CN104459804A - 野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法 - Google Patents

Abstract

野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法,使用软电磁传感器紧贴地面拖动，获得连续观测数据，支持判断异常体的边界；软电磁传感器是在软管中嵌套链接一组线圈，可以任意折叠，外层套装一个屏蔽层；在处理测量数据时不需要计算视电阻率，根据电阻率与磁场分量的反比关系，推测出异常区的边界及埋深的数据，只需拖拽软电磁传感器便可以便捷实现移动，连续采样并获得观测数据，极大节约勘探时间；数据处理简单，测量速度快，可以快速圈定异常体及边界，准确率高，方便解决地形修正的问题。

Description

野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法

技术领域

本发明涉及IPC分类中的G01V地球物理电磁探测设备装置，尤其是野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法。

背景技术

当交变电磁场在地下介质中传播时，由于趋肤深度的作用，不同频率的信号具有不同的穿透深度，在地面上观测的天然交变电磁场互相垂直的四个分量(E_x，E_y，H_x，H_y)，它的频率响应将反映着地下介质电性的垂向分布情况。

趋肤效应使导体的有效电阻增加。同时也被称作趋肤厚度。频率(f)越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此导线的厚度，称为趋肤深度。

目前，使用该方法进行野外勘探时需测量天然交变电场的四个分量，然后根据测量的电场分量与磁场分量计算出视电阻率，根据大地电磁测深曲线，判断到异常区域。在测量电场分量(E_x，E_y)和磁场分量(H_x，H_y)时,每次测量都须插入电极和埋入直硬的电磁棒，测量完一个点后然后再移动到下一个测点位置上继续测量，造成了勘探时间比较长，而且由于是有众多的测点所构成的测试，形成的是断点测量，不仅工作繁琐而且不能带来连续的数据，这样对于后期的对于异常体的边界判断非常不利。

此外，在测量过程中，因为每测完一次都需要移动电极与电磁棒，这样带来误差，影响测量精度。此外，如电极与磁棒移动间距过大，测量结果不精细，造成反演结果会与实际情况有所偏差，不能圈定宽度比较窄的矿体、矿化带，也不能确定矿体的边界；如移动间距过短，虽然精细度有所提高，但会严重降低勘探速度，大大增加野外工作量。

软传感器”(soft sensor),主要涉及建立一个以若干观察员为传递和呈现目标位置数据的信息源,以观察员的观测报告为基础,及时地对目标对象位置进行估计的传感网络。

通过在传感器网络中建立适应人体传感器模型(Human Sensor Model,简称HSM),将位置信息以概率的形式表征出来,即对位置信息进行概率度量实现了信息结构化。在此基础上,将概率化的位置信息与其它物理传感器收集的目标位置信息的概率结构进行有效的融合,及时地反馈目标地理位置的可能变化,使观察员能够快速地调整好自身的位置及身体状态,为下一步的目标观测做好针对性的部署。实验将概率信度作为传感器网络的通信语言,构建自适应人体传感器模型,实现以观察员的观测报告为基础的目标位置信息的概率度量,完成半结构化状态信息的可靠性预测。

中国专利申请201110291579.8公开一种电磁及其综合勘探的设备及方法，是利用瞬变电磁或结合大地电磁与地震波进行勘探，包括多个接收器以及多个电磁波源以及/或地震源；前述接收器是设置于被勘探区域内，其中每一接收器是与磁场感应器、以及/或地震检波器以及/或至少一组配对电极相连接，供接收、纪录磁场、以及/或地震波以及/或电场数据；前述的电场数据亦可由高密度分布的三维的磁场数据求出，而可演算出大地电磁数据；前述电磁波源以及/或地震源是设置于邻近前述接收器的位置，供发射电磁波讯号以及/或地震波讯号；根据所接收并纪录的磁场以及/或地震波数据以及/或电场数据，而得以进行综合勘探，决定被勘探区域的地底结构。

磁探头是地球物理勘探仪器中的主要元器件，在物理勘探设备中，常用在电磁类仪器上，其中磁芯是探头装置中的重要元件，在物理勘探电磁类仪器磁探头装置中的磁芯都比较长，对磁芯的加工工艺要求很高，因此，磁芯越长加工难度也就越大；另外，地质勘探及煤矿井下的工作环境比较恶劣，包括仪器搬运和使用当中的磕碰情况也时常发生，因此磁芯断裂是常事。

