碌示磁场强度; . , 表示传导电流密度; D 表示电位移; aD /西为位移电流密度;曰表示电场强度; B 表示磁感应强度; q 表示自由体电荷密度。 方程组( 2. 1)的物理意义为: 第一式为安培定律的表达式, 它描述了电流与其产生的磁场之间的关系; 第二式为电磁感应定律的表达式, 它描述了变化的磁场与其产生的电场之间的关系; 第三式为库仑定律的表达式, 它表明电场的电力线始于自由电荷, 导电介质内部的自由电荷经过短暂的衰减后变为零, 即卿; 第四式表明了磁场的磁力线总是闭合的。 此外, 还有关系式: ( 其中。 为直流导电率; ∥ 为导磁率; s为介电常数。 )三: 三=眨2,占E将关系式( 2. 2)带入麦克斯韦方程组( 2. 1)中, 对方程组第二式两边求旋度之后带入第一式中, 利用恒等式V x V x /燕- - V V ・冒一V2冒, 并考虑第三式, 再将谐时变因子e一埘引入到等式当中, 最终便可以推导出谐变电磁场的微分方程一波动方程【20】 :5 桂林理工大学硕士学位论文( 2. 3)( 2. 3)式中, k 为传播系数: k 2= 国2掣+ i( o ,u tx( 2. 4)一般情况下, 位移电流和传导电流的最大比值非常的小, 所以可以忽略位移电流的影响。 因此在大地电磁测深中, 实际上处理的电磁场是似稳定的, 于是传播系数的表达式便可以简化成:七≈厮= 、 /孚( 1+ 力晓5,通常将等相位面同时也是等振幅面的电磁波称之为均匀平面电磁波。 假设均匀平面电磁波在介质中沿Z 方向( 垂直地表向下)传播, 则其极化平面平行于x o y 平面。 当电磁场沿Z 轴传播到Z _ + _ o 。 处时, 电磁场将逐渐衰减而趋于零。 如图2. 2所示:图2. 2均匀平面电磁波传播示意图在均匀各向同性介质中, 其电磁场沿水平方向是均匀的, 因此电磁场对X 、 Y 的导数均等偈等考= 。 百O H = 可O H = 。o X ( ) vo xo v于是得到:一堡=!巨O盟= !EO z一. . —. . 二. !一一zP1( 2 .6 ,PY。 二’ u 7置= O6一孚=i-co/. a一-/工亿一■÷=要= ico/A 'ly( 2. 7)皿= O岔u √7:叫Ⅳ譬%E.∥胪++日EVV 桂林理工大学硕士学位论文由上述两式可以看出, 电磁场的四个分量之间H y 只与E x 有关, E y 只与H x 有关,它们都是沿着Z 轴传播。 均匀平面电磁波在均匀各向同性介质中, 其中电场E 与磁场H是正交的, 其波阻抗Z = 阴是与测量轴方位无关的标量, 并且两波阻抗的振幅值相等,于是有:zl= 吲= 吲= √丽≥p= 面1IZ|2( 2. 8)在均匀各向异性介质中电磁场分量并不是正交的, 波阻抗为一张量。 在大地电磁测深法中, 电场分量偏振方向与构造走向垂直的极化模式称为T M 模式阻抗, 电场分量偏振方向与构造走向平行的极化模式称为T E 模式阻抗。 假设二维介质的电阻率沿走向Y是稳定的, 则有罢: 掣: o, 于是由麦克斯韦方程组可将相应的电磁场分为两组, 得∞到H 偏振波( T M 极化模式)和E 偏振波( T E 极化模式)[ 2q :O 、 》H 偏振( T M 极化)E 偏振( T E 极化)一_ aH y= 上t妥嘲峨o Z‘等- 砰妒。 Q 9’砰: 一坐n一警= i—O Jlr』 H 也一÷=工o Z警= 去B兽也= 。 