CN104360401A - 一种瞬变电磁b场确定地下目标体地质信息方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，对需要进行测探的地下目标利用接地导线向地下发射一次场；在一次场关断后，运用感应线圈测量垂直方向二次磁场变化在水平线圈中产生的感应电动势V；将感应电动势V转换成磁场微分参数dB/dt；通过积分将dB/dt参数转换成B场参数；依据B场参数数据确定目标体的视电阻率值；根据目标体的视电阻率值确定地下目标的地质信息。在数据解释中采用二分法对所得到的B场数据进行全程视电阻率的提取，完成对地质目标体的精确勘探。与常规由感应电动势V计算视电阻率相比，可消除视电阻率的多解性，而且更有利于探测深部良导目标体，并可获得地质目标体的详细的地质信息。

Description

一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法

技术领域

本发明涉及一种地质勘探方法，具体的说，是涉及一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法。

背景技术

瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简称TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域人工源电磁探测方法。它是利用阶跃形波电磁脉冲激发，利用不接地回线或接地导线向地下发射一次场，在一次场断电后，测量由地下介质产生的感应二次场随时间的变化，来达到寻找各种地质目标体的一种地球物理勘探方法。其工作原理如图1所示。其发射波形和接收波形如图2所示。

在现有的地球物理勘探中，往往通过引入比较简单的视电阻率定义公式，以便直观地解释地下电性界面的存在(电性参数、位置)。然而，在瞬变电磁测深中，电磁响应是地电参数、收发距、时间等的复杂函数，难以求出大地电阻率与电磁响应的显式反函数，在定义视电阻率时不得不取某种极限以简化公式，得到远区或近区的视电阻率表达式。

传统的瞬变电磁信息获取方式大多采用空芯线圈和磁芯线圈形式，用以测量与磁场随时间变化率dB/dt成正比的二次感应电压归一化参数V(t)/I。并根据以下公式由二次感应电压计算视电阻率：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\πt}}{\left(\frac{2{\mathrm{\μ}}_0{M}_q}{5\mathrm{tV}\left(t\right)/I}\right)}^{2/3}$

并进一步根据装置参数换算出深度数据，形成视电阻率--深度剖面。

但在实际应用中，只有少数时间和收发距真正满足早、晚期定义条件。这使视电阻率随时间和收发距变化的曲线发生畸变，另外，V(t)/I或者dB/dt与电阻率的变化关系并非一一对应，如图3所示，由此造成视电阻率数据不准确，不能客观反映地电断面的电性特征，给电磁测深的资料精细解释造成一定的困难。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种通过瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，具有探测精度高的特点，能够准确确定地下目标的地质信息。

本发明所采取的技术方案是：

一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，

对需要进行测探的地下目标利用接地导线向地下发射一次场；

在一次场关断后，运用感应线圈测量垂直方向二次磁场变化在水平线圈中产生的感应电动势V；

将感应电动势V转换成dB/dt参数；

通过积分将dB/dt数据参数转换成B场数据参数；

依据B场数据参数确定目标体的视电阻率值；

根据目标体的视电阻率值确定地下目标的地质信息。

所述将感应电动势V转换成dB/dt参数表达式为；

$\frac{d{B}_z}{\mathrm{dt}}=\frac{V/I\·I\·{10}^3}{S_{N}r}$

其中，I为发送电流，V/I为电流归一化的感应电动势，r为收发距离，S_N为接收线较圈的面积，N为接收线圈的匝数。

所述dB/dt数据参数转换成B场数据参数表达为：

$B={\∫}_t^{\∞}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}.$

所述B场数据参数确定目标体的视电阻率值表达为：

$B={\mathrm{\μ}}_0\frac{P_E\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}^2}[(1-\frac{3}{{\mathrm{\μ}}^2})\mathrm{\φ}\left(u\right)+3\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·\frac{1}{u}{e}^{-u^2/2}]$

其中：B_z(t)为：均匀半空间电性源瞬变电磁的磁感应强度垂向分量；

P_E＝IdL为电偶极子偶极距；

u＝2πr/τ，称为感应系数，

u₀为真空中磁导率。ρ为目标体的电阻率；

通过变换得到：

$\mathrm{\ρ}=K_{B-B_Z}\frac{B_z\left(t\right)}{I\·F\left(u\right)}.$

本发明相对现有技术的有益效果：

本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，运用感应线圈测量二次感应电压参数，然后再把感应电压参数转换成dB/dt参数，进而通过积分转换成B场参数。在数据解释中采用二分法对所得到的B场数据进行全程视电阻率的提取，完成对地质目标体的精确勘探。由B场参数计算全程视电阻率不仅可以消除视电阻率的多解性，而且更有利于探测深部良导目标体，并可获得地质目标体的详细的地质信息。