中国专利申请201020182013.2涉及一种磁性探头。包括绝缘棒、绝缘层、绕线,绝缘棒的外层包覆绝缘层,绝缘层绕设绕线，可以装备各种电磁类仪器。

发明内容

本发明的目的是提供一种野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法，使用软电磁传感器连续观测，解决传统电磁传感器的断点测量很难形成的连续测量数据的不足，也解决了因每次测量都需要移动电磁棒所带来的测量误差问题，并进而圈定各种矿体以及矿化带。

本发明的目的将通过以下技术措施来实现：使用软电磁传感器紧贴地面拖动，获得连续观测数据，支持判断异常体的边界；软电磁传感器是在软管中嵌套链接一组线圈，可以任意折叠，外层套装一个屏蔽层；在处理测量数据时不需要计算视电阻率，根据电阻率与磁场分量的反比关系，推测出异常区的边界及埋深的数据，根据麦克斯韦方程组(1)；

$\begin{array}{c}\left.\begin{array}{c}\▿\×H=J+\frac{\∂D}{\∂t}\\ \▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\end{array}\right\}\\ \▿\·B=0\\ \▿\·D=q\end{array}---\left(1\right)$

式中:H为磁场强度；E为电场强度；D为电位移；B为磁感应强度；j为传导电流密度；为位移电流密度；q为自由电荷体密度；再根据关系

$\left.\begin{array}{c}J-\mathrm{\σII}\\ B-\mathrm{\μII}\\ D-\mathrm{\ϵII}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

在电导率不为零的均匀介质中：

$\▿\·D=0---\left(3\right)$

将(1)式可以转化为：

$\begin{array}{c}\▿\×H=\mathrm{\σE}+\mathrm{\ϵ}\frac{\∂E}{\∂t}\\ \left.\begin{array}{c}\▿\×E=-\mathrm{\μ}\frac{\∂H}{\∂t}\\ \▿\·\mathrm{II}-0\\ \▿\·\mathrm{II}-0\end{array}\right\}\end{array}---\left(4\right)$

谐变场的复数表达式为:H＝H₀θ^-Lωt，E＝E₀e^-Lωt，代入(4)式可得到：

$\left.\begin{array}{c}\▿\×\mathrm{II}--\mathrm{l\ω}{\mathrm{\ϵ}}^{*}\mathrm{II}\\ \▿\×\mathrm{II}-\mathrm{l\ω\μII}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

$\▿\·H=0$

$\▿\·E=0$

式中 $B^s=\mathrm{\ϵ}+1\frac{1}{\mathrm{op}}$

从(5)式得到谐变电磁场的基本微分方程：赫姆霍兹其次方程

$\left.\begin{array}{c}{\▿}^{2}H=k^{2}H\\ {\▿}^{2}E=k^{2}E\end{array}\right\}---\left(6\right)$

式中称为波数或传播系数，在导电介质中忽略位移电流时，得到：

k²＝-ωομ  (7)

平面波在均匀各向同性介质中传播，波的前进方向与垂直地面的z轴方向一致，波面与x、y轴所在的地面平行，在选定的坐标系中，E_z＝H_z＝0，设E与x方向一致，H与y方向一致；这时方程(6)变为：

$\left.\begin{array}{c}\frac{{\∂}^2{H}_y}{\∂Z^2}-k^2{H}_y=0\\ \frac{{\∂}^2{E}_R}{\∂Z^2}-k^2{E}_x=0\end{array}\right\}---\left(8\right)$

考虑到z趋于无穷时，H和E均应趋于零的极限条件，得(7)的解为

$\left.\begin{array}{c}{H}_y=H_{y0}{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{kz}}\\ E_x=E_{x0}{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{kz}}\end{array}\right\}---\left(9\right)$

对于谐变场情况由(5)式的第二式在图1的坐标系中E只有z方向的导数值和H仅有y分量，故式子变为

$\frac{\∂E_x}{\∂z}=\mathrm{l\ω\μ}{H}_y---\left(10\right)$

将(9)式代入(10)式可得到

$\frac{E_x}{H_y}=-\frac{\mathrm{t\ω\μ}}{k}---\left(11\right)$

将(7)式代入上式,并以复数形式写出

$\frac{E_x}{H_y}=\sqrt{\mathrm{\ω\μ\ρ}}{\·\mathrm{\θ}}^{-l\frac{\mathrm{\π}}{4}}---\left(12\right)$

最后，根据波阻抗与介质电阻率的关系，根据TE极化波方程有：

$\mathrm{\ρ}=\frac{2}{\mathrm{\μ\ω}}{\left|\frac{E_x}{H_y}\right|}^2---\left(13\right)$