Q _ ∞k?: 一坐矾一姗…蹴1f乏Zru嚣=E. /Hy寸=z蝴l泣…于是可计算得到两主轴上的视电阻率:岛= 古I‰12& = 可1. z疆. 12c2m )均匀平面电磁波在平行于x o y 的平面上的振幅和相位均保持不变, 因此电磁场对x 、y的导数均为零: 冬= 冬= oC %卯7 桂林理工大学硕士学位论文此时电磁场的定解问题为: {蓑善工二。 旺。 3,式( 2. 13)中微分方程的通解为:E , = C , e 胞+ C : e 一如E = E 如e—ke一‘‘耐一茁’( 2. 14)∞篡口z㈣5,万= √2/co/to"( 2. 16)8 桂林理工大学硕士学位论文图2. 3穿透深度与频率及电阻率关系图在E H - 4 实际测量工作中, 地下介质的电阻率都是保持固定不变的, 较高频率的电磁场勘探深度较小, 较低频率的电磁场勘探深度较大, 所以通过测量不同频率范围的大地电磁场信号即可勘探到地下不同深度介质的电性情况。 但是利用上述公式所计算出的“电阻率值” 并非地下介质的真实电阻率值, 而是地下介质电性参数分布的综合反映, 称之为视电阻率, 它表示了某一范围内地电断面的“综合” 效应【221。2. 3高频大地电磁法( E H . 4 )仪器简介19 9 6年, 由美国以制造高分别率地震仪著名的G eo m etric与以研制大地电磁仪器而闻名的E M I公司联合研制出E H 4 电导率成像系统, 这是全新概念的电导率张量测量仪。E H _ 4 系统共由两大部分组件构成g 一部分是接收机装置; 另一部分是发射机装置。 标准的接收机装置和发射机装置分别如图2. 4 和图2. 5所示。双圈天线图2. 4E H - 4 系统接收机装置示意图图2. 5E H - 4 系统发射机装置示意图9 桂林理工大学硕士学位论文由图2. 4 中可以看到, 标准的E H _ 4 接收机装置包括一台E H . 4 系统4 8 6主机, 它是整个系统的中心, 主要用于文件管理、 数据存贮及资料处理; 前置模拟信号调节终端( A F E ), 它通过一根主机控制电缆将电场、 磁场信号数据传输至主机采集单元, 并且对信号起到了滤波、 放大的作用; 4 个S S E 不锈钢电极采集电场信号, 通过四根带有B E . 16型缓冲器的有效高频偶极子电缆将电场信号传输至A F E ; 磁场分量的测量由两个B F . IM 磁感应棒来完成, 并通过两根电缆将磁场信号传输至A F E ; 还有向主机提供电源工作的12V 蓄电池12引。E H . 4 系统为了补偿天然场某些频段的信号缺失以及压制人文活动干扰, 同时配置了一个磁偶极子发射源。 从图2. 5中可以看到, 标准E H - 4 发射机装置主要由发射机、天线、 发射控制器、 接地电极以及12伏蓄电池。 图2. 6为E H _ 4 系统的野外工作布置示意图【24l:图2. 6E H - 4 系统野外工作布置示意图2. 4 高频大地电磁法( E H 4 )数据格式【25】E H - 4 系统在野外采集数据时进行的是实时数据处理, 仪器伴随数据采集产生一系列输出文件, 主要包括标定文件、 位置文件( @ 文件)、 时间序列文件( Y 文件)、 功率谱文件( X 文件)以及阻抗文件( z 文件)。 可以说E H - 4 的数据处理过程就是输出文件之间相互转换的过程, 所以清楚了解E H - 4 各种输出文件结构类型是掌握其数据处理的关键所在。 E H _ 4 系统工作流程图如图2. 