CN105824052B - 一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法和装置 - Google Patents
一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法和装置，涉及地球物理勘探领域，有利于解释瞬变电磁资料，从而极大地提高瞬变电磁探测的分辨能力及解释精度，丰富瞬变电磁探测的解释理论。地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法包括：测量地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；测量地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；分别对水平电场分量感应电压和垂直磁场分量感应电压进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且将水平电场分量和垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量。地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置包括水平电场分量感应电压测量模块、垂直磁场分量感应电压测量模块、以及多分量合成模块。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，特别涉及一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法和装置。
背景技术
瞬变电磁法是近年来应用较多的地球物理勘探方法之一，可根据地壳中岩石或者矿体的导电性及介电性等电学性质的差异，研究电磁场的空间或时间分布规律，从而解决各种地质问题。在探测油气、金属、非金属矿产、深部地质构造研究，工程勘察、油气、矿产、水、地热勘探等方面发挥着重要的作用。
目前瞬变电磁探测方式，无论是长偏移距还是近区观测，其观测参数多为磁场的垂直分量。虽有学者也提出过应同时观测水平分量，但鲜有成功的应用研究。目前存在的观测方式多是利用空心线圈或磁探头在连续的等对数时间间隔窗口内采集地下地质体信息，以获得感应二次场的衰减曲线，一般为20～40道，信息量十分有限。
针对这种单一分量的观测方式，目前存在的解释方法有很多，主要包括浮动薄板解释法(视纵向电导解释法)、烟圈理论解释法、拟地震成象解释法、瞬变电磁时～频转换反演、一维、二维正、反演人机联合解释法等。但是这些方法都是利用单一的垂直磁场分量，不能很好地解决当前物探所面临的高精度解释的科学问题。而关于多分量、矢量合成、多参数联合解释方面的研究却鲜有报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法和装置，以极大地提高瞬变电磁探测的分辨能力及解释精度，丰富瞬变电磁探测的解释理论。
为了解决上述问题，本发明提供了一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，包括以下步骤：
步骤S1：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
步骤S2：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
步骤S3：分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量。
进一步地，在所述步骤S1中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S11:在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S12：在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
进一步地，在所述步骤S2中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S22：在电流关断的瞬间利用垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
进一步地，在所述步骤S3中，利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
为了解决上述问题，本发明提供一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，包括：
水平电场分量感应电压测量模块，所述水平电场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
垂直磁场分量感应电压测量模块，所述垂直磁场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
多分量合成模块，所述多分量合成模块用于分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且用于对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量。
进一步地，所述水平电场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
进一步地，所述水平电场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈和两个不极化电极，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述水平电场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
进一步地，所述垂直磁场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
进一步地，所述垂直磁场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈，并且包括垂直放置的接收探头，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述垂直磁场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用所述垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
进一步地，所述多分量合成模块利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
本发明的有益效果：通过本发明所获得的合成总场量有利于解释瞬变电磁资料，从而极大地提高瞬变电磁探测的分辨能力及解释精度，丰富瞬变电磁探测的解释理论。
附图说明
图1是本发明实施例的地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法的流程图；
图2是本发明实施例的测量水平电场分量感应电压的流程图；
图3是本发明实施例的测量垂直磁场分量感应电压的流程图；
图4是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的模型示意图；
图5是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的垂直磁场分量响应值示意图；
