CN113064207A - 一种多线源地井瞬变电磁探测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种多线源地井瞬变电磁探测方法和装置，包括：步骤1、构建多线源地井瞬变电磁正演模型；步骤2、通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目标层的多线源地井瞬变电磁响应；步骤3、根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实现对地下目标层的识别。采用本发明的技术方案，极大提升地井瞬变电磁方法对地下目标的分辨和探测能力。

Description

一种多线源地井瞬变电磁探测方法和装置
技术领域
本发明属于资源探测技术领域，尤其涉及应用于一种针对金属矿 产资源、地热资源的多线源地井瞬变电磁探测方法和装置。
背景技术
瞬变电磁法(TEM)具有时间上的可分性，在激励场源关断后观测 纯二次场，观测信号与地下电性结构的耦合性优于其它方法，在煤田 水文地质、金属矿产、地热、工程勘察领域等到广泛应用。但受限于 电磁扩散的基本原理，地面采集的数据是地下一定深度范围地质信息 的综合反馈，这也是为什么随着探测深度的增大，电磁方法分辨率下 降的原因。因此，越接近探测目标观测的信息越能更真实的代表实际 的地质结构，而不会受到扩散的影响而降低探测精度。
地井瞬变电磁采用的激励场源主要包括磁性源(回线源)和电性 源(接地导线源)两种，与地面电磁法的发射源一致。磁性源方法在地 面利用回线源激发电磁场，在井中观测磁场分量，电性源利用接地长 导线向地下激发电磁场，主要的观测分量也是是垂直磁场和水平磁 场。对良导体敏感，而且由于旁侧效应的影响，电磁场响应对探测目 标层显示出一定的指示作用。
不管是大回线源瞬变电磁法，还是接地导线源瞬变电磁法，对这 两种源差别最好的理解都可以通过描述电磁场横电(Transverse electric,TE)-横磁(Transversemagnetic,TM)双极化模式来分析。
回线源TEM仅产生水平电流，激发的电磁场仅包含横电极化场， 仅对良导目标敏感，对高阻目标分辨能力较差。接地导线源的导线源 仅产生水平电流，接地项在地下产生水平电流和垂向电流，激发的电 磁场包括横磁极化场和横电极化场。地井瞬变电磁法一般观测磁场分 量。垂直磁场(Hz)是横电极化场，水平磁场(Hx，Hy)是横电极化场和 横磁极化场的混合场，这在一定程度上提升了瞬变电磁法对高阻体的 探测能力，但分辨能力依然有限，这与水平磁场中横电极化场占主导 有关。
横磁极化场对高阻体的分辨能力要远远优于横电极化场。为了利 用横磁极化场对高阻敏感的特性，横电极化场需要被去除，这一过程 可以解析完成，但实际数据的提取难度较大。因此，常规大回线源和 接地导线源瞬变电磁法是以横电极化场观测为主的探测方法，制约了 瞬变电磁法对高阻体的分辨能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种多线源地井瞬变电磁探测 方法和装置，极大提升地井瞬变电磁方法对地下目标的分辨和探测能 力。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种多线源地井瞬变电磁探测方法，包括以下步骤：
步骤1、构建多线源地井瞬变电磁正演模型
步骤2、通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目标层的 多线源地井瞬变电磁响应；
步骤3、根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实现对地 下目标层的识别。
作为优选，步骤1具体为：
层状大地表面激发、井中接收时，x-方向单一接地导线源激发产 生的电磁场分量为：
Figure BDA0002976193220000031
Figure BDA0002976193220000032
Figure BDA0002976193220000033
Figure BDA0002976193220000034
Figure BDA0002976193220000035
其中，J1(λr)和J0(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数，λ表示 水平波数，ri这里表示测点在不同线源所属坐标系中的收发距；hj表 示第j层的厚度；
Figure BDA0002976193220000036
表示第j层的阻抗，
Figure BDA0002976193220000037
表示第j层的导纳，z表 示接收点的高度；
Figure BDA0002976193220000038
表示电场分量入射平面时电磁波的反射 系数，
Figure BDA0002976193220000039
表示垂直磁场入射平面时电磁波的反射系数，
Figure BDA00029761932200000310
自由空间的本征导纳，
Figure BDA00029761932200000311
表示地表导纳，
Figure BDA00029761932200000312
自由空间的本征阻 抗，
Figure BDA00029761932200000313
表示地表阻抗，
Figure BDA00029761932200000314
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；
对于多线源源地井瞬变电磁场，z取正值，在地面观测z等于0， 而在空中观测时z为负值，响应的求解通过对各条线源响应进行叠加 计算得到。
作为优选，步骤2中通过以下参数设计得到地下目标层的多线源 地井瞬变电磁响应：设置8条线源，相邻线源的夹角为45度，每条 线源长度设为500米，发射电流10A，接收点的深度分别为100、200、 300、400和500米。