7 所示:10 桂林理工大学硕士学位论文图2. 7E H 4 系统工作流程图位置文件( @ 文件)包含了所有测点的基本信息, 例如位置、 极距及各测点数据库目录相关信息。 如图2. 8 所示, 位置文件具体信息如下:: j. 咖Ⅱ - OT I - " 0T F:j∞l n :jj毗r l= 0 玎- 0T 庐0R I= 8 150 0llr = Ok 0出砌耻绷G l卸m 渊e西伽战J. 0D 3 r l= 0 玎.0T F0取: 81500 I f f = 0lz: 0出2000耻砌6l瑚舶渊ec6渊醒0 俳0 T f -0 舡= 8 1咖豇: 0 球0 耵= O T 庐0Ⅱ - 删Ⅱ : 0|I: 0出伽俳伽61卸舶脚c西渊击l0 耵.0T 车0肛: T 哪肚0 耵- 0T 庐0 Ⅱ : T 硼Ⅱ - 0lz: 0出伽耻伽G 1瑚m 渊c占渊刮On .OT F0Ⅱ : T T 000豇.0n -0 l'r - 0 Ⅱ = 7 6 0 ∞盯.O Ⅱ -0 T 庐0Ⅱ = T 5咖盯=j0 1lⅡ -O 玎:O T 车O Ⅱ - T 姗Ⅱ .j. 012Ⅱ .On -OT 乒0III= 脚豇.j. 013Ⅱ .On.O T z:O Ⅱ : T 姗衅j0 14 Ⅱ :On =0 T 庐0珏- T l咖Ⅱ -J1115 rl=0 玎-i. 016Ⅱ .0 n =0 T 乒0n: 蛳豇-j 0 17rl=0 11=0 T 庐O 珏: 脚豇:J1118Ⅱ -0 丌_0 T z=011I= 贼豇=王019n - 0 耵- 0 T 乒0Ⅱ : “咖Ⅱ _j. 咖Ⅱ - O 玎. OT F0胙枷职O 球O 出砌职硼6l锄蛳脚c占G Ⅻ强0R I- "01t1'= 0llz= - O IL= 砌俳彻G I= 000140删仕嘲O7 /= 0T FO III= 8 15111 R I = 0E z= 0出2咖耻2咖G l= O O 舶渊商伽战:0出舢耻伽G 1瑚舶删c古渊栅O k 0耻彻耻伽61锄舶渊c古渊击l0耻砌俳伽G I: = [ 10啪渊c古渊击1O |z =0出舢俳舢G l啪啪渊c古脚击lO k O 出伽俳舢G 1枷m 渊c古6Ⅻ击lOk 0耻御俳4咖G l瑚舶㈣cc5渊田lOk 0出伽俳伽6l卸m 渊c古渊击lOk 0耻∞∞耻∞∞G 1锄啪渊c古渊田l0 kO 置z:0出2咖出舢G 1锄b45渊c古G Ⅻ埘0 k O 出硼俳舢G 1瑚blS 恻c古渊烈0 球0耻砌耻砌G 1如H 5渊c占渊“O E z =0出砌化舢6I: 00T 43删c卤御我0置z:0 k O 耻4咖似伽G 1瑚硒恻c占仕∞击l0m 伽耻舢G I瑚m 恻c古渊曲IO T 声0 啦T 1咖廿.图2. 8 位置文件( @ 文件)数据格式50Oj. 000似= 0T Y = oT z - - 0IⅨ刮R Y = ol渊X L = 4000Y L = 2 50 0G l= I)0 0 14 0 G 2= 0 t)0 0 8 0G 3删80这个文件的第一行有两个数字, 第一个数为陷波滤波器的频率, 第二个数为开始的点号数"IX 、 下Y 、 T Z 为发射机位置的X 、 Y 、 Z 坐标R X 、 R Y 、 R Z 为接收机位置的x 、 Y 、 z 坐标X L 、 Y L : X Y 为电极距的长度, 单位为厘米G 1、 G 2、 G 3- 高频, 低频, 中频的增益( 十六位迸制)