CN107203007B - 一种类十字接地导线源瞬变电磁探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，属于瞬变电磁探测方法技术领域。为了更好地挖掘接地导线源瞬变电磁场各分量包含的地电信息，进一步提高接地导线源瞬变电磁法的探测精度和对2D、3D结构的探测能力，本专利提出了一种十字或类十字接地导线源瞬变电磁探测方法。在常规的直线导线源的基础上增加垂向或者交叉方向的发射源，本发明方法的响应整体上大于常规源，特别是对于x方向的水平磁场和y‑方向水平电场，场强幅度增大数个数量级，解决以往常规源无法有效观测这些分量的问题。同时，对于高阻和低阻异常的分辨能力没有减弱。

Description

一种类十字接地导线源瞬变电磁探测方法

技术领域

本发明具体涉及一种类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，属于瞬变电磁探测方法技术领域。

背景技术

电性源瞬变电磁法作为瞬变电磁法的一个重要分支，在中深部金属矿、油气资源及地热勘探中发挥了重要作用。按照收发距与目标体探测深度的比值，主要发展了长偏移距瞬变电磁法(LOTEM)和电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)。

在发展的早期，电性源瞬变电磁法沿用了频率域人工源电磁法，如可控源音频大地电磁法(CSAMT)的观测方式，在大于探测目标深度3-6倍的偏移距进行观测，称为长偏移距瞬变电磁法(Long-offset TEM,LOTEM)。在LOTEM中，将接地导线源看作电偶极源。油气资源赋存区地层条件比较符合1D层状结构，因此，LOTEM多用于大深度的油气资源探测中。与CSAMT类似，理论上所有测点位于远区，保证响应中主要成分来自地面波，观测点的响应主要来自测点下方，但在实际观测中，测点很难满足远区的观测条件，多处于中远区或者过渡区，测点响应中往往包含收发之间地质体的信息。

SOTEM在更小的收发距进行探测，同一测点不同时刻的响应包含的地层波和地面波的成分差别较大，响应既包括测点下方的地质信息，也包括了收发之间地质体的信息，而这种地质体往往是2D或者3D的。

传统的单一接地导线源瞬变电磁探测方式存在三个方面的主要问题：1)由于单一接地导线供电，地下形成的电流体系是单一方向的，只适合探测一维电性结构；2)在一定的范围内，响应场强较弱或者是零值区和电性非敏感区，影响了电性源瞬变电磁法观测分量的选择和观测范围；3)当接地导线的方向与地下低阻层走向一致时，注入的电流被低阻层吸收，影响探测效果。

发明内容

因此，为了更好地解决上述问题，充分挖掘电性源瞬变电磁不同方向观测分量所包含的地电信息，本发明提出了一种十字或者类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，发射系统包含交叉发射源和多个接地电极，在观测系统中，同时观测三个磁场和两个电场分量，代替传统的仅观测水平电场和垂直磁场两分量的观测装置。

具体的，所述方法包括：

布设类十字接地导线源，具体为在直线导线源的基础上增加垂向或者交叉方向的发射源，进行数据采集，计算三个磁场分量和两个电场分量。

本发明的有益效果在于：本发明提出的类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，代替传统的仅观测水平电场和垂直磁场两分量的观测方法。本发明方法的响应整体上大于常规源，特别是对于x方向的水平磁场和y-方向水平电场，场强幅度增大数个数量级，解决以往常规源无法有效观测这些分量的问题。同时，对于高阻和低阻异常的分辨能力没有减弱。