作为优选，步骤1中，以各条线源为x轴、各条线源的中点作为 源点建立坐标系，
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，
(c)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。
(d)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磁场各分量通过叠加得到。
作为优选，步骤3中，通过分析在地下目标层的响应扩散性质来 判断对地下高阻层的分辨和识别能力。
本发明还提供一种多线源地井瞬变电磁探测装置，包括：
构建模块，用于构建多线源地井瞬变电磁正演模型
分析模块，用于通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目 标层的多线源地井瞬变电磁响应；
识别模块，用于根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实 现对地下目标层的识别。
本发明针对金属矿产资源、地热资源的精细探测。在传统地面探 测中，观测位置远离地下目标体，无法实现地下三维矿体和成矿岩体 的精细探测。基于传统横电场的地井瞬变电磁方法仅对低阻目标敏 感，对于不具有低阻特性的矿体、成矿岩体及控矿构造的分辨能力有 限，本发明将极大提升地井瞬变电磁方法对地下目标的分辨和探测能 力。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的 一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或 部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附 图中：
图1发射源装置为结构图；
图2为本发明方法的流程图；
图3为不同源坐标转换关系示意图；
图4a-4f为200m深度的响应平面分布(1ms)示意图，其中，
图4a为x方向水平电场分量分布示意图；
图4b为y方向水平电场分量分布示意图；
图4c为z方向垂向电场分量分布示意图；
图4d为x方向水平磁场分量分布示意图；
图4e为y方向水平磁场分量分布示意图；
图4f为z方向垂向磁场分量分布示意图；
图5a-5d为Ex响应扩散图，其中，
图5a为1E-5s时刻的响应扩散示意图；
图5b为1E-4s时刻的响应扩散示意图；
图5c为1E-3s时刻的响应扩散示意图；
图5d为1E-2s时刻的响应扩散示意图；
图6a-6d为Ey响应扩散图，其中，
图6a为1E-5s时刻的响应扩散示意图；
图6b为1E-4s时刻的响应扩散示意图；
图6c为1E-3s时刻的响应扩散示意图；
图6d为1E-2s时刻的响应扩散示意图；
图7a-7d为Ez响应扩散图，其中，
图7a为1E-5s时刻的响应扩散示意图；
图7b为1E-4s时刻的响应扩散示意图；
图7c为1E-3s时刻的响应扩散示意图；
图7d为1E-2s时刻的响应扩散示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对 本发明进行具体阐述。
如图1所示，本发明提供一种多线源地井瞬变电磁探测方法，基 于多线源发射装置的地井瞬变电磁探测方法(Multi-line ground-borehole TEM，MGBTEM)，地面发射源由多组具有相反方向 发射电流的接地线源组成，可以使包括8或10或16不同数目的源组 合，图2给出了10条线源形式的发射源装置，每条发射源的长度相 同，电流方向从中心向各个方向发散，相邻发射源之间的夹角相等。 具体为：在地面布设多线源发射装置，多线源装置有4对具有相反电 流方向的接地导线源组成，通过传输线，将接地电极和磁传感器放入 钻孔中，在钻孔中观测垂向电场、磁场多分量等。沿钻孔向下布设， 布置单个或多个接收磁探头和电极对，所述接收探头和电极对连接到 地面的接收机，接收机对接收探头、电极对进行控制，并收集接收信 号。
如图1所示，本发明实施例多线源地井瞬变电磁探测方法，包括 以下步骤：
步骤1、构建多线源地井瞬变电磁正演模型
层状大地表面激发、井中接收时，x-方向单一接地导线源激发产 生的电磁场分量表达式为：
Figure BDA0002976193220000071
Figure BDA0002976193220000072
Figure BDA0002976193220000073
Figure BDA0002976193220000074
Figure BDA0002976193220000075
其中，J1(λr)和J0(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数，λ表示 水平波数，ri这里表示测点在不同线源所属坐标系中的收发距；hj表 示第j层的厚度；
Figure BDA0002976193220000076
表示第j层的阻抗，
Figure BDA0002976193220000077
表示第j层的导纳，z表 示接收点的高度；
Figure BDA0002976193220000078
表示电场分量入射平面时电磁波的反射 系数，
Figure BDA0002976193220000081
表示垂直磁场入射平面时电磁波的反射系数，
Figure BDA0002976193220000082
自由空间的本征导纳，
Figure BDA0002976193220000083
表示地表导纳，
Figure BDA0002976193220000084
自由空间的本征阻 抗，
Figure BDA0002976193220000085
表示地表阻抗，
Figure BDA0002976193220000086
