CN106019386A - 一种回线源内比值视电阻率测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回线源内比值视电阻率测定方法，属于视电阻率测定技术领域。提供一种利用回线源内水平电场与共面内垂直方向的水平磁场比值的均匀性，通过比值响应定义回线内任一点的视电阻率，实现回线内任一点的视电阻率测定的方法，方法具体为：在回线源内设定测点，使用电法仪观测每个测点的水平电场及水平磁场的时间导数，记录每个测点的观测值及观测时间；利用观测到的测点的数据，根据定义公式计算每个测点对应的视电阻率，本发明的方法尤其适合于典型地电结构及野外金属矿产的勘查中使用。

Description

一种回线源内比值视电阻率测定方法

技术领域

本发明具体涉及一种回线源内比值视电阻率测定方法，属于视电阻率测定技术领域。

背景技术

瞬变电磁(TEM)法是一种常见的基于电磁感应的地球物理方法，能够提供地下视电阻率信息。TEM的视电阻率定义需要通过均匀等效半空间场拟合实际观测场得到，利用实际场与均匀半空间的等效性得到视电阻率。在矩形回线源瞬变电磁测深中，瞬变电磁响应是地电参数、观测时间、观测装置的复杂函数，难以求出大地电导率与瞬变响应的显示函数，往往采取极限参数近似定义早晚期的视电阻率显示表达式。

传统上，矩形回线源视电阻率往往使用中心回线垂直磁场分量或感生电动势分量计算，利用均匀半空间介质时圆回线中心点的解析式定义早、晚期的视电阻率显示表达式，然后通过各种算法实现全时视电阻率定义。但上述视电阻率算法都是针对中心回线(圆回线)场在均匀半空间介质下具有解析解的情形下进行的，对于野外实践的矩形回线中心点，上述算法是有效的，但对于非中心点，由于圆回线和矩形回线在场分布上的差异。使用中心回线方式计算矩形回线源非中心点的视电阻率会带来计算误差。

视电阻率的计算准确性决定了瞬变电磁勘查的探测精度。因此，我们需要寻找适用于野外实际勘察的多边形回线，尤其是矩形回线的视电阻率精确测定方法。

发明内容

因此，针对现有技术测定视电阻率时的上述不足，本发明皆在提供一种利用矩形回线源内水平电场与共面内垂直方向的水平磁场比值的均匀性，通过比值响应定义回线内任一点的视电阻率，实现回线内任一点的视电阻率测定的方法.

本发明的方法具体为：

在回线源内设定测点，使用电法仪观测每个测点的水平电场及水平磁场的时间导数，记录每个测点的观测值及观测时间；

利用观测到的测点的数据，根据公式一或公式二计算每个测点对应的视电阻率，

其中，ρ表示视电阻率，E_x是x方向的水平电场，H_y是y方向水平磁场，t表示观测时间，

对于每个测点，公式一和公式二按以下方法选用：

令公式一和公式二相等，可以得到时刻t₁。如果测点的观测时间t＝t₁，任选公式一或公式二，如果t＜t₁，选用公式一；如果t＞t₁，选用公式二。

进一步的，所述电法仪为V8多功能电法仪。

进一步的，所述回线源为矩形回线源。

进一步的，所述方法中测点的设定和观测方法为使用4个设置在同一条测线上的电极，相邻电极的中心点作为测点，观测中心点的水平电场，在每个测点处设置水平布置且与测线垂直的磁棒，用于观测水平磁场的时间导数，一条测线观测3个测点的数据，然后移动到下一条侧向进行测点观测，直至观测完所有测线的测点，测线数量和间距根据现场条件预先设计。

本发明的有益效果在于：在本发明测定方法中，利用回线源内水平电场与共面内垂直方向的水平磁场比值的均匀性，通过比值响应定义回线内任一点的视电阻率，实现回线内任一点的视电阻率定义。利用均匀半空间介质不同电阻率的响应曲线之间的平移伸缩性，给出视电阻率定义的表达式。将得到的视电阻率公式用于典型地电结构及野外金属矿产的勘查中，取得良好的应用结果。本方法优选用于矩形回线源中，也可以应用于除矩形回线源外的其它形状的回线源中使用。

