CN103323883A - 一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，通过给闭合线圈提供固定频率的交变电流形成磁偶极子，以形成的磁偶极子作为场源；采用磁偶极子场源作为发射线圈，磁场测量传感器作为接收线圈，通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，最后利用反演法实现电阻率测深，即求得地下不同深度处介质的电阻率；本发明便于在地形复杂的工区开展工作，可同时用多个接收线圈接收信号，提高了工作效率；且计算磁场垂直分量的几何因数仅与收发距和层厚度有关，而与发射信号的频率无关，计算公式简便，测深视电阻率计算精度高。

Description

一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探方法中的电测深勘探技术，特别涉及一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法。

背景技术

电测深法在地球物理勘探中扮演着十分重要的角色，其在金属矿勘探、工程勘察和地质灾害评价等领域得到广泛应用。

常规的直流电阻率测深法以地下岩石的电性差异为物理基础，通过观测人工源产生的地下电场的分布规律来获取地下电性结构和解决实际地质问题。它的一个明显特点就是需要供电和测量（接收）电极接地，但是在沙漠、坝基、公路等接地困难的工区不便布置收发装置；并且常规直流电阻率测探法在供电电极之间和测量电极之间都需要布设导线，在地形复杂的工区，收放电线通常非常困难，大大降低了野外采集数据的效率，给野外工作带来了不便。另外，常规的直流电阻率测深法随着收发距的增大，勘探分辨率会呈线性下降。

发明内容

本发明提供了一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，其目的在于，克服现有技术中常规直流电阻率测探法在地形复杂工区，收放电线困难，操作不变，工作效率低下的问题。

一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，通过给闭合线圈提供固定频率的交变电流形成磁偶极子，并以所形成的磁偶极子作为场源；采用磁偶极子作为发射线圈，磁场测量传感器作为接收线圈，通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，最后利用反演法实现电阻率测深，即求得地下不同深度处介质的电阻率；

所述视电阻率是指均匀半空间模型的二次磁场垂直分量与水平层状介质模型的二次磁场垂直分量

之比 ${\mathrm{\ρ}}_z=\frac{H_Z^{s^{\′}}}{H_z^s};$

其中，水平层状介质模型是指将地面看成是水平无限大平面，且在地面以下的介质是水平层状分布，每一层中的介质都为各向同性介质，水平层状介质中二次磁场垂直分量为

Q_i表示水平层状介质模型中第i层介质的几何因数，

k_i为电磁波通过第i层介质的波数，σ_i为第i层介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩；

$Q_i=\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{ti}}^2+r^2}}-\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{bi}}^2+r^2}}$

其中，h_ti和h_bi分别为水平层状介质模型中第i层顶部和底部分别到地球表面的深度，r为发射线圈与接收线圈之间的距离；

所述

中，采用均匀半空间模型是指将地面看成是水平无限大平面，地面以下充满均匀且各向同性的导电介质，其二次磁场垂直分量为

其中，σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩，r为发射线圈与接收线圈之间的距离，

ρ为介质电阻率，ρ=1/σ；

假设均匀半空间中介质的电阻率ρ=1Ω·m，则：

$H_{z1}^s=\frac{M}{16\mathrm{\πr}}\mathrm{i\μ\ω}$

将层状介质的二次磁场垂直分量与均匀半空间的二次磁场垂直分量相除，有：

$\frac{H_z^s}{H_{z1}^s}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_i{Q}_i$

定义一个视电阻率ρ_z，使其满足下面这个等式：

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_z}=\frac{H_z^s}{H_{z1}^s}$

视电阻率的表达式为：

设定均匀半空间中的电阻率ρ=1。

该视电阻率与频率无关，而只与几何因数有关，即也就是只与收发距和各层的层厚度有关。

在场源形成以前根据现有技术中的地球物理方法，确定待测区域的测线。

所述闭合线圈提供的固定频率f满足如下条件：

其中ρ为所探测的介质的电阻率，h为所要探测的深度。

所述通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率具体是指：

固定发射线圈与接收线圈的连线中心点，改变发射线圈与接收线圈连线中心点之间的连线距离，获得对应的视电阻率；

通过改变发射线圈与接收线圈连线中心点之间的连线距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，在改变连续距离的同时连线的中点位置固定不变，其中，发射线圈与接收线圈之间的距离不超过近区范围；

