CN110187398B - 一种寻找井间目标体的多电极系探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种寻找井间目标体的多电极系探测方法，包括以下内容：(1)以勘查区的两个钻孔为基础，在两钻孔中布设一对供电电极供电，借助多通道电法勘探接收系统获得多对测量电极的电位信号，将采集的电位信号转换成视电阻率和视极化率参数；(2)对视电阻率和视极化率数据体进行井间二维联合反演成像，综合利用电阻率和极化率的反演成像结果分析目标体的空间分布形态，进而达到寻找井间目标体的目的。本发明可以弥补常规井间激电法观测信息量少的不足，亦可通过井间电阻率和极化率联合反演成像来减少单一参数反演的多解性，有利于提高井间激电法的探测效果。

Description

一种寻找井间目标体的多电极系探测方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探领域，特别涉及一种寻找井间目标体的多电极系探测方法。

背景技术

随着社会的飞速发展，我国易于开发的浅部矿藏日益枯竭，许多矿山面临倒闭。因此迫切需要开展深部找矿，强化老矿山的再勘探，加快寻找深边部隐伏矿藏的地球物理勘探方法，具有重大的理论和现实意义。井中激发极化法是普通地面激发极化法在钻孔中的扩展应用，借助钻孔将场源或测量装置布置在地下深处，使其接近勘探目标，相较于地面物探方法发现井旁隐伏矿体的能力更强。

井中激电法目前主要采用的测量方式以地表供电井中接收(地-井)、井中供电地表接收(井-地)和井中供电井中接收(井-井)为主。井间电法通常指借助于两个钻孔，通过在一个钻孔中供电另一个钻孔中测量或者跨孔供电跨孔测量等测量方式进行的井间电法勘探，但常规井间电法勘探基本都只有一对供电点AB和一对测量点MN。假设某个勘探区内存在两个钻孔，采用一个钻孔中供电另一个钻孔中测量的数据采集方式，每次数据采集完毕后同步向下移动供电电极对和测量电极对，使得收集的数据量极为有限。

发明内容

考虑到常规井间电法通常采用一对供电电极和一对测量电极进行数据采集，存在采集效率低且数据量有限的问题。本发明的目的是利用井间电法能够在地下深处供电和测量的优点，基于勘探区的目标体特征，借助现有的地质钻井，在井中布置多个测量点，通过采集大量的井间地电信息，以提高勘探精度和效果。

为了实现本发明的目的，本发明采用以下技术方案：

一种寻找井间目标体的多电极系探测方法，以勘查区的两个钻孔为基础，在两钻孔中布设一对供电电极供电，借助多通道电法勘探接收系统获得多对测量电极的电位信号，将采集的电位信号转换成视电阻率和视极化率参数，再对视电阻率和视极化率数据体进行井间二维联合反演成像，综合利用电阻率和极化率的反演成像结果分析目标体的空间分布形态，进而达到寻找井间目标体的目的，实现井间目标体的多电极系探测方法，具体包括以下步骤：

(1)基于勘查区内已有的深度相当的两个钻孔，综合研究勘查区已有的地质和物探成果，选择合适的测量点距c；

(2)根据目标体的纵向尺度分布特征，以合适的电极间距d在两钻孔中布设一对供电电极AB和多对测量电极M_iN_j(i,j＝1,2,...,m)；

(3)利用电法勘探发射机通过供电电极A、B向地下供电，借助多通道电法勘探接收系统通过测量电极M_iN_j采集电位参数，再根据公式转换成视电阻率和视极化率参数；

(4)对采集的视电阻率和视极化率数据体进行井间二维人机交互反演成像，通过综合分析井间电阻率和极化率异常分布特征，划分目标体的空间分布形态。

其中步骤(1)中选择合适的测量点距c的具体含义为根据勘探区已有的地质和物探成果，综合研究勘探区内目标体的空间分布情况，确定合适的测量点距c。

其中所述测量点距c的大小要求小于或等于目标体尺寸的1/4，点距越小分辨率越高，例如2米*2米的目标体，点距可取为0.2米～0.5米，实际应用时根据目标体的大小、形态和勘探需求确定。测量过程中需要对每个钻孔中的测点由上至下分别编号，如两口井的编号分别为P号和Q号井，则测点号分别编为P₁,P₂,P₃,...,P_n和Q₁,Q₂,Q₃,...,Q_n。

