CN106772630A - 一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，属于矿山资源地球物理勘探技术领域。目的是提供一种可以在导线轴向观测响应数据，并用于物探的接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，方法包括以下步骤：步骤一接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据采集和计算；步骤二接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演；本发明增加了一种新的接地导线源瞬变电磁方法，使得探测方法的选择更加多样，探测结果的精度得到提高，本发明的方法适合于在矿山资源地球物理勘探中使用。

Description

一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法

技术领域

本发明具体涉及一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，属于矿山资源地球物理勘探技术领域。

背景技术

接地导线源是电磁法勘探中最为主要的发射源类型之一，在地空、陆地和海洋油气、金属矿和煤田水文地质等中深部资源探测领域得到广泛应用。

在电性源瞬变电磁发展的早期，电性源长偏移瞬变电磁法(LOTEM)工作方式与CSAMT基本相似，主要采用电偶极源长偏移距观测方式，收发距往往大于数倍的源长度，在远离源的赤道向进行电磁场的观测，其中，赤道向水平电场和垂直磁场是最主要的观测分量，长偏移距的观测方式也决定了LOTEM不会在源轴向进行电磁场的观测。

与地面LOTEM类似，海洋电性源也多在远离发射源的的范围内进行探测，但海洋电磁法因其特殊的海洋环境，多在远离发射源的轴向进行电磁场的观测，响应分析和电阻率计算也基于电偶极源进行分析和计算，在海洋油气和金属矿勘探中发挥了重要作用。

近年来，接地导线源短偏移距瞬变电磁法以其更强的信号强度和较大的探测深度得到广泛关注和研究。和LOTEM方法类似，SOTEM在野外应用中一般在接地导线的赤道向采集电磁场响应。然而，与海洋电磁法的轴向观测类似，接地导线源瞬变电磁法不仅可以在接地导线的赤道向进行电磁场的观测，而且可以在导线轴向观测响应数据。

目前导线轴向观测响应数据还没有得到具体应用。

发明内容

因此，本发明目的是提供一种可以在导线轴向观测响应数据，并用于物探的接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，方法包括以下步骤：

步骤一接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据采集和计算；

轴向电场的公式为公式一：

其中，2L是源的长度，r为收发距，(x,y,z)为接收点的位置，J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数； 公式一中等式右侧的第一部分为接地项的响应，公式的第二部分为发射线的响应；

步骤二接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演；

用Occam算法进行接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演，在反演算法中采用基于局部线性的迭代方法，将粗糙度引入模型，对模型和实测数据之间的误差进行最小化优化，将最平滑的模型作为反演结果。

进一步的，所述步骤一中采用加拿大凤凰公司的V8综合电法仪进行数据采集，发射源长度为300m，发射电流10A，发射基频25Hz，发射功率30Kw。

进一步的，所述步骤一中测点间距20m，测线长400m。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，在导线轴向观测响应数据，并将观测数据应用于瞬变电磁法物探实际中，增加了一种新的接地导线源瞬变电磁方法，使得探测方法的选择更加多样，探测结果的精度得到提高，本发明的方法适合于在矿山资源地球物理勘探中使用。

附图说明

图1为实施例中接地导线源的轴向观测示意图；

图2a、图2b为实施例中正演模式下电场在不同时刻的平面分布图；

图3为实施例中不同位置轴向电场的衰减曲线示意图；

图4a、图4b为实施例中H型模型和K型模型的均方根误差分布图；

图5a、图5b为实施例中真实模型和反演结果对比图；

图6为实施例中测线布置示意图；

图7为实施例中单点Ex衰减曲线图；

图8为实施例中测线多测道图；

图9为实施例中视电阻率-深度剖面图。

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：

轴向场的响应特征：

对于接地导线源瞬变电磁法，我们通常观测平行于源的水平电场和垂直磁场。然而，在轴向上，垂直磁场为零。因此，本发明只研究水平电场的特性，如图1所示，轴向电场的公式为：

其中，2L是源的长度，r为收发距，(x,y,z)为接收点的位置，J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数； 公式的第一部分代表接地项的响应，公式的第二部分为发射线的响应。

正演模拟

用于正演模拟的地电模型参数为ρ₁＝100Ω·m，d₁＝250m，ρ₂＝10Ω·m，d₂＝10m，ρ₃＝100Ω·m，发射线源长度为1000m，发射电流10A。

图2a(1E-4s)、图2b(1E-3s)给出电场在不同时刻的平面分布，从图上可以看出，水平电场等值线呈椭圆形分布，并且以源的轴向为长轴方向，以中垂线为短轴。相同偏移距情况下，轴向电场响应相较于赤道向具有更高的幅值，这为我们进行轴向电场的观测提供了可能。

图3给出了轴向上不同位置的衰减曲线，由图可见，在距离源较近的位置，响应呈现单调递减的形态，随着偏移距离的增大，在早期会出现响应不变的情况，而且这种不变性随着偏移距离的增大，持续的时间也增大。这与赤道向电场的衰减规律相似。

轴向电场对异常体的分辨能力：

为了分析不同区域所观测的电磁场分量对低阻目标层和高阻目标层的探测能力，对低阻目标层和高阻目标层在源不同区域所引起的异常分布进行分析。引入误差空间分布，通过计算当目标层的电阻率和厚度发生变化时响应数据与目标层模型数据之间的误差分布，来分析不同观测分量、不同偏移距范围的响应对同一深度目标层的灵敏度。