所述近区是指电距离p<<1，p=r/δ，其中r为观察点到偶极源中心的距离，观察点即接收线圈的位置，偶极源中心即发射线圈的位置，δ为趋肤深度，

σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率。

有益效果

本发明提供了一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，该方法的场源是磁偶极子，接收装置是磁传感器，所以发射和接收系统都不需要接地，解决了常规直流电测深法需要电极接地和收发之间布设导线的问题，便于在地形复杂的工区开展工作，并且可同时用多个接收线圈接收信号，从而提高工作效率；由于该方法是测量大地感应的磁场，当地下介质发生变化时能较明显的引起二次场的变化，从而提高了测深纵向电性分辨率，有效克服了常规的直流电阻率测深法随着收发距的增大，勘探分辨率会呈线性下降的缺点；另外，计算磁场垂直分量的几何因数，仅与收发距和层厚度有关，而与发射信号的频率无关，其计算公式简便，测深视电阻率计算精度高。

附图说明

图1为近场磁偶源高密度几何电阻率测深收发装置示意图；

图2为水平层状介质地表上垂直磁偶极子模型图；

图3为近场磁偶源高密度几何电阻率测深场源发射信号示意图；

图4为二层介质G型视电阻率测深曲线图，其中ρ₁=500，ρ₂/ρ₁=20；

图5为二层介质D型视电阻率测深曲线图，其中ρ₁=5000，ρ₂/ρ₁=1/20。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，通过给闭合线圈提供固定频率的交变电流形成磁偶极子，以形成的磁偶极子作为场源；采用磁偶极子作为发射线圈，磁场测量传感器作为接收线圈，通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，最后利用反演法实现电阻率测深，即求得地下不同深度处介质的电阻率；所述视电阻率是指均匀半空间模型的二次磁场垂直分量

与水平层状介质模型的二次磁场垂直分量

之比

其中，水平层状介质模型是指将地面看成是水平无限大平面，且在地面以下的介质是水平层状分布，每一层中的介质都为各向同性介质；水平层状介质中二次磁场垂直分量为

Q_i表示水平层状介质模型中第i层介质的几何因数，

k_i为电磁波通过第i层介质的波数，σ_i为第i层介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩；

$Q_i=\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{ti}}^2+r^2}}-\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{bi}}^2+r^2}}$

h_ti和h_bi分别为水平层状介质模型中第i层顶部和底部分别到地球表面的深度，第i层的层厚度为H_i=h_bi-h_ti，r为发射线圈与接收线圈之间的距离；

均匀半空间模型是指将地面看成是水平无限大平面，地面以下充满均匀且各向同性的导电介质，其二次磁场垂直分量为

其中，σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩，r为发射线圈与接收线圈之间的距离，ρ为介质电阻率，ρ=1/σ；

假设均匀半空间中介质的电阻率ρ=1Ω·m，则：

$H_{z1}^s=\frac{M}{16\mathrm{\&pi;r}}\mathrm{i\&mu;\&omega;}$

层状介质的二次磁场垂直分量与均匀半空间的二次磁场垂直分量的比值为：

$\frac{H_z^s}{H_{z1}^s}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&sigma;}}_i{Q}_i$

定义一个视电阻率ρ_z，使其满足下面这个等式：

$\frac{1}{{\mathrm{\&rho;}}_z}=\frac{H_z^s}{H_{z1}^s}$

则视电阻率的表达式为：

该视电阻率与频率无关，而只与几何因数有关，即也就是只与收发距和各层的层厚度有关。

本实例中利用本发明进行近场磁偶源高密度的几何电阻率测深，具体步骤如下：

步骤1：根据现有技术中的地球物理方法，确定待测区域的测线；

首先，根据勘查任务的要求，如测区范围、勘查的深度等，在已知的地质和地球物理勘查信息的基础上，如测区的地层、地质构造信息，以前测区的物探勘查成果等，分析异常体可能的走向、倾向等信息，设计出一条或几条测线，使这些测线尽可能的垂直异常体走向，覆盖测区。

本实例中，采用两种二层层状模型作为待测区域，分别是G型二层层状介质模型（第二层介质的电阻率大于第一层介质的电阻率）和D型二层层状介质模型（第二层介质的电阻率小于第一层介质的电阻率）。