其中步骤(2)中每个钻孔中供电电极和测量电极的布置及电极间距d的选取规则如下：

在两个钻孔中分别布置电极串，将每个电极串的第一个电极作为供电电极，在供电电极后的m个电极作为测量电极，供电正极A与测量电极M_i(i＝1,2,...,m)在同一钻孔的电极串上，供电负极B与测量N_j(j＝1,2,...,m)在另一钻孔的电极串上；将两个电极串上的供电电极和测量电极按照一定的电极间距d从上而下依次连接形成一套多电极系观测方法。

其中所述电极间距d要求小于目标体的1/2，例如2米*2米的目标体，电极距可取为0.5米～1米，具体根据目标体的大小和形态确定；m的取值大小可选为3～10，可根据实际勘探需求选择。

其中步骤(3)中电位数据的采集与视电阻率和视极化率参数转换规则如下：

(a)激电数据采集系统包括发射系统和接收系统，将发射系统的正负极分别接在供电正极A和供电负极B，供电正极A和供电负极B分别对应于每个钻井中的第一个测点P₁与Q₁上；

(b)借助发射机通过供电电极A、B向地下供电，通过接收系统依次采集并记录M_iN_j(i,j＝1,2,...,m)的电位差数据；待采集完毕后，保持P井中的电极串固定不动，将Q井中的电极串向下移动一个测点距c，即供电负极B置于Q₂处，发射机再次通过供电电极A、B向地下供电，通过接收系统采集并记录每个M_iN_j(i,j＝1,2,...,m)的电位差数据；每次采集完毕后均将Q井中的电极串向下移动一个测点距再进行数据采集与记录，直至Q井中的电极串下移至最后一个测点Q_n；

(c)待上述采集过程完毕后，将P井中的电极串下移一个测点距，Q井中的电极串由Q_n位置上移一个测点距至Q_n-1，重复供电和测量过程，直至Q井中的电极串逐渐移至Q₁位置，此时完成P井中P₂位置的全部测量；如此往复，直至P井中的电极串移至P_n位置，Q井中的电极串由Q₁逐渐移至Q_n，则数据采集结束；

(d)根据建立的测量区域能够得出每个数据对应的供电点A、B及测量点M、N的坐标(x,z)，然后根据供电和测量电极的坐标位置计算装置系数，由此根据电位差数据和电流数据计算出对应的视电阻率数据，视电阻率ρ_s的计算公式如下：

其中ΔV_ΜΝ为测量电极MN的电位差，I为供电电流，K为装置系数，其表达式为

其中r_AM、r_BM、r_AN和r_BN分别为点源到测量电极M和N的距离，r_A*M、r_B*M、r_A*N和r_B*N分别为点源关于地表的镜像点源到测量电极M和N的距离；

视极化率的计算公式为

其中η_s为视极化率，

为等效视电阻率。

其中步骤(4)中对采集的视电阻率和视极化率数据体进行井间二维人机交互反演成像，通过综合分析井间电阻率和极化率异常分布特征，划分目标体的空间分布形态的具体含义为利用电阻率和极化率的线性反演方程，采用人机交互的模式，对采集的视电阻率和视极化率数据体进行井间二维反演成像，然后通过综合分析电阻率和极化率的反演成像结果划分目标体的空间分布。

本发明的井间目标体多电极系探测的发射装置是基于现有的常规井间电法勘探的测量方式提出，供电系统采用两个供电电极，一个为供电正极一个为供电负极，两个供电电极按照本发明所提出的井间目标体多电极系探测的数据采集方式的电极移动规则移动电极，本发明的方法具有以下技术效果：

(1)本发明的井间目标体多电极系探测的接收系统采用多通道电法勘探接收系统，测量装置以常规井间电法的测量装置为改进，采用一次供电多对测量电极测量的方式，达到提高勘探效率的目的。

