CN113238285A

CN113238285A - 用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法及系统、终端

Info

Publication number: CN113238285A
Application number: CN202110497463.3A
Authority: CN
Inventors: 李静和; 王洪华; 张智
Original assignee: Guilin University of Technology
Current assignee: Guilin University of Technology
Priority date: 2021-05-08
Filing date: 2021-05-08
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2041-05-08
Also published as: CN113238285B

Abstract

本发明属于工程、水文及环境地球物理勘探技术领域，公开了一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法、系统、终端，用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括：明确充电法勘探工区；充电法勘探总电位获取；背景介质总电位模拟及电阻率测定；有损耗介质充电法勘探电阻率计算。本发明解决了地球物理勘探领域有损耗介质充电法勘探电阻率计算方法缺乏有效计算方法的难题，算法结构简单，实现过程简便，设计合理，计算结果稳定可靠，可广泛应用于工程、水文及环境地球物理勘探领域涉及的复杂有损耗介质充电法勘探电阻率计算，为基于复杂有损耗介质电源的工程、水文及环境地球物理勘探数值模拟、反演及解释等提供了方法支撑。

Description

用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法及系统、终端

技术领域

本发明属于工程、水文及环境地球物理勘探技术领域，尤其涉及一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法、系统、终端。

背景技术

目前，充电法是利用天然的或者人工揭露的良导体露头、地下水出露点，直接接上供电电极(一般为正极)，同时将另外一个供电电极置于满足“无穷远”要求的位置，通过两个测量电极观测充电电场变化及分布规律，推测良导体的物性及空间分布。由于充电介质范围与观测电位异常范围形状较为相似，通常可以根据观测电位异常推断实际充电介质范围，常应用于金属勘探详查和勘探阶段、水文地质工程地质调查中地下流体追索等勘探领域。然而，传统充电法原理基于稳定电流场中理想导体(电阻率为零)的等位体前提，如金属矿体或高矿化度地下水，相对周围岩石电阻率很低，可近似看成是理想导体，通常也将非理想导体(不等位体或有损耗介质)近似为理想导体。但实际应用中充电介质的电阻率通常不为零，即实际应用均涉及有损耗介质目标体，而目前尚缺乏一种有效用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算的方法。

在实践勘探应用中，若充电体的规模较小或其中心埋深较大时，其充电电场与位于中心的点电源电场较为相近，因而可以使用点电源场电位曲线分布进行中心埋深推断。当充电体规模较大或者其中心埋深较浅，地表观测的充电电场畸变将明显不同于地下点电源电场分布。通常，针对上述情况，传统方法是根据电位曲线的极大值与充电点在地面投影位置不重合关系，判断为非理想导体(不等位体)。而针对不等位体的范围推断，则是建议不同充电点位置供电，配合其他物探方法综合判断不等位体的范围。而电阻率参数是电法勘探中极为重要、应用广泛的物探参数，其可有效避免由于供电电流衰减、观测极距变化及观测电位精度低等因素影响，对地下低阻体的指示功能较为有效。目前，尚未发现发表相关用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算方法及应用情况。因而，发展用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，为实际勘探应用提供用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算理论支撑，具有非常重要的现实意义。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：实际应用中充电介质的电阻率通常不为零，即实际应用均涉及有损耗介质目标体，而目前尚缺乏一种有效用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算的方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法、系统、终端，尤其涉及一种用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算方法及系统，旨在弥补地球物理勘探领域有损耗介质充电法勘探电阻率计算方法的技术空白。

本发明是这样实现的，一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括：

针对任意形状三维有损耗介质区域，采用充电法进行地球物理勘探观测总电位，或在数值模拟过程中，采用数值模拟方法计算充电法勘探的总电位数值；将勘探过程中涉及的背景介质或均匀、层状或复杂层状介质作为计算区域，采用数值模拟合成仅考虑背景介质或无异常体时总电位数据；通过已知地质信息及钻孔岩芯实验室测定确定背景介质电阻率分布；求解三维有损耗介质区域地球物理充电法勘探的电阻率分布。

进一步，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括以下步骤：

步骤一，明确充电法勘探工区；

步骤二，充电法勘探总电位获取：根据充电法勘探区域、观测方式或模拟计算方法获取；

步骤三，背景介质总电位模拟及电阻率测定：采用数值模拟获取背景介质总电位以及实验室岩芯测定背景介质电阻率；

步骤四，有损耗介质充电法勘探电阻率计算。

进一步，步骤二中，所述充电法勘探总电位获取，包括：

开展地球物理充电法勘探，充电点布置为将电流正极与导体露头紧密接触、负极应垂直导体走向布置，长度应为观测区域对角线长度的2-10倍，保证负极在观测点位产生的相对电位差极小，相对正极位置的电位差可忽略不计。观测电极的布置可使用电位法，即电极N固定不动，布置于某个离异常区域较远处，作为零电位观测点；M极顺着测线上测点位置逐点观测，观测M电极相对N电极的电位差作为M点的总电位；若采用电位梯度法，则保持MN距离等于测点设计点距不变，逐点观测并移动下一点，观测MN电极之间的电位差，作为MN 电极中点的总电位数据。

