CN112327367A - 一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法 - Google Patents

一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法，涉及一种基于伞状源的瞬变电磁三维电性结构，即纯异常场探测方法。伞状源由多组具有相反电流方向的对称分布的接地导线源组成，多组线源共用中心电极，实测的垂直磁场或其时间导数本身不再包含地下层状大地的响应，只包含三维结构的信息。源由多组对称分布、电流方向相反的接地电流源组成，每一对电流源共用中心的接地项，每组源之间的夹角是相同的。任一点的响应由组成伞状源的各条线源叠加而成。由源1所激发的场需要通过源1所属坐标系X1OY1中的测点P(x1,y1)的响应
Figure DDA0002692843960000011
计算得到。本发明能避免通过数据三维反演获取三维结构带来的不精确性和误差。

Description

一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法
技术领域
本发明地质研究技术领域，涉及一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法，具体地说，涉及一种地下三维电性结构信息直接提取的伞状源瞬变电磁探测方法。
背景技术
传统瞬变电磁探测方法的早期研究基于大地是地下均匀半空间或层状半空间的假设，通过将观测的响应归一化为对应频率或者时间的均匀大地的响应，获得地下层状电性结构。基于均匀层状或半空间大地的研究思路对于研究地下层状结构取得较好的效果，但对于地下三维结构，基于均匀大地假设的一维、二维反演难以取得理想的效果。三维反演目前仍处于实验室研究阶段。
瞬变电磁法是矿产资源、煤田水文地质、油气资源探测的重要手段。当前瞬变电磁数据的处理多采用1D或2D的反演，恢复地下电性分布，得到以层状大地为背景的电性结构，并不能精细获取地下实际的3D结构。采用3D反演可以更好的恢复地下3D结构，但当前的3D反演仍未达到实用化。如何获取地下真实3D电性结构信息，更加精细识别地下结构具有重要的研究价值。
如果可以有效去除层状大地介质中激发的场，那么剩余的场就可以认为是地下三维电性结构的场。根据场的极化类型，瞬变电磁场又可以看作横磁极化(TM)场或横电极化(TE)场。虽然接地导线源在地下三维电性结构中激发的场不局限于单一极化场，但对于层状大地而言，极化场的类型得到简化。根据发射场源的类型，分为磁性源(回线源)和电性源(接地导线源)瞬变电磁法。层状大地表面回线源仅激发产生TE场，而接地导线源激发TE、TM场及二者的混合场。其中，接地导线源激发的垂直磁场由导线部分激发产生。通过多组具有相反极性的接地导线源，有效消除反映层状介质信息的TE场，仅保留地下三维结构体的信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法。涉及一种基于伞状源的瞬变电磁三维电性结构，即纯异常场探测方法。伞状源由多组具有相反电流方向的对称分布的接地导线源组成，多组线源共用中心电极，实测的垂直磁场或其时间导数本身不再包含地下层状大地的响应，只包含三维结构的信息。
其具体技术方案为：
一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法，包括以下步骤：
源由多组对称分布、电流方向相反的接地电流源组成，每一对电流源共用中心的接地项，每组源之间的夹角是相同的。
任一点的响应由组成伞状源的各条线源叠加而成。由源1所激发的场需要通过源1所属坐标系X1OY1中的测点P(x1,y1)的响应Hz1计算得到。
层状大地表面激发和接收时，接地导线源激发产生的垂直磁场表达式为
Figure BDA0002692843940000021
各条源激发产生的响应表达式为
Figure BDA0002692843940000022
对于同一测点P(x1,y1)，在不同坐标系中的坐标可以通过坐标系平移与旋转关系取得，
1)坐标系X1OY1平移到X'O'Y'，坐标
x'＝x1+a
y'＝y1+b
其中，a＝L-Lcosθi,b＝Lsinθi。
2)