(2)本发明提出的一种寻找井间目标体多电极系探测方法由于一次供电多对测量电极测量的数据采集方式，其勘探效率远高于常规的井间电法勘探，并且由于测量电极交叉组合进行数据采集，使得采集的数据量远大于常规井间电法，其勘探效果明显优于常规井间电法。

(3)本发明可以弥补常规井间激电法观测信息量少的不足，亦可通过井间电阻率和极化率联合反演成像来减少单一参数反演的多解性，有利于提高井间激电法的探测效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1(a)为测量区域电阻率模型图；

图1(b)为测量区域极化率模型图；

图2为两个钻孔中测点布置示意图；

图3(a)为本发明中第一次固定供电电极A和B时测量电极MN的随机组合示意图；

图3(b)为本发明中第一次移动Q井中的电极系后测量电极MN的随机组合示意图；

图3(c)为本发明中Q井中的电极系移动到最后一个测点时测量电极MN的随机组合示意图；

图3(d)为本发明中第一次移动P井中的电极系后测量电极MN的随机组合示意图；

图3(e)为本发明中P井中的电极系移动到最后一个测点时测量电极MN的随机组合示意图；

图3(f)为本发明中P井中的电极系和Q井中的电极系同时移动到最后一个测点时测量电极MN的随机组合示意图；

图4(a)为视电阻率反演结果剖面图；

图4(b)为视极化率反演结果剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的一种寻找井间目标体的多电极系探测方法的发射系统和接收系统能兼容目前已有的电法勘探仪器设备，并且接收系统可以采用多通道电法勘探接收系统或者多个电法勘探接收系统。

实施例1

图1(a)-图1(b)中的地下隐伏岩体中赋存低阻高极化带状矿体。假设地下空间为均匀空间，电阻率为100Ω·m，极化率为2％，如(a)所示，地下赋存的低阻高极化矿体电阻率为10Ω·m，极化率为10％，如(b)所示。

假设勘探区内存在两个位于同一平面内的钻孔，对其编号编号为P和Q，钻孔间距为60米。

一种寻找井间目标体的多电极系探测方法的具体操作如下：

(1)基于勘查区已有的深度相当的两个钻孔，选择点距c＝8米在每个钻孔中布置测点(如图2)；

(2)根据目标体的纵向尺度分布特征，选择电极间距d＝8米在两钻孔中布设一对供电电极AB和11对测量电极M_iN_j(i,j＝1,2,...,11)；

(3)利用电法勘探发射机通过供电电极A、B向地下供电，借助多通道电法勘探接收系统通过测量电极M_iN_j(i,j＝1,2,...,11)采集电位参数，再根据公式转换成视电阻率和视极化率参数。参数采集及转换步骤如下：

(a)将发射系统的正负极分别接在供电正极A和供电负极B，供电正极A和供电负极B分别固定在每个钻井中的第一个测点即P₁与Q₁上(如图3(a))；

(b)借助发射机通过供电电极A、B向地下供电，通过接收系统依次采集并记录M_iN_j(i,j＝1,2,...,11)的电位差数据(M₁N₁，M₁N₂，…，M₁N₁₁，M₂N₁，M₂N₂，…M₂N₁₁，…，M₁₁N₁₁)；待采集完毕后，保持P井中的电极串固定不动，将Q井中的电极串向下移动一个测点距即8米，将供电负极B固定在Q₂，并固定测量电极N_j(如图3(b))，再次借助发射机通过供电电极A、B向地下供电，通过接收系统采集并记录每个M_iN_j(i,j＝1,2,...,11)的电位差数据；每次采集完毕后，都将Q井中的电极串向下移动一个电极距再进行电位差数据的采集与记录，持续测量直到Q井中的电极串下移到最后一个测点Q₂₀(如图3(c))；

(c)待上述采集过程完毕后，将Q井中的电极串提升并固定供电负极B于测点Q₁，然后将P井中的电极串下移一个测点距即8米(如图3(d))，重复(b)中电位差数据的采集过程，采集并记录每个M_iN_j(i,j＝1,2,...,11)的电位差数据，每次采集完毕后，都将P井中的电极串向下移动一个电极距再进行上述电位差数据的采集过程，持续测量直到P井中的电极串下移到最后一个测点P₂₀(如图3(e)-图3(f))；