若作为数值模拟分析用途，则开展数值模拟计算过程；采用已有的数值模拟算法，设置计算区域范围及背景介质和异常体模型同时存在的模型参数，按照上述电位法、电位梯度法计算相应测点的总电位数据。

进一步，步骤三中，所述背景介质总电位获取，包括：

背景介质充电法勘探总电位由数值模拟计算获取；按照步骤一的地球物理充电法勘探观测系统方式，引入已有数值模拟算法，设置仅仅考虑背景介质模型参数；若工区背景介质较为均匀分布，则视为均匀半空间背景介质，其仅需明确一个背景介质电阻率数值；若为明显多层介质分布，则视为层状背景介质，按层数明确多个背景介质电阻率数值；若为复杂非平缓层状介质分布，则视为复杂层状介质分布，按地质揭露信息构建三维复杂层状介质分布，此情况对应的是三维空间的背景介质电阻率分布。进行背景介质总电位数值模拟，获取步骤一所需观测测点位置相应的背景介质总电位数据。

进一步，步骤三中，所述背景介质电阻率获取，包括：

背景介质总电位数值模拟中所需明确的背景介质电阻率值，由地质、地化及钻探勘探提供的基础已知资料及信息进行综合明确；均匀半空间背景介质电阻率由勘探区域多个均匀分布的钻孔岩芯采集，在通过实验室利用电阻率测定仪器进行测定明确；层状背景介质则由地质勘探揭露、钻孔岩芯测定进行明确。

进一步，步骤四中，所述充电法勘探电阻率计算，包括：

根据步骤一及步骤二所获取或者计算得到的有损耗介质地球物理充电法总电位观测或数值模拟计算数据、背景介质总电位数值模拟求解计算数据、背景介质电阻率测定数据，按以下公式计算各地面观测测点充电法勘探电阻率：

其中，ρ'_s为第s个观测点对应的充电法勘探电阻率值，u_s为第s个观测点充电法勘探测量或者数值模拟计算获取的包含充电异常体及背景介质共同产生的总电位，u”_s为第s个观测点充电法勘探系统下数值模拟计算获取的仅仅包括背景介质所产生的总电位，ρ_so为步骤二对应观测测点处背景介质的电阻率，若为均匀半空间背景介质，则为一个常数，若为层状背景介质，则根据层状介质分布依次明确。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统包括：

勘探工区明确模块，用于明确充电法勘探工区；

总电位获取模块，用于根据充电法勘探区域、观测方式或模拟计算方法获取充电法勘探总电位；

背景介质信息获取模块，用于采用数值模拟获取背景介质总电位以及实验室岩芯测定背景介质电阻率；

电阻率计算模块，用于进行有损耗介质充电法勘探电阻率计算。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明提供的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，包括有损耗介质地球物理充电法总电位观测(或数值模拟计算)、背景介质总电位数值模拟求解计算、背景介质电阻率测定及有损耗介质充电法勘探电阻率计算过程。针对任意形状三维有损耗介质区域，采用充电法进行地球物理勘探观测总电位，或在数值模拟过程中，采用数值模拟方法计算充电法勘探的总电位数值；将勘探过程中涉及的背景介质(均匀、层状或复杂层状介质)作为计算区域，采用数值模拟合成仅考虑背景介质(无异常体)时总电位数据；通过已知地质信息及钻孔岩芯实验室测定确定背景介质电阻率分布；求解三维有损耗介质区域地球物理充电法勘探的电阻率分布。

与现有技术空白而言，提供地球物理勘探领域有损耗介质充电法勘探电阻率计算方法是本专利发明点之一，它为涉及复杂有损耗介质地球物理充电法勘探领域提供了一种有效的电阻率计算方法。

本发明是一个新型电阻率计算算法，根据步骤一所观测的有损耗介质地球物理充电法总电位观测(或数值模拟计算)数据，步骤二采用数值模拟计算背景介质总电位及实验室电阻率测定背景介质电阻率数据，实现了地球物理勘探领域有损耗介质充电法勘探电阻率计算方法在可行性及精度上的统一。