在基于经典最优化的瞬变电磁数据反演中，目标函数中包含的均方根误差项(root mean square error,RMSE)，它表征了背景模型所产生的响应与目标体模型所产生的响应之间的差异。因此，背景模型与目标体模型之间的均方根误差的大小是目标体是否能被识别的重要依据。在本节，首先以均匀半空间作为背景模型，以H型模型和K型模型为目标层模型，通过分析电性源激发下目标层模型响应与背景模型响应的均方根误差的平面分布，分析电性源激发方式的最佳观测区域。均匀半空间的电阻率为100Ohm-m，在均匀半空间500m深度范围内引入电阻率为10Ohm-m的相对低阻层，组成H型模型。在均匀半空间500m深度范围内引入电阻率为1000Ohm-m的相对高阻层，组成K型模型。源位于坐标原点，所采用响应的时间道的范围为0.087ms至100ms。

在反演中，均方根误差的计算公式为：

其中，为目标层模型在第i个时间道的值，为背景模型在第i个时间道的值，N_chn为时间道数，为第i个时间道数据所对应的标准差。在模拟计算中，在模拟响应中加入了1％的高斯噪声。

假设发射源位于x方向。采用式(2)所示均方根误差计算公式，计算H型模型和K型模型的均方根误差分布，计算结果如图4a、图4b所示。

图4(a)和图4(b)分别给出了H型模型和K型模型分量的均方根误差分布图。通过分析图4(a)和图4(b)可知，在近源区，当偏移距小于1000m时，均方根误差较小。当偏移距大于1000m时，在图示区域，在源的轴向上均方根误差分布均匀且幅值大于赤道向，这表明轴向电场强度在轴向具有更大的探测能力。图4(b)所示K型模型的均方根误差大于图4(a)所示的H型模型的均方根误差，这表明在轴向，高阻目标层所造成的相对异常要大于低阻异常。均方根误差在轴向存在极大值区域，K型模型的极大值区域的偏移距大于H型模型。

轴向电场的反演结果：

Occam算法将会用于接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演中。由于反演问题的非线性，在反演算法中采用基于局部线性的迭代方法。将粗糙度引入模型，对模型和实测数据之间的误差进行最小化优化。将最平滑的模型作为反演结果。在计算过程中，只需计算正演算子的非线性化的雅克比矩阵。初始模型的选取对反演最终的结果没有影响。图5a、图5b给出了真实模型和其反演结果，可以看出，反演结果和真实模型能够很好的吻合，说明轴向电场反演计算的有效性。

实例分析：

勘探区位于山西省大同市某矿区，大同位于山西省北部大同盆地的中心、晋冀蒙三省区交界处、黄土高原东北边缘，实为全晋之屏障、北方之门户。大同是中国最大的煤炭能源基地之一，国家重化工能源基地，神府、准格尔新兴能源区与京津唐发达工业区的中点。素有“凤凰城”和“中国煤都”之称。

矿区主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和侏罗系中统大同组，是华北双系煤田的典型代表。大同煤田基本构造形态为一向斜构造，区域构造位置地处鄂尔多斯稳定变形区和东部伸展变形区之间区域，煤系变形以挤压-伸展过渡性为特征。该煤矿表层为第四纪黄土覆盖，沟壑纵横、地形复杂。煤炭开采带来一系列的采空问题。

根据本测区的地质情况特点和以往的工作经验可知：一般情况下，如果采空区充填空气，所观测的二次感应电压信号弱，衰减数据变化较快；如果采空区充填水，则所观测的二次感应电压信号较强，衰减相对较慢。如果测区水系发育且顶底板透水性强，则由采空区所引起的电性异常主要表现为低电阻特性。在一定情况下可能会导致地面变形或者蹋陷。

本次SOTEM工作采用加拿大凤凰公司的V8综合电法仪进行数据采集工作。发射源长度为300m，发射电流10A，发射基频25Hz，发射功率30Kw，测线布置如图6所示，测点间距20m，测线长400m。

图7和图8分别为单点Ex衰减曲线和测线的多测道图，从图上可以看出，Ex衰减曲线较为平滑，抗干扰能力比较强，能够保证较高的探测精度。

图9为视电阻率-深度剖面图，横坐标是测点号，纵坐标代表深度。从图上可以看出，在550号点处，存在一个明显的相对低阻异常，电阻率值在100Ω·m左右，其深度为-260m米左右。后经过打钻验证，深度-265m处为采空区顶部，煤层厚度为2.5m，图中异常区域厚度大于实际范围可能因为采空区内充水对附近围岩的渗透造成低阻区域的扩大。此结果充分地验证了SOTEM方法轴向电场Ex勘探的有效性与实用性。

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 (3)

1.一种接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一 接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据采集和计算；

轴向电场的公式为公式一：

其中，2L是源的长度，r为收发距，(x,y,z)为接收点的位置，J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数； 公式一中等式右侧的第一部分为接地项的响应，公式的第二部分为发射线的响应；

步骤二 接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演；

用Occam算法进行接地导线源瞬变电磁轴向电场的数据反演，在反演算法中采用基于局部线性的迭代方法，将粗糙度引入模型，对模型和实测数据之间的误差进行最小化优化，将最平滑的模型作为反演结果。

2.如权利要求1所述的接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，其特征在于，所述步骤一中采用加拿大凤凰公司的V8综合电法仪进行数据采集，发射源长度为300m，发射电流10A，发射基频25Hz，发射功率30Kw。

3.如权利要求1所述的接地导线源瞬变电磁轴向探测方法，其特征在于，所述步骤一中测点间距20m，测线长400m。