CN107015286A - 一种接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，属于瞬变电磁探测方法技术领域。传统接地导线源瞬变电磁在大于0.7倍目标深度的偏移距进行探测，对于小于0.7倍目标深度偏移区探测问题没有相关的研究。为了充分发挥小于0.7倍目标深度偏移区内信号强、探测效率高的优势，本发明提出接地导线源超短偏移距瞬变电磁法(VOTEM)，基于点电荷微元理论推导层状大地VOTEM多分量响应表达式，对多分量响应特性与分辨能力、最佳观测范围、近场源区电磁感应、测深机制及附加效应进行研究，为VOTEM实测提供依据。有助于推进接地导线源瞬变电磁法全(偏移)区观测模式的发展。

Description

一种接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法

技术领域

本发明具体涉及一种接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，属于瞬变电磁探测方法技术领域。

背景技术

接地导线源瞬变电磁法对高阻和低阻目标体都有较强的分辨能力，在煤炭资源、金属矿产、地热、油气资源及相关领域得到广泛应用。按照收发距与探测深度的比值大小，接地导线源瞬变电磁法划分为长偏移距瞬变电磁法(Long-offset TransientElectromagnetic Method，简称LOTEM)和短偏移距瞬变电磁法(Short-offset TransientElectromagnetic Method，简称SOTEM)。

长偏移距瞬变电磁法将接地导线源看作电偶极源，在收发距大于目标深度的区域进行探测，主要观测电场水平分量和磁场垂直分量。为了提高LOTEM的探测精度，地形和地表局部不均匀性影响、晚期和全区视电阻率算法、数值正演模拟和反演方法得到广泛关注，这些研究为LOTEM的发展、探测精度的提高起到了积极的推动作用。但受限于长偏移距观测模式，LOTEM观测的电磁场随偏移距的增大而衰减，收发之间的水平不均匀性影响了观测效率和探测精度。

短偏移距瞬变电磁法将接地导线源的观测区从长偏移距扩展到短偏移距，特别是，当偏移距为0.7-2倍探测深度时，接地导线源瞬变电磁法的探测深度最大。因此，采用相比于LOTEM更小的偏移距可以实现更大深度的探测。薛国强等将在短偏移距(偏移距为0.7-2倍探测深度)进行观测的方法命名为SOTEM，在陕西、山西、山东、河南、安徽等地金属矿、煤矿、盐矿的探测验证了SOTEM的大深度探测能力。但SOTEM的收发距依然较大，水平不均匀性的影响仍然存在，SOTEM的观测效率和探测精度需进一步提高。

理论上，采用适当的发射波形可以使一次场和二次场分开。在相比于SOTEM更小的偏移区内，接地导线源瞬变电磁法仍然具有测深能力。结合点电荷微元的研究，这种探测装置更具有可行性。但是在以往实际工作中，由于受到偶极子假设、发射线源噪声、近场源电磁感应及关断效应等因素的限制，在小于0.7倍探测深度的偏移区内观测仍有一定的困难。

发明内容

因此，为了充分发挥更小偏移区内信号强、探测高效的优势，本发明开展接地导线源瞬变电磁法在小于0.7倍探测深度的偏移区内进行探测关键问题的研究，与LOTEM和SOTEM相区别，本发明中将在该区域进行探测的方法称为接地导线源超短偏移距瞬变电磁法(Very Short-offset TEM，简称VOTEM)。

具体的，所述方法具体为：

对接地导线源以偏移距为小于0.7倍探测深度进行探测，根据时变点电荷载流微元积分理论，建立水平层状介质电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的解析表达式，计算得到电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的响应及平面分布特征。

进一步的，所述方法中采用V8综合电法仪进行数据采集。

进一步的，所述方法中发射源长度为300m，发射电流10A，发射基频25Hz，发射功率30Kw。

5.进一步的，所述方法中电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的解析表达式分别为公式一至公式五；

其中，2L是接地导线长度，x、y、z是接收点坐标，r是收发距，J₁(λr)和J₀(λr)是第一类1阶和0阶贝塞尔函数，

ε₀是介电系数，μ₀是磁导率；

对于N层介质，

其中, 是垂向波数，

是总波数，是水平波数，ε_j是地下第j层的介电系数，μ_j是地下第j层的磁导率。

本发明的有益效果在于：为充分发挥小于0.7倍目标深度偏移区内信号强、探测效率高的优势，本发明提出接地导线源超短偏移距瞬变电磁法(VOTEM)，基于点电荷微元理论推导层状大地VOTEM多分量响应表达式，对多分量响应特性与分辨能力、最佳观测范围、近场源区电磁感应、测深机制及附加效应进行研究，为VOTEM实测提供依据。结合模型及示范区测试，检验方法的有效性，结果表明VOTEM垂直磁场具有和SOTEM方法相似的探测深度，且对浅层的探测效果更好。本发明对传统接地导线源瞬变电磁法观测范围的突破，有助于推进接地导线源瞬变电磁法全偏移区观测模式的发展。