本发明解决了传统有损耗介质地球物理充电法勘探缺乏电阻率计算方法的难题，算法结构简单，实现过程简便，设计合理，计算结果稳定可靠，可广泛应用于工程、水文及环境地球物理勘探领域涉及的有损耗介质地球物理充电法勘探电阻率计算，为基于复杂有损耗介质电源的工程、水文及环境地球物理勘探数值模拟、反演及解释等提供了方法支撑。

将本发明提供的用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算方法用于设计的(图2，背景介质电阻率为10欧姆米，异常体电阻率为0.67欧姆米) 模型计算结果(图3)。参照图4所示为本发明算例针对实测工区充电法勘探电阻率(背景介质电阻率为3000欧姆米，异常体电阻率为1000欧姆米)与钻孔揭示异常体空间位置对比图。对比可见，从形态上看，本发明计算结果与已知模型设计的范围及电阻率数值结果吻合较好，特别在模型边界方面对应较好。实测结果对比更是较好的揭示了矿体的电阻率数值及空间范围，与钻孔数据较为一致。以上两种数据验证了本发明实施算例的准确性及可行性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法原理图。

图2(a)-图2(c)是本发明实施例提供的算例设计模型三维示意图；

图3(a)-图3(b)是本发明实施例提供的算例设计模型电阻率计算结果示意图；

图4(a)-图4(b)是本发明实施例提供的算例实际勘探电阻率计算结果示意图；

图中符合单位说明：cm表示厘米，m表述米，Ohm.m表示电阻率单位：欧姆.米。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括：针对任意形状三维有损耗介质区域，采用充电法进行地球物理勘探观测总电位，或在数值模拟过程中，采用数值模拟方法计算充电法勘探的总电位数值；将勘探过程中涉及的背景介质或均匀、层状或复杂层状介质作为计算区域，采用数值模拟合成仅考虑背景介质或无异常体时总电位数据；通过已知地质信息及钻孔岩芯实验室测定确定背景介质电阻率分布；求解三维有损耗介质区域地球物理充电法勘探的电阻率分布。

本发明实施例提供的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法原理图如图1所示。

本发明实施例提供的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统包括：

勘探工区明确模块，用于明确充电法勘探工区；

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

实施例

因尚未发现与本发明相关问题的解析解、其他数值模拟方法发表，为验证本发明的正确性及可行性，本发明具体实施算例引入已有水平长方体石墨模型的水槽物理模拟实验结果、实际充电法勘探电阻率结果。因目前无其他现有充电法勘探电阻率计算方法进行对比验证，本发明采用计算电阻率的数值及范围对应设计模型及实测钻孔验证的模型空间分布对比，验证本发明方法技术的可行性及有效性。

参照图1所示，本发明是通过如下技术方案予以实现的一种针对任意形状有损耗介质充电电位数值模拟方法。其步骤为：

步骤一：充电法勘探总电位获取

开展地球物理充电法勘探，充电点布置为将电流正极与导体露头紧密接触、负极应垂直导体走向布置，长度应为观测区域对角线长度的2-10倍，保证负极在观测点位产生的相对电位差极小，相对正极位置的电位差可忽略不计。参照图2(a)-图2(c)是本发明实施例提供的算例设计模型三维示意图所示，采用电位梯度法，则保持MN距离等于测点设计点距不变，逐点观测并移动下一点，观测MN电极之间的电位差，作为MN电极中点的总电位数据。

若作为数值模拟分析用途，则开展数值模拟计算过程。采用已有的数值模拟算法，设置计算区域范围及背景介质和异常体模型同时存在的模型参数，按照上述电位法、电位梯度法计算相应测点的总电位数据。

步骤二：背景介质总电位获取及背景介质电阻率获取

背景介质充电法勘探总电位由数值模拟计算获取。实际勘探中，地下介质分布较为复杂，仅仅考虑背景介质、而不考虑异常体的工区是不存在的，因而需要使用数值模拟计算方法获取仅仅考虑背景介质存在的情况下总电位分布。按照步骤一的地球物理充电法勘探观测系统方式，引入已有数值模拟算法，设置仅仅考虑背景介质模型参数。若工区背景介质较为均匀分布，则视为均匀半空间背景介质，其仅需明确一个背景介质电阻率数值；若为明显多层介质分布，则视为层状背景介质，按层数明确多个背景介质电阻率数值；若为复杂非平缓层状介质分布，则视为复杂层状介质分布，按地质揭露信息构建三维复杂层状介质分布，此情况对应的是三维空间的背景介质电阻率分布。进行背景介质总电位数值模拟，获取步骤一所需观测测点位置相应的背景介质总电位数据。

而上述背景介质总电位数值模拟中所需明确的背景介质电阻率值，通常由地质、地化及钻探勘探提供的基础已知资料及信息进行综合明确。如均匀半空间背景介质电阻率由勘探区域多个均匀分布的钻孔岩芯采集，在通过实验室利用电阻率测定仪器进行测定明确。层状背景介质则由地质勘探揭露、钻孔岩芯测定进行明确。由于背景区域通常视为全区介质分布，因而电阻率变化通常不大，因而上述方法在地球物理勘探领域应用广泛。