Figure BDA0002692843940000031
坐标系X'O'Y'旋转到在第i条源所属坐标系XiO'Yi由多线源激发产生的垂直磁场通过叠加得到
Figure BDA0002692843940000032
式中，θi是两个源电流之间的夹角，
Figure BDA0002692843940000033
表示在坐标系中测点的收发距，dx表示源长度，J1(λr)为一阶第一类贝塞尔函数，λ表示与波数相关的变量，r这里表示收发距；z表示接收点的埋深，地表观测时为零；
Figure BDA0002692843940000034
表示电场分量入射平面时电磁波的反射系数，
Figure BDA0002692843940000035
表示地表导纳，
Figure BDA0002692843940000036
自由空间的本征阻抗，
Figure BDA0002692843940000037
表示地表阻抗(地表阻抗和导纳通过最底层递推得到)，
Figure BDA0002692843940000038
ω表示角频率，i表示复数，ε0表示地下均匀半空间的介电系数，μ0表示地下均匀半空间的磁导率。
根据伞状源组成各部分的对称关系，任一点的响应可以代表其他测点位置的响应特征。
通过响应正演模拟，在层状大地表面计算的响应的幅值趋近于0。
进一步，选择8条线源组成的伞状源，每条线源长度设为100米，发射电流10A，H模型的地电参数为
ρ1＝100Ω·m,d1＝250m；ρ2＝10Ω·m,d2＝10m；ρ3＝100Ω·m。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过观测垂直磁场或其时间导数，直接获取地下三维目标体的信息，避免通过数据三维反演获取三维结构带来的不精确性和误差。
附图说明
图1是伞状源瞬变电磁装置示意图；
图2是不同源坐标转换关系；
图3是新疆北部地质图；
图4是发射源与测线布置图；
图5是响应幅值变化圈定的地下岩体的空间分布图；
图6是Y5岩体钻孔柱状图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
对于伞状源瞬变电磁法(图1)，源由多组对称分布、电流方向相反的接地电流源组成，每一对电流源共用中心的接地项，每组源之间的夹角是相同的。
任一点的响应由组成伞状源的各条线源叠加而成。以测点P(x,y)为例，由源1所激发的场需要通过源1所属坐标系X1OY1中的测点P(x1,y1)的响应Hz1计算得到。
层状大地表面激发和接收时，接地导线源激发产生的垂直磁场表达式为
Figure BDA0002692843940000041
如图2所示，各条源激发产生的响应表达式为
Figure BDA0002692843940000051
对于同一测点P(x1,y1)，在不同坐标系中的坐标可以通过坐标系平移与旋转关系取得，
3)坐标系X1OY1平移到X'O'Y'，坐标
x'＝x1+a
y'＝y1+b
其中，a＝L-Lcosθi,b＝Lsinθi。
4)坐标系X'O'Y'旋转到在第i条源所属坐标系XiO'Yi
xi＝x'cosθi-y'sinθi
yi＝y'cosθi+x'sinθi
由多线源激发产生的垂直磁场通过叠加得到
Figure BDA0002692843940000052
常用的雨伞具有8根骨，因此，选择8条线源组成的伞状源，每条线源长度设为100米，发射电流10A，以H型模型为例，对伞状源瞬变电磁垂直磁场响应进行分析。H模型的地电参数为
ρ1＝100Ω·m,d1＝250m；ρ2＝10Ω·m,d2＝10m；ρ3＝100Ω·m,
根据伞状源组成各部分的对称关系，任一点的响应可以代表其他测点位置的响应特征。
通过响应正演模拟，在层状大地表面计算的响应的幅值趋近于0。
实施例
测区位于新疆北部的喀拉通克矿集区(图3)，这里是世界上硫化铜镍矿床最多的地区之一，喀拉通克地区位于中亚造山带北部，新疆阿尔泰造山带南缘、准噶尔东北缘间。准噶尔地块以额尔齐斯–玛因鄂博深断裂为界与北边的阿尔泰加里东造山带接壤。东准噶尔地块由三条北西向增生蛇绿杂岩带和强变形变质沉积岩组成，向北沿额尔齐斯深断裂拼贴到西伯利亚克板块南缘。