附图说明

图1为本发明实施例中观测装置的布置图。

图2为本发明实施例中以中心点为基点时的垂直磁场分布图。

图3为本发明实施例中以中心点为基点时的比值响应分布图。

图4为本发明实施例中以(20，60)为基点时的垂直磁场分布图。

图5为本发明实施例中以(20，60)为基点时的比值响应分布图。

图6为本发明实施例中不同电导率情况下的比值响应的衰减曲线及平移线示意图。

图7为本发明实施例中垂直磁场视电阻率定义反演的视电阻率剖面图。

图8为本发明实施例中比值视电阻率定义公式反演的视电阻率剖面图。

图9本发明实施例中使用基于垂直磁场的视电阻率定义得到的视电阻率剖面图。

图10本发明实施例中使用比值视电阻率公式得到的视电阻率剖面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

针对传统的多边形回线采用中心回线视电阻率定义回线非中心点降低瞬变电磁法的探测精度的问题，本发明提出多边形回线内任意点的比值视电阻率的测定方法，提高了回线内非中心点的视电阻率计算精度。

针对水平分量的观测问题，常规的回线源瞬变电磁只观测垂直磁场分量或其时间导数，本发明给出了回线内水平磁场和电场分量同时进行观测的装置，实现回线内瞬变电磁场的多分量勘查。

针对传统的大回线瞬变电磁视电阻率没有显示定义的问题，我们利用比值响应的平移伸缩特性，本发明给出视电阻率定义的显示表达式，使得视电阻率计算无需迭代，计算高效。

在本实施例中，使用的测量装置如图1所示，传统的回线源瞬变电磁的观测往往只观测磁场分量或其时间导数，特别是磁场垂直分量得到最广泛的关注，对水平分量，尤其是水平电场分量的观测呈现空白状态。目前还没有专门观测回线源水平分量比值响应的装置，该装置要求水平电场和水平磁场分量要在同一位置和同一时间进行观测，保证数据在时间和空间上的一致性。我们这里利用V8多功能电法仪1实现对比值响应的观测，观测图中相邻电极3的中心点的水平电场，利用垂直于测线水平布设的磁棒4观测水平磁场的时间导数，水平磁场的时间导数与水平电场一一对应，一个测线5观测3个测点的数据，一个测线5观测结束后，移动到下一个测线5，直到回线框2内所有设计测点数据的野外采集完成，实现了水平分量比值响应的观测。

多边形回线内瞬变电磁多分量分布均匀性对比分析：

传统回线源装置只观测垂直磁场分量或其时间导数，垂直磁场分量在回线内均匀分布只出现适用于晚期场，而对于早期场，垂直磁场在回线内分布并不均匀。使用中心回线的视电阻率定义多边形回线的非中心点会带来一定的计算误差。而水平分量比值响应在回线内全时域都具有较好的均匀性。

回线参数为200×200m，发射电流10A，计算给出电阻率为100Ωm均匀半空间回线内0.1ms时回线内电、磁场各分量的分布特征。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

图2为以中心点为基点时的垂直磁场分布图，图3为以中心点为基点时的比值响应分布图，图4为以(20，60)为基点时的垂直磁场分布图，图5为以(20，60)为基点时的比值响应分布图，图2中垂直磁场呈中心对称分布，响应值由中心向四周呈递减趋势，等值线数值变化较大，场分布不均匀；E_x、H_y的比值响应分布呈中心对称，回线内中轴线处的比值响应并不存在，中轴线处的等值线为虚假曲线，由绘图过程中的插值程序造成，。比值响应的等值线分布均匀，数值差别很小，最边缘和靠近中轴处测点的响应误差小于5％，可以认为比值响应分布是均匀的。