附图说明

图1是本发明类十字接地导线源的布置图；

图2a、图2b分别是传统发射源产生的x-方向磁场和y-方向电场示意图；

图3是十字发射源系统的电流方向示意图；

图4a、图4b分别是常规源和十字源的x-方向水平电场分布特征(1e-3s)示意图；

图5a、图5b分别是常规源和十字源的y-方向水平电场分布特征(1e-3s)示意图；

图6a、图6b分别是常规源和十字源的x-方向水平磁场分布特征(1e-3s)示意图；

图7a、图7b分别是常规源和十字源的y-方向水平磁场分布特征(1e-3s)示意图；

图8是传统源和新十字源电场分量在含低阻异常和没有异常时的相对误差示意图；

图9是传统源和新十字源磁场分量在含低阻异常和没有异常时的相对误差示意图；

图10是传统源和新十字源电场分量在含高阻异常和没有异常时的相对误差示意图；

图11是传统源和新十字源磁场分量在含高阻异常和没有异常时的相对误差示意图；

图12a、图12b分别是新十字源和传统源y-方向水平电场的衰减曲线示意图；

图13a、图13b分别是新十字源和传统源x-方向水平电场的衰减曲线示意图；

图14a、图14b分别是新十字源和传统源x-方向水平磁场的衰减曲线示意图；

图15a、图15b分别是新十字源和传统源y-方向水平磁场的衰减曲线示意图；

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：

本实施例中，提出了一种十字或类十字接地导线源瞬变电磁探测方法。在常规的直线导线源的基础上增加垂向或者交叉方向的发射源，首先对十字接地导线源的响应进行正演计算分析，并与常规发射源的响应分布进行对比分析；其次，对新发射源各分量的分辨能力进行计算，与常规观测分量的分辨能力进行对比；最后，在典型矿区进行野外测试，论证新探测方法的可行性。

图1为本发明类十字接地导线源的布置图，图中包括发射机1、发射线2、接地电极3。

响应表达式推导

对于常规的单一方向的发射线源，在层状大地表面发射和接收的X-方向长接地导线源的瞬变电磁场的表达式为

式中，ds为偶极子长度；(x,y,z)为接收点坐标；r为接收点到偶极子的距离；r_TM和r_TE分别为TM和TE模式下的反射系数；J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶、零阶贝塞尔函数。

取x-方向源长度为100m，发射电流10A，计算的地电模型为

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

x-方向产生的磁场和y-方向电场的分布如图2a、图2b所示，

这两个方向的水平电场和磁场分布极不均匀，而且场强较弱，不利于数据的采集和观测，这也是野外观测以x-方向电场和垂直磁场为主的主要原因之一。

对于十字或类十字源的电磁场，响应可以看作是各发射线源的组合，取如图3所示的发射电流方向，以源之间的测点(x,y)为例，经过坐标系转换，(x,y)在i₂源坐标系中的坐标为(x₂,y₂)。在测点产生的各方向电磁场表达式为

式中，φ是两个源电流i₁和i₂之间的夹角，J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶和零阶第一类贝塞尔函数；z表示接收点的埋深，地表观测时为零；

在实际应用中，我们可以根据不同分量的响应特征，选择不同的发射组合。

响应分布特征分析

以取x-方向源长度为100m，发射电流10A，计算的地电模型为

ρ₁＝100Ωm,ρ₂＝10Ωm,ρ₃＝50Ωm，h₁＝300m；h₂＝20m

分别采用公式(1)-(5)和(6)-(10)计算常规源和十字源的电磁场响应，计算结果如图4a、4b、5a、5b、6a、6b、7a、7b所示。

通过对比发现新源的响应整体上大于常规源，特别是对于x方向的水平磁场和y-方向水平电场，场强幅度增大数个数量级，解决以往常规源无法有效观测这些分量的问题。

分辨能力

通过计算不同地电模型响应之间的相对误差分析新源各分量的分辨能力。相对误差的计算公式为

其中，F_a表示包含异常体的响应，F代表无异常体的响应。

K，H分别代表含高阻和低阻的模型，模型参数为

H：ρ₁＝100Ωm,ρ₂＝10Ωm,ρ₃＝50Ωm，h₁＝100m；h₂＝10m

K:ρ₁＝100Ωm,ρ₂＝1000Ωm,ρ₃＝50Ωm，h₁＝100m；h₂＝10m

D:ρ₁＝100Ωm,ρ₂＝50Ωm，h₁＝100m

以点(80，200)为例对分辨能力进行分析，

图8给出了传统源和新十字源电场分量在含低阻异常和没有异常时的相对误差。如图8所示，传统源的y-方向分量的相对误差更大，但即使在早期没有遇到分界面时，也会存在比较大的相对误差，影响了对低阻异常埋深的判断。而新源的y-方向的电场分量与X-方向的电场分量类似，在低阻异常埋深对应的时刻出现明显高于其他时刻的相对误差，对低阻体有较好的分辨能力。

