CN104330832A - 一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法，首先，收集地质、地球物理、物性测井资料；利用所述资料综合分析构建围岩地电模型；接着，利用所述模型正演计算围岩TEM响应，并结合实测TEM响应，计算纯异常场(三分量)；利用电流环来等效目标地质体在某一时刻受一次场激发而产生的涡流，使等效电流环产生的场去逐渐逼近在地表观测到的三分量场值，通过反演获得电流环的位置及尺寸、倾角、倾向等几何参数，从而获得目标地质体的信息；根据已知资料判断是否合理，如果合理则获得目标异常体的信息，并进而实现三维TEM人机交互反演，如果不合理则再次综合分析构建围岩地电模型，进入下一个循环，直到合理为止。

Description

一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法

技术领域

本发明涉及一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法。

背景技术

瞬变电磁法(TEM)是一种有效的寻找良导电金属矿的地球物理方法，应用广泛，有许多成功的找矿实例。定源回线装置的瞬变电磁法主要用于详查阶段，确定目标地质体的较为准确的埋深、边界等几何参数。在实际测量中常使用边长数百米的矩形发射回线，在垂直于矩形长边的测线(包括框内、框外)上观测三个分量瞬变响应。由于发射源可以固定放置于靠近回线边的某个位置，可以使用功率较大的发射装置。因此，定源回线场源具有发射磁矩大，场较为均匀及随距离衰减慢等特点，适合于深部矿产勘查工作。定源回线装置可以观测瞬变响应三个分量，充分利用定源回线内瞬变响应三个分量有用信息有利于获得更多的目标体几何参数信息。

目前对于定源回线装置的瞬变电磁法的解释方法主要为视电阻率成像方法。该方法主要是计算每一测点的视电阻率曲线。视电阻率定义是通过计算均匀半空间的瞬变响应值来拟合实测瞬变响应某一时间道的值，将均匀半空间的电阻率值定义为该时间道的视电阻率值。因此，视电阻率并非真电阻率，而是地下地层和矿体的综合反映，形成比矿体实际范围大得多的异常范围。例如均匀半空间赋存低阻薄板，那么视电阻率成像显示的结果必然是球体状异常。因此，视电阻率成像的方法不准确、异常范围大，不能准确解释异常体。

另外一种定源回线装置的瞬变电磁的解释方法为一维反演。一维反演是以各项同性层状介质为基础的理论，以一维层状模型正演去拟合实测资料。由于实际矿体模型为三维模型而且各向异性，所以一维反演的结果不可能很好地解释三维矿体。目前一维反演技术中只能针对瞬变响应的垂直分量(Z分量)来进行反演解释，水平分量(X分量和Y分量)目前并不能加以利用参与反演解释，造成了水平分量信息的极大浪费。因此，目前的一维反演的技术不能准确地解释三维矿体。

因此，本发明提出了基于等效电流环理论的三维反演方法，并进行了理论模型和矿区实测数据验证，获得了良好的应用效果。

发明内容

本发明针对定源回线瞬变电磁法目前解释方法中存在的异常范围大、定位不准确以及未充分利用三分量信息的问题，提出了基于等效电流环理论的瞬变电磁人机交互三维反演方法。该方法能够准确快速解释出三维地质体的范围、埋深、中心位置、倾向等参数。

本发明涉及一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法，首先，收集地质、地球物理、物性测井资料；利用所述资料综合分析构建围岩地电模型；接着，利用所述模型正演计算围岩TEM响应，并结合实测TEM响应，计算纯异常场(三分量)；利用电流环来等效目标地质体在某一时刻受一次场激发而产生的涡流，使等效电流环产生的场去逐渐逼近在地表观测到的三分量场值，通过反演获得电流环的位置及尺寸、倾角、倾向等几何参数，从而获得目标地质体的信息；根据已知资料判断是否合理，如果合理则获得目标异常体的信息，并进而实现三维TEM人机交互反演，如果不合理则再次综合分析构建围岩地电模型，进入下一个循环，直到合理为止。