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。
对于多线源源地井瞬变电磁场，z取正值，在地面观测z等于0， 而在空中观测时z为负值。响应的求解需要通过对各条线源响应进行 叠加计算得到，分别以各条线源为x轴、各条线源的中点作为源点建 立坐标系，如图3所示，
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，
(e)坐标系X1OY1平移到X'O'Y'，坐标
x'＝x1+a
y'＝y1+b
其中，a＝L-L cosθi,b＝L sinθi。
(f)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磁场各分量通过叠加得到。
步骤2、通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目标的多 线源地井瞬变电磁响应
以8条线源为例，相邻线源的夹角为45度，每条线源长度设为 500米，发射电流10A，通过多线源地井瞬变电磁正演模型(K模型) 对多线源地井瞬变磁场响应进行分析，接收点的深度分别为100、 200、300、400和500米。K模型的地电参数为 ρ1＝300Ωm，d1＝200m；ρ2＝2000Ωm，d2＝200m；ρ3＝500Ωm
以源中心为坐标原点，线源1为X轴，通过计算，得到地下200m 深处的电磁场多分量的平面分布，如图4所示。
如图4所示，水平电场Ex和Ey呈现典型的轴对称分布，二者 的响应分布特征类似。对于Ex来说，在x＝0的测点，Ex的响应为0， 类似的，在对于Ey，y＝0的测点，Ey为0，这在实际观测时要特别关 注。在这些特殊位置，实际观测的响应不会为0，而是地下三维目标 体的响应。类似的响应分布特征也存在于水平磁场的分布。对于Ez， 响应分布呈现中心对称的分布规律，响应以源为中心，随着偏移距的 增大，响应逐渐减小，因此，如果在实际观测时，尽量在近源区域观 测。垂直磁场响应数值相较于水平分量要低的多，计算的响应可以忽 略不计，这是由于垂直磁场本身由线源部分产生，多线源的组合相互 抵消了线源产生的垂直磁场，因此，在层状大地情况下，正演计算的 垂直磁场响应可以忽略不计，但实际观测中响应幅值并不弱，这是有 地下三维目标体产生的，垂直磁场的观测实现真正的三维响应观测， 而忽略层状大地的背景场。
步骤3、根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实现对地 下目标层的识别
多线源最大的优点是通过观测电场分量实现对高阻目标的精细 探测，因此在地井瞬变电磁观测中，本发明将重点观测井下电场分量 对高阻的反映特征。为了分析观测的井中电场分量对高阻目标层的探 测能力，对高阻目标层在不同时刻的响应剖面进行分析。通过分析在 地下目标层的响应扩散性质来判断对地下高阻层的分辨和识别能力。
如图5-7所示，对于200-400m深度范围的高阻层，Ez分量显示 出明显的响应指示作用，极大值等值线圈闭与高阻层的顶、底部重合， 很好的反映高阻层的位置和厚度信息，说明地井瞬变电磁垂直电场分 量对高阻目标具有很好的分辨能力。
类似的特征出现在Ey分量扩散剖面，不同的是这种指示特征只 在一定时间以后，而且只出现在有限的测点内，相对源来说轴向观测 满足的情况下。当在钻孔中进行电场观测时，应该尽量选择垂向电场 进行观测，未在巷道中观测时，考虑源轴向的电场分量和垂向电场分 量。
本发明还提供一种多线源地井瞬变电磁探测装置，包括：
构建模块，用于构建多线源地井瞬变电磁正演模型
分析模块，用于通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目 标层的多线源地井瞬变电磁响应；
识别模块，用于根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实 现对地下目标层的识别。
本发明的有益效果：
为了解决地井瞬变电磁方法在高阻目标探测方面的不足，本发明 提出基于地面多组发射源的地井瞬变电磁探测方法。分析多线源地井 瞬变电磁电场各分量的分布特征、对电性结构的分辨能力，提出利用 纯横磁场的垂向电场分量和部分区域的水平电场实现对地下高阻目 标信息的更精细识别，进一步提升地井瞬变电磁方法对高阻目标的探 测能力。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不 脱离本发明的精神和范围。应注意到的是，以上所述仅为本发明的具 体实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的 调制和优化，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种多线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、构建多线源地井瞬变电磁正演模型
步骤2、通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目标层的多线源地井瞬变电磁响应；
步骤3、根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实现对地下目标层的识别。
2.如权利要求1所述的多线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，步骤1具体为：
层状大地表面激发、井中接收时，x-方向单一接地导线源激发产生的电磁场分量为：
Figure FDA0002976193210000011
Figure FDA0002976193210000012
Figure FDA0002976193210000013
Figure FDA0002976193210000014