在均匀各向同性大地介质中，由公式可得：

$-\frac{\∂H_y}{\∂z}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}{E}_x---\left(14\right)$

所以，通过软电磁传感器所测量的H_y与视电阻率ρ有着反比关系，通过对H_y的处理分析判断需要寻找异常体的边界及埋深情况。

尤其是，软电磁传感器结构包括：固定座、外壳、软磁屏蔽层、传感固定盒、连动杆、线圈骨架、线圈和传感器输出端子；软管形状的外壳外端安装传感器输出端子，外壳内两端分别安装一个固定座，在这二个固定座之间安装链条形状的连动杆，连动杆上串接至少二个以上的传感固定盒，每个传感固定盒内均轴向安装线圈骨架，线圈骨架上有线圈，在外壳内侧安装软磁屏蔽层，各线圈串联并连接传感器输出端子。

尤其是，线圈骨架轴向中部开孔，线圈骨架外壁中部有凹入的线圈槽，线圈骨架6轴向二外端面外缘成正多边形。

尤其是，传感固定盒内部有空腔，其轴向两端中部分别有中孔，且其内壁两端分别有卡槽。

尤其是，连动杆有轴向中孔，相邻二线圈之间的连接线穿过该孔。

本发明的优点和效果：实现测量方法创新，不需掩埋磁棒即可测量，只需拖拽软电磁传感器便可以便捷实现移动，数据处理简单，测量速度快，可以快速圈定异常体及边界，理论上至少快10倍以上的速度；准确率高，连续采样并获得观测数据，极大节约勘探时间；解决数据断点的问题，这样使得异常体的边界的判断有大量的数据作为支撑，判断准确率大大提高；连续测量数据量大，轻易就可以获得比传统方法大100倍的数据量，作为精确分析的充分依据；使用软电磁传感器在移动过程与地面重复接触，提供的数据非常方便解决地形修正的问题；此外，具有工艺简单成本低廉、抗碰摔,能有效的保证电磁仪器的正常工作,特别适合于地质矿山等恶劣环境中使用。

附图说明

图1为本发明中平面电磁波在地中传播示意图。

图2为本发明实施例1中一种软电磁传感器结构示意图。

图3为本发明实施例1中的线圈绕制结构示意图。

图4为本发明实施例1中的线圈骨架轴向结构示意图。

图5为本发明实施例1中的传感固定盒截面结构示意图。

图6为本发明实施例1中的传感固定盒轴向结构示意图。

图7为本发明实施例1中的相邻二线圈骨架连接结构示意图。

图8为本发明实施例1激励放大电路原理图。

具体实施方式

本发明原理在于，使用研发设计的专用软电磁传感器紧贴地面来回拖动，取代传统方法逐个测点的移动探测，避免形成断点测量，获得连续观测的有力数据依据，支持更为准确判断异常体的边界。

本发明中，软电磁传感器是在软管中嵌套链条链接的一系列线圈，可以任意折叠，外层套装一个屏蔽层。软磁棒效果的软电磁传感器根据地形的起伏，变换形状，不受地形的影响，故在勘探中可以拖动测量，而不用如现有技术一样插入地下固定工作，做到连续不间断测量。

本发明中，在处理测量数据时也不需要计算视电阻率，根据电阻率与磁场分量的反比关系，推测出异常区的边界及埋深的数据，根据麦克斯韦方程组(1)。

$\left.\begin{array}{c}\▿\×H=j+\frac{\∂D}{\∂t}\\ \▿\×E=-\frac{\∂B}{\∂t}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

$\▿\·B=0$

$\▿\·D=q$

式中:H为磁场强度；E为电场强度；D为电位移；B为磁感应强度；j为传导电流密度；为位移电流密度；q为自由电荷体密度；再根据关系

$\left.\begin{array}{c}J-\mathrm{\σII}\\ B-\mathrm{\μII}\\ D-\mathrm{\ϵII}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

在电导率不为零的均匀介质中：

$\▿\·D=0---\left(3\right)$

将(1)式可以转化为：

$\begin{array}{c}\left.\begin{array}{c}\▿\×H=\mathrm{\σE}+\mathrm{\ϵ}\frac{\∂E}{\∂t}\\ \▿\×E=-\mathrm{\μ}\frac{\∂H}{\∂t}\end{array}\right\}\\ \▿\·\mathrm{II}-0\\ \▿\·\mathrm{II}-0\end{array}---\left(4\right)$