(d)根据建立的测量区域能够得出每个数据对应的供电点A、B及测量点M、N的空间坐标(x,z)，对电法接收机接收的每个测量点的电位数据依次记录并计算出对应的视电阻率数据，视电阻率ρ_s的计算公式如下：

其中ΔV_ΜΝ为测量电极MN的电位差，I为供电电流，K为装置系数，其表达式为

r_AM、r_BM、r_AN和r_BN分别为点源到测量电极M和N的距离，r_A*M、r_B*M、r_A*N和r_B*N分别为点源关于地表的镜像点源到测量电极M和N的距离。

视极化率的计算公式为

其中η_s为视极化率，

为等效视电阻率。

(4)对采集的视电阻率和视极化率数据体井间二维人机交互反演成像，通过综合分析井间电阻率和极化率异常分布特征，划分目标体的空间分布形态，具体过程为：

电阻率的线性反演方程为：

AΔm＝Δd (4)

其中Δd为数据残差矢量，其值等于实测视电阻率与模拟视电阻率的对数值之差，Δm为模型参数的改正向量，A为偏导数矩阵。

在电阻率的二维反演中，方程(4)通常是欠定的。为了得到较好的解估计并增强反演的稳定性，这里在模型空间中引入光滑约束项和属性硬约束项，其目标函数分别为：

和

根据方程(4)和(5)联合构建目标函数：

其中m为模型参数向量，S为光滑度矩阵，C为属性硬约束矩阵，λ_s和λ_c为正则化因子，m_c为约束模型。

对目标函数(6)两端关于Δm^T求导并令其等于零，得到最小二乘线性反演方程：

(A^ΤA+λ_sS^ΤS+λ_sC^ΤC)Δm＝A^ΤΔd-λ_sS^ΤSm-λ_sC^ΤC(m-m_c) (7)

其中A^T为偏导数矩阵A的转置，S^T为光滑度矩阵S的转置，C^T为属性硬约束矩阵C的转置，其他参数意义与之前出现相同。

采用共轭梯度法求解方程(7)，得到模型修正量Δm^k并代入表达式(8)得到新的预测模型参数向量m^k+1：

m^k+1＝m^k+μ·Δm^k (8)

其中μ为修正步长，它能有效提高反演的稳定性，需要一次正演的计算量。经多次迭代，直到满足拟合差终止条件或达到预设的最大迭代次数，反演结束。

电阻率反演结束后，固定网格节点的电阻率参数，采用极化率线性反演方法完成极化率反演。假定视电阻率ρ是以电导率σ(x,z)为自变量的函数，当地下介质存在极化特性时，它可以表示为：

ρ^*＝ρ[σ(1-η)] (9)

其中ρ^*为等效电阻率，η为极化率。再假定地下模型由M块不同的电导率为σ_j和极化率为η_j的岩矿石组成(j＝1,2,...,M)，将式(9)右端关于电导率σ用泰勒级数展开并忽略二次以上的项，得：

则极化率响应η_a可以根据等效视电阻率公式计算得到：

再做一次近似，式(11)可以写成：

那么第i点的极化率响应为：

由于在电阻率反演中已经计算出偏导数矩阵A_ij，所以只需将实测视极化率数据代替式(13)中的η_j，再求解一次线性方程组，便可求得每个模型块(或节点)的极化率。

此处对电阻率和极化率反演结果做成图处理，得到电阻率断面图和极化率断面图。根据反演成像结果可以大致推断地下存在低阻高极化异常，纵向尺度范围约为-30m～-60m和-90m～-120m，横向尺度范围约为10m～50m。电阻率和极化率反演成像图详见图4，其中图4(a)-图4(b)中用灰色框分别标出了电阻率和极化率异常部位。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种寻找井间目标体的多电极系探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)基于勘查区内深度相当的两个钻孔，选择合适的测量点距c，对钻孔进行编号，具体为：