G型：工作频率使用20Hz不变，第一层介质的电阻率取为500Ω·m，第二层介质的电阻率取为10000Ω·m。第二层介质厚度取无穷大，第一层介质厚度分别取了5m、15m、25m、35m、45m、55m六个值。收发距取值范围从0～10000m。

D型：工作频率使用20Hz不变，第一层介质的电阻率取为5000Ω·m，第二层介质的电阻率取为250Ω·m。第二层介质厚度取无穷大，第一层介质厚度分别取了5m、15m、25m、35m、45m、55m六个值。收发距取值范围从0～1000m。

步骤2：设定发射线圈和接收线圈；

通过给闭合线圈提供固定频率的交变电流形成磁偶极子，以形成的磁偶极子作为场源；采用磁偶极子场源作为发射线圈，磁场测量传感器作为接收线圈；

场源布设中要保证测线上的所有测点都处在近区。

电磁场各分量的强度和观察点到磁偶极源中心的距离r和波数k的乘积有关，而波数k中又包含了介质电性和频率等参数，并且以趋肤深度δ的形式表现出来。显然kr=(1+i)r/δ，令p=r/δ，称为“电距离”或者“感应数”，它实质上是以趋肤深度δ为单位来表示的观察点到场源的距离。因此，我们可以借助参数p对距场源的远近、介质电性和频率作综合性的统一考虑，我们把

p<<1，即电距离“近”时的区域称为“近区”；

p>>1，即电距离“远”时的区域称为“远区”或“平面波场区”；

p≈1，即介于前两者之间的区域称为“过渡带”或“中间区”。

由于感应数p的“大”或“小”也就是场区的“远”或“近”，不但与观察点到场源的距离有关，而且与大地的电导率和使用的频率有关。

如图1所示，为近场磁偶源高密度的几何电阻率测深收发装置示意图，其中，T为发射线圈，R1、R2均为接收线圈。

如图2所示，为水平层状介质地表上垂直磁偶极子模型图，ρ1，ρ2，…，ρn分别指第一层、第二层、…，第N层的真实电阻率。；

固定发射线圈与接收线圈的连线中心点，改变发射线圈与接收线圈中心点之间的连线距离，获得对应的视电阻率；

通过改变发射线圈与接收线圈中心点之间的连线距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，其中，发射线圈与接收线圈之间的距离不超过近区范围；

如图3所示，为近场磁偶源高密度的几何电阻率测深场源发射信号示意图，其中，横坐标是指时间，纵坐标是指振幅；

向地下发射一系列频率固定的电磁波信号，其是通过给发射线圈供一频率固定的正弦交流电来产生的。频率的选择与具体勘查任务有关，须保证测线上测点都在近区，即满足r/δ≤0.5，其中r为收发距，收发距的选择与我们所要探测的深度有关，探测深度越大，收发距越大，具体关系为r=2h。δ为趋肤深度μ为介质的磁导率，大地中的磁导率接近真空中的磁导率，因此可取μ=μ₀=4π×10^-7H/m。由此可推得所选频率f应符合

其中ρ为所探测的介质的电阻率，h为所要探测的深度，由于该方法主要针对探测0～100米的浅层问题，所以该频率可选为10～20Hz。同时，要保证每个测点测量过程中，场源至少发射一个完整频率循环的信号。

从图4可观察出最大收发距的选择应不小于最大勘探深度的十倍。信号的获取是通过磁传感器来接收地下的二次磁场垂直分量。该信号反应的是收发距中点一定深度处的综合电性情况，该深度为所使用收发距长度的一半，即h=r/2。

获得二次磁场的垂直分量后，利用之前所述的定义视电阻率的方法，把测得的二次磁场垂直分量与数值计算出的均匀半空间二次磁场垂直分量作比值可求得视电阻率ρ_z。

步骤3需要获得测得的二次磁场垂直分量与数值计算出的均匀半空间二次磁场垂直分量作比值可求得视电阻率ρ_z，从图4和图5中可以看出，其反应的就是收发距与视电阻率之间的关系，横坐标为收发距，纵坐标为视电阻率。