附图说明

图1是接地导线源不同探测方法示意图；

图2a、图2b分别是H_y 1e-5s、1e-3s综合TEM型场的分布示意图；

图2c、图2d分别是E_x 1e-5s、1e-3s综合TEM型场的分布示意图；

图3a、图3b分别是是1e-5s(左)和1e-3sTE极化场的分布示意图；

图3c、图3d分别是是1e-5s(左)和1e-3sTE极化场的分布示意图；

图3e、图3f分别是H_z是1e-5s(左)和1e-3sTE极化场的分布示意图；

图4a、图4b分别是TE-TM型场E_y和H_x的分布示意图；

图5是接地导线源等效电路示意图；

图6是自感与感应电压的衰减曲线示意图；

图7是接地导线源瞬变电磁垂直磁场时间导数求取的互易原理平面示意图；

图8a、图8b、图8c、图8d分别是50m、100m、200m、300m条件下不同偏移距的水平电场示意图；

图9a、图9b、图9c、图9d分别是50m、100m、200m、300m条件下不同偏移距的垂直磁场示意图。

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：

以往LOTEM多采用电场水平分量和磁场垂直分量，对其他分量的应用和研究较少，限制了接地导线源观测分量的选择。本实施例将根据时变点电荷载流微元积分理论，建立水平层状介质VOTEM电、磁场各分量的解析表达式，计算得到各分量的响应及平面分布特征。对各分量响应与地层相互作用特点及对高、低阻异常敏感度进行分析。

接地导线源瞬变电磁法理论上可以实现源点观测，但在实测中，VOTEM将接地导线源的观测点扩展到近场源区，近场源区电磁感应及关断效应的影响更加明显，无法实现零时刻观测，存在起始时间决定的探测盲区(最小探测深度)，同时，VOTEM场中地层波和地面波共存，感应测深和几何测深机制并存，对测深机制进行研究，以上研究为VOTEM实测提供依据。

本实施例中，选择示范区进行VOTEM多分量探测实验，在VOTEM有效的观测范围内进行数据采集，对方法的有效性进行验证。

VOTEM多分量不同类型极化场

如图1所示；

层状大地表面的电磁场表达式为:

其中，2L是接地导线长度，(x,y,z)是接收点坐标，r是收发距，J₁(λr)和J₀(λr)是第一类1阶和0阶贝塞尔函数。

ε₀是介电系数，μ₀是磁导率。

对于N层介质，

其中, 是垂向波数，是总波数，是水平波数，ε_j是地下第j层的介电系数，μ_j是地下第j层的磁导率。

电磁场与接地导线的方位有关。以x-向的源为例，激发的E_x和H_y是综合TEM极化场，包括由导线部分产生的TE场：和接地项产生的TE-TM场：

而E_y和H_x是仅由接地项产生的TE-TM场。H_z是仅由导线源产生的TE场。因此，接地导线源激发的不仅包括TE，TE-TM场，还包括TEM型场。

利用公式1-5分别计算不同分量电磁场的响应。源长度为100m，地电模型的参数为

ρ₁＝100Ωm,ρ₂＝10Ωm,ρ₃＝100Ωm，h₁＝400m；h₂＝10m

电场的单位为V/m，磁场的单位为A/m。图2a、2b、2c、2d给出了综合TEM型场的分布，如图所示，TEM型场的最大值出现在源附近，并以源为轴对称分布。E_x的等值线是共中心的，并且随着偏移距的增大，数值减小。对于H_y，在早期，在源两侧出现对称分布的圈闭，这可能是由返回电流引起的。

TE型极化场和的分布与综合TEM型场的分布类似，如图3a至3d所示。图3e、图3f给出纯TE型场H_z的分布，与其他的TE型场类似，以源为轴对称分布。但与其他场不同，最大值出现的位置随着时间的增大向外移动，这可以通过烟圈扩散进行分析。

图4给出了TE-TM型场E_y和H_x的分布。如图所示，场围绕源中心点呈中心对称，这是由这类场仅仅由接地项产生造成的。但相比于其他类型极化场，这种极化场的分布往往是不均匀的，最大值出现在与源呈45度夹角的延伸线，并且随着时间的增大，最大值位置向外移动。

总起来说，TE型场和综合TEM场以源为轴呈轴对称分布，而TE-TM型场是四象限和中心对称的。同时，对比不同偏移距的响应发现，TEM型场在不同时刻偏移距越小响应越大，也就是说，VOTEM的Ex和Hy分量具有最强的观测信噪比。