地层属北准噶尔地层分区二台地层小区，由泥盆系和石炭系组成。泥盆系下统和中统，由正常海相沉积碎屑岩夹碳酸盐岩、凝灰岩组成；中统下部北塔山组的中基性火山熔岩、火山碎屑岩和硅质岩；中统蕴都喀拉组的中偏基性火山岩夹少量正常沉积岩。石炭系区内仅发育下统黑山头组和南明水组的陆相正常沉积-火山岩相和滨海-浅海相的碎屑岩夹碳酸盐岩沉积。南明水组为矿区主要地层，是矿区基性岩体的围岩。
喀拉通克岩体群受区域断裂构造和褶皱构造的控制，岩体均侵位于下石炭统南明水组中，由13个镁铁－超镁铁质岩体组成。按其产出特征及其与构造的关系，分为南北两个岩带，分别命名为Y1-Y11岩体，前人按岩体出露位置将岩体群分为南、北两个岩带，南岩带包括前Y1、Y2、Y3号岩体，北岩带包括Y4、Y5、Y6、Y7、Y8和Y9六个岩体，另有南岩带以南的Y10、Y11岩体，基性岩含矿、矿石富铜、富硫化物为特色。目前铜镍硫化物矿体主要分布在Y1、Y2、Y3和Y9岩体中。矿区内已发现和圈定出13个中基性杂岩体，除Y1号岩体的北西端和Y4、Y6、Y7、Y8、Y9、Y10、Y11号岩体裸露地表外，其余均为隐伏岩体。
选择该测区进行主要的原因是测区地形平坦，地下电性结构成层性较好，通过直接观测三维电性结构比较容易实现对地下成矿岩体的圈定。观测参数包括，发射电流10A，发射源长度L＝500m。发射源与测线布置如图4所示，测点距40米。
经过野外实测，通过三维响应确定了岩体的主要位置，如图5所示。
伞状源瞬变电磁探测方法通过观测垂直磁场，直接获取地下三维成矿岩体的信息，避免通过数据三维反演获取三维结构带来的不精确性和误差。在Y5的钻孔验证了岩体的存在，如图6所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
源由多组对称分布、电流方向相反的接地电流源组成，每一对电流源共用中心的接地项，每组源之间的夹角是相同的；
任一点的响应由组成伞状源的各条线源叠加而成；由源1所激发的场需要通过源1所属坐标系X1OY1中的测点P(x1,y1)的响应
Figure FDA0002692843930000011
计算得到；
层状大地表面激发和接收时，接地导线源激发产生的垂直磁场表达式为
Figure FDA0002692843930000012
各条源激发产生的响应表达式为
Figure FDA0002692843930000013
对于同一测点P(x1,y1)，在不同坐标系中的坐标通过坐标系平移与旋转关系取得，
5)坐标系X1OY1平移到X'O'Y'，坐标
x'＝x1+a
y'＝y1+b
其中，a＝L-Lcosθi,b＝Lsinθi；
6)
Figure FDA0002692843930000015
坐标系X'O'Y'旋转到在第i条源所属坐标系XiO'Yi
由多线源激发产生的垂直磁场通过叠加得到
Figure FDA0002692843930000014
式中，θi是两个源电流之间的夹角，
Figure FDA0002692843930000021
表示在坐标系中测点的收发距，dx表示源长度，J1(λr)为一阶第一类贝塞尔函数，λ表示与波数相关的变量，r这里表示收发距；z表示接收点的埋深，地表观测时为零；
Figure FDA0002692843930000022
表示电场分量入射平面时电磁波的反射系数，
Figure FDA0002692843930000023
表示地表导纳，
Figure FDA0002692843930000024
自由空间的本征阻抗，
Figure FDA0002692843930000025
表示地表阻抗(地表阻抗和导纳通过最底层递推得到)，
Figure FDA0002692843930000026
ω表示角频率，i表示复数，ε0表示地下均匀半空间的介电系数，μ0表示地下均匀半空间的磁导率；
根据伞状源组成各部分的对称关系，任一点的响应代表其他测点位置的响应特征；
通过响应正演模拟，在层状大地表面计算的响应的幅值趋近于0。
2.根据权利要求1所述的基于多组接地导线源的伞状源瞬变电磁探测方法，其特征在于，选择8条线源组成的伞状源，每条线源长度设为100米，发射电流10A，H模型的地电参数为
ρ1＝100Ω·m,d1＝250m；ρ2＝10Ω·m,d2＝10m；ρ3＝100Ω·m。
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