A、根据勘探区已有的地质和物探成果，综合研究勘探区内目标体的空间分布情况，选择小于或等于目标体尺寸的1/4作为测量点距c；

B、对两个钻孔中的测点分别由上至下编号，其中，所述两个钻孔的编号分别记为P号孔和Q号孔，测点编号分别记为P₁,P₂,P₃,...,P_n和Q₁,Q₂,Q₃,...,Q_n；

(2)根据目标体的纵向尺度分布特征，以合适的电极间距d在两个钻孔中布设一对供电电极A、B和多对测量电极M_iN_j，其中i,j＝1,2,...,m，m选为3～10；

(3)利用电法勘探发射机通过供电电极A、B向地下供电，借助多通道电法勘探接收系统通过测量电极M_iN_j采集电位参数，再根据公式转换成视电阻率和视极化率参数；其中，电位参数的采集与视电阻率和视极化率参数转换规则如下：

(a)激电数据采集系统包括发射系统和接收系统，将发射系统的正、负极分别接在供电电极A、B上，供电电极A、B分别对应于钻孔第一个测点P₁和Q₁；

(b)发射系统通过供电电极A、B向地下供电，接收系统依次采集测量电极M_iN_j间的电位差，待采集完毕后，保持P钻孔中的电极串固定不动，将Q钻孔中的电极串向下移动一个测量点距c，即将供电电极B置于Q₂处，发射系统再次通过供电电极A、B向地下供电，接收系统再次采集测量电极M_iN_j间的电位差，每次采集完毕后均将Q钻孔中的电极串向下移动一个测量点距c，再进行供电和数据采集，直至Q钻孔中的电极串下移至最后一个测点Q_n；

(c)待上述采集过程完毕后，将P钻孔中的电极串下移一个测量点距c，Q钻孔中的电极串由Q_n位置上移一个测量点距至Q_n-1，重复供电和测量过程，直至Q钻孔中的电极串逐渐移至Q₁位置，此时完成P钻孔中P₂位置的全部测量，如此往复，直至P钻孔中的电极串移至P_n位置，Q钻孔中的电极串由Q₁逐渐移至Q_n，则数据采集结束；

(d)根据建立的测量区域能够得到每个数据对应的供电电极A、B及测量电极M、N的x轴坐标和z轴坐标，然后根据供电电极A、B和测量电极M、N的x轴坐标和z轴坐标计算装置系数，再根据一次场电位差和供电电流计算出对应的视电阻率ρ_s的计算公式如下：

其中ΔV_ΜΝ1为测量电极MN的一次场电位差，I为供电电流，K为装置系数，其表达式为

其中r_AM、r_BM、r_AN和r_BN分别为供电电极A、B到测量电极M、N的距离，r_A*M、r_B*M、r_A*N和r_B*N分别为供电电极A、B关于地表的镜像电极A^*、B^*到测量电极M、N的距离；

视极化率η_s的计算公式如下：

其中ΔV_ΜΝ2为测量电极MN的二次场电位差；

(4)对视电阻率和视极化率数据体进行井间二维人机交互反演成像，通过综合分析井间电阻率和极化率的异常分布特征，划分目标体的空间分布形态。

2.如权利要求1所述的一种寻找井间目标体的多电极系探测方法，其特征在于：步骤(2)中每个钻孔的供电电极和测量电极的布置方法及电极间距d的选取规则如下：

在两个钻孔中分别布置多电极串，将每个多电极串的第一个电极记为供电电极，在供电电极后的m个电极记为测量电极，并且每个电极串的供电电极和测量电极按照电极间距从上至下依次布设，供电电极A与测量电极M_i作为同一电极串置于P钻孔中，供电电极B与测量电极N_j作为同一电极串置于Q钻孔中，其中，

d要求小于目标体大小的1/2。

3.如权利要求1所述的一种寻找井间目标体的多电极系探测方法，其特征在于：步骤(4)具体包括：利用电阻率和极化率的广义线性反演方法，采用人机交互反演模式对采集的视电阻率和视极化率数据体进行井间二维反演成像，进而获取井间电阻率和极化率的异常分布特征，以此划分目标体的空间分布形态。

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