根据谐变场问题，谐变场的复数表达式为:H＝H₀θ^-Lωt，E＝E₀θ^-Lωt，代入(4)式可得到：

$\begin{array}{c}\left.\begin{array}{c}\▿\×\mathrm{II}--\mathrm{l\ω}{s}^{*}\mathrm{II}\\ \▿\×\mathrm{II}-\mathrm{l\ω\μII}\end{array}\right\}\\ \▿\·\mathrm{II}-0\\ \▿\·\mathrm{II}-0\end{array}---\left(5\right)$

式中 $B^s=\mathrm{\ϵ}+1\frac{1}{\mathrm{op}}$

从(5)式可以得到谐变电磁场的基本微分方程：赫姆霍兹其次方程

$\left.\begin{array}{c}{\▿}^{2}H=k^{2}H\\ \end{array}\right\}---\left(6\right)$

${\▿}^{2}E=k^{2}E$

式中称为波数或传播系数，在导电介质中忽略位移电流时，得到：

k²＝-ωσμ  (7)

如附图1，讨论平面波在均匀各向同性介质中传播的传播问题，波的前进方向与垂直地面的z轴方向一致，波面与x、y轴所在的地面平行，在选定的坐标系中，E_z＝H_z＝0，设E与x方向一致，H与y方向一致。这时方程(6)变为：

$\left.\begin{array}{c}\frac{{\∂}^2{H}_y}{\∂Z^2}-k^2{H}_y=0\\ \frac{{\∂}^2{E}_R}{\∂Z^2}-k^2{E}_x=0\end{array}\right\}---\left(8\right)$

考虑到z趋于无穷时时，H和E均应趋于零的极限条件，得(7)的解为

$\left.\begin{array}{c}{H}_y=H_{y0}{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{kz}}\\ E_x=E_{x0}{\mathrm{\θ}}^{-\mathrm{kz}}\end{array}\right\}---\left(9\right)$

对于谐变场情况由(5)式的第二式在图1的坐标系中E只有z方向的导数值和H仅有y分量，故式子变为

$\frac{\∂E_x}{\∂z}=\mathrm{l\ω\μ}{H}_y---\left(10\right)$

将(9)式代入(10)式可得到

$\frac{E_x}{H_y}=-\frac{\mathrm{t\ω\μ}}{k}---\left(11\right)$

将(7)式代入上式,并以复数形式写出

$\frac{E_x}{H_y}=\sqrt{\mathrm{\ω\μ\ρ}}{\·\mathrm{\θ}}^{-l\frac{\mathrm{\π}}{4}}---\left(12\right)$

最后，根据波阻抗与介质电阻率的关系，根据TE极化波方程有：

$\mathrm{\ρ}=\frac{2}{\mathrm{\μ\ω}}{\left|\frac{E_x}{H_y}\right|}^2---\left(13\right)$

在均匀各向同性大地介质中，由公式可得：

$-\frac{\∂H_y}{\∂z}=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}{E}_x---\left(14\right)$

所以，通过软电磁传感器所测量的H_y与视电阻率ρ有着反比关系，通过对H_y的处理分析就可以判断需要寻找异常体的边界及埋深情况。

本发明由于使用软电磁转感器的连续观测数据，解决了传统电磁传感器的断点测量不能很难形成的连续测量数据，也解决了因每次测量都需要移动电磁棒所带来的测量误差问题，可以圈定各种矿体以及矿化带，探查矿体边界，提高测量精度，提高了工作效率。

本发明中的软电磁传感器结构包括：固定座1、外壳2、软磁屏蔽层3、传感固定盒4、连动杆5、线圈骨架6、线圈7和传感器输出端子8。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如附图2所示，软管形状的外壳2外端安装传感器输出端子8，外壳2内两端分别安装一个固定座1，在这二个固定座1之间安装链条形状的连动杆5，连动杆5上串接至少二个以上的传感固定盒4，每个传感固定盒4内均轴向安装线圈骨架6，线圈骨架6上有线圈7，在外壳2内侧安装软磁屏蔽层3，各线圈7串联并连接传感器输出端子8。

前述中，如附图3、4所示，线圈骨架6轴向中部开孔，线圈骨架6外壁中部有凹入的线圈槽，线圈骨架6轴向二外端面外缘成正多边形。线圈7绕在该槽中，而且连动杆5轴向穿过其中孔。

前述中，如附图5、6所示，传感固定盒4内部有空腔，其轴向两端中部分别有中孔，且其内壁两端分别有卡槽。线圈骨架6卡装在传感固定盒4内腔中，连动杆5轴向穿过传感固定盒4。