为了更好的分析场分布的均匀性，给出回线内相对于某一基点的相对误差分布图，以中心点(0，0)作为垂直磁场误差计算的基点，其他分量由于在中心点场值为零，因此选取非中心点(20，60)作为基准点，各分量的相对误差分布如图4和图5所示。以5％作为均匀性判定上限，相对误差超过5％可以认为场分布不再均匀。垂直磁场的相对误差分布与场的分布类似呈中心对称，在在距离中心40m时相对误差达到5％，垂直磁场分量满足均匀性的有效范围只有16％；比值响应的相对误差均不超过2％，大回线内比值响应满足均匀性。

利用比值响应分布的均匀性，可以选取回线内除中轴线外任一点作为场响应和视电阻率定义的基准点，将该点的定义公式用于回线内任意一点，实现回线内任一点的探测，解决以往中心回线方式计算回线内非中心点响应和视电阻率带来的计算误差。

比值响应的平移伸缩性：

令电导率σ^*＝gσ，t^*＝gt，如果响应满足

则称响应满足平移伸缩特性。其中，E_x是x方向的水平电场，H_y是y方向水平磁场，σ表示电导率，t表示观测时间。

上式表明，在观测装置不变的情况下，均匀半空间的电导率变为原来的K倍，观测时间为原来的g倍，观测的响应为变化前的g分之一。

以(20，60)测点为例，对比值响应的平移伸缩特性进行分析，如表1所示。

表1

由表1可见，表中数据满足公式A的平移伸缩性。在相同的装置参数下，将均匀半空间的不同电导率的理论比值响应绘制在双对数坐标系中，由平移伸缩性可知，其中的一条曲线必然可以由另外一条平移得到。图6给出了不同电导率情况下的比值响应的衰减曲线及平移线。

比值视电阻率平移算法定义：

均匀半空间的比值响应的平移性是一条斜率为-1的直线

$\frac{log{\left(\frac{E_x}{H_y}\right)}_{{\mathrm{\σ}}^{*},t^{*}}-log{\left(\frac{E_x}{H_y}\right)}_{\mathrm{\σ},t}}{log{t}^{*}-\log t}=-1$

平移性满足如下的直线方程

c为均匀半空间比值响应的平移截距参数。

相应的，利用均匀半空间比值响应之间的平移伸缩性，可以不同电导率均匀半空间响应满足的方程满足的方程

根据表1右上部分，响应满足等比数列，将数据代入上式可以得到斜率g＝-1/2.同时，对于不同的电阻率情况，表2给出了0.1s时不同电阻率对应的截距。

表2

σ(S/m)	c′
		1.00E-04	-0.69389
1.00E-03	-1.19379
		1.00E-02	-1.69389
1.00E-01	-2.19389
		1.00E+00	-2.69389

由表2中的截距数据可见，截距满足等差数列

因此，对于右上部分，视电阻率满足的方程形式为

其中，ρ表示电阻率。

类似的，我们也可以得到下半部分响应满足的方程的斜率为g＝-0.3835，和1E-5s时不同视电阻率对应的截距，如表3所示。

表3

σ(S/m)	C′
		1.00E-03	-0.6314
1.00E-02	-1.2476
		1.00E-01	-1.8640
1.00E+00	-2.4805

截距满足等差数列

c′＝-2.4805-0.6165lg(σ) (公式E)

因此，对于左下部分，视电阻率满足的方程形式为

对于t时刻观测响应或计算的响应，令公式一和公式二相等，可以得到时刻t₁。如果t＝t₁，那么使用这两个表达式会得到相同的结果。如果t＜t₁，将采用公式一；如果t＞t₁，将采用公式二。

理论模型计算：

为了验证该公式对回线内其它测点的有效性，选取和上节正演计算时一致的回线参数。使用公式一或公式二计算比值视电阻率，利用中心回线方式计算基于垂直磁场的视电阻率。地电模型的参数为σ₁＝0.01S/m，σ₂＝0.1S/m，h₁＝100m