图6是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的水平电场分量响应值示意图；
图7是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的在传统意义下的垂直磁场分量的视电阻率断面示意图；
图8是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的在传统意义下的水平电场分量的视电阻率断面示意图；
图9是针对单个异常体模拟数据的总场量合成的多分量合成矢量图；
图10是针对两个异常体模拟数据的总场量合成的模型示意图；
图11是针对两个异常体模拟数据的总场量合成的在传统意义下的垂直磁场分量的视电阻率断面示意图；
图12是针对两个异常体模拟数据的总场量合成的在传统意义下的水平电场分量的视电阻率断面示意图；以及
图13是针对两个异常体模拟数据的总场量合成的多分量合成矢量图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，包括以下步骤：
步骤S1：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
步骤S2：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
步骤S3：分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量。
进一步地，在所述步骤S1中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
进一步地，如图2所示，所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S11:在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S12：在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
进一步地，在所述步骤S2中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
进一步地，如图3所示，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S22：在电流关断的瞬间利用垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
进一步地，在所述步骤S3中，利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
本发明还提供一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，包括：
水平电场分量感应电压测量模块，所述水平电场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
垂直磁场分量感应电压测量模块，所述垂直磁场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
多分量合成模块，所述多分量合成模块用于分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且用于对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量。
进一步地，所述水平电场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
进一步地，所述水平电场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈和两个不极化电极，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述水平电场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
进一步地，所述垂直磁场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
进一步地，所述垂直磁场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈，并且包括垂直放置的接收探头，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述垂直磁场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用所述垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
进一步地，所述多分量合成模块利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
实例一：单个异常体模拟数据的总场量合成
如图4所示，设计均匀半空间中嵌入规则三维体模型进行正演模拟。取均匀半空间介质的电阻率为ρ＝75Ω·m；三维体的大小为50m×50m×50m的立方体，其电阻率为ρ＝1Ω·m，立方体的顶部埋深为30米。
由麦克斯韦方程组出发,可以得到大回线源瞬变电磁场的表达式为:
中心点时Hr(ω)＝Eφ(ω)＝0 (4)
其中a是回线的边长，I0代表发射电流，Hr(ω)，Eφ(ω)分别代表水平磁场和水平电场分量，Hz(ω)是垂直磁场分量，λ是积分变量，J1(λ)是第一类贝塞尔函数，Z0是第一层介质的波阻抗，Z(1)是总的波阻抗。
通过傅里叶变换可以将(1)-(3)式变为：
通过三维有限元正演计算，得到各测点垂直磁场分量与水平电场分量的响应值。如图5和图6所示。
根据传统视电阻率定义公式计算得到各点的视电阻率并成图。如图7所示，纵坐标为时间道，横坐标为剖面上测点位置即点号。
从图7中可以看出，在剖面中心区域浅层视电阻率显示为低阻，其电阻率值约从47Ω·m到54Ω·m，反映了对应部位有低阻三维体的存在。在纵向上、在横向上低阻异常的影响均有一定范围，但是整个断面低阻异常的幅值不强，不利于考察异常体的准确位置。
图8为同一地电模型有限元法数值模拟计算的阵列场水平分量视电阻率断面图。从水平分量视电阻率剖面图上可以看出，低阻异常在纵向上的范围明显扩大，而在横向上的影响也更加清楚，低阻异常幅值较强，在25号点到75号点的范围内视电阻率值约为13Ω·m-17Ω·m。
通过正演计算直接得到的响应值是均匀半空间嵌入三维体地电模型的衰减电压值，然后通过积分计算，则可获得垂直方向磁场值和水平方向电场值。
利用公式(7)进行矢量合成后，根据各点不同时刻的总矢量作出矢量图，绘得合成矢量图，如图9所示。以水平向右的方向为矢量场的正方向，水平向左的方向为矢量场的负方向，将总场值大小按一定比例用线段长短表示，线段箭头方向表示合成的总场矢量的方向。
图9为多分量观测合成矢量图。为了便于比较，我们将视电阻率图中分布在0-100之间的21个点重新分布到-50到50之间。从图中可以看出，整个区域，合成矢量都具有一定的指向性，在50号点左侧，合成矢量有偏向右下方的趋势，而在50号点右侧磁场有偏向左侧下方的趋势，这种指向性越接近中心点越明显。因此本发明方法能更准确地确定异常源的空间位置，丰富了瞬变电磁的观测技术与解释理论。
实例二：两个异常体模拟数据的合成
如图10所示，设定均匀半空间中赋存两个块状三维体的地电模型。模型参数如下：均匀半空间的电阻率为ρ＝75Ω·m。两个异常体均为50m×50m×50m的立方体，电阻率均为ρ＝1Ω·m，其埋深均为30米，相距40米。