定源回线装置瞬变电磁法三分量数据包含着各不相同丰富的地下矿体的信息，目前商品化的瞬变电磁仪大多能够采集三分量瞬变数据，但是目前并没有同时处理三个分量的三维反演的方法。而应用本发明技术可以充分利用实测三分量数据，能够进行三维反演，更加符合矿体实际情况。应用该项技术对三分量的实测数据进行处理解释，能够获得准确的矿体的位置、边界、埋深等几何参数。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1为本发明的基于等效电流环理论的三维TEM反演解释技术流程图；

图2为导电薄板涡旋电流分布示意图；

图3为半径为R，电流为I的载流环在空间任意一点P产生的场的示意图；

图4中为编制的软件中纯异常提取的界面图；

图5为感应磁场纯异常曲线图；

图6为纯异常人机交互反演界面图；

图7为基于等效电流环理论的人机交互三维反演结果图；

图8为均匀半空间赋存低阻薄板模型图；

图9为理论模型断面图；

图10为纯异常提取和人机交互三维反演过程界面；

图11为纯异常提取和人机交互三维反演过程界面；

图12为不同视角的三维反演结果图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。

1电流环理论公式

设导电薄板位于均匀一次场中，当发射回线中的电流突然关断，一次场瞬间消失时，根据法拉第定律，为了维持导体内原来的均匀磁场，板体内立即感应出涡流，导电薄板上感应涡流的磁矩总是垂直薄板。感应涡流在板内将形成与导电板体形状相似的电流环分布，早期是集中在板的边缘，然后向导体中心扩散。短时间间隔后，这一电流分布达到了一种准平衡状态，然后做简单的振幅衰减。由理论和数字模拟可以证明，不仅在晚期，即便在较早期，这一电流分布也可以用一个等效电流环表示，如图2所示。

同样地，如果均匀的一次场中存在一个导电球体，当发射回线中的电流突然关断，一次场瞬间消失时，按法拉第电磁感应定律为了维持球内原来的均匀磁场，会立即感应出涡流，并仅仅分布在球体的表面，之后球体内的环形电流的分布则受这些电流引起的磁场相互影响所支配，向球内移动。此时电流不仅向内移动而且因热损耗而减弱。最后电流的分布不再随时间而改变，靠近球心电流密度沿半径的距离线性地增加，在二分之一半径内相对均匀分布，并向球边缘微微地减弱。此后电流和相应的外部磁场开始以某一时间常数呈指数衰减，直到消失。

通过以上理论可知，矿体所产生的二次场可以用矿体内流动的“等效电流环”的场相等效。

下面就圆形载流环在空间中的磁场响应推导。近似的，可以用圆形电流环场的分布来等效某个时刻自由空间中导体产生的二次场分布情况。建立笛卡尔坐标系，选择Z分量向上为正，电流环位于X-Y平面内，中心与坐标原点重合，半径为R，电流强度为I。

由图3可以看出：

由矢量运算规则可知：

根据毕奥萨伐尔定律可知：

则各分量依次为：

$B_x=\frac{\mathrm{\μIR}}{4\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{z\cos \mathrm{\φ}}{r^3}\mathrm{d\φ}$

$B_y=\frac{\mathrm{\μIR}}{4\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{z\sin \mathrm{\φ}}{r^3}\mathrm{d\φ}$

$B_z=\frac{\mathrm{\μIR}}{4\mathrm{\π}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{(R-y\sin \mathrm{\φ}-x\cos \mathrm{\φ})}{r^3}\mathrm{d\φ}$

2纯异常提取

等效电流环理论是建立在全空间，理论公式推导结果为磁场，而实测数据是在半空间中，实测值为感应电动势，因此在实际数据处理中还需在实测数据中提取纯异常，即消除地层的影响，只保留异常体产生的瞬变响应，并且需要转换为感应磁场。