视深度将依据如下的深度公式计算

其中，μ₀是自由空间的磁导率，D(t)表示深度。

图7、图8给出了比值响应和垂直磁场公式反演得到的视电阻率剖面。图7为垂直磁场视电阻率定义反演的视电阻率剖面，图8为比值视电阻率定义公式反演的视电阻率剖面。

由图7、图8可见，比值视电阻率公式反演结果符合已知理论模型参数，视电阻率随深度的增大由100Ω·m逐渐降低到10Ω·m。而在垂直磁场定义视电阻率公式反演的视电阻率剖面中，在地表到-100m的深度范围内，视电阻率值远高于已知理论模型的100Ω·m，达到230Ω·m，同时，视电阻率等值线出现圈闭，不再是简单的一维层状介质。

回线源比值响应视电阻率的计算：

完成测点的观测后，根据观测数据及上述原理和结论，进行视电阻率计算。首先对观测的水平磁场的时间导数进行时间变量的积分，得到水平磁场分量，进一步计算各个测点的比值响应。分别利用公式一和公式二计算电阻率，将两个电阻率结果相同的时刻作为分割时间点，在小于分割时间的范围内，采用公式公式一计算电阻率，在大于分割时间范围，采用公式公式二计算电阻率，等于分割时间点时任选，最终得到全程电阻率。

某铁矿属于前寒武纪条带状铁矿，为了对铁矿的位置及埋深有更加清晰的认识，在矿区已知激发极化异常的基础上，选择极化率异常区进行瞬变电磁测深工作。在激发极化异常区共布置测线7条，测线间隔40m，测点间隔20m，每条测线长200m，测点号从-100到100。使用多功能V8电法仪，发射电流为10A，发射回线为200m×200m，接收装置使用SB-18K磁棒，有效接收面积为10000m²。瞬变电磁测深将确定铁矿矿体的准确位置和埋深.

图9给出了使用基于垂直磁场的视电阻率定义得到的视电阻率剖面，图10给出了使用比值视电阻率公式得到的视电阻率剖面。由图可见，在-30m至-70m的深度范围内存在低阻层，使用比值公式得到的剖面的低阻层贯穿整条测线，而由圆回线近似得到的视电阻率剖面的低阻集中在测线的中间区域，使用基于垂直磁场的视电阻率计算改变了了浅层视电阻率的分布特征，使我们得到了错误的浅层电性分布信息。由于晚期垂直磁场在回线内分布均匀，使用垂直磁场定义回线内任一点的视电阻率也是适用的，通过两种方式计算的晚期时间对应的深部视电阻率取得一致的计算结果。

根据打钻结果，在-60点处，-53m深度矿化现象明显，在此处的视电阻率应该为低阻异常，因此，由比值响应的计算的视电阻率剖面更加符合实际的地电结果。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种回线源内比值视电阻率测定方法，其特征在于，所述方法为：

在回线源内设定测点，使用电法仪观测每个测点的水平电场及水平磁场的时间导数，记录每个测点的观测值及观测时间；

利用观测到的测点的数据，根据公式一或公式二计算每个测点对应的视电阻率，

其中，ρ表示视电阻率，E_x是x方向的水平电场，H_y是y方向水平磁场，t表示观测时间，

对于每个测点，公式一和公式二按以下方法选用：

令公式一和公式二相等，可以得到时刻t₁。如果测点的观测时间t＝t₁，任选公式一或公式二，如果t＜t₁，选用公式一；如果t＞t₁，选用公式二。

2.如权利要求1所述的回线源内比值视电阻率测定方法，其特征在于，所述电法仪为V8多功能电法仪。

3.如权利要求1所述的回线源内比值视电阻率测定方法，其特征在于，所述回线源为矩形回线源。

4.如权利要求1所述的回线源内比值视电阻率测定方法，其特征在于，所述方法中测点的设定和观测方法为使用4个设置在同一条测线上的电极，相邻电极的中心点作为测点，观测中心点的水平电场，在每个测点处设置水平布置且与测线垂直的磁棒，用于观测水平磁场的时间导数，一条测线观测3个测点的数据，然后移动到下一条侧向进行测点观测，直至观测完所有测线的测点。