采用相同的发射、接收模式。
通过正演计算，得到各测点垂直磁场分量与水平电场分量的响应值。根据传统视电阻率定义公式计算得到各点的视电阻率并成图。
图11为两个三维体模型磁场垂直分量视电阻率断面图，从图中可以看出，在0号点和100号点对应部位获得两处相对低的低阻异常，预示对应部位地下介质中存在两个低阻异常源。在早期道(浅层)，两个低阻异常相对明显，视电阻率值为43Ω·m-57Ω·m；在晚期道(深层)，异常影响很弱，视电阻率值基本为背景电阻率值。
通过计算，同样可得水平电场分量的视电阻率断面图。
图12为两个三维体模型阵列场水平电场分量视电阻率剖面图。从图中可以看出，在0号和100号点两个低阻异常区域非常明显，视电阻率值范围为12Ω·m-19Ω·m，可见低阻异常体影响很强，在纵向、横向上上低阻影响范围也有所扩大。且在两低阻区域中间有很明显的高阻间隔，说明两低阻异常体相距一定距离。
利用本发明所提供的矢量合成方法，将两个三维体模型数值模拟计算的垂直方向磁场和水平方向电场合成得到总矢量场，按上述成图方法成矢量图。结果如图13所示，其中，偏移距为20米。有图可见，合成矢量的指向性已非常清晰，可以明显看出，在5号点和95号点附近合成矢量呈明显的汇聚特征，预示这两处地下存在电性异常体，这与实际模型对应位置相吻合，显示了合成矢量指向性独特的优点，表明本发明所提出的合成矢量较任一单分量具有较强的分辨能力。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
步骤S2：测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
步骤S3：分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行傅里叶变换以分别得到水平电场分量与垂直磁场分量的响应值，对所述水平电场分量与垂直磁场分量的响应值进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量；
在所述步骤S3中，利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
2.如权利要求1所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，其特征在于，在所述步骤S1中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
3.如权利要求2所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
步骤S11:在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S12：在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
4.如权利要求2或3所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，其特征在于，在所述步骤S2中，按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
5.如权利要求4所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：在地面上布设一个矩形的发射回线线圈，并向所述发射回线线圈内输入电流；以及
步骤S22：在电流关断的瞬间利用垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
6.一种地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，其特征在于，包括：
水平电场分量感应电压测量模块，所述水平电场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压；
垂直磁场分量感应电压测量模块，所述垂直磁场分量感应电压测量模块用于测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压；以及
多分量合成模块，所述多分量合成模块用于分别对所述水平电场分量感应电压和所述垂直磁场分量感应电压进行傅里叶变换以分别得到水平电场分量与垂直磁场分量的响应值，对所述水平电场分量与垂直磁场分量的响应值进行积分以分别获得水平电场分量和垂直磁场分量，并且用于对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量；
所述多分量合成模块利用来对所述水平电场分量和所述垂直磁场分量进行合成以获得用于解释瞬变电磁资料的合成总场量，其中，VB是合成总场量，HZ是垂直磁场分量，并且EX是水平电场分量。
7.如权利要求6所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，其特征在于，所述水平电场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的水平电场分量感应电压。
8.如权利要求7所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，其特征在于，所述水平电场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈和两个不极化电极，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述水平电场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用两个不极化电极采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述水平电场分量感应电压。
9.如权利要求7或8所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，其特征在于，所述垂直磁场分量感应电压测量模块按照瞬变电磁法规范来测量所述地下目标体的瞬变电磁场的垂直磁场分量感应电压。
10.如权利要求9所述的地下目标体的瞬变电磁多分量合成装置，其特征在于，所述垂直磁场分量感应电压测量模块包括一个矩形的发射回线线圈，并且包括垂直放置的接收探头，其中，所述发射回线线圈布设在地面上，并且所述发射回线线圈内输入有电流，所述垂直磁场分量感应电压测量模块在电流关断的瞬间利用所述垂直放置的接收探头采集地下介质感应出的二次感应电压信号，从而获得所述垂直磁场分量感应电压。
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| Title |
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| 基于系统迭代法的线源瞬变电磁近区正演模拟;赖刘保 等;《物探化探计算技术》;20140531;第36卷(第3期);第289-296页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105824052A (zh) | 2016-08-03 |
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Legal Events
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