附图说明

图1是TEM工作原理示意图；

图2是TEM工作的发射波形图和接收波形图；

图3是均匀半空间模型dB/dt随电阻率的变化曲线图；

图4是均匀半空间模型B随电阻率的变化曲线图；

图5是本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的B-场数据与dB/dt-场数据响应比较图；

图6是本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的二分法迭代计算全程视电阻率流程图；

图7是本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的B场数据视电阻率计算结果与传统dB/dt数据视电阻率计算结果对比曲线图；

图8是采用现有技术的dB/dt数据计算的视电阻率断面B场数据视电阻率断面图；

图9是本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的B场数据视电阻率断面图。

具体实施方式

以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：

图3中实线代表t＝0.001s时dB/dt响应随电阻率变化曲线，点划线代表t＝0.01s时dB/dt响应随电阻率变化曲线，虚线代表t＝0.1s时dB/dt响应随电阻率变化曲线。从图中可以看出无论是在时间较小的0.001s时刻还是较大的0.1s时刻dB/dt响应随电阻率的变化都并非一一对应的关系。这就使得运用dB/dt定义视电阻率存在双值性问题。

图4中实线代表t＝0.001s时B-场响应随电阻率变化曲线，点划线代表t＝0.01s时B-场响应随电阻率变化曲线，虚线代表t＝0.1s时B-场响应随电阻率变化曲线。从图中可以看出无论是在时间较小的0.001s时刻还是较大的0.1s时刻B场响应随电阻率的变化都是一一对应的关系。这使得应用B场数据定义的全程视电阻率具有唯一性和可靠性。

图5中左下方的三条曲线代表的是dB/dt-场响应曲线，图中右上方的三条曲线代表的是B-场响应曲线，虚线分别代表dB/dt-场和B-场响应随时间的指数变化曲线，点线分别代表dB/dt-场和B-场响应响应随时间的幂律变化曲线，实线分别代表dB/dt-场和B-场响应响应随时间的变化曲线。对比dB/dt-场和B-场响应变化曲线可以发现：

(1)B-场数据比dB/dt场数据衰减慢，因此B-场数据有利于对良导体探测。

(2)B-场数据变化范围比dB/dt场数据小，所要求的动态范围窄，在硬件设计上易于实现。

图6中，显示本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的二分法迭代计算全程视电阻率流程图；包括瞬变电磁B场的积分计算和全程视电阻率的求取。

图7中，虚线代表使用传统方法计算的视电阻率曲线；实线代表使用本发明计算得到的视电阻率曲线。

图8中传统方法计算得到的视电阻率断面在浅部成整体高阻形态分布，这也印证图7中均匀半空间传统视电阻率曲线(虚线)，而且传统方法计算容易形成畸变点，形成小型电阻率圈闭。

图9中浅部的视电阻率得到了很好的校正，与图7中本发明方法计算得到的视电阻率曲线(实线)相吻合。而且本专利方法的计算结果就很好的避免了畸变点的产生。实测数据表明利用B定义的全程视电阻率是正确的、有效的。

附图1-9可知，一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，

对需要进行测探的地下目标利用接地导线向地下发射一次场；

在一次场关断后，运用感应线圈测量垂直方向二次磁场变化在水平线圈中产生的感应电动势V；

将感应电动势V转换成dB/dt参数；

通过积分将dB/dt数据参数转换成B场数据参数；

依据B场数据参数确定目标体的视电阻率值；

根据目标体的视电阻率值确定地下目标的地质信息。

所述将感应电动势V转换成dB/dt参数表达式为；

$\frac{d{B}_z}{\mathrm{dt}}=\frac{V/I\·I\·{10}^3}{S_{N}r}$

其中，I为发送电流，V/I为电流归一化的感应电动势，r为收发距离，S_N为接收线较圈的面积，N为接收线圈的匝数。

所述dB/dt数据参数转换成B场数据参数表达为：

$B={\∫}_t^{\∞}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}.$

所述B场数据参数确定目标体的视电阻率值表达为：

$B={\mathrm{\μ}}_0\frac{P_E\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}^2}[(1-\frac{3}{{\mathrm{\μ}}^2})\mathrm{\φ}\left(u\right)+3\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·\frac{1}{u}{e}^{-u^2/2}]$

其中：B_z(t)为：均匀半空间电性源瞬变电磁的磁感应强度垂向分量；

P_E＝IdL为电偶极子偶极距；

u＝2πr/τ，称为感应系数，

u₀为真空中磁导率。ρ为目标体的电阻率；

通过变换得到：

$\mathrm{\ρ}=K_{B-B_Z}\frac{B_z\left(t\right)}{I\·F\left(u\right)}.$

其中， $F\left(u\right)=[(u^2-3)\mathrm{\φ}\left(u\right)+3\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·u{\·e}^{-u^2/2}].$