步骤4：利用反演法实现电阻率测深，即求得地下不同深度处介质的电阻率。

根据求得的视电阻率以及定义的几何因数概念，采用常规电阻率测深法的反演方法，本实例中采用最优化反演方法，便能获得地下介质的电阻率和深度。

最优化反演的步骤如下：

（1）根据实测曲线的形态特征，结合当地地质及地球物理条件，首先确定水平断面的层数N，并给出2N-1个层参数初始值

称为初始层参数或初始模型参数。

（2）根据初始模型的参数，按正演计算的数学模型计算理论曲线。

（3）根据理论值和实际值计算拟合误差。

（4）判断拟合误差是否满足事先规定的精读要求。

（5）若拟合误差小于事先规定的精读，表明满足精读要求，则将该组层参数作为最终的解释结果，并停止运算。若拟合误差为满足要求，需要修正层数值，并重新返回到步骤（2）～（3），循环往复，直到满足精读要求为止。这时，理论曲线所对应的层参数便是解释结果。

绘制断面图等图件并加以解释分析：获取各个测点、各个深度的异常体电阻率信息后，可以绘制其断面图等图件，更加直观的反映地下介质的构造信息。并可根据绘制出的图件对地下地质情况进行解释。通过仿真实验分别作出了二层介质G型视电阻率测深曲线和D型视电阻率测深曲线，如图4和图5所示。该曲线能直观的展现出该发明方法能较好的反应出地下介质的电性情况。当收发距较小时，视电阻率趋向于第一层介质的真实电阻率，而当收发距增大时，视电阻率开始慢慢趋向于第二层介质的真实电阻率。并且，当第一层介质的层厚增加时，要反映出第二层介质电阻率所需的收发距也需增大。

Claims (4)

1.一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，其特征在于，通过给闭合线圈提供固定频率的交变电流形成磁偶极子，并以所形成的磁偶极子作为场源；采用磁偶极子作为发射线圈，磁场测量传感器作为接收线圈，通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，最后利用反演法实现电阻率测深，即求得地下不同深度处介质的电阻率；

所述视电阻率是指均匀半空间模型的二次磁场垂直分量

与水平层状介质模型的二次磁场垂直分量

之比 ${\mathrm{\&rho;}}_z=\frac{H_Z^{s^{\&prime;}}}{H_z^s};$

其中，水平层状介质模型是指将地面看成是水平无限大平面，且在地面以下的介质是水平层状分布，每一层中的介质都为各向同性介质，水平层状介质中二次磁场垂直分量为

Q_i表示水平层状介质模型中第i层介质的几何因数，k_i为电磁波通过第i层介质的波数，σ_i为第i层介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩；

$Q_i=\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{ti}}^2+r^2}}-\frac{r}{\sqrt{{4h}_{\mathrm{bi}}^2+r^2}}$

其中，h_ti和h_bi分别为水平层状介质模型中第i层顶部和底部分别到地球表面的深度，r为发射线圈与接收线圈之间的距离；

所述

中，采用均匀半空间模型是指将地面看成是水平无限大平面，地面以下充满均匀且各向同性的导电介质，其二次磁场垂直分量为

其中，σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率，M为发射线圈的磁矩，r为发射线圈与接收线圈之间的距离，

ρ为介质电阻率，ρ=1/σ；

视电阻率的表达式为：

设定均匀半空间中的电阻率ρ=1。

2.根据权利要求1所述的一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，其特征在于，在场源形成以前根据现有技术中的地球物理方法，确定待测区域的测线。

3.根据权利要求2所述的一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，其特征在于，所述闭合线圈提供的固定频率f满足如下条件：

其中ρ为所探测的介质的电阻率，h为所要探测的深度。

4.根据权利要求3所述的一种近场磁偶源高密度的几何电阻率测深法，其特征在于，所述通过改变发射线圈与接收线圈之间的距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率具体是指：

固定发射线圈与接收线圈的连线中心点，改变发射线圈与接收线圈连线中心点之间的连线距离，获得对应的视电阻率；

通过改变发射线圈与接收线圈连线中心点之间的连线距离来观测近场磁偶源电磁场的二次磁场垂直分量，获得与收发距离对应深度的视电阻率，在改变连续距离的同时连线的中点位置固定不变，其中，发射线圈与接收线圈之间的距离不超过近区范围；

所述近区是指电距离p<<1，p=r/δ，其中r为观察点到偶极源中心的距离，观察点即接收线圈的位置，偶极源中心即发射线圈的位置，δ为趋肤深度，

σ为介质的电导率，μ为介质的磁导率，ω为发射线圈的发射信号的角频率。

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