图9给出了传统源和新十字源磁场分量在含低阻异常和没有异常时的相对误差。如图9所示，新源的磁场分量与传统源的磁场分量类似，在低阻异常埋深对应的时刻出现明显高于其他时刻的相对误差，对低阻体有较好的分辨能力。

图10给出了传统源和新十字源电场分量在含高阻异常和没有异常时的相对误差。如图10所示，传统源的y-方向分量的相对误差更大，但即使在早期没有遇到分界面时，也会存在比较大的相对误差，影响了对高阻异常埋深的判断。而新源的y-方向的电场分量与X-方向的电场分量类似，在高阻异常埋深对应的时刻出现明显高于其他时刻的相对误差，对高阻体有较好的分辨能力。

图11给出了传统源和新十字源磁场分量在含高阻异常和没有异常时的相对误差。如图11所示，新源的磁场分量与传统源的磁场分量类似，在高阻异常埋深对应的时刻出现明显高于其他时刻的相对误差，新源的磁场分量对高阻体的分辨能力没有减弱。

总体上，新源的响应幅值更大，特别是对于(x-方向的发射源)X-方向的水平磁场和y-方向的水平电场，这种场强增大多个数量级，同时，对于高阻和低阻异常的分辨能力没有减弱。

应用实例

勘探区位于山西省大同市某矿区，矿区主要含煤地层为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组和侏罗系中统大同组，是华北双系煤田的典型代表。大同煤田基本构造形态为一向斜构造，区域构造位置地处鄂尔多斯稳定变形区和东部伸展变形区之间区域，煤系变形以挤压-伸展过渡性为特征。该煤矿表层为第四纪黄土覆盖，沟壑纵横、地形复杂。煤炭开采带来一系列的采空问题。

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N300+E300m，发射电流10A，发射基频25Hz和8.33HZ，发射功率30Kw，以两个交叉源的中心为坐标原点，在(300，200)测点分别观测常规单一发射源和交叉源的响应。

图12a、图12b和图13a、图13b分别给出了新十字源和传统源水平电场的衰减曲线，通过对比发现，两种源的y-方向水平电场存在明显差异，新源的响应场强更大，而且不存在反号现象。x-方向水平电场差别较小。

图14a、图14b和图15a、图15b分别给出了新十字源和传统源水平磁场的衰减曲线，通过对比发现，两种源的x-方向水平磁场存在明显差异，新源的响应场强更大。y-方向水平磁场差别较小。

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 (3)

1.一种类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述方法包括：

布设类十字接地导线源，具体为在直线导线源的基础上增加交叉方向的发射源，进行数据采集，计算三个磁场分量和两个电场分量；

具体计算方法为：

经过坐标系转换，直线导线源的点(x,y)在交叉方向的发射源坐标系中的坐标为(x₂,y₂)；在测点产生的各方向电磁场表达式为

式中，φ是两个源电流i₁和i₂之间的夹角， 表示在两个坐标系中测点的收发距，ds表示源长度,J₁(λr)和J₀(λr)分别为一阶和零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；表示电场分量入射平面时电磁波的反射系数，表示垂直磁场入射平面时电磁波的反射系数，自由空间的本征导纳，表示地表导纳，自由空间的本征阻抗，表示地表阻抗,地表阻抗和地表导纳通过最底层递推得到，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。

2.如权利要求1所述的类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，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所述的类十字接地导线源瞬变电磁探测方法，其特征在于，所述方法中发射源长度为N300+E300m，发射电流10A，发射基频25Hz和8.33HZ，发射功率30Kw。