步骤三：充电法勘探电阻率计算

根据步骤一及步骤二所获取或者计算得到的有损耗介质地球物理充电法总电位观测(或数值模拟计算)数据、背景介质总电位数值模拟求解计算数据、背景介质电阻率测定数据，按公式(1)计算各地面观测测点充电法勘探电阻率：

下面结合实验数据对本发明的积极效果作进一步描述。

将本发明提供的用于有损耗介质地球物理充电法勘探的电阻率计算方法用于设计的(图2，背景介质电阻率为10欧姆米，异常体电阻率为0.67欧姆米) 模型计算结果(图3(a)-图3(b)是本发明实施例提供的算例设计模型电阻率计算结果示意图)。

如图4(a)-图4(b)是本发明实施例提供的算例实际勘探电阻率计算结果图所示，本发明算例针对实测工区充电法勘探电阻率(背景介质电阻率为3000欧姆米，异常体电阻率为1000欧姆米)与钻孔揭示异常体空间位置对比图。对比可见，从形态上看，本发明计算结果与已知模型设计的范围及电阻率数值结果吻合较好，特别在模型边界方面对应较好。实测结果对比更是较好的揭示了矿体的电阻率数值及空间范围，与钻孔数据较为一致。以上两种数据验证了本发明实施算例的准确性及可行性。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括：

对于任意形状三维有损耗介质区域，采用充电法进行地球物理勘探观测总电位，或在数值模拟过程中，采用数值模拟方法计算充电法勘探的总电位数值；

将勘探过程中涉及的背景介质或均匀、层状或复杂层状介质作为计算区域，采用数值模拟合成分析背景介质或无异常体时总电位数据；

通过已知地质信息及钻孔岩芯实验数据测定确定背景介质电阻率分布；

求解三维有损耗介质区域地球物理充电法勘探的电阻率分布。

2.如权利要求1所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法包括以下步骤：

步骤一，确定充电法勘探工区；

步骤四，有损耗介质充电法勘探电阻率计算。

3.如权利要求2所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，步骤二中，所述充电法勘探总电位获取，包括：

进行地球物理充电法勘探，充电点布置为将电流正极与导体露头紧密接触、负极应垂直导体走向布置，长度应为观测区域对角线长度的2-10倍，保证负极在观测点位产生的相对电位差极小，相对正极位置的电位差可忽略不计；观测电极的布置可使用电位法，即电极N固定不动，布置于某个离异常区域较远处，作为零电位观测点；M极顺着测线上测点位置逐点观测，观测M电极相对N电极的电位差作为M点的总电位；若采用电位梯度法，则保持MN距离等于测点设计点距不变，逐点观测并移动下一点，观测MN电极之间的电位差，作为MN电极中点的总电位数据；

4.如权利要求2所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，步骤三中，所述背景介质总电位获取，包括：

背景介质充电法勘探总电位由数值模拟计算获取；按照步骤一的地球物理充电法勘探观测系统方式，引入已有数值模拟算法，设置仅仅考虑背景介质模型参数；若工区背景介质较为均匀分布，则视为均匀半空间背景介质，其仅需明确一个背景介质电阻率数值；若为明显多层介质分布，则视为层状背景介质，按层数明确多个背景介质电阻率数值；若为复杂非平缓层状介质分布，则视为复杂层状介质分布，按地质揭露信息构建三维复杂层状介质分布，此情况对应的是三维空间的背景介质电阻率分布；进行背景介质总电位数值模拟，获取步骤一所需观测测点位置相应的背景介质总电位数据。

5.如权利要求2所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，步骤三中，所述背景介质电阻率获取，包括：

6.如权利要求2所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法，其特征在于，步骤四中，所述充电法勘探电阻率计算，包括：

其中，ρ′_s为第s个观测点对应的充电法勘探电阻率值，u_s为第s个观测点充电法勘探测量或者数值模拟计算获取的包含充电异常体及背景介质共同产生的总电位，u″_s为第s个观测点充电法勘探系统下数值模拟计算获取的仅仅包括背景介质所产生的总电位，ρ_so为步骤二对应观测测点处背景介质的电阻率，若为均匀半空间背景介质，则为一个常数，若为层状背景介质，则根据层状介质分布依次明确。

7.一种应用如权利要求1～6任意一项所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算方法的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统，其特征在于，所述用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统包括：

勘探工区明确模块，用于明确充电法勘探工区；

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于搭载权利要求7所述的用于地球物理充电法勘探的电阻率计算系统。