前述中，如附图7所示，连动杆5有轴向中孔，相邻二线圈7之间的连接线穿过该孔。

前述中，线圈7按照固定线圈参数绕制到线圈骨架7构成单个传感器。

前述中，传感固定盒4以金属加工制作，并且与线圈骨架6及连动杆5配合，以固定线圈7及发挥保护作用。

前述中，连动杆5由轴向中部软管，以及外侧两条金属连接链构成，柔性连接相邻传感固定盒。

本发明中，软橡胶外壳、软磁屏蔽材料层：软磁屏蔽材料层屏蔽干扰信号，耐磨软橡胶外壳密封保护层及防震。

本发明工作时，将软电磁转感器以传感器输出端子8连接到设备，在工作区以设定区域和路径拖动，并在移动过程中同步测取数据，进而按前述方法对数据进行处理。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法,其特征在于，使用软电磁传感器紧贴地面拖动，获得连续观测数据，支持判断异常体的边界；软电磁传感器是在软管中嵌套链接一组线圈，可以任意折叠，外层套装一个屏蔽层；在处理测量数据时不需要计算视电阻率，根据电阻率与磁场分量的反比关系，推测出异常区的边界及埋深的数据，根据麦克斯韦方程组(1)；

$\▿\·B=0$

$\▿\·D=q$

式中:H为磁场强度；E为电场强度；D为电位移；B为磁感应强度；j为传导电流密度；为位移电流密度；q为自由电荷体密度；再根据关系

在电导率不为零的均匀介质中：

V·D＝0  (3)

将(1)式可以转化为：

谐变场的复数表达式为:H＝H₀θ^-tωt，E＝E₀θ^-tωt，代入(4)式可得到：

$\left.\begin{array}{c}\▿\×H=-\mathrm{l\ωE}*E\\ \▿\×E=\mathrm{l\ω\μH}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

$\▿\·H=0$

$\▿\·E=0$

式中

从(5)式得到谐变电磁场的基本微分方程：赫姆霍兹其次方程

$\left.\begin{array}{c}{\▿}^{2}H=k^{2}H\\ {\▿}^{2}E=k^{2}E\end{array}\right\}---\left(6\right)$

式中称为波数或传播系数，在导电介质中忽略位移电流时，得到：

k²＝-ωσμ  (7)

平面波在均匀各向同性介质中传播，波的前进方向与垂直地面的z轴方向一致，波面与x、y轴所在的地面平行，在选定的坐标系中，E_z＝H_y＝0，设E与x方向一致，H与y方向一致；这时方程(6)变为：

考虑到在无穷远时，H和E均应趋于零的极限条件，得(7)的解为

对于谐变场情况由(5)式的第二式在图1的坐标系中E只有z方向的导数值和H仅有y分量，故式子变为

将(9)式代入(10)式可得到

将(7)式代入上式,并以复数形式写出

最后，根据波阻抗与介质电阻率的关系，根据TE极化波方程有：

在均匀各向同性大地介质中，由公式可得：

所以，通过软电磁传感器所测量的H_y与视电阻率ρ有着反比关系，通过对H_y的处理分析判断需要寻找异常体的边界及埋深情况。

2.如权利要求1所述的野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法，其特征在于，软电磁传感器结构包括：固定座(1)、外壳(2)、软磁屏蔽层(3)、传感固定盒(4)、连动杆(5)、线圈骨架(6)、线圈(7)和传感器输出端子(8)；软管形状的外壳(2)外端安装传感器输出端子(8)，外壳(2)内两端分别安装一个固定座(1)，在这二个固定座(1)之间安装链条形状的连动杆(5)，连动杆(5)上串接至少二个以上的传感固定盒(4)，每个传感固定盒(4)内均轴向安装线圈骨架(6)，线圈骨架(6)上有线圈(7)，在外壳(2)内侧安装软磁屏蔽层(3)，各线圈(7)串联并连接传感器输出端子(8)。

3.如权利要求1或2所述的野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法，其特征在于，线圈骨架(6)轴向中部开孔，线圈骨架(6)外壁中部有凹入的线圈槽，线圈骨架(6)轴向二外端面外缘成正多边形。

4.如权利要求1或2所述的野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法，其特征在于，传感固定盒(4)内部有空腔，其轴向两端中部分别有中孔，且其内壁两端分别有卡槽。

5.如权利要求1或2所述的野外异常区边缘圈定的快速电磁勘探方法，其特征在于，连动杆(5)有轴向中孔，相邻二线圈(7)之间的连接线穿过该孔。