对于理论模型，如均匀半空间中低阻板状体，则低阻板状体的纯异常计算方法，可以通过分别计算均匀半空间和均匀半空间中板状体的响应，并对两种模型条件下的响应做差，获得异常场值。对于实测的三分量感应电动势，则可以利用约束条件来构建围岩地电模型，求取背景场值，并与实测值作差获得异常场数据。

图4中为编制的软件中纯异常提取的界面，界面中可以显示实测数据和左侧用户给出的地层理论模型计算得到的背景曲线的对比，用户可以根据实测和背景曲线对比情况，结合收集到的地质、物探、物性、测井、地质编录等信息实时调整模型参数，获得合适的背景值。在求取感应电动势的纯异常值后，只需对时间积分即可获得相应的纯异常感应磁场值。如图5中为求取纯异常获得的曲线。

3三维人机交互反演

如图1所示，利用电流环来等效目标地质体在某一时刻受一次场激发而产生的涡流，使等效电流环产生的场去逐渐逼近在地表观测到的三分量场值，通过反演获得电流环的位置及尺寸、倾角、倾向等几何参数，从而获得目标地质体的信息。基于电流环理论的方法是以低阻异常体为研究目标，而不是整个地电断面。三维定源回线正演方法可以根据瞬变电磁信号在板状体导体中的感应电流环模型，依据毕奥萨伐定律，推导圆形或矩形电流环在自由空间中任意一点产生的电磁响应，并计算电流环不同参数条件下的电磁响应。可以获得自由空间三分量瞬变响应。而对于反演方法，可利用最小二乘方法。利用已知资料构建地电模型来约束反演结果，通过人机交互的方式实现反演解释。

图6为纯异常人机交互反演界面，用户给定等效电流环的七参数(X坐标、Y坐标、Z坐标、半径、电流值、倾向、倾角)初始值，计算后在右侧三组曲线中可以显示X、Y、Z三分量曲线对比情况，通过不断调整电流环的参数，以拟合纯异常曲线，最终获得较好的拟合程度。则获得该时刻电流环的参数，系列电流环组便可刻画矿体的范围、倾向等几何参数。

如图7为基于等效电流环理论的人机交互三维反演结果图，图中展示了反演结果不同视角的与发射框的相对位置关系。

以上即为基于等效电流环理论的定源回线瞬变电磁人机交互三维反演技术。

下面为理论模型的应用实例。

图8为均匀半空间赋存低阻薄板模型，薄板大小400m×400m，倾角30度，顶界面埋深200米。图9为理论模型断面图。图10、11为纯异常提取和人机交互三维反演过程界面。图12为不同视角的三维反演结果图。图中可以看出，三维反演结果中异常体大小、中心、埋深、倾角均与理论模型吻合很好。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法，其特征在于：

首先，收集地质、地球物理、物性测井资料；利用所述资料综合分析构建围岩地电模型；接着，利用所述模型正演计算围岩TEM响应，并结合实测TEM响应，计算纯异常场(三分量)；利用电流环来等效目标地质体在某一时刻受一次场激发而产生的涡流，使等效电流环产生的场去逐渐逼近在地表观测到的三分量场值，通过反演获得电流环的位置及尺寸、倾角、倾向等几何参数，从而获得目标地质体的信息；根据已知资料判断是否合理，如果合理则获得目标异常体的信息，并进而实现三维TEM人机交互反演，如果不合理则再次综合分析构建围岩地电模型，进入下一个循环，直到合理为止。

2.如权利要求1所述的一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法，其特征在于：

所述正演为三维定源回线正演方法，根据瞬变电磁信号在板状体导体中的感应电流环模型，依据毕奥萨伐定律，推导圆形或矩形电流环在自由空间中任意一点产生的电磁响应，并计算电流环不同参数条件下的电磁响应。

3.如权利要求1或2所述的一种瞬变电磁快速三维人机交互反演方法，其特征在于：

所述反演方法利用最小二乘方法，利用已知资料构建地电模型来约束反演结果，通过人机交互的方式实现反演解释。