上式方程两边都含有电阻率ρ，是一个复杂函数，目前数学上尚无法给出合适的反函数形式，因而利用其直接定义全区视电阻率存在困难，唯一的途径是采用数值求解法来完成。根据B的单调性，采用二分法进行迭代计算，求出电阻率ρ值。

首先任取一个可能的电阻率值，将其与发送电流I、发射源长度dL、收发距r、方位角θ、及时间参数t等一同代入(3)式，编程计算，看与实测B_z对比相差多少。反复修改选取的ρ值，逐次迭代，直到得到的B_z与实测的B_z满足精度要求为止。

本发明通过设计一个均匀半空间地电模型，均匀半空间的真电阻率值为100欧姆米。

首先采用传统的dB/dt数据计算均匀半空间的视电阻率曲线，

然后采用本发明的方法对B场数据计算视电阻率曲线，两种曲线显示在图7中，其中，虚线表示采用传统的dB/dt数据计算均匀半空间的视电阻率曲线，实线表示采用本发明的方法对B场数据计算视电阻率曲线，从图7可以看出，用发明的方法所计算的视电阻率曲线能够真实地反映地下均匀半空的电性情况。

本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法的实际测试对比：

为了验证本专利方法的正确性，在冀北隆化某地进行了电性源瞬变电磁法的数据测试。选取发射线长度dL＝450m、发射电流I＝10A、偏移距r＝475m、点距为20m。

图8为传统的dB/dt数据计算的视电阻率断面图，图9为利用本专利方法计算的视电阻率的断面图。从图8、9中可以看出两种方法计算结果在浅部有明显的差别，传统方法计算得到的视电阻率断面在浅部成整体高阻形态分布，这也印证图7中均匀半空间传统视电阻率曲线(虚线)，而从图9中我们可以看出浅部的视电阻率得到了很好的校正，与图7中本发明方法计算得到的视电阻率曲线(实线)相吻合。而且传统方法计算容易形成畸变点，形成小型电阻率圈闭，而利用本专利方法的计算结果就很好的避免了这种现象的产生。实测数据表明利用Bz定义的全程视电阻率是正确的、有效的。

本发明瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，运用感应线圈测量二次感应电压参数，然后再把感应电压参数转换成dB/dt参数，进而通过积分转换成B场参数。在数据解释中采用二分法对所得到的B场数据进行全程视电阻率的提取，完成对地质目标体的精确勘探。由B场参数计算全程视电阻率不仅可以消除视电阻率的多解性，而且更有利于探测深部良导目标体，并可获得地质目标体的详细的地质信息。

Claims (4)

1.一种瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，其特征在于：

对需要进行测探的地下目标利用接地导线向地下发射一次场；

在一次场关断后，运用感应线圈测量垂直方向二次磁场变化在水平线圈中产生的感应电动势V；

将感应电动势V转换成dB/dt参数；

通过积分将dB/dt数据参数转换成B场数据参数；

依据B场数据参数确定目标体的视电阻率值；

根据目标体的视电阻率值确定地下目标的地质信息。

2.根据权利要求1所述瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，其特征在于：所述将感应电动势V转换成dB/dt参数表达式为；

$\frac{d{B}_z}{\mathrm{dt}}=\frac{V/I\·I\·{10}^3}{S_{N}r}$

其中，I为发送电流，V/I为电流归一化的感应电动势，r为收发距离，S_N为接收线较圈的面积，N为接收线圈的匝数。

3.根据权利要求1所述瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，其特征在于：所述dB/dt数据参数转换成B场数据参数表达为：

$B={\∫}_t^{\∞}\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}.$

4.根据权利要求1所述瞬变电磁B场确定地下目标体地质信息方法，其特征在于：所述B场数据参数确定目标体的视电阻率值表达为：

$B={\mathrm{\μ}}_0\frac{P_E\sin \mathrm{\θ}}{4\mathrm{\π}{r}^2}[(1-\frac{3}{{\mathrm{\μ}}^2})\mathrm{\φ}\left(u\right)+3\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·\frac{1}{u}{e}^{-u^2/2}]$

其中，B为电性源瞬变电磁的磁感应强度；

P_E＝IdL  为电偶极子偶极距；

u＝2πr/τ，称为感应系数，

u₀为真空中磁导率。ρ为目标体的电阻率；通过变换得到：

$\mathrm{\ρ}=K_{B-B_z}\frac{B}{I\·F\left(u\right)}.$

其中， $F\left(u\right)=[(u^2-3)\mathrm{\φ}\left(u\right)+3\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\·u\·e^{-u^2/2}].$