Figure FDA0002976193210000015
Figure FDA0002976193210000016
其中，J1(λr)和J0(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数，λ表示水平波数，ri这里表示测点在不同线源所属坐标系中的收发距；hj表示第j层的厚度；
Figure FDA0002976193210000021
表示第j层的阻抗，
Figure FDA0002976193210000022
表示第j层的导纳，z表示接收点的高度；
Figure FDA0002976193210000023
表示电场分量入射平面时电磁波的反射系数，
Figure FDA0002976193210000024
表示垂直磁场入射平面时电磁波的反射系数，
Figure FDA0002976193210000025
自由空间的本征导纳，
Figure FDA0002976193210000026
表示地表导纳，
Figure FDA0002976193210000027
自由空间的本征阻抗，
Figure FDA0002976193210000028
表示地表阻抗，
Figure FDA0002976193210000029
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；
对于多线源源地井瞬变电磁场，z取正值，在地面观测z等于0，而在空中观测时z为负值，响应的求解通过对各条线源响应进行叠加计算得到的。EX，EY，EZ，HX，HY，HZ分别表示x,y,z三个方向的电场分量和磁场分量。
3.如权利要求1所述的多线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，步骤2中通过以下参数设计得到地下目标层的多线源地井瞬变电磁响应：设置8条线源，相邻线源的夹角为45度，每条线源长度设为500米，发射电流10A，接收点的深度分别为100、200、300、400和500米。
4.如权利要求2所述的多线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，步骤1中，以各条线源为x轴、各条线源的中点作为源点建立坐标系，
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，
(a)坐标系X1OY1平移到X'O'Y'，坐标
x'＝x1+a
y'＝y1+b
其中，a＝L-L cosθi,b＝L sinθi。
(b)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磁场各分量通过叠加得到。
5.如权利要求1所述的多线源地井瞬变电磁探测方法，其特征在于，步骤3中，通过分析在地下目标层的响应扩散性质来判断对地下高阻层的分辨和识别能力。
6.一种多线源地井瞬变电磁探测装置，其特征在于，包括：
构建模块，用于构建多线源地井瞬变电磁正演模型
分析模块，用于通过多线源地井瞬变电磁正演模型，得到地下目标层的多线源地井瞬变电磁响应；
识别模块，用于根据多线源地井瞬变电磁响应的电磁扩散特征实现对地下目标层的识别。
7.如权利要求1所述的一种多线源地井瞬变电磁探测装置，其特征在于，构建模块具体过程为：
层状大地表面激发、井中接收时，x-方向单一接地导线源激发产生的电磁场分量为：
Figure FDA0002976193210000031
Figure FDA0002976193210000041
Figure FDA0002976193210000042
Figure FDA0002976193210000043
Figure FDA0002976193210000044
Figure FDA0002976193210000045
其中，J1(λr)和J0(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数，λ表示水平波数，ri这里表示测点在不同线源所属坐标系中的收发距；hj表示第j层的厚度；
Figure FDA0002976193210000046
表示第j层的阻抗，
Figure FDA0002976193210000047
表示第j层的导纳，z表示接收点的高度；
Figure FDA0002976193210000048
表示电场分量入射平面时电磁波的反射系数，
Figure FDA0002976193210000049
表示垂直磁场入射平面时电磁波的反射系数，
Figure FDA00029761932100000410
自由空间的本征导纳，
Figure FDA00029761932100000411
表示地表导纳，
Figure FDA00029761932100000412
自由空间的本征阻抗，
Figure FDA00029761932100000413
表示地表阻抗，
Figure FDA00029761932100000414
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；
对于多线源源地井瞬变电磁场，z取正值，在地面观测z等于0，而在空中观测时z为负值，响应的求解通过对各条线源响应进行叠加计算得到的。EX，EY，EZ，HX，HY，HZ分别表示x,y,z三个方向的电场分量和磁场分量。
8.如权利要求1所述的多线源地井瞬变电磁探测装置，其特征在于，所述分析模块通过以下参数设计得到地下目标层的多线源地井瞬变电磁响应：设置8条线源，相邻线源的夹角为45度，每条线源长度设为500米，发射电流10A，接收点的深度分别为100、200、300、400和500米。
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