自感效应与最小探测深度

回线源相当于等效回路,即可看成是由一个电阻电感和电容组合成的电路,对于电性源装置，发射线不是闭合回路，通过接地项与大地形成一个闭合回路。给定大地的接地电阻为R’，将该回路放置在绝缘大气中，如图5所示。图中R*是线圈的电阻,R是匹配电阻,C是等效电容,U是发送电压,L为自感,它与线圈的形状、大小及周围的介质有关。

当突然断开或接通电路中的电源时,这个电路中的电流将从原来的状态向着新的稳定状态变化,这种变化过程不可能瞬时内完成,中间存在一个过程,其回路方程为

在大多数情况下，

满足远远小于1的条件

经过变换得到时间域方程

i₁(t)＝2Imte^-mt

断电后的自感电流

U(t)＝2IRmte^-mt (公式8)

断电后的自感电压

为判断自感信号的变化特性,经过对U(t)求导,可知线圈自感信号的衰减规律:当t＝0时,U(t)＝0；随着时间的增加,当t＝1/m时,U(t)达到极大值；当t>1/m时曲线迅速衰减到零。对于不同的材料,m值并不相同。

发射线的自感系数为

由于2L＞＞r₀，得到

2L为发射线长度,采用较常用的线材r₀＝0.73mm；等效电容C₁为每米长度的电容,计算中取值为160×10-9F。

当发射线的电容很小可以忽略时，暂态过程不存在，电压与感应电压相同。感应电压表达式为

其中,2L是源长度；表示收发距。

取源长度为1000m，均匀大地的电阻率为100Ω·m.分别采用公式8和公式9计算自感电压和感应电压，计算结果如图6所示，图中虚线代表感应电压，实线代表自感电压。

电磁感应信号衰减很慢,而线圈的自感信号却衰减很快。根据这一特点,笔者定义自感信号衰减三个数量级时的时间为最早可分辨时间,其所对应的深度为最小探测深度。具体计算步骤如下:

1)对于一定的导线材料,根据式(计算材料电感)；

2)在已知材料电感和给定电容的情况下,计算参数m；

3)通过公式(8)计算U(t)；

4)通过公式(9)计算V(t)；

5)当10V(t)等于U(t)时给出最小延迟时间t_min；

6)依据下式

计算出最小探测深度,式中:h_min为最小探测深度,单位为m。

表1

通过计算分别给出相同地电模型下不同偏移距的最小探测深度，如表1所示。如表1所示，当收发距增大一倍时，最小延迟时间增大2μs，对应的最小探测深度增大4-6m，这跟感应电压随偏移距增大而不断减小有关。

测深机制判定

图7是接地导线源瞬变电磁垂直磁场时间导数求取的互易原理平面示意图；

利用互易原理求解接地导线源瞬变电磁垂直磁场的时间导数，利用同样位于地表的具有相同电流的磁偶极子源的电磁场解来推导接地导线源场的表达式，根据互易性原理，使用磁偶极子观测的接地导线源激发的场与(x,y)处具有相同电流的磁偶源使用接地导线源观测的场相同，即改变接地导线源与磁偶极源的位置及激发与接收的关系可以得到相同的感生电动势。磁偶极源在接地导线线上产生的感生电动势可以通过磁偶极源在接地导线处产生的电场y方向分量沿接地导线积分得到。

通过推导，接地导线源瞬变电磁垂直磁场的时间导数为：

其中，

地面接地导线源产生的电磁波实际上是向四面八方辐射的，就波的传播可以分为天波(对于地面观测的问题，这里忽略不计)，地面波和地层波。沿地表传播的地面波和直接在地下传播的地层波由于波程差，在地面附近造成几乎垂直向下传播的波，水平极化平面波，地层波衰减殆尽，只剩水平极化地面波，这就是远区，也可以称为地面波区。在离场源一定范围内，以地层波为主，地面波相对很弱，这就是近区，也可称为地层波区。

由于公式(10)中包含θR,θx₀,θ(L±y₀)的信息，为了简化计算难度，将三项统一为w表示，给出地层波区和地面波区的定义，然后，分别对不同波区的响应进行推导：

当w<<1时，

代入方程(14)，得到

上式代表近区场，也就是地层波场。

当w→∞时，erf(w)→1，

代入方程(10)，得到

上式表示远区场，也可以看作是地面波场。

对于处于远区或者地面波区的测点，波垂直向下传播，符合感应测深波垂直趋肤效应的原理，地面波区可以看作是感应测深，地层波区可以看作是几何测深，地层波和地面波相当的场区两种测深方式并存。在任何测点观测的响应都可以分割为地层波项和地面波项，只是在不同测点、不同时刻，两者在总响应中所占的比例不同。根据两种波场所占的比例来判断测深方式。这里，以5％作为判断的标准，当地层波在观测电磁场中所占比例小于5％时，此时测深方式为感应测深。对应的，当地面波在观测电磁场中所占比例小于5％时，此时测深方式为几何测深。当通过公式10计算测点的垂直磁场的时间导数，以近区场公式11和远区场公式12计算地层波项和地面波项，分别求取地层波项和地面波项所占的比例。

取L为500m，发射电流10A，均匀半空间的电阻率为100Ω·m。对VOTEM小偏移距的情况进行分析，表2给出了100m偏移距的地层波和地面波成分所占比例。在早期，响应中地面波占主导，在小于6E-6s的时间段，地层波占比小于5％，在该时间段内，瞬变电磁测深方式为感应测深。与500m偏移距相比，在100m偏移距时，感应测深持续的时间变短。随着时间的增大，地面波成分逐渐减少，地层波成分增加，当时间大于4E-3s时，地面波占比小于5％，地层波占主导，测深方式为几何测深。而在中间的时间段，地层波和地面波共存，感应测深和几何测深并存，在更小的偏移距，两种测深方式并存的时间段更长。

表2为均匀半空间的电阻率为100Ω·m时地层波和地面波成分占比(100m)；

表2

为更好理解电性变化对测深方式的影响，对更小电阻率的情况进行分析，表3给出了1Ω·m时100m偏移距的地层波和地面波成分所占比例。在早期，响应中地面波占主导，在小于5E-4s的时间段，地层波占比小于5％，在该时间段内，瞬变电磁测深方式为感应测深。与500m偏移距相比，在100m偏移距时，感应测深持续的时间变短。随着时间的增大，地面波成分逐渐减少，地层波成分增加，当时间大于3E-1s时，地面波占比小于5％，地层波占主导，测深方式为几何测深。而在中间的时间段，地层波和地面波共存，感应测深和几何测深并存。

表3

接地导线源瞬变电磁测深在观测点侧面存在发射源，分析其探测深度的有关问题比较复杂，除受地电结构的影响外，收发距和观测时间是两个关键的因素。在地下结构确定的情况下，通过对测深方式的分析，将收发距和观测时间统一起来，对接地导线源瞬变电磁的探测深度进行分析。

对于感应测深，探测深度可以通过扩散深度进行定义

在地下电性已知的情况下，探测深度决定于观测时间。因此，瞬变电磁的感应测深也可以称为时间电磁测深，对应于频率电磁测深。

实际的探测深度受各种因素影响，很难达到扩散深度，一般取有效扩散深度；

而对于几何测深，在地下电性已知的情况下，探测深度决定于偏移距。为了更加直观的表示瞬变电磁几何测深的探测深度，基于垂直磁场的时间导数推导瞬变电磁的最大探测深度。

类似于回线源瞬变电磁探测深度的推导，得到基于晚期感生电动势的短偏移电性源瞬变电磁探测深度的计算公式：

在其他参数电阻率设定的情况下，探测深度正比于y^1/5。对于固定测点，收发距不变，更大的观测时间并不会改变探测深度。只有通过改变收发距，可以在一定程度增大探测深度。

对于两种测深方式并存的测点，其探测深度介于感应测深深度和几何测深深度之间，可以将公式15式进行修正，

K的选择取决于响应中地层波项和地面波项所占的比例。

应用实例

选择山西大同某煤矿进行VOTEM探测实验。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，在偏移距100米，200米偏移距分别观测电磁场。

由图8可见，随着偏移距的增大，早期电场响应的场强减弱，但小偏移距电场响应衰减更快，VOTEM对浅层结构有更好的反映。

图9给出了不同偏移距垂直磁场的时间导数，早期响应整体上随着偏移距的增大而减小，而中晚期响应场强相同，表明VOTEM垂直磁场具有和SOTEM方法相似的探测深度，且对浅层的探测效果更好。

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)

1.一种接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，其特征在于，所述方法具体为：

对接地导线源以偏移距为小于0.7倍探测深度进行探测，根据时变点电荷载流微元积分理论，建立水平层状介质电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的解析表达式，计算得到电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的响应及平面分布特征。

2.如权利要求1所述的接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，其特征在于，所述方法中采用V8综合电法仪进行数据采集。

3.如权利要求1所述的接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，其特征在于，所述方法中发射源长度为300m，发射电流10A，发射基频25Hz，发射功率30Kw。

4.如权利要求1所述的接地导线源瞬变电磁超短偏移距探测方法，其特征在于，所述方法中电场X分量、Y分量及磁场X分量、Y分量、Z分量的解析表达式分别为公式一至公式五；

其中，2L是接地导线长度，x、y、z是接收点坐标，r是收发距，J₁(λr)和J₀(λr)是第一类1阶和0阶贝塞尔函数，

ε₀是介电系数，μ₀是磁导率；

对于N层介质，

其中,是垂向波数，是总波数，是水平波数，ε_j是地下第j层的介电系数，μ_j是地下第j层的磁导率。